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Rührwerkzeug
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In Rührern oder Mischern mit in einem rotationssymmetrischen Behälter
umlaufenden, Flügel aufweisenden Rührwerkzeug zur Durchmischung und Homogenisierung
eines zu behandelnden schüttfähigen Gutes wird das Rührwerkzeug im allgemeinen mit
so hoher Geschwindigkeit betrieben, daß sich im Gut eine heftige Bewegung ergibt,
die schließlich zur Ausbildung einer sogenannten Trombe führt. Diese Trombe bewirkt
eine Umschichtung und Umverteilung des Gutes, die die Homogenisierung zur Folge
hat.
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Zur Erzielung der gewünschten Trombe ist es erforderlich, im Gut eine
der Schwerkraft entgegengerichtete Bewegungskomponente zu erzeugen, weshalb die
Rührflügel Aufprallflächen aufweisen, welche gegen die Rotationsebene entsprechend
geneigt sind. Da die Beanspruchung von zu behandelndem Gut und Rührwerkzeug mit
steigender Aufprallgeschwindigkeit zunimmt, ist es bekannt, entweder die Neigung
der Aufprallfläche mit zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse abnehmen zu
lassen oder die Flügel entgegen der Drehrichtung in der Rotationsebene zu krümmen,
um die Aufprallwinkel zwischen Gut und Aufprallfläche entsprechend zu verringern.
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Eine gute und schnelle Homogenisierung eines schüttfähigen Gutes läßt
sich bekanntlich dann erreichen, wenn man in dem Gut einander entgegengerichtete
Strömungen erzeugt, die eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen, an welcher die aneinander
entlangstreichenden Partikel des Gutes sich miteinander vermengen oder vermischen.
Die Ausbildung einer Trombe genügt diesem Ziel nur unvollkommen, da sich innerhalb
einer Trombe das Gut mehr oder weniger gleichförmig bewegt, ohne daß es zur Ausbildung
größerer
Grenzflächen kommt, an denen Gut in unterschiedlichen Richtungen
strömt.
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I)er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rührwerkzeug der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art anzugeben, mit dessen Hilfe im
zu behandelnden Gut intensive, wirbelausbildende Bewegungen hervorgerufen werden.
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I)iese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Rührwerkzeug ruft beim Umlauf mit seinem einen
Flügel im Gut eine in radialer Richtung, beispielsweise nach außen, verlaufende
Bewegungskomponente hervor, während der nachfolgende Flügel in der gleichen Rotationsebene
eine radial nach innen gerichtete Bewegung komponente im Gut hervorruft. Das Rührwerkzeug
bewirkt demnach im Gut eine in horizontaler Richtung schwingende Bewegung, die geeignet
ist, Zonen einander entgegengesetzter Bewegungsrichtungen im Gut hervorzurufen,
in denen sich auch Wirbel ausbilden können. In diesen Zonen findet eine heftige
Durchmischung bzw. Durchmengung des Gutes statt.
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Die Krümmung der Flügel ist zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß die
radial gerichtete Geschwindigkeitskomponente, die dem Gut vermittelt wird, an allen
Punkten, an welchen Gut auf die Flügel auftritt, gleichgroß ist. Bei dieser Ausführungsart
sind Stauerscheinungen im Gut vermieden, da sich über den gesamten Querschnitt des
Mischraums eine gleichmäßige radiale Geschwindigkeitsverteilung im Gut ergibt. Es
ist dabei vorteilhaft, wenn die Aufprallfläche eine Schraubfläche ist, die durch
Verschraubung einer
Spiralkurve gebildet ist. Mit einem solchen
Flügel wird im Gut zusätzlich zu der oszillierenden Bewegung eine Trombe erzeugt,
die die gewünschte, eingangs erläuterte Umschichtung des Gutes zur Folge hat.
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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 ein Rührwerkzeug mit zwei Flügelpaaren;
Fig. 2 ein Rührwerkzeug mit einem Flügelpaar; Fig. 3 einen einzelnen Rührflügel
in Draufsicht, und Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Rührwerkzeugs.
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Fig. 1 zeigt ein Rührwerkzeug, bestehend aus zwei Rührflügelpaaren
1 und 2, die an einer gemeinsamen Nabe 3 in der gleichen, von der Nabe 3 senkrecht
geschnittenen Ebene befestigt sind und innerhalb der Ebene gekrümmt sind. Die Umlaufrichtung
des Rührwerkzeugs ist durch den Pfeil A gekennzeichnet. Wie ersichtlich, sind die
Rührflügel 1 in Umlaufrichtung gekrümmt, während die Rührflügel 2 entgegen der Umlaufrichtung
gekrümmt sind, d.h. das freie Ende eines Flügels 1 ist voreilend, während das freie
Ende eines Flügels 2 nacheilend ist. Eine von der Achse 0 der Nabe 3 auf die Aufprallfläche
zielende Radiallinie trifft bei einem Flügel 1 die Aufprallfläche von vorn, während
sie die Aufprallfläche bei einem Flügel 2 von hinten durchstößt. Aus diesem Grunde
verlaufen die radial gerichteten, im Gut erzeugten Bewegungskomponenten bezüglich
der Flügel 1 nach innen, d.h. in Richtung auf die Achse 0, bei den Flügeln 2 nach
außen.
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Ein Rührwerkzeug mit einer geraden Anzahl von Flügelpaaren, wie es
in Fig. 1 dargestellt ist, läßt sich ohne Berücksichtigung besonderer Auswuchtprobleme
realisieren, da die
rotationssymmetrische Anordnung der Flügel eines
Flügelpaares eine symmetrische Ausrichtung der Schwerpunkte dieser Flügel in bezug
auf die Rotationsachse A zur Folge hat.
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Fig. 2 zeigt ein Rührwerkzeug von oben, welches lediglich zwei Flügel
aufweist. Bei diesen Flügeln ist besondere Sorge zu tragen, daß die Schwerpunkte
S der Flügel 1 und 1' auf einer gemeinsamen geraden Linie liegen, die die Achse
O der Nabe 3 schneidet, und daß in diesen Schwerpunkten S gleichgroße Massen vereinigt
sind, damit das Werkzeug im ganzen ausgewuchtet ist.
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Fig. 3 zeigt einen einzelnen Flügel 1 an einer Nabe 3, an welchem
die spezielle Cestaltung der Aufprallfläche erläutert werden soll. Die Anströmgeschwindigkeit
eines auf den Flügel 1 auftreffenden Teilchens zerlegt sich nach dem Vektordiagramm
in einen tangential zur Aufprallfläche verlaufenden Vektor und einen senkrecht dazu
verlaufenden Vektor. Der tangential zur Aufprallfläche verlaufende Vektor läßt sich
wiederum in einen Vektor Wr, der in einer durch den Aufprallpunkt verlaufenden Radiallinie
liegt, und einen senkrecht dazu verlaufenden Vektor zerlegen. Die Aufprallfläche
ist vorteilhaft, wie bereits erläutert, so gestaltet, daß der Vektor Wr für alle
Aufprallprallpunkte gleichgroß ist.
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Die Aufprallfäche selbst ist durch Verschraubung einer Spiralkurve
C gebildet, die sich aus der Summe oder Differenze einer archimedischen Spirale
C1 und einer Kreisevolvente C2 zusammensetzt. Hierbei genügt die archimedische Spirale
der Gleichung
und C2 der Gleichung
| C2 = g2 X -1 - arc tan ru -½ |
genügen. hierbei bedeutet £ der Steigungswinkel der Schraubfläche für y = 1, und
g r /ro, wobei r der radiale Abstand eines Aufprallpunktes zur Achse 0 und r der
Außen-0 radius der Nabe 3 ist.
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Durch die Verschraubung ergibt sich eine Neigung der Aufl)rallfläche
gegen die Rotationsebene, welche zusätzlich eine Förderkomponente parallel zur Rotationsachse
erzeugt und die Tromhenausbildung fördert. Aus diesem Grunde geht auch der Winkel
(@ in die Beschreibung der Schraubfläche ein.
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Da die Schraubfläche sowohl durch Summenbildung als auch durch Differenzbildung
von archimedischer Spirale und Kreisevolvente erzeugt werden kann, ergeben sich
zwei Lösungen mit verschiedenen Radialkomponenten.
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Die unter Summenbildung erhaltene Schraubfläche weist eine flacher
verlaufende Spirale auf, d.h. der Flügel ist stärker gekrümmt und die in radialer
Richtung im Gut erzeugte Geschwindigkeitskomponente Wr ist bei gleicher Anströmgeschwindigkeit
größer als bei einer unter Differenzbildung erhaltenen Schraubfläche. Eine größere
Komponente Wr erzeugt eine größere Mischwirkung, durch den flachen Verlauf der Spirale
ist jedoch der erreichbare maximale Radius bis zur Flügelspitze kleiner, so daß
auch der Behälterdurchmesser im Verhältnis zum Nabendurchmesser kleiner ist. Die
Anwendung der einen oder anderen Ausführungsform hängt von der konstruktiven Gestaltung
des Rührers und vom durchzuführenden Misch-und Rührprozeß ab.
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Die räumliche Gestalt eines Rührwerkzeuges, dessen Rührflügel durch
Verschraubung von Spiralkurven erhaltene Aufprallflächen aufweist, geht aus Fig.
4 anschaulich hervor. Rotiert dieses Rührwerkzeug von oben gesehen im Uhrzeigersinn,
rufen die Flügel neben den radial gerichteten Geschwindigkeitskomponenten auch nach
oben gerichtete Geschwindigkeitskomponenten hervor.
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