DE112017001426B4

DE112017001426B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen

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Publication number: DE112017001426B4
Application number: DE112017001426.3T
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2037-03-21
Also published as: DE112017001426A5; WO2017162226A2; WO2017162226A3; DE102016003510A1

Abstract

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.

Description

Üblich ist das Aufbringen der Schließkraft mittels Hydraulikzylinder. Hierzu sind bei großen Filterplatten und hohen Prozessdrücken große Schließkräfte erforderlich, was Hydraulikzylinder großer Nennweite 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.
Für die Bewertung des Standes der Technik werden die Dokumente [D1] bis [D4] herangezogen:

[D1] Patentschrift GB 1 434 806 A (Vaughen J F) 5. Mai 1979
[D2] Patentschrift FR 1 448 299 A (Michelin & Cie) 5. August 1966
[D3] Patentschrift US 3 861 304 A (Merrill Robert E) 21. Januar 1975
[D4] Patentschrift US 3 306 458 A (Gene Hirs) 28. Februar 1967

Nachfolgend werden die Schnittlinien zwischen einem rotationssymmetrischen Schlauchring und einer zur Rotationachse orthogonalen Schnittebene als Höhenlinien bezeichnet. Die Schnittlinie der Meridianebene mit dem Schlauchring wird als Schlauchringprofil bezeichnet.
Bewertung [D1]:
Die Druckschrift [D1] zeigt Hebevorrichtungen wie sie beispielsweise zur Bergung von Fahrzeugen oder Flugzeugen nach Havarien eingesetzt werden. Die Druckkammern der verschiedenen Varianten gemäß 1 bis 13 werden aus elastischen Membranen in Verbindung mit Bodenplatte und Stützplatte gebildet und haben eine rotationssymmetrische Form. Die erforderliche Schließkraft bei Kammerfilterpressen hängt u.a. von den Eigenschaften der zu filternden Suspension ab. Die Verbindung zwischen Membran und Platte wird hierbei durch Schub- und Normalspannungen belastet, welche die Festigkeit der Verbindung übersteigen. Die Vorrichtung [D1] ist somit für die Erzeugung der Schließkraft in Kammerfilterpressen nicht geeignet.
Bewertung [D2]:
Die Druckschrift [D2] beschreibt eine Druckkammer in Form eines abgeflachten Torus (1). Da die Definition der Körpergeometrie „Torus“ hier nicht zutreffend ist, wird „Torus“ besser durch „Ringkammer“ ersetzt. Für die folgenden Überlegungen wird angenommen, dass der Meridianschnitt 1 den drucklosen Zustand zeigt und dass die Ringkammer zwischen zwei zueinander parallelen ebenen Platten liegt. Die Platten sind orthogonal zur Rotationsachse der Ringkammer ausgerichtet und berühren die Ringkammer. Wird der Kammerdruck erhöht, vergrößert sich der Abstand beider Platten zueinander, was mit der Vergrößerung des Hubes identisch ist. Hierbei ändert sich die Geometrie des Meridianschnittes der Druckkammer. Infolge dieser Geometrieänderung müsste sich die Umfangslänge des Membranprofils i vergrößern, was aber bei den Armierungen 1, 2 (1) der elastomeren Ringkammer nur eingeschränkt möglich ist. Somit müssen sich die kreisringförmigen Kontaktflächen zwischen Ringkammer und Platten zwangsläufig in Richtung der Rotationsachse verschieben. Die Veränderung des Hubes ist also mit einem Gleiten des elastomeren Mantels auf den beiden Platten verbunden. Dieselbe Schlussfolgerung ergibt sich bei den Varianten (2 und 3). Das Gleiten während der Hubbewegung hat den abrasiven Verschleiß des elastomeren Materials zur Folge, was die Verwendung der Vorrichtung [D2] für die Erzeugung der Schließkraft der Kammerfilterpresse angesichts der hohen Anzahl der Arbeitszyklen der Filterpresse fragwürdig erscheinen lässt.
Bewertung [D3]:
Die Druckschrift [D3] beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kraft für technologische Prozesse wie beispielsweise Kleben. Die Kraft wird durch Druck in einer geschlossenen Kammer 74 erzeugt, welche durch zwei zueinander parallele Platten 12, 14 und einer zwischen den Platten an deren Rändern umlaufenden Dichtungskonstruktion 16 gebildet. Diese Dichtung selbst besteht aus einer geschlossenen Kammer 104, die sich aus zwei elastomeren Membranbändern 52, 54 und den Spannstücken 18, 20 zusammensetzt. Die Bewegung der Platten zueinander ergibt den Hub. Die gestreckte spannungsfreie Breite des Membranbandes sei mit „Breite“ bezeichnet und der Hub sei für diesen Zustand null. Die äußere Membran 54 liegt in ihrer gesamten Länge an dem Seitenteil 70 an. Im Bereich der Spannstücke hat das Membranband 54 zwei weitere Berührungsflächen. Diese Flächen können jedoch keine nennenswerte Reibkraft übertragen, weil für die Montage der gesamten Vorrichtung die Breite der Dichtungskonstruktion kleiner sein muss als die Nut und der Druck in der Kammer 104 dafür sorgt, dass die Reibung ausschließlich zwischen Membranband und Seitenteil 7 stattfindet. Die mittlere Dehnung der Membran ergibt sich aus dem Verhältnis von Hub zu Breite. Die mittlere Dehnung ist ein rechnerischer Wert, der für die Beanspruchung der Membran nicht relevant ist. Die außenliegende Membran 54 wird unter Druck an die Wandung 70 gepresst. Um den Betrag des Hubes dehnt sich der freiliegende Bereich der außenliegenden Membran 54. Die Beträge der Normalspannung in der Membran 54 sind an den Einspannstellen unten und oben am größten und verringern sich jeweils zur Mitte zu um den Betrag der Schubspannungen, die von der Wandung 70 in die Membran eingetragen werden. Somit ist die tatsächliche Dehnung des Membranbandes größer als die mittlere Dehnung. Die Konzentration der Membrandehnung an den Einspannstellen weist auf ein Festigkeitsproblem der Membran hin. Darüber hinaus führt das Gleiten der der Membran 54 an der Wandung 70 zu abrasiven Verschleiß. Die Verwendbarkeit der Lösung [D3] zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterplatten scheint deshalb vor allem wegen der Größe des hierfür erforderlichen Hubes zweifelhaft.
Bewertung [D4]:
Die Patentschrift [D4] befasst sich ebenfalls mit Themen, die im erweiterten Stand der Technik liegen.
Die vorstehend für den Hydraulikzylinder und für die Druckschriften [D1] bis [D4] genannten Nachteile begründen die Suche nach einer vorteilhafteren Lösung für die Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen.
Die vorstehend für die Patente [D1] bis [D4] genannten Nachteile begründen die Suche nach einer vorteilhafteren Lösung für die Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

1. Vorrichtung zur Erzeugung der Schließkraft bei Kammerfilterpressen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
1. 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,
2. 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,
3. 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,
4. d) die Platten (5,6) sind orthogonal zu den Plattenebenen zueinander verschiebbar,
5. e) die Schlauchkammer (12) und der Schlauchraum (13) haben Anschlüsse (8,9) für die Zu- und Ableitung eines Arbeitsfluides.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

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:
1. a) Bereitstellung einer Vorrichtung gemäß Ansprüche 1 bis 6, wobei
2. b) für die Hubrichtung Vorlauf (Schließen der Filterpresse) die Druckrelationen p_k > p_A und ps > p_k hergestellt werden, hierbei bedeuten p_k - Druck in der Schlauchkammer, p_A - atmosphärischer Druck, ps - Druck im Schlauchring,
3. c) für die Hubrichtung Rücklauf (Öffnen der Filterpresse) die Druckrelationen p_k < p_A und ps > p_A hergestellt werden.

Nachfolgend werden die Schnittlinien zwischen einem rotationssymmetrischen Schlauchring und einer zur Rotationachse orthogonalen Schnittebene als Höhenlinien bezeichnet. Die Schnittlinie der Meridianebene mit dem Schlauchring wird als Schlauchringprofil bezeichnet.
Wirkungsweise und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung, die hier auch als Schlauchkammerzylinder bezeichnet wird, werden nachfolgend anhand der 1 bis 11 beschrieben. Weitere Ausbildungen und Kombinationen sind dem Fachmann möglich. Die in den 4 bis 6 dargestellten Kennlinien veranschaulichen Eigenschaften des Schlauchkammerzylinders für die dort genannten, willkürlich gewählten Parameter. Die Erweiterung auf andere Parameter ist mit Hilfe der angegebenen Gleichungen möglich.
Dabei zeigen:

1: Ausführungsform des Schlauchkammerzylinders, 1b und 1c sind Meridianschnitte des Schlauchringes.
2: Schematische Darstellung des Schlauchkammerzylinders in seinen Grenzlagen, wobei 2a ein Meridianschnitt und 2b die Sicht orthogonal zur Plattenebene
3: Schlauchringsektor (schematisch).
4: Zylinderkraft F des Schlauchkammerzylinders in Abhängigkeit der Hubposition h im Vorlauf(nach Gleichung (3 und 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 Hubpositiön h im Rücklauf (nach Gleichungen (3 und 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 2a 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 ps 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 ps 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: $π w_{m a x} + 2 a = 2 g + π (w_{m i n} + h)$
und $w_{m a x} - w_{m i n} = h_{m a x} .$
Aus (1) und (2) folgt: $g = \frac{π}{2} (h_{m a x} - h) + α, w o b e i 0 \leq h \leq h_{m a x} .$
Die Anlageflächen des Schlauchringes sind Kreisringflächen mit den Durchmessern (D - g) und (D + g). Diese werden mit dem Druck ps beaufschlagt. Auf die Kreisflächen mit den Durchmessern (D - g) wirkt der Druck p_K. Hieraus folgt die Zylinderkraft F als Summe zweier Teilkräfte: $F = π D g (p_{S} - p_{A}) + \frac{π}{4} {(D - g)}^{2} (p_{K} - p_{A}) .$
Die Drücke ps 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, ps und p_K zu interpretieren.
3 (oben) 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: $e_{s} = \frac{2}{π} ρ$
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: $ρ_{1} = \frac{1}{2} (w_{m i n} + h)$
$ρ_{2} = \frac{1}{2} (w_{m i n} + h - 2 s)$
$ρ_{3} = \frac{1}{2} (w_{m i n} + h - 2 s)$
$ρ_{4} = \frac{1}{2} (w_{m i n} + h) .$
Für die Abstände der Linienschwerpunkte von der Rotationsachse 15 gilt mit (5): $r_{1} = \frac{1}{2} (D + g) + \frac{2}{π} ρ_{1}$
$r_{2} = \frac{1}{2} (D + g) + \frac{2}{π} ρ_{2}$
$r_{3} = \frac{1}{2} (D - g) - \frac{2}{π} ρ_{3}$
$r_{4} = \frac{1}{2} (D - g) - \frac{2}{π} ρ_{4} .$
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: $Δ R = π (- r_{1} ρ_{1} p_{A} + r_{2} ρ_{2} p_{S} - r_{3} ρ_{3} p_{S} + r_{4} ρ_{4} p_{K}) Δ ψ .$
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: $r_{2} ρ_{2} p_{S} \geq r_{1} ρ_{1} p_{A}$
und $r_{3} ρ_{3} p_{S} \geq r_{4} ρ_{4} p_{K} .$
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.
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: $D = L - \frac{π}{2} h_{m a x} - w_{m i n} .$
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. Mit Rücksicht auf die Beanspruchung des Schlauchringes ist ein größerer Betrag 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: $Z_{m a x} = π (- r_{1} ρ_{1} p_{A} + r_{2} ρ_{2} p_{S}) \frac{Δ ψ}{2 n}$
Ergänzend hierzu gelten die Gleichungen (6.1), (6.2), (7.1) und (7.2). Der Kraft Zmax 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 ps 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. Wenn die geometrischen Verhältnisse und die Drücke p_K und ps in beiden Schlauchkammern identisch sind, dann sind auch die Hubpositionen beider Schlauchkammerzylinder stets identisch. Die Einhaltung einer bestimmten Schließkraft ist mit Hilfe der Kennlinien F(h) bei Kenntnis der Schließposition über die Steuerung des Schlauchdruckes ps und des Kammerdruckes p_K möglich.
B ildunterschriften

1: Ausführungsform des Schlauchkammerzylinders, 1b und 1c sind Meridianschnitte.
2: Schematische Darstellung des Schlauchkammerzylinders in seinen Grenzlagen, 2a Meridianschnitt, 2b Sicht orthogonal zur Plattenebene.
3: Schlauchringsektor (schematisch), Meridianschnitt (Bildteil oben), Darstellung der Linienschwerpunkte des Sektors orthogonal zur Plattenebene bei w/2 (Bildteil unten).
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.
11: Anschläge für die Grenzlagen des Schlauchkammerzylinders und Arretierung der gestellfesten Platte (schematisch).

Bezugszeichenliste

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 Abfuhrung 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 = w_min bzw. w = wmax
11 bzw. 11': Position der verschiebbaren Platte bei w = w_min bzw. w = w_max
12: Durch Schlauchring 1und 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': Positionen der 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
ei: 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
gmax: Betrag von g für den Fall w = w_min
h: Hubposition der verschiebbaren Platte gegenüber der gestellfesten Platte, hierbei ist h = 0 für den Fall w = w_min
hmax: 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
pA: Absoluter Druck des Fluides im Außenraum 14 des Schlauchringes
pS: Absoluter Druck des Fluides im Innenraum 13 des Schlauchringes
pK: Druck des Fluides in der Schlauchkammer 12
ri: i=1,..,4, Radien der um die Achse 15 rotierenden Linienschwerpunkte
ρi: i=1,..,4, Radien der halbkreisförmigen Bögen des Schlauchringprofils
s: Wanddicke des Schlauchringes
w: Lichte Weite zwischen gestellfester und verschiebbarer Platte
wmin: Kleinster zulässiger Betrag der lichten Weite w zwischen zwei Platten
wmax: größter zulässiger Betrag der lichten Weite w zwischen zwei Platten
Zmax: Zugkraft der Armierungsfaser für den Fall der Schließkraft bei h_max

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 ps > 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 ps > p_A hergestellt werden.