DE20023653U1

DE20023653U1 - Vorrichtung zur pneumatischen Förderung von Schüttgut

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Publication number: DE20023653U1
Application number: DE20023653U
Authority: DE
Original assignee: Coperion Waeschle GmbH and Co KG
Current assignee: Coperion GmbH
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2010-11-01

Abstract

Vorrichtung zur pneumatischen Förderung von Schüttgut und zum Einsatz in einer Förderanlage, wobei letztere zumindest einen Aufgabeort, mindestens einen Zielort sowie eine Aufgabe- und Zielorte verbindende Förderleitung aufweist, in die im Bereich der Aufgabeorte mittels Schleusorganen Schüttgut in einen einstellbaren Fördergasstrom einspeisbar und in Form diskreter, durch Polster aus Fördergas zueinander beabstandeter Schüttgutpropfen vom Aufgabeort zu mindestens einem Zielort transportierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Messeinrichtungen zur Bestimmung mindestens eines Kennwerts, darunter des Förderdrucks p_{F ist} und einer Kenngröße, aus der sich eine Anfangsgeschwindigkeit v_{A ist} des Fördergases direkt oder indirekt bestimmen lässt, sowie eine Regeleinrichtung aufweist, mit welcher der Ist-Wert der Anfangsgeschwindigkeit v_{A ist} des Fördergases unter Berücksichtigung der gemessenen Kennwerte auf einen vorgegebenen, in Abhängigkeit vom gemessenen Förderdruck p_{F ist} veränderten, für den Förderstrom charakteristischen Soll-Wert der Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} des Fördergases in der Förderleitung im Bereich der Schüttgutaufgabe, bei welcher Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} sich für alle...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches.
Die pneumatische Förderung von Schüttgütern, beispielsweise von Granulaten aus Kunststoff, kann grundsätzlich als Flugförderung in Form eines in einem Fördergasstrom weitgehend gleichmäßig verteilten Schüttgutstroms bei niedriger Beladung (Verhältnis von Schüttgutmassenstrom zu Fördergasmassenstrom) und hoher Fördergeschwindigkeit oder als Langsamförderung bei hoher Beladung und niedriger Fördergeschwindigkeit in Form zueinander durch Gaspolster beabstandeter Schüttgutpfropfen erfolgen.
Die Errichtung von Anlagen zur Flugförderung von Schüttgut ist mit vergleichsweise niedrigen Investitionskosten verbunden, da die verwendeten Bauteile nur eine geringe Druckfestigkeit aufweisen müssen. Außerdem kann bei diesem Förderverfahren in der Regel zur Aufrechterhaltung eines stabilen Förderzustands bei Voll- und Teillastförderung auf eine geregelte Zuführung des Fördergasstroms in die Förderleitung verzichtet werden. Ferner treten im Fördersystem keine impulsartigen Belastungen auf, die durch eine verstärkte Unterstützungskonstruktion für die Färderleitung aufgefangen werden müssen.
Durch die hohe Fördergeschwindigkeit können sich beim Auftreffen plastifizierbarer Schüttgutpartikel auf die Förderleitung an deren innerer Wandung Beläge aus aufgeschmolzenem Schüttgut bilden, die sich bei der För derung in Form von Folien oder Fäden („Engelshaar") periodisch von der Förderleitung ablösen und das Schüttgut verunreinigen.
Bei der mit niedriger Geschwindigkeit erfolgenden Langsamförderung kann dieser unerwünschte Effekt vermieden werden. Darüber hinaus lässt sich durch dieses Förderverfahren die Entstehung staubförmigen Abriebs insbesondere bei spröden und harten Schüttgütern positiv beeinflussen. Es ist jedoch erforderlich, eine Anlage zur Langsamförderung mit einer Einrichtung zur geregelten Einstellung des zugeführten Fördergasstroms zu versehen, da bei einer für Vollast ausgelegten Förderanlage bei Verringerung der zu fördernden Schüttgutmenge oder Verkürzung des Förderwegs instabile Förderzustände auftreten können, die hohe mechanische Belastungen der Förderanlage zur Folge haben.
Stand der Technik
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur pneumatischen Langsamförderung von Schüttgut ist aus der Patentschrift EP 0 490 174 B1 bekannt. Das Schüttgut wird mittels eines bevorzugt als Zellenradschleuse ausgebildeten Schleusorgans aus einem Aufgabenbehälter in eine Förderleitung gespeist und von einem der Förderleitung durch eine Reinluftleitung zugeführten Fördergasstrom portionsweise zu einem Zielort geführt. In der Druckgasleitung ist ein Stellventil angeordnet, mittels dessen die Menge des zugeführten Fördergasstroms einstellbar ist. Die Einstellung wird von einem Regler in Abhängigkeit vom Druck in der Förderleitung im Bereich der Auslassöffnung des Schleusorgans vorgenommen, der auf einen zuvor festgelegten Sollwert geregelt wird. Alternativ kann die Druckdifferenz zwischen der Förderleitung im Bereich der Auslassöffnung des Schleusorgans und dessen Einlassöffnung als Regelgröße zur Veränderung des Durchsatzes von För dergas als Stellgröße zur Regelung herangezogen werden. In beiden Fällen kann das Verhältnis des Durchsatzes von Schüttgut und Fördergas auf einem konstanten Wert gehalten werden, sodass sich auch dann ein stabiler Förderzustand einstellt, wenn über das Schleusorgan ein Teil des zugeführten Fördergases als Leckluftströmung aus dem Fördersystem entweicht.
In der Druckschrift US 4,059,310 wird ein weiteres Verfahren zur Konstanthaltung des Verhältnisses von Schüttgutstrom zu Fördergasstrom beschrieben, bei dem der Druck in der Zuführleitung für das Fördergas durch Verändern der Drehzahl der Zellenradschleuse auf einen konstanten Wert geregelt wird. Die Menge des in das Fördersystem eingespeisten Schüttguts ändert sich dabei in Abhängigkeit von der Drehzahl der Zellenradschleuse.
In der Druckschrift EP 0 599 173 A1 wird eine lavaldüsenartige Vorrichtung mit veränderlichem Düsenquerschnitt als Regeleinrichtung zur Einstellung eines vorgegebenen Fördergasstroms offenbart. Die Veränderung des Düsenquerschnitts erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Druck in der Reinluftleitung stromab der verstellbaren Düse, der so auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.
In der Patentanmeldung WO 97/45351 wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Stabilität einer pneumatischen Langsamförderung von Schüttgut mit veränderlicher Qualität, Feuchtigkeit oder Temperatur eine unscharfe Regelung einzusetzen, bei welcher der Druck des Fördergases im Bereich des Schleusorgans gemessen und die Instabilität des gemessenen Schleusendrucks über eine bestimmte Dauer mittels eines vorher bestimmten Stabilitätskriteriums bestimmt wird.
Bei allen aufgeführten Förderverfahren werden also der Förderdruck oder die Normluftmenge auf einen vorgegebenen Wert oder Stabilitätsbereich geregelt. Die Produkteigenschaften des zu fördernden Schüttguts werden nicht oder nur in geringem Umfang erfasst. Bei einer Förderung von Produkten mit stark voneinander abweichenden Eigenschaften in einer Förderanlage kann der Regler den sehr unterschiedlichen Anforderungen an den notwendigen Förderdruck nicht von sich aus folgen, vielmehr muss der Betreiber der Anlage für jedes Förderprodukt manuell eine spezifische Regelcharakteristik anwählen. Dieses Vorgehen ist unkomfortabel und birgt die Gefahr fehlerhafter Einstellungen, die beispielsweise ein Verstopfen der Förderleitung zur Folge haben können.
In den älteren Patentanmeldungen DE 199 43 504.9 und DE 100 42 459.7 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur pneumatischen Förderung von Schüttgut beschrieben, welche die oben genannten Nachteile grundsätzlich vermeiden können und auf deren Inhalt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ausdrücklich verwiesen wird. In diesen Druckschriften wird vorgeschlagen, eine Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} in der Förderleitung im Bereich der Schüttgutaufgabe vorzugeben, bei der sich für alle zu fördernden Produkte ein stabiler Förderzustand einstellt. Dazu wird mindestens eine Kenngröße gemessen, aus der sich die Anfangsgeschwindigkeit v_{A ist} direkt oder indirekt bestimmen lässt, wobei die zugeführte Reingasmenge V_R in der Weise verändert wird, dass der Soll-Wert der Anfangsgeschwindigkeit v_A
soll im Wesentlichen dem Ist-Wert der Anfangsgeschwindigkeit v_{A ist} entspricht. Geeignete Kenngrößen sind beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Fördergases in der Reinluftleitung, die Partikel- bzw. Pfropfengeschwindigkeit am Anfang der Förderleitung oder der Förderdruck im Bereich der Schüttgutaufgabe.
In Abkehr von der im vorveröffentlichten Stand der Technik vertretenen Lehre werden dort also nicht der Druck des Fördergases oder die Normluftmenge, sondern die Strömungsgeschwindigkeit des Fördergases im Bereich der Schüttgutaufgabe auf einen vorgegebenen Wert geregelt. Während der zur Aufrechterhaltung einer stabilen Langsamförderung vorzugebende Soll-Wert des Förderdrucks p_{F soll} der Normluftmenge in erheblichem Maße von den Eigenschaften des zu fördernden Schüttguts abhängig ist, wird eine für alle zu fördernde Schüttgüter einheitliche Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} des Fördergases vorgegeben, die von einer Regeleinrichtung auf einen im Wesentlichen konstanten Wert geregelt wird. Eine manuelle Einstellung unterschiedlicher Regelcharakteristiken ist dabei nicht erforderlich.
Die Anfangsgeschwindigkeit v_A des Fördergases in der Förderleitung im Bereich der Schüttgutaufgabe ist eine theoretische Größe, die sich aus dem mittleren Mengenstrom V_R des der Förderleitung zugeführten, komprimierten Fördergases und dem Querschnitt der Förderleitung bestimmen lässt. Für den Fall einer kreisrunden Förderleitung mit dem Anfangsdurchmesser D_A gilt daher:
V_{R real} ist dabei der tatsächliche Volumenstrom des komprimierten Fördergases, also nicht der auf Standardbedingungen normierte Luftmengenstrom.
Die tatsächliche Geschwindigkeit des Fördergases in der Förderleitung im Bereich der Schüttgutaufgabe weicht von dieser gedanklichen Größe selbstverständlich durch die mitgeführten, den freien Querschnitt der Förderleitung verringernden Schüttgutpartikel ab und kann durch das portionsweise Fördern des Schüttguts deutlichen Schwankungen unterliegen.
Umfangsreiche Versuche haben jedoch ergeben, dass die in diesen Schriften offenbarte Luftmengenregelung bei Verwendung üblicher Regler unter bestimmten Bedingungen nicht ausreichend stabil arbeitet.
Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Funktion der zuvor genannte Luftmengenregelung noch weiter zu verbessern.
Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Schutzanspruches gelöst.
Der wesentliche Unterschied zu der zuvor beschriebenen Luftmengenregelung besteht also darin, dass nicht eine einzige, für alle Förderdrücke geltende Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} vorgegeben wird, sondern eine vom Förderdruck p_{F ist} beziehungsweise seiner Veränderungstendenz abhängige Funktion v_{A soll} = f(p_F
ist).
Dabei wird die Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} bevorzugt mit steigendem Förderdruck p_{F ist} verringert und mit sinkendem Förderdruck p_{F ist} vergrößert. Dies erfolgt insbesondere in Form einer Hysteresefunktion, wobei die Anfangsgeschwindigkeiten v_{A soll} für steigenden Förderdruck p_{F ist} im Wesentlichen niedrigere Werte annimmt als für sinkenden Förderdruck. Zur Vereinfachung der Regelung kann die Veränderung der Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} in Abhängigkeit vom Förderdruck p_{F ist} mit vorteilhafter Wirkung auf die Regelstabilität in Form einer Treppenfunktion erfolgen.
Figuren
Die Figuren stellen beispielhaft und schematisch verschiedene Ausführungen der Erfindung dar.
Es zeigen:
1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäße Vorrichtung, und
2 eine Abbildung einer geeigneten Funktion v_{A soll} = f(p_F)
Die in 1 dargestellte Förderanlage umfasst einen Aufgabebehälter 1, der über eine Förderleitung 2 mit einem als Zielort dienenden Empfangsbehälter 3 verbunden ist. Das Schüttgut wird mittels eines Schleusorgans in Form einer Zellenradschleuse 4 aus dem Aufgabebehälter 1 in die Förderleitung 2 eingespeist und mit Hilfe komprimierten, sich im Verlaufe der Förderung entspannenden Fördergases in Form diskreter, zueinander durch Gaspolster 5 beabstandeter Schüttgutpfropfen 6 zum Zielort transportiert. Das komprimierte Fördergas wird von einem Verdichter 7 bereit gestellt und der Förderleitung 2 über eine Reingasleitung 8 im Bereich der Produktaufgabe 9 zugeführt.
Die Förderleitung 2 ist abgestuft ausgeführt und weist anfänglich einen Durchmesser D_A auf, der sich gegen Ende der Förderleitung in Form einer Stufe auf einen Durchmesser D_E erweitert. Durch die Querschnittserweite rung kann die Fördergeschwindigkeit im Endbereich der Förderleitung 3 herabgesetzt werden.
Die Menge des über die Reingasleitung 8 zugeführten Fördergases ist mittels eines Ventils 10 einstellbar und kann an die Förderbedingungen angepasst werden. Ein Verstellen des Ventils 10 wird insbesondere bei einer Änderung der zu fördernden Schüttgutmenge, einer Umstellung auf ein Schüttgut mit anderen Fördereigenschaften oder einer Änderung der Länge der Förderleitung 2 erforderlich, die durch Schalten von im Förderstrang angeordneten Weichen auftreten kann.
Erfindungsgemäß wird die Fördergasmenge so eingestellt, dass im Bereich der Produktaufgabe 9 die Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} des Fördergases in der Förderleitung 2 einer vom Förderdruck p_F abhängigen Funktion v_{A soll} = f(p_F) folgt, die im Ausführungsbeispiel als Treppenfunktion angedeutet und in einer Rechnereinheit 11 hinterlegt ist. Der Förderdruck p_F wird mittels eines im Bereich der Produktaufgabe 9 in der Reingasleitung 8 angeordneten Drucksensors 12 gemessen. Parallel dazu errechnet eine zweite Rechnereinheit 13 unter Berücksichtigung des mittels Drucksensor 12 bestimmten Förderdrucks p_F die zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} erforderliche Fördergasmenge V_{F soll} Die Grundlage für die Berechnung bildet die bekannte, auf normierte Volumenströme (Normdruck 1 bar) abgestellte Beziehung:
Zur Herleitung der Beziehung wird auf die einschlägige Fachliteratur, beispielsweise auf das Lehrbuch „Pneumatische Förderung", Kap. 4.3, Wolfgang Siegel, 1. Auflage 1991, Vogel Verlag verwiesen.
Der Drucksensor 12 ist im Ausführungsbeispiel in der Reinluftleitung 8 angeordnet, damit ein Kontakt mit Schüttgutpartikeln vermieden wird. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, den Drucksensor 12 auch unterhalb der Zellenradschleuse 4 oder am Anfang der Förderleitung 2 einzubauen.
Über die zur Produkteinspeisung eingesetzte Zellenradschleuse 4 geht ein Teil der über die Reingasleitung 8 zugeführten Fördergasmenge durch Schöpfverluste und Spaltströmung entlang des Umfangs des Zellenrads verloren. Die Höhe dieser Leckgasmenge V_L ist von der Bauart der Zellenradschleuse 4, dem Differenzdruck zwischen Zulauf- und Auslaufschacht und der Drehzahl n der Schleuse abhängig und wird für jeden Schleusentyp üblicherweise durch Messung ermittelt. Die Messergebnisse können als Funktion V_L = f (p_F,n) in einer Rechnereinheit 14 hinterlegt werden. Eine Leckgaskompensation kann aber grundsätzlich auch durch on-line-Messung der aus der Zellenradschleuse 4 abgeführten Leckgasmenge V_L (angedeutet durch gestrichelten Pfeil B) erfolgen.
Der Rechenwert für V_L und die Sollvorgabe für die Fördergasmenge V_F
soll werden nachfolgend an eine weitere Recheneinheit 15 übergeben, die den erforderlichen Reingasstrom V_Rsoll nach der Beziehung VR soll = VF soll + VL errechnet.
Der Rechenwert V_{R soll} wird als Sollwert w einem Regler 16 mitgeteilt, der durch Verändern der Stellgröße y das Ventil 10 in der Weise verstellt, dass der durch einen Sensor 17 gemessene Fördergasstrom in der Reinluftleitung 8 der berechneten Sollwertvorgabe V_{R soll} entspricht.
Über den Umweg einer Druck- und Volumenstrommessung wird also die Anfangsgeschwindigkeit v_A als Regelgröße durch Verändern des Fördergasstroms als Stellgröße auf einen druckabhängigen Sollwert geregelt, wobei Leckageverluste des Schleusorgans kompensiert werden.
Um das Regelverhalten zu stabilisieren und ein Übersteuern des Reglers 16 sicher zu vermeiden, werden Änderungen des gemessenen Förderdrucks p_F bei der Bestimmung der Leckluftmenge V_L unverzüglich berücksichtigt, gehen in die Berechnung der erforderlichen Fördergasmenge V_F aber zeitlich gemittelt ein.
Die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Förderung zu hinterlegende Funktion v_{A soll} = f(p_F) wird nachfolgend erläutert.
Der beim Betreiben der Förderanlage auftretende Förderdruck p_F kann im Ausführungsbeispiel einen Wertebereich von 0,75 bar bis 3,5 bar über Umgebungsdruck annehmen. Beim An- und Abfahren der Anlage kann er naturgemäß auch auf Umgebungsdruck absinken. In der Funktion sind die Abhängigkeiten der Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} vom gemessenen Förderdruck p_{F ist} daher für einen Bereich von 0 bis 3,5 bar abgebildet.
Beim Betreiben der Förderanlage folgt die Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} einer ersten, treppenförmigen Funktion 18a, wobei sich die Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} mit steigendem Förderdruck p_F
ist tendenziell verringert. Diese Kurve wird jedoch nur dann verwendet, wenn der gemessene, über einen gewissen Zeitraum gemittelte Förderdruck p_F
ist gleich bleibt (stationärer Betriebspunkt) oder sich tatsächlich im Laufe der Förderung erhöht. Sinkt er hingegen, wird eine zweite, ebenfalls treppenförmige Funktion 18b ausgewählt, die gegenüber der ersten Funktion 18a zu höheren Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} hin versetzt ist. Die Funktionen 18a und 18b bilden also eine Hysterese, welche die Stabilität der Luftmengenregelung deutlich verbessert.
Die Funktionen 18a und 18b werden empirisch festgelegt und können bei Bedarf während der Inbetriebnahme der Förderanlage angepasst werden. Die Treppenfunktionen sind im Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass die Anfangsgeschwindigkeit v_A
soll jeweils über Druckintervalle Δp_{F ist} von 0,6 bis 1,2 bar konstant gehalten wird. Die zuvor genannte Anpassung kann daher auf einfache Weise durch Änderung von Tabellenwerten erfolgen.
Beim Anfahren der Förderanlage wird eine bereichsweise dritte Funktion 18c ausgewählt, die gegenüber der Funktion 18a für den stationären Förderzustand zu höheren Anfangsgeschwindigkeiten v_{A soll} hin versetzt ist, im Ausführungsbeispiel jedoch unterhalb der Kurve 18b für sinkenden Förderdruck P_{F ist} verläuft. Durch die Erhöhung der Anfangsgeschwindigkeiten v_{A soll} bis höchstens an die Grenze der Instabilität wird ein Verstopfen der Förderleitung 2 beim Anfahren vermieden. Der treppenförmig verlaufende Bereich der Funktion 18c beginnt rechts der Funktion 18a und wird linear vom Startwert (Förderdruck p_{F ist} = 0 bar) her angefahren.
Zum Beenden des Fördervorgangs wird der linksseitige Endpunkt der Funktion 18b mittels einer linearen Funktion 18d mit dem Startwert verbunden.

Parameter

n: Drehzahl
p: Druck
v: Geschwindigkeit
V: Mengenstrom (Volumenstrom)

Indizes

_a: Anfang
_atm: atmosphärisch
_E: Ende
_F: Förder
_ist: Ist-Wert
_R: Reinluftleitung
_real: nicht normierter Volumenstrom
_soll: Soll-Wert

Claims

Vorrichtung zur pneumatischen Förderung von Schüttgut und zum Einsatz in einer Förderanlage, wobei letztere zumindest einen Aufgabeort, mindestens einen Zielort sowie eine Aufgabe- und Zielorte verbindende Förderleitung aufweist, in die im Bereich der Aufgabeorte mittels Schleusorganen Schüttgut in einen einstellbaren Fördergasstrom einspeisbar und in Form diskreter, durch Polster aus Fördergas zueinander beabstandeter Schüttgutpropfen vom Aufgabeort zu mindestens einem Zielort transportierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Messeinrichtungen zur Bestimmung mindestens eines Kennwerts, darunter des Förderdrucks p_F
ist und einer Kenngröße, aus der sich eine Anfangsgeschwindigkeit v_{A ist} des Fördergases direkt oder indirekt bestimmen lässt, sowie eine Regeleinrichtung aufweist, mit welcher der Ist-Wert der Anfangsgeschwindigkeit v_{A ist} des Fördergases unter Berücksichtigung der gemessenen Kennwerte auf einen vorgegebenen, in Abhängigkeit vom gemessenen Förderdruck p_{F ist} veränderten, für den Förderstrom charakteristischen Soll-Wert der Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} des Fördergases in der Förderleitung im Bereich der Schüttgutaufgabe, bei welcher Anfangsgeschwindigkeit v_{A soll} sich für alle zu fördernden Produkte bei dem betreffenden Förderdruck p_{F ist} ein stabiler Förderzustand einstellt, durch Verändern der Reingasmenge V_R regelbar ist.