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Ausschleusung leitfähiger Fremdkörper aus Schüttgütern
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausschleusen metallischer
Fremdkörper aus Schüttgütern. Sie besteht prinzipiell aus einer von einem induktiven
Metalldetektor gesteuerten Rohrweiche mit einem Fallschacht und einem daran angesetzten
Seitenrohr.
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Bei chemischen Produktionsanlagen tritt manchmal das Problem auf,
daß metallische Fremdkörper z. B. Schrauben oder Muttern) zusammen mit den Aufgabestoffen
in das Schüttgut gelangen. Solche Fremdkörper können dann in Mischern, Mühlen oder
Trocknern schwere Schäden anrichten und zu gravierenden Betriebsstörungen führen.
Aus diesem Grund sind Schleusenvorrichtungen entwickelt worden, die die Abscheidung
von metallischen Fremdkörpern aus dem Produktstrom ermöglichen. Sie beruhen darauf,
daß ein empfindlicher elektromagnetischer Metalldetektor ein Signal erzeugt, wenn
ein metallischer Fremdkörper in der Nähe vorbeigeführt wird. Dieses Signal wird
dann zur Steuerung einer Rohrweiche benutzt, die in den Produktstrom eingebaut ist.
Beim Ansprechen des Metalldetektors wird die Rohrweiche umgeschaltet ;nd der Produktstrom
mit dem Fremdkörper in einen BJpaß geleitet.
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Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß sie
eine relativ große Bauhöhe erfordern und daher einen großen Platzbedarf haben. Sie
können aus diesem
Grund auch nur schwer nachträglich in bereits
vorhandene Anlagen eingebaut werden. Versucht man nun, die Bauhöhe zu vermindern,
d. h. werden Metalldetektor und Rohrweiche in relativ kurzem Abstand untereinander
angeordnet, so ergibt sich das Problem, daß die Umsteuerung der Rohrweiche nicht
schnell genug erfolgt, um das Metallstück mit Sicherheit auszuschleusen. Die kurze
Zeitspanne, die ein Fremdkörper für die Fallstrecke zwischen dem Metalldetektor
und der Schleuse benötigt, reicht nicht aus, um die Schleuse noch rechtzeitig zu
betätigen.
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Hier setzt die Erfindung an. Die Aufgabe besteht darin, eine nach
dem Prinzip der Rohrweiche arbeitende Schleusenvorrichtung mit einer sehr kurzen
Ansprech- und Schließzeit zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in folgender Weise gelöst: a) Die
Rohrweiche besteht aus einer in den Fallschacht einschwenkbaren und dessen gesamten
Querschnitt verschließenden Klappe.
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b) Die Klappe verschließt im Ruhezustand (Fallschacht offen) die Mündung
des Seitenrohres und liegt dabei nahezu in der gleichen Ebene wie die Fallschachtwand
in der Nähe der Mündung des Seitenrohres.
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c) Die Klappe ist im Ruhezustand durch eine Torsionsfeder vorgespannt
und durch eine elektrisch gesteuerte Arretiervorrichtung gehalten.
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d) Die Arretiervorrichtung steht mit dem Metalldetektor in Wirkverbindung.
Beim Passieren eines metallischen Fremdkörpers erzeugt der Metalldetektor ein Signal,
das die Arretiervorrichtung betätigt (Alarmzustand).
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e) Die Länge 1 der Klappe ist im Verhältnis zur Weite w des Fallschachtes
so bemessen, daß die Klappe im entarretierten Zustand (Alarmzustnd) unter einem
Neigungswinkel von 10 bis 400, vorzugsweise 20 bis 300, gegen die Horizontale den
Fallschacht abschließt. Es hat sich herausgestellt, daß in diesem Winkelbereich
die Schließzeit besonders gut zu minimieren ist.
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Um die Arretiervorrichtung auszulösen, ist ein Kraftelement mit sehr
kurzer Ansprechzeit erforderlich. Bewährt haben sich sogenannte pyrotechnische Kraftelemente
oder spezielle Elektromagnete.
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Die Bewegung der Klappe beim Schließvorgang ist vorteilhaft durch
einen Anschlag begrenzt. Ein in der Nähe des Anschlags angeordneter Näherungsschalter
(Initiator) erzeugt ein elektrisches Signal, wenn die Klappe den Anschlag erreicht.
Dadurch wird eine Funktionskontrolle ermöglicht.
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Eine Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß für die mechanischen
Kontaktstellenbei der Arretiervorrichtung und bei dem Anschlag für die Klappe funkenarme
Werkstoffkombinationen vorgesehen sind. Dadurch wird verhindert, daß beim Schließvorgang
Funken entstehen, die normalerweise zu einer erheblichen Betriebsgefährdung führen.
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Mit der Erfindung konnte zum ersten Mal eine Vorrichtung zum Ausschleusen
von Metallteilen aus chemischen Anlagen realisiert werden, die im Vergleich zu den
bekannten Vorrichtungen eine extrem kurze Schließzeit besitzt. Die erreichten Schließzeiten
liegen zwischen 40 und 70 ms.
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Demgegenüber besitzen handelsübliche Rohrweichen Umschaltzeiten von
ca. 150 ms. Die kurzen Schließzeiten ermöglichen auch dann ein einwandfreies Funktionieren
der Produktschleuse, wenn aus baulichen Gründen nur eine relativ kurze Fallstrecke
zwischen Metalldetektor und Produktschleuse zur Verfügung steht. Dies ist bei einem
nachträglichen Einbau der Schleusenvorrichtung in bereits vorhandene Anlagen praktisch
immer der Fall. Die maximal nutzbare Bauhöhe liegt in solchen Fällen erfahrungsgemäß
zwischen 50 cm und 100 cm.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Schleuse im Ruhezustand
den freien Querschnitt des Fallschachtes nicht beeinträchtigt. Ferner ist von Bedeutung,
daß beim Zusammenbau der Schleuse handelsübliche Bauelemente eingesetzt werden können
und der apparative Aufwand für die neu zu fertigenden Teile relativ gering ist.
Damit können die Investitionskosten niedrig gehalten werden.
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Bei Verwendung eines Elektromagneten zum Betätigen der Arretiervorrichtung
ist der Schließvorgang reversibel; d. h. die Produktschleuse kann ohne apparative
Nachrüstung mehrfach hintereinander verwendet werden. Zu diesem Zweck muß die Klappe
nur gegen den Widerstand der Torsionsfeder in ihre Ausgangsstellung (Ruhezustand)
zurückgebracht werden.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine Vorderansicht und Fig. 2 eine Seitenansicht
der Produktschleuse.
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Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Produktschleuse in einen vertikalen Fallschacht
1 mit quadratischem Querschnitt eingebaut. An seinem unteren Ende befindet sich
ein Paßstück 2 als übergang zu einem zylindrischen Produktrohr 3. Am oberen Ende
schließt sich ein ebenfalls zylindrisches Einlaufrohr 4 an. An den Fallschacht 1
ist unter einem Winkel von ca. 450 ein Seitenrohr 5 angesetzt. Die Mündung des Seitenrohres
5 in den Fallschacht 1 ist im Ruhezustand durch eine um die Achse 6 drehbare Klappe
7 verschlossen. Die Welle 6 ist so angeordnet, daß die Klappe 7 etwa bündig mit
der Fallschachtwand abschließt. Auf diese Weise wird erreicht, daß der freie Querschnitt
(Fallschachtweite w) im Ruhezustand nicht durch die Schleuseneinbauten beeinträchtigt
wird. Das Schüttgut kann im Normalzustand den Fallschacht 1 unbehindert passieren.
Die Klappe 7 ist tar.ential an der Welle 6 befestigt (s. Fig. 2). Durch eine Schwenkung
der Klappe 7 um den Winkel s (gestrichelte Position in Fig. 1) kann man erreichen,daß
der Fallschacht 1 geschlossen und das Seitenrohr 5 offen ist (Alarmzustand). Dabei
liegt die äußere Kante 8 der Klappe 7 an der Innenwand des Fallschachtes 1 an. Die
optimale Dimensionierung der Klappe 7 im Hinblick auf eine möglichst kurze Schließzeit
wird im folgenden noch erläutert.
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Im Ruhezustand (Seitenrohr 5 geschlossen) ist die Klappe 7 durch eine
starke Torsionsfeder 9 (s. Fig. 2) vorgespannt. Die Torsionsfeder 9 ist in einem
seitlich in Verlängerung der Welle 6 am Fallschacht 1 angesetzten Gehäuse 10 untergebracht.
Sie erzeugt an der Welle 6 ein Drehmoment von ca. 50 Nm. Im Ruhezustand ist die
Klappe 7 durch eine außerhalb des Fallschachtes 1 angeordnete Arretiervorrichtung
fixiert, die aus dem Hebel 11, dem rechtwinklig dazu angeordneten, um die Achse
12 drehbaren Arretierhebel 13 und dem Kraftelement 14 besteht. Der Hebel 11 ist
mit der Welle 6 und damit auch mit der Klappe 7 starr verbunden. Am Ende des Hebels
11 befindet sich eine viertelkreisförmige Aussparung 15. Sie bildet im Ruhezustand
die Auflagefläche für ein an dem Arretierhebel 13 angebrachtes drehbares Röllchen
16. Das andere Ende des Arretierhebels 13 steht mit dem Kraftelement 14 in Verbindung.
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Das Kraftelement 14 besteht entweder aus einem Elektromagneten mit
kurzer Ansprechzeit oder einem pyrotechnischen Kraftelement. Solche Kraftelemente
sind als handelsübliche Bauelemente erhältlich. Das Kraftelement wird ebenso wie
der Elektromagnet durch ein elektrisches Signal ausgelöst.Funktionswesentlich ist
dabei ein in axialer Richtung verschiebbarer Kolben 17, der eine Kraft auf den Arretierhebel
13 ausübt. Das Kraftelement 14 ist elektrisch mit einem Metalldetektor verbunden,
der in relativ kurzem Abstand oberhalb der Schleusenvorrichtung um das darüberbefindliche
Rohr 4 angeordnet ist. Er besteht aus einem induktiven Geber, bei dem die durch
einen leitfähigen Fremdkörper verursachte Feldstörung zur Erzeugung eines elektrischen
Signals ausgenutzt wird.
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Solche Metalldetektoren gehören ebenfalls zum Stand der Technik und
brauchen daher hier nicht ausführlich erläutert zu werden. Durch das elektrische
Signal wird das Kraftelement 14 betätigt und damit die Entarretierung der Klappe
7 ausgelöst. Bei diesem Vorgang drückt der Kolben 17 auf den Arretierhebel 13, so
daß dieser aus der Ruhelage gekippt wird und den mit der Welle 6 starr verbundenen
Hebel 11 freigibt. Damit ist auch die Klappe 7 freigegeben (Entarretierung). Unter
der Wirkung der Torsionsfeder 9 wird die Klappe 7 um den Winkel d in den Fallschacht
geschwenkt (Position 7a). Der Winkel X ist dadurch definiert, daß außerhalb des
Fallschachtes ein Anschlag 18 für den Hebel 11 vorgesehen ist. Der Anschlag 18 wird
so angebracht, daß die Klappe 7 in der Anschlagposition mit ihrem Rand 8 gerade
an der Innenwand des Fallschachtes 1 anliegt. Ein Näherungsschalter 19 meldet das
Ende der Klappenbewegung. Auf diese Weise ist eine Funktionskontrolle möglich. Um
zu vermeiden, daß an dem Anschlag 18 sowie an den Kontaktstellen 8 beim Schließen
bzw. Öffnen der Klappe 7 Funken entstehen, wird eine besondere Werkstoffkombination
eingesetzt. Dieser Forderung wird z. B. durch die Werkstoffkombination Messing/Edelstahl
Rechnung getragen.
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Ein wichtiger Gesichtspunkt für die Auslegung (Dimensionierung) der
Klappe 7 ist die Schließzeit, d. h. die Zeit, die zwischen der Erkennung eines Fremdkörpers
durch den Metalldetektor und dem Vollzug der Schließbewegung verstreicht. Sie setzt
sich additiv zusammen aus der Ansprechzeit t1 des Kraftelementes 14 und der Zeit
t2, die erforderlich ist, um die Klappe 7 aus der Ruhelage in die Schließstellung
(Alarmzustand; gestrichelt gezeichnet) zu
schwenken. Es hat sich
herausgestellt, daß man die Zeit t2 durch eine optimale Dimensionierung der Klappe
7 minimieren kann. Eine solche Minimierung wird bei einer vorgegebenen Fallschachtweite
w dadurch erreicht, daß die Länge 1 der Klappe 7 so gewählt wird, daß der Schwenkungswinkel
d für die Klappe 7 50 bis 800, vorzugsweise 60 bis 700, beträgt. Dies entspricht
einem Neigungswinkel von 900 - N der Klappe (7a) im Alarmzustand (Klappe geschlossen).
Mit einer solchen Anordnung können Schließzeiten in der Größenordnung von 40 bis
70 ms realisiert werden, was eine Verbesserung von nahezu 100 % gegenüber handelsüblichen
Fremdkörperschleusen bedeutet.
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Nach der Ausschleusung eines Fremdkörpers muß die Klappe 7 in die
Ruhestellung zurückgebracht werden. Zu diesem Zweck ist die Welle 6 an ihrem äußeren
Ende mit einer Sechskant-Mutter 20 versehen. Mit Hilfe eines Schraubenschlüssels
wird dann die Welle gegen die Wirkung der Feder 9 um den Winkel CL zurückgedreht,
bis das Röllchen 16 des Arretierhebels 13 in die Aussparung 15 an dem starr mit
der Welle 6 verbundenen Hebel 11 einrastet. Dieser Vorgang wird durch eine Rückholfeder
21 erleichtert, die dafür sorgt, daß der Arretierhebel 13 nach dem Auslösen (Entarretierung)
von selbst wieder in seine Ausgangslage zurückschwenkt. Nachdem der Hebel 11 von
neuem arretiert ist, ist die Schleusenvorrichtung bei Verwendung eines Elektromagneten
als Kraftelement wieder betriebsbereit, Bei Verwendung eines pyrotechnischen Kraftelementes
(Einmalverwendung) muß zuvor ein neues, betriebsbereites Element eingebaut werden.
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Die Schleusenvorrichtung hat sich bei der Verarbeitung von pulverförmigen
oder körnigen Schüttgütern in vertikal stehenden Anlagen bewährt. Hervorzuheben
ist dabei die
Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit sowie der
geringe Wartungsaufwand, der auf die einfache und robuste Konstruktion zurückzuführen
ist.