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Mischflügel an einem rotierenden Mischwerkzeug Bei Mischern der chemischen
Verfahrenstechnik laufen im Mischbehälter Reaktionen ab, deren Wirksamkeit, wie
z.B. die Geschwindigkeit von der Temperatur des Mischguts bestimmt ist.
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Damit diese Reaktionen im gesamten Mischgut gleichmässig laufen, ist
es erforderlich, dass die Temperaturverteilung im Mischgut sehr gleichmässig ist.
Da durch innere und äussere Reibung, hervorgerufen durch das im Mischer rotierende
Mischwerkzeug, das Mischgut in gewissem Umfang, bei manchen Heizmischern sogar gewolltermassen
ausschliesslich durch diese Reibung erwärmt wird, ergibt sich bei Verwendung der
bekannten
Mischwerkzeuge mit sich radial erstreckenden Mischflügeln
jedoch eine ungleichmässige Temperaturverteilung, da die Mischgutteilohen Je nach
radialer Lage mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf die Mischflügel aufprallen0
Zur Abhilfe ist bereits ein Mischer vorgeschlagen worden, in welchem ein aus mehreren
Stäben käfigartig aufgebautes Mischwerkzeug angeordnet ist* das im Mischbehälter
eine planetenförmige Umlaufbewegung ausführt, wobei die Rotationsgeschwindigkeit
des Misohwerkzeugs um seine eigene Achse und die Umlaufgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs
um die Behälterachse sowie die Drehsinne dieser Bewegung so aufeinander abgestimmt
sind, dass die Mischgutpartikel mit stets gleichen Geschwindigkeiten auf die Stäbe
des Mischwerkzeugs auftreffen0 Es ist ersichtlich, dass der konstruktive Aufbau
eines derartigen Mischers relativ kompliziert ist, da zum einen für zwei verschiedene
Drehantriebe gesorgt werden muss, zum anderen das Mischwerkzeug aus sehr vielen
Einzelteilen besteht, die zusammengesetzt werden müssen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derart
komplizierten Mischeraufbau zu vermeiden und das gleiche bereits genannte Ziel,
nämlich eine Vergleichmässi gung der durch das Mischwerkzeug im Mischgut durch innere
und äussere Reibung hervorgerufenen Temperatureinflüsse durch Abhilfsmaosnahmen
am Mischwerkzeug selbst zu erreichen, ohne dass es einer komplizierten Bewegungssteuerung
des Mischwerkzeugs bedarfs Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene
Erfindung gelöste Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Mischflügels ergibt
sich, dass im gekrümmten Bereich des Flügels die
senkrecht zur Flügelfläche
weisenden Vektorkomponenten der Aufprallgeschwindigkeiten von Mischgutpartikeln
an allen Aufprallpunkten gleich gross sindo Die Erfindung geht damit von der Erkenntnis
aus, dass die Grösse der senkrecht zur Flügelfläche weisenden Vektorkomponente der
Aufprallgeschwindigkeit den Grad der Erwärmung bestimmt, die durch das Aufprallen
des Mischgutpartikels auf den Mischflügel im Mischgutpartikel hervorgerufen wird.
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Die genannten Vektorkomponenten ergeben sich sowohl bei einer Flügelgestalt,
bei der die Aufprallfläche überall parallel zur Achse, um die der Flügel rotiert,
verläuft als auch bei einem Flügel, bei dem die Aufprallfläche gegen die genannte
Rotationsachse geneigt ist, wodurch der Flügel bei seinem Umlauf im Mischgut eine
in Richtung der Rotationsachse verlaufende Bewegungskomponente hervorruft.
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Die Frontkante eines Flügels der erfindungsgemässen Art beschreibt
eine Kurve, die in Polarkoordinaten der folgenden Gleichung genügt:
wobei r der Abstand eines Kurvenpunktes P vom Pol (d.h. der Drehachse) ist, rO die
Länge des ungekrümmten Abschnitts der Kurve (d,h, des geraden Flügelabschnitts im
inneren Bereich des Flügels, ab dem die Krümmung anfängt (Anfangsradius), und der
Polarwinkel des betreffenden Kurvenpunktes P gemessen von der vom geraden Kurvenabschnitt
angegebenen Winkellage Null aus. Diese Kurve ist als K in Fig0 1 dargestellto
Bei
einem Mischflügel einfachster Gestalt ist die Aufprallfläche als parallel zur Rotationsachse
verlaufende, nach dieser Kurve gebogene Ebene vorstellbar. Ein derartiger Mischflügel
ruft im Mischgut aber nicht unmittelbar in Richtung der Rotationsachse verlaufende
Bewegungskomponenten hervor, sondern bewirkt, Je nachdem, ob diese Fläche entgegen
oder in der Rotationsrichtung gekrümmt ist, radial nach aussen oder nach innen gerichtete
Mischgutbewegungen.
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Ist die Erzielung einer in Richtung der Rotationsachse gerichteten
Bewegungskomponente im Mischgut erwünscht, wie es zum Ausbilden einer Mischguttrombe
im Mischbehälter erforderlich ist, dann muss die Aufprallfläche gegen die Rotationsachse
geneigt sein0 Man erhält eine solche Aufprallfläche, die dem von der Erfindung verfolgten
Ziel genügt,dadurch, dass die beschriebene Kurve entgegen oder in der Rotationsrichtung
verschraubt wirdc Die von der Kurve dabei beschriebene dreidimensionale Fläche ist
diejenige, die am Mischflügel als Aufprallfläche auszubilden isto Der Formenbauer
erhält eine solche Fläche dadurch, dass er entsprechende Kurvenschablonen beliebig
kleiner Stärke in entsprechender Anzahl übereinanderlegt und dabei jede einzelne
Schablone gegenüber der darunterliegenden Jeweils um einen konstanten Winkelbetrag
verdreht. Die von den der beschriebenen Kurve folgenden Schablonenkanten annäherungsweise
bestim-te Fläche ist die Aufprallfläche. Die Stufen sind zu verso'hleifen oder zu
verspachtelnO Der Verdrehungswinkel und die Scheibenstärke, die den Grad der Verschraubung
angeben, bestimmen die Steigung der Aufprallfläche, die nach den speziellen Bedürfnissen
wählbar ist.
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Es ist nicht notwendig, dass der Mischflügel auf seiner gesamten Länge
gekrümmt ausgeführt ist, da bei den genannten
Reaktionen im allgemeinen
eine bestimmte Maximalwirkung, z,B o Erwärmung und damit Aufprallgeschwindigkeit
am Mischwerkzeug nicht überschritten werden darf, diese Maximalaufprall geschwindigkeit
aber auch bei sich radial geradlinig erstreckendem Mischflügel bei einer gegebenen
Drehzahl erst in einem bestimmten Abstand vom Drehmittelpunkt erreicht wird. Es
ist daher nur erforderlich, dass der Mischflügel ab demJenigen Punkt, an dem die
optimale Aufprallgeschwindigkeit erreicht wird, nach hinten oder vorne gekrümmt
ausgeführt ist. Der Radius dieses Punktes wird, wie erwähnt, als Anfangsradius rO
bezeichnet.
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Im Bereich vom Drehmittelpunkt bis zum Anfangsradius rO kann die Neigung
des Mischflügels gegen die Horizontale grösser sein als in dem übrigen Bereich,
wodurch im geradlinigen Bereich den hier herrschenden verhältnismässig geringen
Bahngeschwindigkeiten des Mischflügels Rechnung getragen werden kann, um den senkrecht
zur Flügelfläche gerichteten Vektor der Aufprallgeschwindigkeit hier so gross wie
zulässig zu machen.
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Der erfindungsgemässe Mischflügel ist nicht nur für Heizmischer geeignet,
sondern auch für Kühlmischer, wobei er dann zweckmässigerweise von innen her gekühlt
ist.Er ist weiterhin dort verwendbar, wo Mischgut nicht nur gemischt, sondern auch
zerkleinert oder kompaktiert oder agglomeriert werden soll, Auch bei derartigen
Vorgängen kommt es auf eine über den gesamten Mischbehälterraum gleichmässige Behandlung
an, die durch den erfindungsgemässen Flügel erreicht wird.
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Die Erfindung und vorteilhafte Anwendungsformen seien nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 9 näher erläutert. Es zeigen:
Fig.
1 die schneckenförmige Kurve, der ein Axialschnitt durch die Aufprallfläche des
Mischflügels folgt; Figo 2 einen erfindungsgemässen Mischflügel von oben; Fig. 3
einen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Mischflügel, der entgegen der Umlaufrichtung
gekrümmt ist; Fig 4 einen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Mischflügel, der
in Umlaufrichtung gekrümmt ist; Fig. 5 eine Teildarstellung eines aus ebenen Schichten
aufgebauten Mischflügels, der entgegen der Umlaufrichtung gekrümmt ist, von oben;
Fig. 6 einen Schnitt durch den Mischflügel nach Fig. 5 mit Abfallstück; Fig. 7 einen
Schnitt durch einen Mischflügel mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten
Aufprallflächen; Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines aus Schichten aufgebauten
Mischflügels in einem Mischbehälter im Schnitt; Fig0 9 eine Prinzipdarstellung eines
Mischbehälters mit einem darin angeordneten Mischwerkzeug, das Mischflügel in verschiedenen
Ebenen aufweist, die Aufprallflächen aufweisen, die in Zonen unterschiedhoher Förderrichtung
unterteilt sind.
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Grundlage für die Gestaltung der Aufprallfläche F eines erfindungsgemäßen
Mischflügels ist die schneckenförmige Kurve K, wie sie in Fig 1 dargestellt ist.
Sie besteht aus einem geraden Abschnitt, der vom Achspunkt M bis zum Radius r reicht.
An diesem schließt sich ein äußerer, 0 schneckenförmiger Abschnitt an, der derart
gekrümmt ist, daß für jeden Punkt P auf ihn die Entfernung zum Schnitt punkt S zwischen
der Tangente an die Kurve K im Punkt P und dem Lot 1 vom Drehpunkt M auf die Tangente
t konstant und gleich dem Radius r (Anfangsradius) ist, an dem die 0 Krümmung des
äußeren Teils der Kurve K beginnt. Läßt man die Kurve K um den Achspunkt M in Pfeilrichtung
A rotieren, dann ergeben sich aufgrund der Geometrie der Kurve K folgende Verhältnisse,
wie sie aus Fig. 1 insbesondere rechts unten erkennbar sind: Die Rotationsgeschwindigkeit
sei so groß gewählt, daß die Bahngeschwindigkeit des äußeren Endes des geraden Abschnitts
der Kurve, d. h. am Kurvenpunkt P im Abstand rO vom Achs-0 punkt M gleich v0 sei.
In Fig. 1 ist der entsprechende VEktor v auf die Kurve K gerichtet eingezeichnet,
um die Verhältnisse darzustellen, die sich beim Aufprall eines Mischgutpartikels
auf einen nach Art der Kurve K ausgebildeten Mischflügel ergeben.
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Ein an einer um den Winkel < gegenüber der in den geraden Kurvenabschnitt
fallenden Winkelnullinie winkelversetzten Stelle befindlicher Kurvenpunkt Pj hat
von Achspunkt M einen radialen Abstand rj. Die Bahngeschwindigkeit dieses Kurvenpunktes
pj ist um das Verhältnis r; / rO größer als die gahngeschwindigkeit des Kurvenpunktes
PO. Der entsprechen-0 de Geschwindigkeitsvaktor ist, wieder auf die Kurve K gerichtet,
mit vrj eingezeichnet. Dieser VEktor läßt sich in zwei Komponenten zerlegen, von
denen die eine Komponente vtj
tangential zur Kurve K verläuft, die
andere Komponente senkrecht auf der Kurve K steht. Wegen der Geometrie der Kurve
K ist der Vektor vlj dem Betrage nach genau so groß wie der Vektor vO am Punkte
P 0 Das letztgenannte Merkmal ist das entscheidende Kriterium, auf das es der Erfindung
ankommt. Für die Erzeugung von Wärme, die durch den Mischflügelumlauf in einem Mischgutpartikel
infolge innerer und äußerer Reibung hervorgerufen wird, ist nämlich fast ausschließlich
die senkrecht zur Aufprallfläche des Mischflügels gerichtete Geschwindigkeitskomponente
maßgeblich. Diese Komponente, hier vom Betrage vO, ist an allen Punkten P. gleich
groß. Durch die besondere 4Gestalt der Kurve K, nach der ein erfindungsgemäßer Mischflügel
geformt ist, ist dem Umstand Rechnung getragen, daß der Mischflügel mit zunehmendem
Radius eine größere Bahngeschwindigkeit hat.
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Der Anfangsradius rO ist nach dem jeweiligen Erfordernissen zu wählen.
Er kann von der Außenwand einer Nabe, an der der Mischflügel befestigt ist einen
gewissen Abstand haben, sodaß der Mischflügel einen geraden Abschnitt und einen
gekrümmten Abschnitt aufweist, er kann aber auch mit der Außenwand der Nabe zusammenfallen,
sodaß der gesamte Mischflügel gekrümmt ist.
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Die herrschenden Verhältnisse sind oben an einem Beispiel erläutert
worden, bei dem die Kurve entgegen ihrer Umlaufrichtung gekrümmt ist. Die Tangentialvektoren
weisen von der Kurve weg, bei einem entsprechend geformten Mischflügel würde sich
eine nach außen gerichtete Förderkomponente im Mischgut ergeben. Die gleichen Verhältnisse
in Bezug auf die senkrecht zur Kurve gerichtete Vektorkomponente liegen vor, wenn
die Kurve K in Richtung ihres Umlaufs gekrümmt ist, das äußere Kurvenende also voreilt.
In diesem Falle wUrde
die Förderkomponente eines entsprechend geformten
Mischflügels nach innen gerichtet sein. Beide Formen von Mischflügeln lassen sich
ausnutzen. Dies wird später noch beschrieben.
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Im einfachsten Falle besteht ein erfindungsgemäßer Mischflügel aus
einem ebenen, in Form der Kurve K nach Fig. 1 gebogenen Streifen, sodaß dessen Axialschnittbild
etwa der Kurve nach Fig. 1 entspricht. Ein solcher Mischflügel kann, sofern nicht
auf einer seiner Seiten Versteifungsmittel angeordnet sind, die die Oberflächenkontur
stören, sowohl für Rechtslauf, als auch für Linkslauf verwendet werden. Je nach
Krümmungsrichtung ergibt sich dabei im Mischgut eine Förderkomponente nach außen
oder nach innen.
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Ein solcher Mischflügel kann aber unmittelbar im Mischgut keine in
Achsrichtung verlaufende Förderkomponente hervorrufen. Eine solche Förderkomponente
ist aber bei einem Mischflügel 1 vorhanden, wie er in Fig. 2 aus Sicht von oben,
dargestellt ist. Seine Aufprallfläche F ist gegen die Achse der Nabe N, an der er
befestigt ist, geneigt. Die Aufprallfläche F entspricht in ihrer Gestalt einer Fläche,
wie sich bei gleichmäßiger Verschraubung der Kurve K (Fig.1) von dieser überstrichen
bzw. definiert wird. Je nachdem, ob der ischflügel 1 im Mischgut eine nach außen
oder nach innen gerichtete Förderkomponente hervorrufen soll, ist dabei die Verschraubung
unterschiedlich gerichtet. Zwei Schnitte, die unterschiedlichen Verschraubungsrichtungen
entsprechen, sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Mischflügel 1 nach Fig. 2,
der nach außen und oben fördern soll. Die entsprechende Umlaufrichtung des Flügels
1 ist in Fig. 2 durch den Pfeil A gekennzeichnet. Die Aufprallfläche F des Flügels
1 ist in
diesem Falle nach außen fallend geneigt (Fig 3).
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Mischflügel nach Fig. 2, der
nach innen und oben fördern soll. Die entsprechende Umlaufrichtung des Flügels 1
ist in Fig. 2 durch den Pfeil B gekennzeichnet. Die Aufprallfläche F des Flügels
1 ist in diesem Falle nach innen fallend geneigt.
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Es sei erwähnt, daß entsprechend zu einer Axialschnittebene spiegelbildliche
Verhältnisse herrschen, wenn nach außen und unten bzw. nach innen und unten gefördert
werden soll.
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Obgleich die Ausformung eines Modells zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Mischflügels wegen seiner komplizierten Aufprallfläche schwierig erscheint, bereitet
sie dem Modellbauer dennoch keine Schwierigkeiten. Wie auf einfache Weise ein Modell
eines erfingungsgemäßen Mischflügels hergestellt werden kann, zeigen die Figuren
5 und 6.
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Danach sind eine Mehrzahl von flachen gleichen Modell scheiben 1a
bis le (Fig.6) erforderlich, die jeweils um einen Winkels (Fig.5) gegeneinander
versetzt übereinandergelegt werden. Die Modellscheiben weisen eine Kante auf, die
der gewünschten Kurve K (Fig.1) entspricht. Anzahl und Stärke der Scheiben bestimmen
die Höhe des Modells, die Größe des Versatzwinkelsot bestimmt den Steigungswinkelß*
der im Schnitt (Fig.6) zu sehen ist.
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Sind die Scheiben in der beschriebenen Weise iibereinandergelegt und
miteinander verbunden, ergibt sich ein Körper mit vorstehenden Kanten, die noch
beseitigt werden müssen.
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Diese Kanten sind entsprechend der verschiedenen Scheiben in Fig.
5 mit unterschiedlicher Strichpunktierung dargestellt.
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Sie sind auch in Fig. 6 links neben der Aufprallfläche F zu sehen.
Sie werden zweckmäßigerweise weggeschliffen (wie in Fig. 6 dargestellt,)oderfverspachtelt.
Der überflüssige rückwärtige Schwanz s der Scheiben 1a bis le wird vom Flügel 1
abgetrennt (Fig. 6).
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Bislang war ein erfindungsgemäßer Mischflügel nur am Beispiel einseitig
fördernder Ausführungsformen beschrieben worden. Fi Fig.7 zeigt demgegenüber den
Schnitt durch einen Mischflügel, der zwei zu einer Axialschnittebene spiegelbildlich
angeordnete Aufprallflächen aufweist. Mit einem solchen Mischfliigel können Förderkomponenten
nach zwei verschiedenen Richtungen im Mischgut hervorgerufen werden. Er eignet sich
besonders für Mischer, in denen wellenförmig verlaufende Strömungen durch mehrere,
in verschiedenen Höhenlagen rotierende Mischflügel hervorgerufen werden.
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Sofern die äußere Kontur des Mischflügels an die Innenkontur des Mischbehälters
anzugleichen ist, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, darf dies nicht etwa durch plastisches
Verformen des Mischflügels geschehen, vielmehr ist der Körper des Mischflügels entsprechend
abzutragen.
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Zur Verdeutlichung ist in Fig. 8 ein in einem Mischbehälter 3 angeordentes
Mischflügelmodell dargestellt, bei dem durch Schraffur der Schichten hervorgehoben
ist, daß die Schichten nicht verbogen sind, um den Flügel der Kontur des Mischbehälters
3 anzupassen, sondern entsprechend abgetragen sind. Auf diese Weise bleiben die
Winkelverhältnisse, die zur Erzielung der beschriebenen Vaktorkomponenten erforderlich
sind, unverändert erhalten.
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Zur Erzielung von oben im Mischbehälter, wie sie in Fig. 9 dargestellt
sind, ist die Verwendung eines Mischwerkzeugs günstig, das in verschiedenen Richtungen
fördernde, in unterschiedlichen Höhenlagen angeordnete Mischflügel aufweist, die
an einer gemeinsamen Nabe befestigt sind. Ein solches Mischwerkzeug ist schematisch
in Figur 9 dargestellt. Es besteht aus in unterschiedlichen Höhen an einer Nabe
N befestigten Mischflügeln 1a und 1i.
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Die unteren Mischflügel la weisen entgegen der Umlaufrichtung gekrümmte
Aufprallflächen auf, d. h. die Flügelenden eilen nach. Dadurch wird beim Umlauf
auf das Mischgut von ihnen eine nach außen gerichtete Bewegungskomponente vermittelt,
vgl. Fig. 3, sodaß die Fliehkraft im Mischgut unterstützt wird.
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Die oberen Mischflügel 1i weisen in Umlaufrichtung gekrümmte Aufprall
flächen auf, d. h. die Flügelenden eilen vor. Dadurch wird beim Umlauf auf das Mischgut
eine nach innen gerichtete Bewegungskomponente vermittelt (vgl. Fig.4), sodaß die
randnahen Mischgutpartikel zum Zentrum des Mischbehälters gefördert werden.
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Obgleich durch diese Maßnahme allein schon die Ausbildung einer Trombe
gefördert wird, ist zur weiteren Verbesserung vorgesehen, daß die einzelnen Mischflügel
zusätzlich in zwei Zonen entgegengesetzten Anstellwinkels der Aufprall flächen unterteilt
sind. Bei den inneren, nabennahen Zonen Ca und Ci sind die Anstellwinkel so gewählt,
daß im Mischgut eine nach unten gerichtete Förderkomponente vermittelt wird. Die
an die inneren Zonen Ca bzw. Ci anschließenden äußeren behälternahen Zonen Da und
Di weisen bei den Aufprallflächen Anstellwinkel auf, die in entgegengesetzte Richtung,
d.h.
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nach oben gerichtete Förderkomponenten im Mischgut hervorrufen.
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In allen Außenzonen entspricht das Querschnittsbild der Zonen Da der
unteren Flügel 1a dem Bild der Fig. 3, das
Querschnittsbild der
Zonen Di der oberen Flügel li dem Bild der Fig. 4. Die inneren Zonen sind spiegelbildlich
in Bezug auf eine Axialschnittebene ausgebildet.
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Auf diese Weise wird im Außenbereich innerhalb des Mischbehälters
die nach oben gerichtete, durch das Emporsteigen an der Behälterwand hervorgerufene
Bewegungskomponente des Mischguts unterstützt und gleichzeitig der Einzug des Mischguts
abwärts im Zentrum des Behälters 3 verbessert.