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Oberbegri ff
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Dynamische Kanalwand als Vorrichtung zur Reduzierung des Energieaufwands
und zur Erzielung stationärer Preßdrücke beim Verdichten und Fördern von dispersen
Feststoffen mit Hilfe von Kolben-Strangpressen und Kolben-Brikettiermaschi nen.
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine dynamische Kanalwand als
Vorrichtung zur Reduzierung des Energieaufwands und zur Erzielung stationärer Preßdrücke
beim Verdichten und Fördern von dispersen Feststoffen mit !Hilfe von Kolben-Strangpressen
und Kolben-Brikettiermaschinen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei derartigen Maschinen mit starrem Preß- und Förderkanal erfolgt
die Verdichtung eines zu verpressenden Gutes innerhalb des Preßkanals gegen den
bereits verpreßten Strang im Förderkanal, der durch seine Haftreibung den zur Verdichtung
notwendigen Gegendruck bereitstellt.
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Nach Erreichen des gewünschten, maximalen Verdichtungsdruckes PK bzw.
der maximalen Kolbenkraft FK und der damit verbundenen Endverdichtung des Feststoffes
ist die Aufgabe einer derartigen Presse - nämlich die Herstellung eines Preßlings
definierter Konsistenz - erreicht, wonach ein diesbezüglicher Energieaufwand abgeschlossen
sein müßte.
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Prinzipbedingt wird jedoch im Anschluß daran nach Überwindung der
Haftreibung ein weiterer Großteil an aufzuwendender Energie dazu benötigt, den Fördervorgang
des gesamten Stranges und damit den Ausschub eines Preßlings durchzuführen, denn
der Kolben muß den Fördervorgang nach wie vor gegen den ausschließlich für den Verdichtungsvorgang
notwendigen Gegendruck des fest eingespannten Stranges durchführen.
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Zur Verdeutlichung des gesamten Arbeitsaufwandes W sei einmal in Fig.
1 a der Verlauf der Kolbenkraft FK bzw. des Kolbendruckes PK über den Kolbenweg
s aufgetragen. Gemäß der Beziehung
wird die gesamte aufzuwendende Arbeit durch die Fläche unter der Kurve während eines
Kolbenhubes H dargestellt (gekennzeichnet durch schräge Randschraffierung).
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Die zur Verdichtung notwendige Arbeit ist durch die Fläche unterhalb
des Kurvenverlaufes bis zum Erreichen der maximalen Verdichtungskraft FK beschrieben
(vertikale Schraffierung). Demnach ist bei herkömmlichen Strangpressen mit starrem
Preß- und Förderkanal die Arbeit, die durch die restliche Fläche (schräge Schraffierung)
dargestellt ist, als Verlustarbeit anzusehen, da der Kolben den Fördervorgang nach
wie vor gegen den hohen - jedoch ausschließlich für den Verdichtungsvorgang notwendigen
Gegendruck - ausführen muß.
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Gelingt es daher, den durch den bereits verpreßten Strang bereitgestellten
Gegendruck
während seiner Förderung zu senken, so wird die Verlustarbeit
reduziert und der allgemeine Wirkungsgrad derartiger Maschinen erhöht.
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Eine in diese Richtung zielende Erfindung wird zuerst in der Patentschrift
DE-PS 438812 und später in der Offenlegungsschrift DE 3129130 A1 anhand einer Brikettpresse
mit geteiltem und teilweise abschwenkbarem Preß- und Förderkanal beschrieben.
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Die Arbeitsweise der dort beschriebenen Brikettmaschinen ist praktisch
identisch: In DE-PS 438812 wird die Preßbacke unter einem mittleren Druck erhalten
und dieser beim Vorwärtshub des Kolbens langsam erhöht, wobei erst dann die maximale
Seitendruckkraft und damit der maximale Preßdruck zur Erzeugung des Briketts bereitgestellt
wird, so daß das Brikett endgültig erst am Ende des Vorwärtshubes hergestellt wird.
Danach erfolgt beim Kolbenrücklauf wiederum die Entlastung auf den mittleren Seitendruck.
Die Förderung der Briketts erfolgt also in jedem Fall bei einem noch bei weitem
nicht entlasteten Feststoffstrang, so daß zur Förderung nicht unerhebliche Preßdrücke
aufgewendet werden müssen. In derselben Art erfolgt die Funktion gemäß DE-OS 3129130,
wo zunächst ein vorläufiges Zusammenpressen bei teilweise entlastetem Feststoffstrang
erfolgt; jedoch wird auch hier schon während der Förderphase (in DE-OS 3129130 mit
Phase II gekennzeichnet) der Kanalquerschnitt durch Anstieg der Seitendruckkraft
N verengt, so daß die Förderung wiederum bei einem höheren Gegendruck erfolgt, was
erneut einen gleichzeitigen Anstieg der Kolbenkraft FK (in DE-OS 3129130 mit P gekennzeichnet)
zur Folge hat und damit eine vermeidbare Verlustleistung darstellt. Die endgültige
Verdichtung mit maximaler Seitendruckkraft und damit maximaler Kolbenkraft wird
hierbei - wie in DE-PS 438812 - erst nach erfolgter Förderung bei vollständig verengtem
Kanalquerschnitt durchgeführt, so daß die Arbeitstaktfolge durch die Reihenfolge
Förderung-Verdichtung gekennzeichnet ist.
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In beiden Fällen ist damit eindeutig nicht das Ziel erreicht worden,
eine drastische Reduzierung des Energieaufwands bei weitgehender Minimierung des
zur Förderung notwendigen Arbeitsanteils herbeizuführen, da eine vollständige Entlastung
während der Förderphase nicht herbeigefuhrt wird, sondern sogar während des Kolbenvorschubes
wiederum eine Verengung des Kanalquerschnitts und damit ein vermeidbarer Anstieg
des Förderdruckes herbeigeführt wird.
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Weiterhin ist es zur Herstellung von Preßlingen gleichmäßiger Konsistenz
empfehlenswert, Verdichtungen gegen ein feststehendes Widerlager durchzuführen,
so daß gleichmäßige Strukturen - vor allen Dingen im Randzonenbereich - entstehen.
Bei den Erfindungen gemäß DE-PS 438812 und DE-OS 3129130 erfolgen jedoch - zumindest
das vorläufige Zusammenpressen (in DE-OS 3129130 mit Phase II gekennzeichnet) -
während des Fördervorganges gegen den bewegten Strang, was zu einer größeren Streuung
der Preßling-Eigenschaften bei einer leicht konisch ausgebildeten Form durch den
in dieser Phase noch nicht ganz geschlossenen Kanal führt.
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Um weiterhin die Herstellung von Preßlingen gleichmäßiger konsistenz
sicherzustellen, ist die gewünschte und damit maximale Verdichtungskraft FK,Soll
von Pressung zu Pressung konstant zu halten. Dies ist jedoch ebenfalls bei der o.g.
Patent- bzw. Offenlegungsschrift nicht gewährleistet, da die durch mechanische Obertragungsglieder
ausgeführte Kanalsteuerung den beweglichen Teil ausschließlich zum selben Zeitpunkt
nach erfolgter Verdichtung freigibt.
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Demnach verdichtet der Kolben regelmäßig bis zu seinem konstanten,
oberen Totpunkt, wobei bei der Streuung des Füllgrades und der Preßgut-Eigenschaften
keine gleichmäßigen Verdichtungsdrücke erzielt werden können, so daß Preßlinge unterschiedlichster
Konsistenz entstehen.
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In weiteren Patentschriften, wie CH 360637 sowie DE 3208312,werden
weiterhin ebenfalls bewegliche und gesteuerte Preßkanalwände zur Erzielung stationärer
Preßdrücke verwendet, die jedoch während der entscheidenden Förderphase keinerlei
Entlastung des Stranges und damit Reduzierung des Förderdruckes bewirken.
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Abschließend muß des weiteren die Funktionsfähigkeit einer Konstruktion
gemäß den Ausführungen der PS 438812 sowie OS 3129130 angezweifelt werden, da der
Fördervorgang des noch nicht oder nur leicht verfestigten Gutes - zumindest noch
teilweise - bei angehobener Kanalwandung erfolgt, so daß zwischen den beiden Kanalhälften
ein kleiner Spalt entsteht. Hierzu muß allgemein bemerkt werden, daß ein disperser
Feststoff unter Belastung den Weg des geringsten Widerstandes wählt. Da bei beiden
Ausführungen-auch am Anfang des Kolbenvorschubes noch ein erheblicher Widerstand
in Förderrichtung existiert (Entlastung lediglich auf "mittleren Druck") und dieser
noch durch den langsam verengenden Kanal im Laufe des weiteren Vorschubes zunimmt
(in OS 3129130 mit Phase II gekennzeichnet), wird der noch nicht
vollständig
brikettierte Feststoff teilweise in den noch klaffenden Spalt gelangen. Damit wird
die endgültige Verdichtung bei vollständig verengtem und damit geschlossenem Preß-
und Förderkanal verhindert, so daß bei weiter arbeitender Maschine Preßlinge mit
stetig anwachsenden Abmessungen erstellt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine funktionsfähige
Vorrichtung zur weitgehenden Reduzierung des Energieaufwands auf den zur Verdichtung
notwendigen Anteil und zur Erzielung stationärer Preßdrücke beim Verdichten und
Fördern von dispersen Feststoffen mit Hilfe von Kolben-Strangpressen und Kolben-Brikettiermaschinen
zu entwickeln, wobei die Herstellung von Preßlingen möglichst gleichmäßiger Konsistenz
anzustreben ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst, wie es auch in Fig. 2 a und Fig. 2 b schematisch dargestellt ist.
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Durch den sich abhebenden Teil des Preß- und Förderkanals nach Erreichen
des gewünschten Verdichtungsdruckes wird im Gegensatz zur Patentschrift 438812 und
OS 3129130 der gesamte Strang während seiner Förderphase vollständig entlastet,
so daß die jeweiligen Drücke von den Wandungen auf den Feststoff fast ausschließlich
oder doch zumindest in hohem Maße abnehmen.
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Die Abhebung des beweglichen Kanal teils erfolgt dabei lediglich im
Rahmen der elastischen Rückfederung des Stranges, wobei in Abhängigkeit von seinen
elastischen Eigenschaften die Wandreibung reduziert wird und sich damit der für
die Förderung bzw. für den Ausschub aufzuwendende Energie- bzw.
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Arbeitsaufwand auf den minimal möglichen Anteil am gesamten Arbeitsprozeß
verringert. Die Arbeitstaktfolge ist hier also Verdichtungsphase - Förderphase und
damit konträr zu den Ausführungsformen in PS 438812 und OS 3129130. Die hierbei
erzielte Arbeitsersparnis gegenüber Maschinen mit starrem Preß- und Förderkanal
ist in Fig. 1 a bereits aufgezeichnet worden, während in Fig. 1 b die Reduzierung
gegenüber der Erfindung gemäß der Offenlegungsschrift 3129130 (mit PS 438812 identisch)
dargestellt ist; zum Vergleich mußten die beiden Kurvenverläufe durch Parallelverschiebung
in zeitliche Ubereinstimmung gebracht werden, da Verdichtungs- und Förderphase in
umgekehrter Reihenfolge ablaufen. Zur zusätzlichen Erläuterung der Vorgänge ist
noch einmal der Kolbendruck mit dem erheblich reduzierten Verlauf während der Förderphase
in Fig. 1 c wiedergegeben.
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Deutlich ist die hohe Arbeitsersparnis erkennbar, die aus der vollständigen
Entlastung während der Förderphase nach beendeter Verdichtung und bei Erreichen
des gewünschten Verdichtungsdruckes bzw. der dazu notwendigen Kolbenkraft FK,Soll
resultiert. Dabei soll noch einmal darauf verwiesen werden, daß bei einer Reihenfolge
Förderphase - Verdichtungsphase (wie in PS 438812 und OS 3129130) eine vollständige
Entlastung und damit Abhebung der beweglichen Kanalwand nicht realisiert werden
kann, da in den dann klaffenden Spalt noch mehr Preßgut gelangt, als dies ohnehin
bereits in den Ausführungen gemäß PS 438812 und OS 3129130 der Fall ist und damit
die Funktionsunfähigkeit einer derartigen Maschine herbeigeführt würde.
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Weiterhin kann mit dieser und den im folgenden beschriebenen Vorrichtungen
ein konstanter Verdichtungsdruck zur Erzeugung von Preßlingen gleichmäßiger Konsistenz
realisiert werden, indem der gewünschte Verdichtungsdruck die Führungsgröße darstellt,
bei der sich die bewegliche Wandung aus ihrer Verdichtungsstellung entfernt. Die
Folge davon ist, daß sich durch den nun fehlenden Gegendruck des bereits verpreßten
Stranges nach erfolgter Entlastung kein höherer Kolbendruck mehr aufbauen kann und
damit eine eindeutige Druck-Begrenzung gegeben ist.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 beschränkt
sich die beweglich gelagerte Wandung nur auf den Förderkanalbereich, wie es prinzipiell
aus den Darstellungen in Fig. 3 a und 3 b ersichtlich ist, so daß ein starrer Preßkanal
wie bei herkömmlichen Konstruktionen existiert.
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Hierbei ist jegliche Gratbildung bei der Verpressung ausgeschlossen,
jedoch liegt der zu erwartende Energieverbrauch etwa höher als bei der Ausführung
gemäß Anspruch 1, da mit beginnendem Fördervorgang der im Preßkanal befindliche
Bestandteil des Stranges nicht entlastet wird.
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Die Anordnungen der beweglichen Kanalteile für die Vorrichtungen gemäß
den Ansprüchen 1 und 2 lassen sich auf verschiedenartigste Weise vornehmen, wie
man beispielsweise aus den Darstellungen Fig. 4 - 6 entnehmen kann. Fig. 4 zeigt
einmal die Anordnung einer dynamischen Kanalwand für eine Brikettpresse mit erweitertem
Förderkanal; dabei kommt diese Vorrichtung dem Umstand entgegen, daß am Pressenende
als Ort des geringsten Wanddruckes auf den verdichteten Feststoff auch nur die geringste
Entspannung zu erfolgen hat. Fig. 5 zeigt weiterhin eine dynamische Kanalwandung,
bei der eine gleichmäßige Entlastung längs des gesamten Förderkanals durchgeführt
wird; prinzipiell könnte der dazu notwendige Antrieb - ähnlich wie in Fig. 6 dargestellt
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konzipiert werden.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird ein
dynamischer Förderkanal durch Verwendung einer oder mehrerer elastischer, membran-ähnlicher
Wandungen realisiert, wie es prinzipiell in Fig. 7 a und b anhand von 3 Membran-Wandungen
dargestellt ist. Durch periodische Druckbeaufschlagung dieser Membran-Wandungen
von außen wird erreicht, daß zum einen während der Verdichtungsphase ein hoher Anpreßdruck
p der Wandung auf den Feststoffstrang zur Bereitstellung des zur Verdichtung notwendigen
Gegendruckes (Fig. 7 a) wirkt und daß zum anderen der gesamte, bereits verpreßte
Feststoffstrang während des Fördervorganges zwecks Minimierung des Kolbendruckes
druckentlastet wird (Fig. 7 b). Dabei erfolgt die Einspannung des Stranges über
die Breite und Länge des Förderkanals nicht unbedingt gleichmäßig, was für die zu
erzielende Funktion jedoch ohne Bedeutung ist.
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Die in dem Anspruch 3 verwendeten Membran-Wandungen können ohne weiteres
aus hochelastischen, nicht-metallischen Werkstoffen hergestellt werden, da die Förderung
ausschließlich im druckentlasteten Zustand erfolgt und hohe Anpreßdrücke nur in
der ruhenden Verdichtungsphase auftreten, wenn einmal elastische Verformungen außer
Acht gelassen werden.
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Damit bieten sich derartige elastische Membran-Wandungen vor allen
Dingen in solchen Fällen an, bei denen eine vollständige Entlastung des Stranges
während der Förderphase durch Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 nicht erreicht
werden kann. Dies kann z.B. dann erfolgen, wenn bei einem äußerst unelastischen
Strang und hoher Wandreibung die Preßlinge noch im Kanal derart fest eingespannt
sind, daß auch bei angehobener Kanalwand sehr hohe Drücke zur Förderung aufgewendet
werden müßten.
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Allgemein ist noch zu sämtlichen Variationen der dynamischen Kanalwandung
zu vermerken, daß in jedem Fall über die zu wählende Länge eines Förderkanals der
zur Verdichtung notwendige Gegendruck bereitgestellt werden kann.
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Weiterhin wird eine vollständige Entlastung des verpreßten Stranges
bereits bei einer Kanal anhebung im Rahmen seiner elastischen Rückfederung herbeigeführt,
so daß konstruktiv lediglich Verstellmöglichkeiten in dieser Größenordnung vorzusehen
sind.
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Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß - eine erhebliche Reduzierung des Energieafands gegenüber herkömmlichen
Maschinen o.g. Bauart herbeigeführt wird, indem der durch den Strang erzielbare
Gegendruck nur noch für die Verdichtungsphase bereitgestellt wird und die Förderung
bzw. der Ausstoß des Feststoffes bei weitgehenst druckentlastetem Strang erfolgt,
wobei - je nach Feststoffeigenschaften - verschiedene Ausführungsformen dynamischer
Kanalwandungen zur Anwendung gelangen können - durch einen gleichmäßigen Verdichtungsdruck
sowie durch den als statisches Widerlager fungierenden Strang die Erzeugung von
Preßlingen gleichmäßiger Konsistenz während der gesamten Verdichtungsphase erreicht
wird - die Verdichtung jeweils bei geschlossenen Preß- und/oder Förderkanälen erfolgt,
so daß das Preßgut nicht in die Spalte zwischen starrer und beweglicher Kanalwandung
gelangen kann und dadurch die Funktionsfähigkeit gewährleistet ist und - eine Gratbildung
nach den Ausführungsformen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ausgeschlossen ist.
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Ausführungsbeispiele sind den Fig. 2 bis 7 zu entnehmen, in denen
beispielhaft die prinzipielle Funktion der dynamischen Kanalwandungen gemäß den
Ansprüchen 1 bis 3 erläutert ist.
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