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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen hochviskoser und stichfester Massen aus einem Behälter sowie die Vorrichtung dafür.
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Das System ist als Konkurrenzprodukt für Fassentleerungspumpen, die zusammen mit einer Presse betrieben werden, gedacht. Es kann auch bei flüssigeren Massen, die keine Presse benötigen, eingesetzt werden. Es ist auch ein Konkurrenzprodukt für Pumpen, die einen Behälter mit Trichter von unten entleeren bzw. in deren Trichter die zu pumpende Masse geschüttet wird. Es kann auch Systeme ersetzen, bei denen eine Masse wie z. B. Butter zuerst in einer Doppelspindelpumpe plastifiziert und dann weiter gepumpt wird. Das System kann auch als Alternative zum Umschütten mittels eines Hebekippers verwendet werden. Mit diesen wird z. B. Teig in eine Trichterpumpe geschüttet. Ich denke insbesondere an das Pumpen von Massen wie Harz, Silikon, Pasten, Fett, Kleber, Brot-, Keks- und Nudelteig, Marzipan, Gebäckfüllungen, mein Dichtmittel, Cremes und Butter bei z. B. 5°C.
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Wenn eine Pumpe etwas Masse gepumpt hat, dann entsteht in der Pumpe im Bereich des Pumpeneintritts ein Unterdruck, wodurch weitere Masse angesaugt wird. Dieser Unterdruck reicht aber nicht immer aus. Es kann Kavitation auftreten, welche schädlich für die zu pumpende Masse ist und die Pumpe zerstören kann. Unter Umständen kann gar nichts gefördert werden.
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Bei Massen, die noch von alleine fließen können (z. B. weiches Fett, Kleber oder Ausgleichsmassen) kann man eine Exzenterschneckenpumpe mit einem verlängerten Pumpwerk – eine sogenannte Eintauchpumpe – in die Masse tauchen. Der Pumpeneintritt wird mit einem kurzen Distanzstück dicht vor dem Behälterboden gehalten. Für ein gleichmäßiges Hinunterdrücken der zu pumpenden Masse kann man eine Platte, die auch Folgeplatte genannt wird, auf der Masse schwimmen lassen. Diese Platten sind in der Regel kreisrund und haben in der Mitte ein Loch durch welches das Pumpwerk der Pumpe geschoben wird. Die Platte umschließt es und wird dadurch geführt. Durch den entstehenden Unterdruck wird die Masse gleichmäßig von der Platte nach unten gedrückt. Der Behälterboden und die Stützen für das Distanzstück bilden aber Engpässe, welche zähe Massen (z. B. Teig) am Fließen hindern.
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Bei Massen, die nicht von alleine fließen können (z. B. Vaseline) oder bei Massen, in welche die Pumpe nicht hinein getaucht werden kann (z. B. Tomatenmark), kann die Platte auf der Höhe des Pumpeneintritts an der Pumpe befestigt werden. Die Luft, welche zwischen der Platte und der Masse ist, wird vor dem Pumpen der Masse von einer separaten Pumpe abgesaugt. Ihr Eintritt ist bei manchen Herstellern zwischen der Unterseite der Platte und dem Eintritt in die eigentliche Pumpe. Bei anderen Herstellern wird die Luft an der Platte abgesaugt. Die Pumpe drückt über die Platte mit ihrem Gewicht auf die Masse. Dadurch wird die Masse zum Pumpeneintritt gedrückt. Beim Pumpen der Masse wird die Pumpe zusammen mit der Platte nach unten geführt. Bei sehr zähen Massen reicht das jedoch nicht aus. Es ist dann ein zusätzlicher Druck durch eine Presse erforderlich, um die Masse in die Pumpe zu bekommen. Das Prinzip habe ich in der dargestellt.
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Es ist schwierig, die maximale Viskosität anzugeben, bis zu welcher ohne Presse gearbeitet werden kann, da sie vom Gewicht der Pumpe, der Behältergröße und auch von der Förderleistung der Pumpe abhängt. Bei einer niedrigen Förderleistung hat die zu pumpende Masse mehr Zeit zu strömen als bei einer hohen Förderleistung.
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Die Pressen sind teuer, sie können nicht mobil eingesetzt werden, sie haben einen unnötig hohen Stromverbrauch, und es werden je nach Druck sehr stabile Behälter benötigt.
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Alternativ werden sehr zähe Massen (z. B. Teig) in einem weiteren Arbeitsschritt in eine Trichterpumpe mit Rachen geschüttet. Dafür werden meistens Hebekipper verwendet. Beim Umfüllen der Masse kann Luft eingeschlossen werden. Die vollständige Entleerung des Trichters kann problematisch sein. Generell kann nicht nur an den schrägen Wänden sondern auch an senkrechten Wänden etwas hängen bleiben. Bei stichfesten Massen ist ein Nachdrücken kaum zu vermeiden und mit der Arbeitssicherheit nicht zu vereinbaren. Bei manchen Massen sind Brückenbrecher und Zuführschnecken erforderlich, damit sie in die Pumpe gelangen können. Auch in den Behältern, in denen z. B. der Teig angerührt wurde, bleibt etwas Masse zurück. Für die zurück bleibende Masse sind Herstellungskosten angefallen, und sie muss unter Umständen entsorgt werden.
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Bei einer Teigmenge von z. B. 400 Liter ist bei Verwendung eines Hebekippers ein entsprechend großer und stabiler Trichter erforderlich, in dem das Nachrutschen aufgrund ungünstiger Winkel problematisch sein kann. Deshalb kann es vorkommen, dass nur kleinere Mengen in einem Teigkneter angesetzt werden. Die Massen können mit meinem System gleichmäßiger umgeladen werden. Deshalb kann bei Verwendung meines Systems unter Umständen eine größere Menge in den Teigknetern angesetzt werden. Das führt zu Einsparungen. Mein System ist mobil und bei unterschiedlichen Höhen der folgenden Maschinen einsetzbar. Die Hebekipper hingegen sind für eine bestimmte maximale Höhe ausgelegt. Da die Massen mit meinem System direkt aus den Fässern gepumpt werden können, kann das System auch einen Hebekipper und eine Trichterpumpe gleichzeitig ersetzen. Dasselbe gilt natürlich auch bei anderen Massen wie Kleber, Fett etc., die ein externer Hersteller dann in größeren Gebinden anbieten kann.
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Die folgenden Gedanken sind prinzipiell bei allen Pumpentypen, die für eine Behälterentleerung geeignet sind, anwendbar. Es werden sehr häufig Exzenterschneckenpumpen, Förderschnecken-Fasspumpen und Hubkolbenpumpen verwendet. Andere Pumpentypen können unter Umständen ebenfalls genommen werden. Wegen des Absenkens in die Behälter kann ein langes Pumpwerk vorteilhaft sein, damit die Anschlussleitungen leicht mitgeführt werden können.
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Förderschnecken-Fasspumpen werden meistens nur bei Massen mit mittlerer Viskosität eingesetzt, da sie nicht so effektiv ansaugen können wie Exzenterschneckenpumpen. Außerdem ist bei ihnen der Rückfluss größer, wodurch kein großer Druck aufgebaut werden kann. Diese Probleme sind bei meiner Lösung kleiner geworden, da die Pumpen bei meiner Lösung grundsätzlich gar nicht mehr bzw. deutlich weniger stark ansaugen müssen. Jede Pumpe saugt zwar auch an, aber das ist hier nicht mehr so wichtig. Bei meiner Zielgruppe ist die Viskosität der Masse höher als üblich. Dadurch kann die Masse bei Verwendung einer Förderschnecken-Fasspumpe auch bei einer kleinen Drehzahl nicht so leicht aufgrund des Gegendrucks zurück strömen. Es kann ein höherer Druck aufgebaut werden. Es ist bekannt, dass Schneckenförderer Teig transportieren können, wenn der Teig in ihnen ist. Da die zu pumpende Masse mit meiner Entwicklung in die Pumpe geschoben wird, können Förderschnecken-Fasspumpen mit meiner Entwicklung z. B. auch Teig pumpen. Dasselbe kann natürlich auch bei anderen Massen zutreffen. Sie können deshalb teilweise die aufwendigeren und unter Umständen im Betrieb teureren Exzenterschneckenpumpen ersetzen.
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Ein Problem bei Förderschnecken-Fasspumpen kann sein, dass die Reibung der zu pumpenden Masse mit dem Stator größer sein muss als die Reibung der Masse mit der Förderschnecke. Aufgrund der veränderten Voraussetzungen kann ggf. der Spalt zwischen dem Stator und der Förderschnecke größer als üblich sein. Deshalb kann auch die Oberfläche des Stators rauer als üblich sein. Dadurch wird die Reibung zwischen der zu pumpenden Masse und dem Stator vergrößert.
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Für eine gründliche Reinigung kann man sie durchspülen oder ggf. demontieren. Das Problem mit der Reibung gibt es bei einer Doppelspindelpumpe, bei der 2 gegenläufige Spindeln ineinander greifen, nicht. Bei Exzenterschneckenpumpen und bei Hubkolbenpumpen gibt es dieses Problem ebenfalls nicht.
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Bei allen Lösungsvarianten meiner Entwicklung wird die zu pumpenden Masse schichtweise von oben nach unten zum Pumpeneintritt und ggf. auch in die Pumpe geschoben. Die dafür erforderliche Kraft wirkt immer nur in einem vergleichsweise günstigen Winkel auf nur eine kleine Menge der zu pumpenden Masse. Dafür ist nur eine relativ kleine Kraft erforderlich. Der Rest darf zunächst unverändert bleiben und wird mit dem weiteren Drehen der Platte bzw. des Schaufelrads zum und in den Pumpeneintritt geschoben.
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Aus dem Alltagsleben weiß man, dass man ein Paket gekühlte Butter kaum verformen kann, wenn man genau senkrecht auf die ganze Fläche einer der beiden größeren Flächen drückt. Man wird es kaum schaffen, Butter, die in einem Behälter ist, an einer freien Stelle durch senkrechtes Drücken auf die übrige Fläche nach oben steigen zu lassen. So ist das auch bei Systemen, bei welchen mit Unterdruck und eventuell Unterstützung durch eine Presse gearbeitet wird. Wenn bei den bekannten Systemen etwas Masse in die Pumpe gesaugt bzw. gedrückt werden soll, dann muss gleichzeitig auf der ganzen Fläche unterhalb der Platte Masse bewegt werden. Es ist dabei nicht möglich, Masse nur an einer Stelle weg zu drücken bzw. zu saugen. Ein Vakuum muss sofort aufgefüllt werden. Die Platte mit der Pumpe muss kontinuierlich zum Behälterboden gehen.
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Gekühlte Butter zum Beispiel kann man aber relativ leicht verformen, wenn man nur auf eine Kante drückt. Die Kraft wirkt dann auf eine viel kleinere Fläche. Die Masse wird dorthin ausweichen wo Platz ist. Wenn die Platte in einem Fass mit gekühlter Butter leicht schräg montiert ist, dann drückt sie mit dem Gewicht der Pumpe nur an einer Stelle auf den äußeren Rand der zu pumpenden Masse. An dieser Stelle wird die Butter zur Mitte des Fasses und damit zum Pumpeneintritt gedrückt. Beim Drehen der Platte wirkt dann das Gewicht der Pumpe auf eine relativ kleine, sich ständig verformende Fläche. Anfangs drückt die Platte nur auf den äußeren Rand der Masse. Mit dem Drehen der Platte bildet sich bei sehr zähen Massen ein Kegel in dessen Spitze die Pumpe ist. Es wird ständig neue Masse zum Pumpeneintritt und damit auch in die Pumpe gedrückt. Die Platte wird von einem eigenen Motor angetrieben. Bei dieser Version muss die Platte etwas oval sein, um den ganzen Querschnitt des Fasses auszufüllen. Es kann vorteilhaft sein, wenn der obere Teil der Platte waagerecht ist ( ). Derselbe Effekt tritt ein, wenn die Platte an der Pumpe fest fixiert ist, und diese leicht schräg in einem Kreis gedreht wird. Dabei ist aber der Spalt zwischen der Platte und dem Behälter größer. Deshalb wird diese Version nicht weiter betrachtet.
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Gegebenenfalls muss der Behälter gegen ein Mitdrehen gesichert sein. Die Pumpe muss sicher gegen ein Verdrehen aufgehängt sein. Sie kann solange fördern bis die untere Außenkante der Platte am Behälterboden angekommen ist. Der Pumpeneintritt kann etwas in die Masse hinein reichen. Dadurch kann die Masse, die unmittelbar unterhalb der Platte ist, leichter zum Pumpeneintritt gedrückt werden (Erklärung s. u.). Außerdem ist dann die Restmenge im Behälter um das Volumen dieses Teils kleiner. Die Restmenge am Behälterboden wird der zurückbleibende Kegel sein. Das Volumen eines geraden Kreiskegels ergibt sich aus V = 1/3·pi·r2·h. Eine Höhendifferenz von 1 cm würde demnach eine ebene Restmenge mit der Höhe von ca. 3,4 mm bedeuten. Wenn nur auf einer Seite ein Kegel gebildet wird, dann beträgt die Restmenge ca. 6 bis 7 mm. Gegebenenfalls kann man den in der waagerecht gestalteten Teil der Platte in einem kleineren Winkel ebenfalls etwas schräg nach unten gestalten und dadurch die Restmenge reduzieren.
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Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn eine oder mehrere Schaufeln an der Platte befestigt sind. In die Drehrichtung gebogene oder etwas versetzt vom Mittelpunkt oder in einer Kombination dieser beiden Möglichkeiten angebrachte Schaufeln benötigen ein kleineres Drehmoment als gerade, senkrecht auf die Masse treffende Schaufeln, da die Masse leichter zum Pumpeneintritt ausweichen kann, wenn die Schaufeln schräg auf die Masse treffen. Der Effekt ist so wie wenn man mit einem Messer über Butter (oder über Margarine) geht, um sie auf ein Brot zu schmieren. Man schiebt dann etwas Butter so vor dem Messer her, dass sie nach oben geht. Die Butter weicht dorthin aus wo Platz ist. In diesem Fall wird sie von der Platte und den Schaufeln in die Pumpe gelenkt. Damit können festere Massen gefördert werden, und der Behälter kann analog zur Erläuterung der (s. u.) weiter entleert werden.
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Es ist offensichtlich, dass man so z. B. Butter schichtweise von oben nach unten abtragen und zum bzw. in den Pumpeneintritt schieben kann. Die Pumpe wird wie üblich zusammen mit der Platte von oben nach unten geführt.
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Die Platte kann auch waagerecht gelagert sein ( ). Bei sehr zähen Massen ist dann aber ein größeres Drehmoment für den Antrieb der Schaufeln erforderlich. Die Schaufeln bilden dann ein Schaufelrad. Das Schaufelrad kann weiterhin ein fester Bestandteil der Platte sein, die von einem Motor gedreht wird. Das Schaufelrad kann aber auch drehbar in der Platte gelagert sein. Der Motor dreht dann nur das Schaufelrad dicht unterhalb der Platte um den Pumpeneintritt. In der wird es durch eine Aussparung in der Platte von dem zusätzlichen Motor angetrieben, den ich am Pumpwerk der Pumpe befestigt habe.
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Die Schaufeln können bis zur Behälterwand reichen. Hinter den Schaufeln darf in diesem Fall Luft sein. Sie müssen bei dieser Lösung nicht ansaugen. Die Luft kann nicht in die Pumpe gelangen, da die Masse von dem Schaufelrad zusammengedrückt wird.
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Bei einem von innen nach außen gleichbleibend hohen Schaufelrad würde außen mehr Masse weggenommen werden als innen. Diesen Stau kann man verringern, indem das Schaufelrad außen flacher als innen ist. Die Platte kann dann entsprechend leicht schräg von innen nach außen geneigt sein ( ). Dadurch wird die zu pumpende Masse auch leichter in die Mitte geschoben, da das Gewicht der Pumpe etwas schräg auf sie trifft.
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Auch wenn das Schaufelrad am Behälterboden angekommen ist kann noch etwas weiter gepumpt werden, da es auch bei der dann noch vorhandenen Menge einen Staudruck vor den Schaufeln gibt. Dieser Druck nimmt dann ab. Das Ausschalten der Pumpe kann über einen Sensor gesteuert werden, welcher ihn an einer Stelle vor dem Schaufelrad misst. Alternativ kann die Pumpe bei einem Kontakt mit dem Behälterboden über einen Kontaktsensor ausgeschaltet werden.
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Wenn das Schaufelrad von einem eigenen Motor angetrieben wird, kann es vorteilhafter sein, ein möglichst flaches (nur wenige Millimeter hohes) Schaufelrad mit einer höheren Drehzahl als ein größeres Schaufelrad mit einer niedrigeren Drehzahl zu verwenden. Das benötigte Drehmoment und die Restmenge im Behälter werden dadurch kleiner.
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Der Vorteil gegenüber den bekannten Systemen zum Pumpen von z. B. gekühlter Butter ist, dass die Butter nicht in einzelnen Blöcken, welche geschnitten, ein- und wieder ausgepackt werden müssen, gelagert werden muss. Für das Schneiden, das Verpacken und das Auspacken fallen Lohnkosten, Materialkosten und Kosten für die an der Verpackung hängen bleibende Butter an. Auch der Hersteller der Butter spart dadurch und kann sie deshalb günstiger verkaufen. Bei meiner Lösung kann z. B. ein 300 Liter Fass genommen werden. Außerdem ist der technische Aufwand zum Plastifizieren und Pumpen der Masse geringer.
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Ein System, das bei Butter funktioniert, funktioniert auch bei weniger hochviskosen Massen wie z. B. Kleber, Teig, Cremes etc. Bei diesen Massen kann das Schaufelrad kürzer gestaltet werden, wodurch ein kleineres Drehmoment erforderlich ist. Es ist schwierig eine klare Grenze anzugeben, ab wann man wie stark den Durchmesser des Schaufelrads reduzieren kann. Das hängt von der Viskosität, der Behältergröße, dem Gewicht der Pumpe und der Förderleistung ab. Bei allen Varianten sollten die Größe des Schaufelrads, das Drehmoment und die Drehzahl des Motors auf die zu pumpende Masse abgestimmt werden. Bei sehr zähen Massen wird man ein Schaufelrad mit einem größeren Durchmesser nehmen müssen als bei flüssigeren Massen, damit das Gewicht der Pumpe besser wirken kann.
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Die Theorie warum Massen, die ähnlich wie ein Teig sind, bei meiner Lösung mit einem kurzen Schaufelrad anfangen zu fließen, und warum es ohne Schaufelrad auch bei einer sehr gut ansaugenden Pumpe nicht funktioniert, ist etwas komplizierter und wird im folgenden Teil erklärt.
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Gemäß den Lehrbüchern ist zwar der Druck in einem geschlossenen Behälter überall gleich, man kann aber sehen, dass das bei sehr zähen Massen wie z. B. bei Butter nicht ganz stimmt. Es kann einige Zeit vergehen bis die zu pumpende Masse verformt wird und einen größeren Druck auf die Wände ausüben kann. Man kann das auch sehen, wenn Teig in einem Behälter ist. Es ist offensichtlich, dass der Druck der Platte auf den Teig größer ist als der Druck mit dem man ihn durch das Loch drücken kann, was einen dafür ausreichend großen Druck voraussetzt.
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Der Unterschied erklärt sich dadurch, dass der Druck der Platte senkrecht nach unten bis zum Behälterboden geht. Von dort geht gemäß dem 3. Newtonschen Axiom ein Gegendruck aus. Diese beiden Kräfte treffen sich. Die Masse muss zur Seite ausweichen. Sie wird dabei von den Scherkräften gebremst. Unterhalb des Lochs in der Platte treffen die resultierenden, deutlich schwächeren Kräfte jeweils waagerecht aufeinander. Von dort muss die Masse senkrecht nach oben in die Pumpe aufsteigen, wobei erneut Scherkräfte auftreten. Die Kräfte wirken stets geradlinig und nicht in einem Bogen. Sie wirken umso besser je geradliniger die Masse fließen kann. Bei den bekannten Systemen muss die Masse entgegen der über die Platte übertragenen Kräfte in die Pumpe steigen.
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Die Gegenkraft, die beim Saugen auftritt, kann man sich gut vorstellen, wenn man sich den umgekehrten Vorgang vorstellt – also wenn die Pumpe die Masse in den Behälter pumpt. Am offensichtlichsten ist das, wenn die Pumpe nahe am Behälterboden ist, da dieser nicht weggedrückt werden kann. Das Schaufelrad würde bei dieser Betrachtungsweise bewirken, dass die Masse nicht gegen den Behälterboden gepumpt wird, sondern dass sie zur Seite geleitet wird. Weiter oben bewirkt es, dass die bereits im Behälter vorhandene Masse nicht verdrängt werden muss. Diese Gegenkraft gibt es mit umgekehrtem Vorzeichen auch beim Saugen. Bei dieser Betrachtungsweise ist auch ersichtlich, dass es nicht ausreichend ist, wenn kein Schaufelrad verwendet wird und nur die Platte trichterförmig von innen nach außen geneigt ist, da die Gegenkraft beim Saugen weiterhin auftritt, und die Masse nur mit einer kleinen Kraft zur Mitte gedrückt wird.
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Das kurze Schaufelrad kann einen Staudruck vor dem Pumpeneintritt erzeugen und dadurch die Masse in die Pumpe befördern. Dann gibt es zunächst unterschiedliche Füllhöhen und ein Vakuum dicht unterhalb der Platte. Beim Ansaugen einer Masse wird eine Druckdifferenz erzeugt. Aufgrund dieser Druckdifferenz wird Masse, die unter einem höheren Druck steht, in einen Raum mit einem niedrigeren Druck gedrückt. Die zu pumpende Masse steht hier unter einem Druck, der größer als der im Vakuum ist, weil das Gewicht der Pumpe über die Platte auf die Masse drückt, und weil es eine Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck der Umgebung und dem Vakuum gibt. Das Vakuum wirkt wie eine zusätzliche Gewichtskraft auf die Platte und unterstützt somit die Wirkung der Gewichtskraft der Pumpe. Die Größe dieser zusätzlichen Kraft ergibt sich aus der Größe der ebenen Fläche des Vakuums – also nicht der Größe der Platte – und der Druckdifferenz. Beim Auffüllen dieses Vakuums drückt die Platte Masse von höheren Stellen zu tieferen Stellen. Masse, die neben dem Vakuum ist, kann auf geradem Weg in diesen leeren Raum gedrückt werden. Es ist offensichtlich, dass es leichter ist, etwas Masse in die Druckrichtung nach unten zu drücken als sie durch eine über Umwege wirkende Kraft in die entgegengesetzte Richtung nach oben zu drücken. Bei sehr zähen Massen macht das viel aus, denn bei ihnen sind die Scherkräfte viel größer als bei relativ flüssigen Massen. Die Schlussfolgerung ist, dass das Pumpen unterhalb der Platte beginnen sollte.
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Bei den bekannten Systemen ist die Bildung eines – vom Dampfdruck abgesehen – tatsächlich existierenden Vakuums unterhalb der Platte (Masse am Behälterrand bleibt stehen, es gelangt nur Masse von der Behältermitte in die Pumpe) nicht möglich, da das dabei entstehende Vakuum stärker ist als der von einer Pumpe erzeugbare Unterdruck. Außerdem müsste die Schwerkraft der Masse überwunden werden. Das kann man leicht erkennen, wenn man sich vorstellt, dass die Platte nicht nach unten bewegt werden kann, so dass ein geschlossener Behälter mit festen Wänden vorliegt, in welchen auch keine Luft eindringen kann. Es kann dann auch keine Flüssigkeit wie Wasser gepumpt werden. Bei meinem System würde so lange gepumpt werden, wie das Schaufelrad in der Masse ist.
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Bei den bekannten Systemen wird das Vakuum oberhalb der Unterseite der Platte erzeugt, denn es wird in der Pumpe erzeugt und nicht außerhalb. Somit ist die Kraft, die wie ein zusätzliches Gewicht auf die Platte wirkt, auf das Produkt aus der Druckdifferenz mal die Fläche des Inneren der Pumpe begrenzt. Die Gewichtskraft der Pumpe ist meistens größer als die aus diesem Vakuum resultierende Kraft. Der Druck auf die Platte muss so groß sein, dass die zu pumpende Masse in die Pumpe gedrückt wird. Außerdem muss bei den bekannten Systemen Masse auf der kompletten Fläche unterhalb der Platte gleichzeitig bewegt werden, wodurch die Scherkräfte größer sind.
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Bei einem kurzen Schaufelrad muss das Schaufelrad auch ansaugen. Wenn es gedreht wird, dann versucht es zunächst die Masse, welche vor den Schaufeln ist, vor sich her zu schieben. Aufgrund des Kontakts zu der sich darunter befindenden Masse bzw. zum Schluss zu dem Behälterboden und der Platte gibt es aber einen Widerstand, wodurch vor den Schaufeln ein Staudruck entsteht. Die Masse wird in die Mitte und von dort in die Pumpe geschoben, da dort Platz ist. Hinter den Schaufeln bildet sich zunächst ein leerer Raum. Je nach Größe und Form des Schaufelrads ist das ein kreis- oder ringförmiger Raum. Zwischen diesem leeren Raum und der ihn umgebenden Masse gibt es eine Druckdifferenz. Die umgebende Masse wird wie oben beschrieben in den freien Raum gedrückt. Hinter dieser Masse entsteht ein neues Vakuum, welches genauso aufgefüllt wird. Dieser leere Raum wandert durch das ganze System bis zur Behälterwand. Dadurch wird es ausreichend sein, wenn das Schaufelrad nur wenige Zentimeter lang ist, um auch ein großes Fass mit einer Masse, die ähnlich wie ein Teig ist, zu entleeren. Für die Verformung von z. B. Kuchenteig ist keine große Kraft erforderlich.
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Das Vakuum wird horizontal auf der ganzen Fläche wandern, da das analog zur Betrachtung weiter oben bei sehr zähen Massen die kleinsten Kräfte benötigt. Bei den meisten Massen wird das Gewicht der Pumpe zum Ausgleich der unterschiedlichen Füllhöhen unterhalb der Platte ausreichend sein. Die Masse kann stets geradlinig fließen. Dafür ist nur ein sehr kleiner Höhenunterschied erforderlich. Man kann das mit dem Plattdrücken eines kleinen Klumpens Teig vergleichen. Deshalb gibt es das Wandern auch bei sehr großen Systemen. Bei ihnen verteilt sich aber das Gewicht der Pumpe auf eine größere Fläche, wodurch der Druck auf die Masse kleiner ist, so dass ggf. ein größeres Schaufelrad gewählt werden muss. Alternativ kann auch die Platte schwerer gestaltet werden.
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Das Schaufelrad besteht aus mindestens 2 Schaufeln. Sie sind ähnlich wie bei einem Propeller angeordnet damit kein Biegemoment auftritt. Sie sollten wie eine Sichel leicht nach vorne gebogen oder schräg zur Drehrichtung – also etwas vom Mittelpunkt versetzt – oder in einer Kombination dieser beiden Möglichkeiten fixiert sein, denn die Masse kann leichter bewegt werden, wenn die Schaufeln schräg auf sie treffen. Unterhalb des Stators und ggf. der Platte sind die Schaufeln senkrecht, damit sie nicht gegen sie fördern. Im Bereich des Pumpeneintritts sollten sie so nach hinten geneigt sein, dass die Masse nach oben in die Pumpe geschoben wird. Bei einem kurzen Schaufelrad bietet es sich an, dass die Schaufeln bis zum Außenrand des Stators oder etwas darüber hinaus gehen. Eine Höhe von weniger als 1 cm kann ausreichend sein. Im Idealfall schiebt das Schaufelrad genau so viel in die Pumpe wie diese pumpen kann.
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Da das Schaufelrad grundsätzlich auch Masse von unten ansaugt, kann das problematisch sein. Deshalb bietet es sich bei einem kurzen Schaufelrad an, es trapezförmig zu gestalten. Die größere Seite ist dabei am Außenrand. Zur Mitte hin wird es schmaler. Es kann dann mehr Masse vom Außenrand mitgeführt werden als von unten angesaugt wird. Die überschüssige Masse füllt den Raum hinter dem Schaufelrad und erleichtert den Materialfluss. Es bietet sich auch hier an, dass die Unterseite der Platte zum äußeren Rand etwas gewölbt bzw. schräg nach unten verläuft. Dadurch wird die Restmenge im Behälter reduziert, und die Masse kann leichter zum Pumpeneintritt gedrückt werden ( ).
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Bei einer Exzenterschneckenpumpe ist das Schaufelrad Teil der Platte. Es ist empfehlenswert, das Schaufelrad an der Platte und nicht am Rotor zu befestigen, da es andernfalls ein Biegemoment in den Gelenken des Rotors bzw. einen höheren Druck gegen den Stator gibt.
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Bei einer Hubkolbenpumpe muss das Schaufelrad ebenfalls an der Platte montiert sein und von einem weiteren Motor angetrieben werden.
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Bei einer Förderschnecken-Fasspumpe rotiert die Förderschnecke immer so um ihre eigene Achse, dass ihr Mittelpunkt stets unverändert bleibt. Deshalb kann man an ihr problemlos ein Schaufelrad montieren, ohne dass es ein größeres Biegemoment im Betrieb gibt ( ). Es wird dann kein zusätzlicher Motor benötigt, und die Platte kann einfacher gestaltet werden. Dasselbe gilt für Doppelspindelpumpen.
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Es kann auch der Behälter anstelle des Schaufelrads bzw. der Platte gedreht werden. Das ist aber nicht vorteilhaft.
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Wenn das Schaufelrad bei einer Förderschnecken-Fasspumpe an der Förderschnecke befestigt ist und nicht über den äußeren Rand des Stators hinaus reicht, dann kann das Pumpwerk durch das Loch in der Platte geschoben werden. Wenn das Schaufelrad größer ist, dann muss das Loch in der Platte größer sein. Die Lücke kann durch eine weitere, fest am Pumpwerk montierte Platte geschlossen werden. Die beiden Platten müssen entsprechend positioniert werden. Die eigentliche Platte kann dann zuerst auf die zu pumpende Masse gelegt werden. Die dabei eingeschlossene Luft kann mittels manuellen Druck auf die Platte durch das Loch hinaus gedrückt werden. Die Massen, die mit diesem System vorzugsweise gepumpt werden, sind so zähflüssig, dass sie nicht so leicht über die Platte fließen. Dann kann die Pumpe auf die Platte abgesenkt werden und durch eine Sperre richtig positioniert werden. Die Platte kann z. B. mit einer Kette an der Pumpe befestigt werden, um sie zusammen mit der Pumpe wieder anheben zu können. Dann muss für das Anheben auch keine Druckluft unter die Platte gepumpt werden. Alternativ ist die Platte fest an der Pumpe befestigt und das Schaufelrad wird zum Schluss montiert. Die Luft muss dann vor dem Pumpen entweder abgesaugt oder durch eine verschließbare Öffnung hinaus gedrückt werden bzw. zum Anheben der Pumpe wieder hinein gepumpt oder gelassen werden. Dasselbe gilt bei Verwendung einer Doppelspindelpumpe.
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Bis hierhin habe ich Möglichkeiten aufgezeigt wie die zu pumpende Masse relativ leicht in die eigentliche Pumpe gefördert werden kann. Bei den Exzenterschneckenpumpen, den Förderschnecken-Fasspumpen und den Doppelspindelpumpen trifft der Massenstrom in ihnen senkrecht auf eine Wand, welche die Begrenzung zum Antrieb ist. Die Masse muss senkrecht zu dem daraus resultierenden Gegendruck in die Pumpenaustrittsöffnung und von dort in die angeschlossenen Leitungen gedrückt werden. Bei Massen, die ähnlich wie ein Teig sind, ist das noch kein größeres Problem. Allerdings werden die auftretenden Scherkräfte den Fluss der Masse bremsen, so dass es verbessert werden kann. Wir haben gesehen, dass es kein Problem ist, Butter zu verformen, wenn der Druck schräg auf sie wirkt. Entsprechend kann auch beim Pumpen von z. B. Teig der Gegendruck in der Pumpe reduziert werden, wenn an der Wand zum Motor bzw. am Stator eine Schräge ist, welche die Masse in die Pumpenaustrittsöffnung leitet ( ). Der waagerechte Teil der Schräge in der Zeichnung stellt ein Lager mit Abdichtung dar. Idealerweise geht diese Schräge über den ganzen Querschnitt. Wenn das nicht möglich ist dann muss die Schräge an der Wand sein, welche gegenüber von der Pumpenaustrittsöffnung ist. Von dort geht dann ein Druck senkrecht zur Förderrichtung aus, wodurch die Masse in die Pumpenaustrittsöffnung geleitet wird. Das schont die Pumpe, entlastet die Wellenabdichtung und senkt die Energiekosten. Alternativ kann z. B. auch die Verwendung einer Drehkolbenpumpe geprüft werden. Der Behälter muss dann natürlich so groß sein, dass die Pumpe zusammen mit dem Motor für das Schaufelrad hinein passt. Das ist z. B. beim Pumpen von Butter oder Marzipan möglich. Eine Drehkolbenpumpe würde man bislang nicht zum Pumpen von solch hochviskosen Massen einsetzen, da sie nicht ganz so gut wie Exzenterschneckenpumpen ansaugen können. Das ist hier aber nicht mehr so wichtig. Deshalb kann sie zusammen mit meiner Erfindung sinnvoll eingesetzt werden.
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Die meisten Massen muss man nicht unbedingt aus einem runden Fass heraus pumpen. Zur besseren Nutzung der Transport- und Lagerkapazitäten und ggf. auch zur weiteren Reduzierung der Rüstzeiten aufgrund größerer Behälter kann man ggf. auch eckige Behälter nehmen. Die Platte wird dabei natürlich nicht gedreht. Das Schaufelrad kann dann zwar nicht überall bis zur Behälterwand gehen, die von den Schaufeln nicht weg transportierte Masse steht dann aber durch die Gewichtskraft der Pumpe und dem Vakuum unterhalb der Platte unter einem vergleichsweise hohen Druck, so dass die meisten Massen dadurch vom Rand zur Behältermitte gedrückt werden.
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Die bei meinem System im Behälter zurück bleibende Masse ist vergleichsweise gering. Der technische Aufwand und die Anzahl an Arbeitsschritten (z. B. das Schneiden von Butter in Blöcke, das Ein- und Auspacken der Butter, der Energieaufwand, der Hebekipper für das Umschütten der Massen in eine Trichterpumpe) ist niedriger als bei den bekannten Systemen. Es kann mobil eingesetzt werden. Mein System wird meistens günstiger sein und kann die Nutzung größerer Behälter ermöglichen. Somit werden auch natürliche Ressourcen eingespart.
