DE102016003510A1

DE102016003510A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen.

Info

Publication number: DE102016003510A1
Application number: DE102016003510.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2017-09-21
Also published as: DE112017001426A5; DE112017001426B4; WO2017162226A3; WO2017162226A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen. Wie in 1 dargestellt, befindet sich ein Schlauchring (1) zwischen zwei Platten (5, 6), die orthogonal zu den Plattenebenen zueinander verschiebbar sind. Der Schlauchring (1) besteht aus dem elastomeren Schlauchteil (4) mit spiralförmiger Armierung und zwei ringförmigen Ankern (2) aus steifem Material, die mit (4) fest verbunden sind. Die Anker (2) sind in den Platten (5,6) formschlüssig gegen Verschiebung in den Plattenebenen fixiert. Der Schlauchring (1) und die Platten (5,6) schließen die Schlauchkammer (12) ein. Der Schlauchring (1) hat einen geschlossenen Innenraum (13). Die Räume (12) und (13) haben Zugangskanäle (8, 9) für das Arbeitsfluid. Die Zylinderkraft ergibt sich als Summe der Kräfte, welche von den Druckwerten (pK) und (pS) in Schlauchkammer (12) und Schlauchring (13) bewirkt werden. Bei den Druckrelationen pK > pA und pS > pK ergibt sich eine Zylinderkraft, die beide Platten auseinander bewegt (Vorlauf, Schließen der Filterpresse). Bei pK < pA und pS < pA bewegt die Zylinderkraft die Platten aufeinander zu (Rücklauf, Öffnen der Filterpresse). Die gegebene Abhängigkeit der Zylinderkraft von der Hubposition führt zu einer Stabilisierung der Parallelität der Platten zueinander. Die Vorrichtung funktioniert als doppeltwirkender Zylinder, dessen Zylinderkraft im Rücklauf wesentlich kleiner als im Vorlauf ist. Es findet kein Gleiten zwischen Schlauch und Platten statt. Die Vorrichtung ist kostengünstig herzustellen und benötigt geringen Bauraum in der Filterpresse.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen.
Üblich ist das Aufbringen der Schließkraft mittels Hydraulikzylinder. Hierzu sind bei großen Filterplatten und hohen Prozessdrücken große Schließkräfte erforderlich, was entsprechend große Hydraulikzylinder erfordert. Die Schließkraft ist nur in Schließrichtung und nur über einen Hub von wenigen Zentimetern erforderlich.
Die Nachteile bei Verwendung des Hydraulikzylinders für das Aufbringen der Schließkraft mit Hydraulikzylinder sind hohe Kosten für das Hydrauliksystem, der negative Einfluss auf die Länge der Filterpresse sowie die Gefahr der Kontamination mit Hydrauliköl, die im Lebensmittel- und Pharmabereich zur Unbrauchbarkeit der Produkte führen kann.
Die Europäische Patentschrift EP 0 833 685 B1 beschreibt die Nutzung von Druckluft in Verbindung mit Hubelementen (Schläuche und Luftkissen) zur Erzeugung der Schließkraft für eine Filterpresse mit vertikalem Plattenstapel. Hierbei werden elastische Hubelemente eingeschlossen, bei denen der Umfang des Querschnittes vom Druck abhängig oder unabhängig ist. Hubelemente mit druckabhängigen Umfang sind zum Beispiel Schläuche ohne Armierung. Diese halten nur geringen Drücken stand, so dass die erreichbaren Schließkräfte eher klein sind. Die Schließkraftcharakteristik bei Verwendung von druckunabhängigen Hubelementen gemäß der Patentschrift EP 0 833 685 B1 soll nachfolgend untersucht werden. Jede Filtereinheit besteht aus zwei zueinander parallelen Platten 103 und 104 (12) und einem Satz elastischer Schläuche. Die obere Platte 104 (Deckplatte) einer Filtereinheit ist gestellfest. Die darunter liegender Platte 103 (Filterplatte) der betrachteten Filtereinheit ist orthogonal zu den Plattenebenen verschiebbar. Die Platte 103' stellt die Platte 103 in der Öffnungsposition dar. Unterhalb der verschiebbaren Filterplatte befinden sich mehrere zueinander parallele Schlauchstücke, die sich auf der gestellfesten Deckplatte 105 der darunter liegenden Filtereinheit abstützen. Wenn der Druck in den Schläuchen ausreichend niedrig ist, senkt sich die Filterplatte 103 infolge ihres Eigengewichtes ab, wobei sich die Schläuche abplatten, und gibt die Filterkammer für den Kuchenaustrag frei. Wenn der Druck in den Schläuchen erhöht wird, üben die an der Unterseite der Filterplatte anliegenden Flächen der Schlauchwandung eine Kraft in vertikaler Richtung auf die Filterplatte 103 aus. Infolge dessen wird die Platte nach oben bewegt, die Filterplatte legt sich an die elastische Dichtung der Deckplatte an und schließt somit die Filterkammer. Die Umrisse 102 und 102' des Schlauches repräsentieren die Kontur eines Schlauches bei unterschiedlichen äußeren Kraftangriffen. Der Umriss 102' des maximal abgeflachten Schlauches besteht aus zwei geraden Strecken, die an Filterplatte 103' und Deckplatte 105 anliegen, und zwei Halbkreisen mit dem Durchmesser w_min. Der Umriss 102 ergibt einen Kreis mit dem Durchmesser D_S, wenn keine äußere Kraft auf den Schlauch einwirkt. Wenn der Umfang des Schlauchquerschnittes aufgrund seiner Armierung vom Schlauchdruck p vernachlässigbar gering ist und die Biegesteifigkeit für Momente in Längsachse des Schlauches gering ist, dann ergeben sich aus der Geometrie die Beziehungen Bild 12 (1) bis (4).
Die mit der Vorrichtung EP 0 833 685 B1 erzeugte Kraft hat gemäß Beziehungen (3) und (4) eine degressive Kennlinie des Quotienten F_S/F_Smax über Hubposition h. Die Kraft F_S fällt linear mit der Hubposition h und erreicht bei h_max den Betrag null. Die Erzeugung der Schließkraft mit der Vorrichtung nach EP 0 833 685 setzt also voraus, dass die Schließposition bei relativ kleinen Beträgen h/D_S erreicht ist. Da jedoch für den Kuchenaustrag ein Mindestwert für die lichte Weite zwischen den Platten 103 und 104 erforderlich ist, muss der Schlauchdurchmesser D_S entsprechend groß gewählt werden. Die Schläuche der Vorrichtung EP 0 833 685 B1 erzeugen die Kraft lediglich in einer Richtung, der Vorlaufrichtung. Der Rücklauf erfolgt über die Gewichtskraft der verschiebbaren Platte 103 und des Filterkuchens, was die vertikale Anordnung der Filtereinheiten voraussetzt. Diese Voraussetzung ist bei den üblichen Kammerfilterpressen mit horizontalem Filterplattenstapel nicht gegeben. Die gleiche Bewertung hinsichtlich Kraftrichtung und Kennlinie trifft auf die Druckkissen zu, die unter der Bezeichnung Hebekissen für den Einsatz bei Havarien im Handel sind.
Die vorstehend für den Hydraulikzylinder und für das Patent EP 0 833 685 B1 genannten Nachteile begründen die Suche nach einer vorteilhafteren Lösung für die Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen.
Die Aufgabenstellung wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

1. Vorrichtung zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) ein als Schlauchkammer bezeichneter geschlossener Raum (12), der durch zwei zueinander parallele Platten (5, 6) sowie einen zwischen den Platten (5, 6) befindlichen und an den Platten (5, 6) anliegenden Schlauchring (1) gebildet ist, dessen Rotationsachse (15) orthogonal zu den Plattenebenen liegt,
b) der Schlauchring (1) besteht aus dem elastomeren Schlauchkörper (4), der spiralförmigen Armierung (3) des elastomeren Schlauchkörpers (4) und zwei ringförmigen Ankern (2) aus steifem Material, die mit dem Schlauchkörper (4) fest verbunden sind, wobei der Schlauchkörper (4) und die Anker (2) Rotationskörper mit identischer Rotationsachse (15) sind,
c) die Anker (2) sind mit den Platten (5, 6) formschlüssig und/oder durch Verbindungselemente derart fest verbunden sind, dass eine Verschiebung der Anker (2) parallel zu den Plattenebenen ausgeschlossen ist,
d) die Platten (5, 6) sind orthogonal zu den Plattenebenen zueinander verschiebbar,
e) die Schlauchkammer (12) und der Schlauchraum (13) haben Anschlüsse (8, 9) für die Zu- und Ableitung eines Arbeitsfluides,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Grenzlagen der zulässigen lichten Weite zwischen den Platten (5, 6) durch Anschläge (18, 18') eingehalten werden, die in den von dem Schlauchring (1) nicht belegten Eckbereichen der Platten (5, 6) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zwei Schlauchringe (1) und drei Platten (6, 7) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die spiralförmige Armierung (3) des elastomeren Schlauchkörpers aus Kohlenstoff-Filamentgarn oder Aramid-Filamentgarn besteht.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Härte des elastomeren Materials zwischen Anker (2) und Armierung (3) partiell im Bereich der Anker (2) einen höheren Betrag aufweist als die des übrigen elastomeren Schlauchkörpers (4).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Arbeitsfluid Luft ist.
7. Verfahren zur Erzeugung der Schließkraft von Kammerfilterpressen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Bereitstellung einer Vorrichtung gemäß Ansprüche 1 bis 6, wobei
b) für die Hubrichtung Vorlauf (Schließen der Filterpresse) die Druckrelationen p_K > p_A und p_S > p_K hergestellt werden, hierbei bedeuten p_K-Druck in der Schlauchkammer, p_A-atmosphärischer Druck, p_S-Druck im Schlauchring,
c) für die Hubrichtung Rücklauf (Öffnen der Filterpresse) die Druckrelationen p_K < p_A und p_S > p_A hergestellt werden.

Wirkungsweise und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, die hier auch als Schlauchkammerzylinder bezeichnet wird, werden nachfolgend anhand der 1 bis 11 beschrieben.
Dabei zeigen:
1: Ausführungsform des Schlauchkammerzylinders, b) und c) sind Meridianschnitte.
2: Meridianschnitt des Schlauchkammerzylinders in seinen Grenzlagen (schematisch).
3: Schlauchringsektor (schematisch).
4: Zylinderkraft F des Schlauchkammerzylinders in Abhängigkeit der Hubposition h im Vorlauf (nach Gleichung (2 bis 4)).
5: Radialkraft ΔR für einen Schlauchkammersektor von ΔΨ = 1° in Abhängigkeit der Hubposition h im Vorlauf (nach Gleichungen (5, 6.1 bis 6.4, 7.1 bis 7.4 und 8).
6: Zylinderkraft F des Schlauchkammerzylinders in Abhängigkeit der Hubposition h im Rücklauf (nach Gleichungen (2 bis 4)).
7: Meridianschnitt des Schlauchringes mit geradlinigem Verlauf der Armierungsfaser im Bereich der Anker.
8: Räumliche Darstellung des Schlauchringes mit geradlinigem Verlauf der Armierungsfaser im Bereich der Anker.
9: Räumliche Darstellung des Schlauchringes mit konstanter Krümmung der Armierungsfaser.
10: Duplex-Schlauchkammerzylinder mit zwei Schlauchringen und drei Platten.
11: Anschläge für die Grenzlagen des Schlauchkammerzylinders und Arretierung der gestellfesten Platte (schematisch).
Wiederkehrende Merkmale sind in allen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
In 2 ist die schematische Darstellung eines Meridianschnittes durch den Schlauchkammerzylinder gezeigt. Zwischen zwei zueinander parallelen Platten 10 und 11, die in Richtung der Plattennormalen zueinander verschiebbar sind, befindet sich ein Schlauchring 1. Die innen- und außenliegenden Flächen des Schlauchringes sind Rotationsflächen, die durch Drehung der Profilkurven des Schlauchringes um die Rotationsachse 15 entstehen. Die Meridianebene, welche die Rotationsachse 15 enthält, schneidet aus dem Schlauchring ebene Kurven aus, die hier als Schlauchringprofil bezeichnet werden.
Das Schlauchprofil hat zwei zueinander orthogonale Symmetrieachsen. Der Abstand zwischen der Rotationsachse 15 und der zu dieser parallelen Symmetrieachse ist der Halbmesser D/2 des Schlauchringes. Der Schnitt des Schlauchringes durch Ebenen parallel zu den Platten 10 und 11 ergibt Kreislinien, die hier als Höhenlinien bezeichnet werden.
Dargestellt sind die zwei Grenzlagen, die durch die zulässigen lichten Weiten w_min und w_max zwischen den Platten bestimmt werden. Mit Bezug auf die Hauptrichtung der Kraftwirkung werden diese Grenzlagen als Anfangslage und als Endlage bezeichnet. Die Bewegung von der Anfangslage in die Endlage wird Vorlauf und die umgekehrte Bewegungsrichtung wird Rücklauf genannt.
Die Anfangslage wird definiert durch die gestellfeste Platte 10 und die verschiebbare Platte 11, die Profilabschnitte des Schlauchringes mit den Bögen HCJ und IDK, die an den Platten anliegenden Streckenabschnitte AH, EJ, BI und GK sowie die Profilabschnitte AB und EG. Die Profilabschnitte AB und EG sind mit dem Bezugszeichen 20 versehen und symbolisieren die in 1 dargestellten, zum Schlauchring 1 gehörenden Anker 2, welche durch Formschluss die Verschiebung des Schlauchringes 1 parallel zu den Platten 5 und 6 unterbinden. Beim Übergang von der Anfangslage in die Endlage bewegen sich die Punkte A bis K in die Positionen A' bis K'.
Die Platten 10 und 11 und der Schlauchring 1 bilden einen geschlossenen Raum 12, der als Schlauchkammer bezeichnet wird und in welcher der absolute Druck p_K des Arbeitsfluides vorliegt. Der Schlauchring enthält einen Raum 13 mit dem absoluten Druck p_S des Arbeitsfluides. Auf den Bogen IDK sowie allen Plattenoberflächen des Außenraumes 14 wirkt der Druck p_A der freien Atmosphäre.
In der Endlage nimmt die verschiebbare Platte 11 die Position 11' ein und aus den Bögen HCJ und IDK werden die Bögen A'C'E' und B'D'G'. Die Punkte C und D des Schlauchringes gehen in die Positionen C' und D' über. Damit ist eine Vergrößerung des Abstandes C und eine Verringerung des Punktes D von der Rotationsachse 15 verbunden, so dass sich die durch die Punkte C und D verlaufenden Höhenlinien verkürzen bzw. verlängern. Dies ist mit positiven bzw. negativen Dehnungswerten verbunden. Hierzu analog kann für alle anderen Punkte des Schlauchringprofils das Dehnungsverhalten beschrieben werden. Das Dehnungsverhalten eines Punktes des Schlauchringprofils ist identisch dem aller Punkte der Höhenlinie, welche durch den betrachteten Punkt verläuft. Die mit diesen Dehnungen verbundenen Spannungen werden ausschließlich durch den Elastizitätsmodul des elastomeren Schlauchkörpers 4 des Schlauchringes 1 bestimmt. Sie werden unter der Voraussetzung einer konstanten Umfangslänge des Schlauchringprofils nicht durch die in den 8 und 9 gezeigte spiralförmige Armierung 3 des Schlauchringes 1 beeinflusst.
Die inneren und äußeren Ränder der kreisringförmigen Kontaktfläche zwischen Schlauchring 1 und Platten 10 und 11 sind während der Hubbewegung einer Änderung ihrer Durchmesser unterworfen. Die in der Meridianebene liegenden Tangenten an das Schlauchprofil in allen Punkten jener Höhenlinie, die sich im Abstand null zur Platte befindet, verlaufen parallel zu den Platten. Deshalb haben diese Punkte in dem Zustand des Aufsetzens auf die Platte oder Abhebens von der Platte keine radial gerichtete Bewegungskomponente. Demnach ist festzustellen, dass bei der gesamten Hubbewegung kein der Geometrie geschuldetes Gleiten zwischen Schlauchring und Platten stattfindet.
Der Schlauchring 1 ist spiralförmig mit einer steifen, festen Faser armiert, weshalb der Umfang des Schlauchprofils näherungsweise konstant ist. Als Armierungsfaser kommt beispielsweise Filamentgarn aus Aramiden oder Kohlenstoff infrage. Diese innerhalb der Schlauchringwandung befindliche spiralförmige Armierung erhöht nur wenig die Biegesteifigkeit der Schlauchringwandung. Somit werden die Bögen HCJ und IDK des Schlauchprofils in allen Phasen ihrer Verschiebung von der Hubposition h = 0 zu h = h_max näherungsweise kreisbogenförmig sein und bei h_max schließlich in die Bögen AC'E' und BD'G' überführt sein. Hierbei ist vorausgesetzt, dass der Druck p_S größer ist als die Drücke p_A und p_K. Beide Sachverhalte, kreisbogenförmige Schlauchwandbögen und Konstanz des Umfangs des Schlauchprofils werden für die folgende Abschätzung der Zylinderkraft F und der Radialkraft ΔR vorausgesetzt.
In Schlauchkammer 12, Schlauchring 13 und Außenraum 14 herrschen die Drücke p_K, p_S und p_A. Diese Drücke beaufschlagen die Innen- und Außenflächen des Schlauchringes und der Plattenflächen und verursachen sowohl Kräfte orthogonal zu den Plattenebenen als auch parallel zu den Plattenebenen. Mit den vorgenannten Voraussetzungen gelten die Beziehungen: πw_max + 2a = 2g + π(w_min + h) (1) und w_max – w_min = h_max. (2)
Aus (1) und (2) folgt: g = π / 2(h_max – h) + a, wobei 0 ≤ h ≤ h_max. (3)
Die Anlageflächen des Schlauchringes sind Kreisringflächen mit den Durchmessern (D – g) und (D + g). Diese werden mit dem Druck p_S beaufschlagt. Auf die Kreisflächen mit den Durchmessern (D – g) wirkt der Druck p_K. Hieraus folgt die Zylinderkraft F als Summe zweier Teilkräfte: F = πDg(p_S – p_A) + π / 4(D – g)²(p_K – p_A). (4)
Die Drücke p_S und p_K in Gleichung (4) können sich nur aufbauen, wenn entsprechende Reaktionskräfte an den Platten (10) und (11) der Zylinderkraft F das Gleichgewicht halten. Insofern ist F als maximal mögliche Kraft bei gegebenen Drücken p_A, p_S und p_K zu interpretieren.
3 zeigt einen Schlauchringsektor in schematischer Darstellung. Für die Kraft in radialer Richtung sind die Mantelflächen des Schlauchringes zu betrachten, welche zu den Plattenebenen orthogonale Flächenanteile aufweisen. Der Schlauchring ist ein Rotationskörper, dessen halbkreisförmige Mantelflächen über die Guldinsche Regel bestimmbar sind. Der Abstand zwischen Linienschwerpunkt des Halbkreises mit dem Radius ρ und seinem Mittelpunkt beträgt: e_s = 2 / πρ (5)
Bei den radial gerichteten Kräften ist die Verkleinerung der im Schlauchinneren wirksamen Fläche durch die Wanddicke s des Schlauchringes zu berücksichtigen. Die Radialkraft setzt sich aus vier Komponenten zusammen, die mit den Ziffern 1 bis 4 radial von außen nach innen aufsteigend indiziert werden.
Die Bogenradien ρ sind: ρ₁ = 1 / 2(w_min + h) (6.1) ρ₂ = 1 / 2(w_min + h – 2s) (6.2) ρ₃ = 1 / 2(w_min + h – 2s) (6.3) ρ₄ = 1 / 2(w_min + h). (6.4)
Für die Abstände der Linienschwerpunkte von der Rotationsachse 15 gilt mit (5): r₁ = 1 / 2(D + g) + 2 / πρ₁ (7.1) ^r2 = 1 / 2(D + g) + 2 / πρ₂ (7.2) r₃ = 1 / 2(D – g) – 2 / πρ₃ (7.3) r₄ = 1 / 2(D – g) – 2 / πρ₄. (7.4)
Die Radialkraft ΔR für den Schlauchringsektor mit dem Mittelpunktwinkel ΔΨ ergibt sich aus den Gleichungen (6) und (7) unter Beachtung der Kraftrichtung als Summe der aus den vier Flächen herrührenden Kraftkomponenten: ΔR = π(–r₁ρ₁p_A + r₂ρ₂p_S – r₃ρ₃p_S + r₄ρ₄p_K)Δψ. (8)
Jeder der beiden Bögen des Schlauchringprofiles wird jeweils von der konvexen und konkaven Seite mit Druck beaufschlagt. Würden die Bögen des Schlauchprofiles eine gegen null gehende Biegesteifigkeit besitzen, müsste als Bedingung für die Stabilität der Profilform gelten: r₂ρ₂p_S ≥ r₁ρ₁p_A (9) und r₃ρ₃p_S ≥ r₄ρ₄p_K. (10)
Tatsächlich hat die Schlauchringwandung eine gewisse Steifigkeit und darüber hinaus wirkt die Formstabilität, ähnlich der Wirkung einer Sicke. Deshalb liegen die Bedingungen (9) und (10) hinsichtlich der Stabilität des Schlauchringprofils auf der sicheren Seite. Genauere Aussagen kann die Finite-Elemente-Methode (FEM) liefern.
Aus der Seitenlänge L der quadratischen Filterplatten leitet sich der Rotationsdurchmesser D des Schlauchringes ab. Hierbei ist der Rotationsdurchmesser D des Schlauchringes so zu bemessen, dass in der Ausgangslage bei einem Hub null der Punkt D nicht über die Plattenkante hinaus ragt: D = L – π / 2h_max – w_min. (11)
Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass das Filterpressengestell einen Überstand und somit einen größeren Rotationsdurchmesser D zulässt. Falls die Filterplatten nicht quadratisch sind, ist für L die kleinere Kantenlänge der Platte anzusetzen.
Die lichte Weite w_min muss aus geometrischem Grund mindestens das Zweifache der Wanddicke des Schlauchringes betragen. Ein größerer Wert ist mit Rücksicht auf die Beanspruchung des Schlauchringes erforderlich. Die Beziehungen (1) und (2) setzen voraus, dass die maximale lichte Weite w_max dem Außenradius der äußeren Halbmesser des Bogens in der Hubposition h_max entspricht. Sollte die Hubposition h nicht auf diesen Wert begrenzt werden, dann entsteht eine Kraft, welche die Anker aus den Plattennuten zieht anstatt diese anzupressen. 11 zeigt einen Anschlag 18 zur Begrenzung von w_min und w_max in schematischer Darstellung. Platz zur Anordnung der Anschläge ist in den freien Eckbereichen der quadratischen Platten 5 und 6 gegeben (1).
Den in den 4, 5 und 6 gezeigten Diagrammen liegen die Gleichungen (3), (4) und (6) bis (8) und (11) zugrunde. Die gewählten Parameter sind den Diagrammen zu entnehmen. Die Parameter sind beispielhaft und nicht auf eine spezielle Anwendung zugeschnitten.
Das Diagramm in 4 zeigt die Zylinderkraft F über der Hubposition h für verschiedene Kantenlängen der Platte. Da die Drücke im Innenraum des Schlauchringes und in der Schlauchkammer größer sind als der Druck im Außenraum (atmosphärischer Druck), ist die Zylinderkraft so gerichtet, dass sie die lichte Weite zwischen den Platten vergrößert, also den Vorlauf bewirkt. Bei Inanspruchnahme des maximalen Hubes h_max steht der niedrigste Betrag der Kurve F(h) als Schließkraft der Filterpresse zur Verfügung.
Das in 5 gezeigte Diagramm zeigt die Radialkraft ΔR über der Hubposition h für verschiedene Kantenlängen der Platte. Die Radialkraft bezieht sich auf einen Schlauchringsektor mit dem Mittelpunktwinkel ΔΨ = 1°. Die übrigen Parameter sind die gleichen wie in 3. Die Radialkraft erreicht ihr Maximum bei maximalem Hub. Mit Gleichung (11) ergibt sich beispielsweise für eine Platte der Kantenlänge 1,5 m ein Rotationsdurchmesser D = 1313 mm, woraus für den Schlauchringsektor mit ΔΨ = 1° eine Bogenlänge von 11,5 mm folgt, auf der eine begrenzte Anzahl Windungen der spiralförmigen Armierungsfaser unterzubringen sind. Zwischen diesen Windungen über das einbettende Elastomer hin zum Anker ist über die Länge a (7) die Kraft ΔR zu übertragen, wobei sich diese auf zwei Ankersektoren und auf die Anzahl n Armierungswindungen verteilt, die auf den Mittelpunktwinkel ΔΨ entfallen.
Die größte Kraft in radialer Richtung wirkt auf den äußeren Bogen B'D'G' in der Hubposition h_max beim Aufbringen der Schließkraft. In Anlehnung an Gleichung (8) ergibt sich hierfür die Zugkraft Z_max in einer Armierungsfaser: Z_max = π(–r₁ρ₁p_A + r₂ρ₂p₂) Δψ / 2n (12)
Ergänzend hierzu gelten die Gleichungen (6.1), (6.2), (7.1) und (7.2). Der Kraft Z_max muss die Armierungsfaser standhalten.
Darüber hinaus muss der der Abstand benachbarter Windungen so gering sein, dass der Schlauchdruck nicht zu einem Aufblähen des zwischen zwei Windungen liegenden elastomeren Materials führt. Dies ist mittels FEM berechenbar.
Das Diagramm in 6 zeigt die Zylinderkraft F über der Hubposition h für gleiche geometrische Parameter wie 5, jedoch andere Drücke p_S und p_K. Der Unterdruck in der Schlauchkammer bewirkt den Rücklauf des Schlauchkammerzylinders, allerdings bei wesentlich geringeren Zylinderkräften als der Vorlauf zulässt, weil der Betrag des Unterdruckes naturgemäß wesentlich geringer ist als der Überdruck p_K in der Schlauchkammer.
In 7 und 8 dargestellt ist eine bevorzugte Ausführung des Schlauchringes. Über die Bemessung der Ankerbreite a und des Abstandes f zwischen Armierungsfaser und Anker ist die Übertragung der Radialkraft ΔR von der Faser auf die Anker optimierbar. Die Tangente an den Bogen im Berührungspunkt des Schlauchbogens mit der Plattennut verläuft parallel zur Plattenebene, was sich für die Anlage des Schlauches an die Platten vorteilhaft auswirkt.
Dargestellt ist in 9 ein kreisrundes Schlauchprofil, welches im Allgemeinen besser herstellbar ist als die Ausführung gemäß 8, jedoch die dort genannten Vorteile nicht hat.
Die schematische Darstellung des Schlauchkammerzylinders in 11 enthält keine Vorrichtung zur seitlichen Führung der Platten. Bei Verwendung des Schlauchkammerzylinders für das Verschließen der Kammerfilterpresse kann man davon ausgehen, dass für die seitliche Führung der Platten 10 und 11 die gleichen Vorrichtungen verwendbar sind wie sie für die Filterplatten verwendet werden. In der Verschließposition ist die Ausrichtung von Platte 10 an der Arretierung 17 und von Platte 11' am Filterplattenpaket 19 gegeben. In der Hubrichtung Vorlauf stützt sich Platte 10 an der Arretierung 17 ab. Bei reibungsbedingtem außermittigem Kraftangriff an Platte 11 wirkt der Funktionsverlauf F = F(h) (4) ausgleichend, weil die Schrägstellung von Platte 11 gegenüber Platte 10 zu einer Verlagerung des Angriffspunktes der Zylinderkraft F derart führt, dass die Schräglage vermindert wird.
In der Hubrichtung Rücklauf tritt die gleiche stabilisierende Wirkung wie im Vorlauf aufgrund des Funktionsverlaufes F = F(h) (6) ein. Im Rücklauf ist die Anlagekraft der Platte 10 an der Arretierung 17 negativ (11).
Grundsätzlich wird bei Nichtparallelität der Platten 5 und 6 während des Vor- und Rücklaufes der Schlauchring nicht geschädigt.
Die für den Schlauchkammerzylinder beschriebene stabilisierende Wirkung gilt auch für den in 10 gezeigten Duplex-Schlauchkammerzylinder. Dieser ermöglicht durch Reihenschaltung zweier Schlauchkammerzylinder eine Verdopplung des maximalen Hubes h_max. Aufgrund ihrer Reihenschaltung stellt sich in beiden Zylindern bei gleichen Druckverhältnissen eine gleichgroße Zylinderkraft F ein. Weil für beide Zylinder die Kennlinie F = F(h) identisch ist und deren Anstieg nicht null ist (4 und 6), kommt es während des Vor- und Rücklaufes prinzipiell zu einer ausgleichenden Wirkung der Hubpositionen beider Zylinder. Die Einhaltung einer bestimmten Schließkraft ist mit Hilfe der Kennlinien F(h) bei Kenntnis der Schließposition über die Steuerung des Schlauchdruckes p_S und des Kammerdruckes p_K möglich.
Bildunterschriften
1: Ausführungsform des Schlauchkammerzylinders, a) und b) sind Meridianschnitte.
2: Meridianschnitt des Schlauchkammerzylinders in seinen Grenzlagen (schematisch).
3: Schlauchringsektor (schematisch).
4: Zylinderkraft F des Schlauchkammerzylinders in Abhängigkeit der Hubposition h im Vorlauf (nach Gleichung (2 bis 4)).
5: Radialkraft ΔR für einen Schlauchringsektor von ΔΨ = 1° in Abhängigkeit der Hubposition h im Vorlauf (nach Gleichungen (5, 6.1 bis 6.4, 7.1 bis 7.4 und 8).
6: Zylinderkraft F des Schlauchkammerzylinders in Abhängigkeit der Hubposition h im Rücklauf (nach Gleichungen (2 bis 4)).
7: Meridianschnitt des Schlauchringes mit geradlinigem Verlauf der Armierungsfaser im Bereich der Anker.
8: Räumliche Darstellung des Schlauchringes mit geradlinigem Verlauf der Armierungsfaser im Bereich der Anker.
9: Räumliche Darstellung des Schlauchringes mit konstanter Krümmung der Armierungsfaser.
10: Duplex-Schlauchkammerzylinder mit zwei Schlauchringen und drei Platten.

12: Zum Stand der Technik, betreffend Patent EP 0 833 685 B1 Filtrationsanlage. Bezugszeichenliste Fig. 1 bis Fig. 11

Zeichen	Bedeutung
1	Schlauchring, bestehend aus elastomeren Schlauchkörper 4, Anker 2 und Armierung 3
2	Anker des Schlauchringes 1
3	Armierung des Schlauchringes 1
4	Elastomerer Schlauchkörper des Schlauchringes 1
5	Platte mit ringförmiger Nut
6	Platte mit ringförmiger Nut und Bohrungen 8 und 9 für das Arbeitsfluid
7	Platte mit zwei beidseitigen ringförmigen Nuten
8	Bohrung in Platte zur Zu- und Abführung des Arbeitsfluides in/aus Schlauchring
9	Bohrung in Platte zur Zu- und Abführung des Arbeitsfluides in/aus Schlauchkammer
10 bzw. 10'	Position der gestellfesten Platte bei w = wmin bzw. w = wmax
11 bzw. 11'	Position der verschiebbaren Platte bei w = w_min bzw. w = w_max
12	Durch Schlauchring 1 und anliegende Platten 5 und 6 gebildete Schlauchkammer
13	Innenraum des Schlauchringes, auch als Schlauchraum bezeichnet
14	Den Schlauchring umgebender Außenraum (freie Atmosphäre)
15	Rotationsachse des Schlauchringes
16 bzw. 16'	Kompletter Schlauchring bei kleinster lichter Weite w_min bzw. w_max
17	Gestellfeste Arretierung der Platte (schematisch)
18 bzw. 18'	Anschläge (schematisch) zur Begrenzung der lichten Weiten w_min bzw. w_max
19	Filterplattenpaket der Filterpresse
20	Abschnitt des Schlauchringprofils der Länge a, welche die Fixierung des Schlauchringes 1 in den Platten symbolisiert
a	Breite des geraden Mittelstückes der Armierung
D	Rotationsdurchmesser des Schlauchringes, bezogen auf die zur Rotationsachse 15 parallelen Symmetrieachse des Schlauchprofiles
ΔΨ	Mittelpunktwinkel des Schlauchringsektors [rad]
ΔR	Radial gerichtete, an einem Schlauchringsektor angreifende resultierende Kraft
e_i	i = 1, ..., 4, Abstand zwischen den Mittelpunkten der halbkreisförmigen Bögen und seinen Linienschwerpunkten
F	Zylinderkraft des Schlauchringzylinders
f	Abstand zwischen Armierungsfaser und Anker
g	Halbe Differenz aus größtem und kleinstem Durchmesser der durch die Kontaktflächen zwischen Schlauchring und Platten gebildeten Kreisringflächen
g_max	Betrag von g für den Fall w = w_min
h	Hub der verschiebbaren Platte gegenüber der gestellfesten Platte
h_max	Maximaler Hub h
L	Kantenlänge der quadratischen Platten bzw. der kleinsten Kantenlänge bei rechteckigen Platten
n	Anzahl der Windungen der Armierung, die auf den Mittelpunktwinkel ΔΨ des Schlauchringsektors entfallen
p_A	Absoluter Druck des Fluides im Außenraum 14 des Schlauchringes
p_S	Absoluter Druck des Fluides im Innenraum 13 des Schlauchringes
p_K	Druck des Fluides in der Schlauchkammer 12
r_i	i = 1, ..., 4, Radien der um die Achse 15 rotierenden Linienschwerpunkte
ρ_i	i = 1, ..., 4, Radien der halbkreisförmigen Bögen des Schlauchringprofils
s	Wanddicke des Schlauchringes
w	Lichte Weite zwischen gestellfester und verschiebbarer Platte
w_min	Kleinster zulässiger Betrag der lichten Weite w zwischen zwei Platten
w_max	größter zulässiger Betrag der lichten Weite w zwischen zwei Platten
Z_max	Zugkraft der Armierungsfaser für den Fall der Schließkraft bei h_max

Bezugszeichenliste Fig. 12 (Stand der Technik)

Zeichen	Bedeutung
102	Umriss des durch äußere Kräfte unbelasteten kreisrunden Schlauchstückes der Länge L
102'	Umriss des Schlauchstückes der Länge L bei lichter Weite w = w_min
103	Verschiebbare Filterplatte in der Hubposition h = h_max (geschlossen zum Filtern)
103'	Verschiebbare Filterplatte in der Hubposition h = 0 (geöffnet zum Kuchenaustrag)
104	Gestellfeste Deckplatte
105	Gestellfeste Deckplatte der darunter liegenden Filtereinheit
D_S	Außendurchmesser des kreisförmigen Schlauches
F_S	Kraft eines Schlauchstückes auf die anliegenden Platten bei Länge L, Druck p und Hubposition h ≤ h_max
F_Smax	Maximale Kraft eines Schlauchstückes auf die anliegenden Platten bei Länge L, Druck p, Hubposition h = 0 und w = w_min
h	Hubposition der Filterplatte 103'
h_max	Größtmögliche Hubposition h
L_S	Länge des Schlauchstückes
p	Relativer Schlauchdruck (Überdruck)
w_min	Lichte Weite zwischen den Platten 105 und 103' in der Hubposition h = 0

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0833685 B1 [0004, 0004, 0005, 0005, 0006, 0067]
EP 0833685 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) ein als Schlauchkammer bezeichneter geschlossener Raum (12), der durch zwei zueinander parallele Platten (5, 6) sowie einen zwischen den Platten (5, 6) befindlichen und an den Platten (5, 6) anliegenden Schlauchring (1) gebildet ist, dessen Rotationsachse (15) orthogonal zu den Plattenebenen liegt, b) der Schlauchring (1) besteht aus dem elastomeren Schlauchkörper (4), der spiralförmigen Armierung (3) des Schlauchkörpers (4) und zwei ringförmigen Ankern (2) aus steifem Material, die mit dem Schlauchkörper (4) fest verbunden sind, wobei der Schlauchkörper (4) und die Anker (2) Rotationskörper mit identischer Rotationsachse (15) sind, c) die Anker (2) sind mit den Platten (5, 6) formschlüssig und/oder durch Verbindungselemente derart fest verbunden sind, dass eine Verschiebung der Anker (2) parallel zu den Plattenebenen ausgeschlossen ist, d) die Platten (5, 6) sind orthogonal zu den Plattenebenen zueinander verschiebbar, e) die Schlauchkammer (12) und der Schlauchraum (13) haben Anschlüsse (8, 9) für die Zu- und Ableitung eines Arbeitsfluides,
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Grenzlagen der zulässigen lichten Weite zwischen den Platten (5, 6) durch Anschläge (18, 18') eingehalten werden, die in den von dem Schlauchring (1) nicht belegten Eckbereichen der Platten (5, 6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zwei Schlauchringe (1) und drei Platten (6, 7) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die spiralförmige Armierung (3) des Schlauchringes aus Kohlenstoff-Filamentgarn oder Aramid-Filamentgarn besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Härte des elastomeren Materials zwischen Anker (2) und Armierung (3) partiell im Bereich der Anker (2) einen höheren Betrag aufweist als die des übrigen elastomeren Schlauchkörpers (4).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Arbeitsfluid Luft ist.
Verfahren zur Erzeugung der Schließkraft von Kammerfilterpressen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Bereitstellung einer Vorrichtung gemäß Ansprüche 1 bis 6, wobei b) für die Hubrichtung Vorlauf (Schließen der Filterpresse) die Druckrelationen p_K > p_A und p_S > p_K hergestellt werden, hierbei bedeuten p_K-Druck in der Schlauchkammer, p_A-atmosphärischer Druck, p_S-Druck im Schlauchring, c) für die Hubrichtung Rücklauf (Öffnen der Filterpresse) die Druckrelationen p_K < p_A und p_S > p_A hergestellt werden.