DE4128428A1

DE4128428A1 - Zentrifugentrommel und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE4128428A1
Application number: DE19914128428
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Idelberger; Timo Dr Ing Goette; Helmut Hochbein; Juergen Garbe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: DE4128428C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugentrommel mit mindestens einer Metalltrommel und mindestens einer dieser umgebenden Bandage gemäß dem Oberbegriff des Haupt anspruches und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Zentrifugen haben ganz allgemein die Aufgabe, heterogene Systeme zu trennen. Meist ist es dabei wichtig, die feste und flüssige Phase von Suspensionen voneinander zu trennen. Die meisten Zentrifugen arbeiten nach dem Sedimentations- oder nach dem Filtrationsverfahren. Bei der Sedimentation sinken die Teilchen mit der größeren Dichte in Richtung des Schwerefeldes ab. Anstelle der Schwerkraft werden in der Zentrifuge aus der Rotationsbewegung resultierende Beschleunigungskräfte genutzt, die ein Vielfa ches der Erdbeschleunigung betragen können und so den Sedimentationseffekt ver stärken. Bei Filterzentrifugen strömt die Suspension gegen ein Filtermedium, das die fe sten Teilchen zurückhält, die Flüssigkeit jedoch durchtreten läßt. Die Triebkraft der Fil tration ist das Druckgefälle zwischen Suspensions- und Filtratseite des Filters. Dieses Druckgefälle kann in Filterzentrifugen durch einen Überdruck auf der Suspensionsseite, einen Unterdruck auf der Filtratseite, eine bei Rotation wirkende Druckkomponente in folge der Fliehkraft und durch beliebige Kombination der aufgezählten Maßnahmen er zeugt werden. Zur Leistungssteigerung des Filtrationsprozesses, d. h. zur Beschleuni gung des Filtrationsprozesses und/oder zur Reduzierung der Restfeuchte des Feststof fes ist es wesentlich, das Druckgefälle zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird ein mög lichst hohes Verhältnis von Zentripetal- zur Erdbeschleunigung angestrebt. Dieses Ver hältnis kann mit korrosionsbeständigen Stahlwerkstoffen, die für konventionelle Zentri fugen eingesetzt werden, aufgrund des festliegenden Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte des Werkstoffes nicht mehr nennenswert gesteigert werden. Durch den Einsatz hochsteifer Kohlenstoffaser-Kunststoff-Verbunde (CFK) mit hoher Festigkeit und niedriger Dichte wurde versucht, eine Leistungssteigerung zu erreichen. Es ist bekannt, herkömmliche Stahl-Vollwandtrommeln mit CFK zu bewickeln. Dabei werden meist alle Verstärkungsfasern in Umfangsrichtung orientiert. Der Fertigungsaufwand beim Be wickeln solcher Trommel mit Kohlenstoffasern in Umfangsrichtung gestaltet sich sehr aufwendig, da während des Wickelvorganges beachtet werden muß daß sich z. B. bei heißhärtenden Duromeren die Wicklung nach dem Aushärten nicht von der Trommel löst. Eine Bewicklung bei Raumtemperatur ohne besondere Vorkehrungen, wie z. B. Er höhung der Abzugsspannung beim Aufwickeln, ist nicht möglich, da das Ablösen der CFK-Bandage nicht verhindert werden kann. Dies ist nachteilig und das Verfahren trotz dem sehr aufwendig. Darüber hinaus ist es nachteilig, daß um die Zentrifugendrehzahl deutlich erhöhen zu können, Kohlenstoff-Fasern mit einem wesentlich höheren E-Modul eingesetzt werden müssen. Diese sind um ein Vielfaches teurer als Standard- Hochmodul-Kohlenstoffasern und kommen deshalb aus Kostengründen meist für eine Verstärkung nicht in Frage. Auch der Einsatz von Thermoplasten als Matrixwerkstoff ändert die beschriebenen Verhältnisse nicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Zentrifugentrommel so auszugestalten, daß eine Leistungssteigerung durch Erreichen deutlich höherer Dreh zahlen der Zentrifugentrommel ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zentrifugentrommel anzugeben, welches gleichzeitig einfach und preiswert ist.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. In den An sprüchen 7 und 8 ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zentrifu gentrommel angegeben. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Die erfindungsgemäße Zentrifugentrommel besteht aus mindestens einer Metalltrommel und einem äußeren Ring aus ausgehärtetem faserverstärktem Kunststoff. Dieser Ring ist im Ruhezustand mit Zugspannungen belastet, die Metalltrommel dagegen mit Druckspannungen. Bei Betriebsbelastung werden mit steigender Drehzahl infolge der Fliehkraftbelastung in der Metalltrommel zunächst die Druckspannungen reduziert. Bei deutlich höheren Drehzahlen als bei herkömmlichen Zentrifugentrommeln treten dann als resultierende Spannung in der Metalltrommel Zugspannungen auf. Die niedrigere Beanspruchung der Metalltrommel ist durch eine höhere Beanspruchung des faserverstärkten Kunststoff-Ringes möglich, welcher jedoch ausreichende Festigkeitsreserven besitzt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die, die Metalltrommel umgebende Bandage aus Hochmodul-Kohlenstoffaser-Kunststoff (HM-CFK) besteht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zentri fugentrommel ist es günstig, wenn die Metalltrommel auf ihrer offenen Seite zusätzlich aufgedickt wird, oder wenn die faserverstärkte Bandage an mindestens einem ihrer En den zusätzlich aufgedickt ist. Dies führt dazu, daß eine besonders günstige Verteilung der Druckspannungen im verspannten Zustand erreicht wird, die im Betrieb der Zentri fuge zu einer sehr gleichmäßigen Spannungsverteilung im Metalltrommelkörper führt. Durch die Maßnahme der Vergrößerung der Wanddicke sowohl der der Metalltrommel als auch der der ringförmigen Bandage werden in den steiferen seitlichen Bereichen der Metalltrommel mit Unterstützung der ebenfalls steiferen Bandage, gleichhohe Druckvor spannungen erzeugt wie im ungestörten Mantelbereich. Dadurch wird im Betriebszu stand eine gleichmäßige Spannungsverteilung erzielt, wodurch eine maximale Drehzahl steigerung ermöglicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Metalltrommel aus mehreren Metalltrommeln mit einem oder mehreren Werkstoffen mit möglichst hohen Wärmeausdehnungskoeffizien ten besteht. Eine Aluminiumtrommel oder eine Trommel aus Stahl mit einer Aluminium bandage weist günstigere Verhältnisse für das Verspannen mit der CFK-Bandage auf als eine reine Stahltrommel. Das Metall mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten umgibt dabei das Metall mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Derartige Trommeln ziehen sich beim Abkühlen stärker zusammen. Bereits während der Montage bzw. des Herstellungsverfahrens einer solchen Trommel nach Anspruch 8 ent steht in der aus zwei Trommeln bestehenden Metalltrommel ein Verspannungszustand. Als Folge hiervon können die Montage erleichtert, die Verspannungskräfte erhöht oder die Temperatureinsatzbereiche besser den Erfordernissen angepaßt werden.

Gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 7 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zentrifugentrommel so durchgeführt, daß im ersten Schritt der Metalltrommelkörper und die faserverstärkte Kunststoff-Bandage hergestellt werden, wobei die faserverstärkte Kunststoff-Bandage bereits vollständig ausgehärtet wird. Das Fügen des Metalltrommelkörpers und der Bandage erfolgt bei niedrigen Temperaturen. Durch das gewählte Übermaß, welches der Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Metalltrommel und dem Innendurchmesser der faserverstärkten Kunststoff-Bandage entspricht und die spätere Einsatztemperatur, wird der Verspannungszustand bestimmt. Die beiden abgekühlten zu fügenden Teile werden im zweiten Schritt des Verfahrens ineinandergeschoben. Der Fügespalt im abgekühlten Zustand ist so bemessen, daß ein Fügen problemlos erfolgen kann. Die Berechnungsformel für den Außendurchmesser des Metallkörpers lautet:
d = d_F(1+α·ΔT) - Fügespalt/2,
wobei d_F den Innendurchmesser der ausgehärteten Ringbandage, den Wärmeaus dehnungskoeffizienten des Trommelwerkstoffes und ΔT die Temperaturdifferenz zwi schen Fügetemperatur und Einsatztemperatur bedeuten. Der berechnete Außendurch messer für den Metalltrommelkörper wird für die Fertigung vorgegeben und der berech nete Innendurchmesser für die ausgehärtete faserverstärkte Kunststoff-Bandage muß für den Wickeldorn zugrunde gelegt werden. Das Verspannen der Teile gegeneinander erfolgt im nächsten Schritt des Verfahrens, beim Erwärmen von Fügetemperatur auf z. B. Raumtemperatur oder Einsatztemperatur der Zentrifuge. Ein Verspannen mit Abkühlen beider Teile ist nur deshalb möglich, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trommelwerkstoffes deutlich größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des faserverstärkten Kunststoffes in Richtung der Verstärkungsfasern, z. B. der Wärmeausdehnungskoeffizient α von Stahl liegt zwischen 11·10^-61/K und 17·10^-6 1 /K und der von CFK in Faserrichtung liegt bei etwa Null, insbesondere zwischen -2° 10^-6 1/K bis +2·10^-6 1/K. Beim Abkühlen verändert sich somit der Innendurchmesser der CFK-Bandage nur geringfügig, wodurch nahezu die gesamte Wärmedehnung der Metalltrommel für das Verspannen zur Verfügung steht.

Das Verspannen von Stahltrommeln für Zentrifugen ist prinzipiell auch mit ausgehärteten Bandagen aus Glasfaser (GFK)- und Aramidfaser-Kunststoff (AFK) möglich. Diese weisen niedrigere E-Module als CFK auf.

Die faserverstärkte Kunststoff-Bandage schrumpft während der Abkühlung in axiale Richtung. Werden zum Verspannen beide Teile abgekühlt, entstehen während der Aufwärmung auf Raum- oder Betriebstemperatur in der faserverstärkten Kunststoff-Ban dage günstige Querdruckspannungen, da die größere Wärmeausdehnung derselben durch die Metalltrommel zum Teil unterdrückt wird. Da die Querdruckfestigkeit von faserverstärktem Kunststoff deutlich größer ist als die Querzugfestigkeit, werden die Querdruckspannungen besonders gut aufgenommen.

Das Verfahren gemäß Anspruch 8 unterscheidet sich von dem bereits beschriebenen dadurch, daß zwei Metalltrommeln vorgesehen sind, welche bei Raumtemperatur bzw. einer erhöhten Temperatur ineinander geschoben werden und anschließend zum Aufschieben der faserverstärkten Kunststoff-Bandage abgekühlt werden. Dadurch entsteht in der Metalltrommel ein Eigenspannungszustand mit Druckspannungen in der inneren Trommel und Zugspannungen in der äußeren Trommel.

Damit zwischen der Trommelaußenoberfläche und der Bandageninnenoberfläche eine noch bessere Haftung erreicht wird, ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Fügefläche mit Klebstoff versehen ist.

Zur Aufnahme der Zugspannungen in der faserverstärkten Kunststoff-Bandage in Umfangsrichtung ist es vorteilhaft, die Verstärkungsfasern weitgehend in Umfangsrichtung zu orientieren, um die Kräfte in Faserrichtung zu konzentrieren. Je nach Breite des Wickelbandes bei der Herstellung von faserverstärkter Kunststoff- Bandage sollen Winkelabweichungen zur Umfangsrichtung zwischen 5° und 10° vorgesehen werden. Dadurch entstehen bei Betriebstemperatur bzw. der Betriebsdrehzahl keine Axialspannungen in der Metalltrommel.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine verspannte Zentrifugentrommel,

Fig. 2 ein zugehöriges Verspannungsdiagramm,

Fig. 3a bis 3c eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung der er findungsgemäßen Zentrifugentrommel,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Zentrifugentrommel mit einer Wanddickenvergrößerung der Metalltrommel,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Zentrifugentrommel mit einer Wanddickenvergrößerung an beiden Enden der faserverstärkten Kunststoff-Bandage.

Die in Fig. 1 dargestellte Zentrifugentrommel besteht aus einer Stahltrommel 1 und einer ausgehärteten CFK-Bandage 2. Die CFK-Bandage 2 hat die Form eines dünnwandigen Hohlzylinders. Die Innengeometrie 3 der Trommel und die Geometrie der Nabe 4 ent sprechen denen der herkömmlichen Stahl-Vollwandtrommeln. Dadurch wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Zentrifuge in bestehende Einbauten und Antriebe erleichtert. Im verspannten Zustand herrschen bei Betriebstemperatur in der Stahltrommel 1, insbe sondere im zylindrischen Mantelbereich 5, in Umfangsrichtung Druckspannungen und in der zylindrischen CFK-Bandage 2 Zugspannungen. Im Betrieb werden bei niedrigen Drehzahlen infolge der Fliehkraftbelastung in der Stahltrommel 1 zunächst die Druck spannungen reduziert, bevor mit steigender Drehzahl als resultierende Spannung in der Stahltrommel 1 Zugspannungen auftreten (vgl. Fig. 2). Durch das Verspannen der bei den Teile 1 und 2 gegeneinander, ist es demnach möglich, einen größeren Spannungs bereich für die Stahltrommel 1 nutzbar zu machen, wodurch eine deutliche Drehzahlstei gerung und damit eine Steigerung der Leistung erzielt werden kann.

In den Fig. 3a bis 3c ist das Verspannverfahren schematisch gezeigt. Der Stahltrommel körper 6 und die ausgehärtete CFK-Bandage 7 sind in diesen Figuren vereinfacht als Hohlzylinder dargestellt. Bei Raumtemperatur ist der Außendurchmesser des Stahl trommelkörpers 6 gemäß Fig. 3a größer als der Innendurchmesser der ausgehärteten CFK-Bandage 7. Das Übermaß 8 berechnet sich aus der gewünschten Druckvorspan nung in dem Stahltrommelkörper 6 und dem zum Fügen notwendigen Fügespalt 9 ge mäß Fig. 3b. Aus diesen beiden Größen und den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stahltrommelkörpers 6 und der CFK-Bandage 7 ergibt sich die zum Verspannen not wendige Temperaturdifferenz. In Fig. 3b sind die Geometrieverhältnisse im abgekühlten Zustand, der dem Fügezustand entspricht, dargestellt. Der Fügespalt 9 muß so bemes sen sein, daß ein leichtes Ineinanderfügen der beiden Teile 6 und 7 möglich ist. Nach dem Fügen werden die beiden Teile 6 und 7 langsam wieder aufgeheizt, wobei das ge wünschte Verspannen stattfindet. In Fig. 3c ist die verspannte Zentrifugentrommel bei Raumtemperatur gezeigt. In dem Stahltrommelkörper 6 herrschen in Umfangsrichtung die gewünschten Druckspannungen und in der CFK-Bandage 7 Zugspannungen. Im Fügespalt 9 herrschen radiale Druckspannungen. Es handelt sich um einen Eigenspan nungszustand.

In Fig. 4 und 5 sind Hybrid-Zentrifugentrommeln dargestellt, bei denen eine gleichmäßi gere Spannungsverteilung in der Stahltrommel 1 erreicht wird, wodurch nochmals eine Drehzahlsteigerung möglich ist. Die Stahltrommel 1 in Fig. 4 ist im Bordbereich 10 zu sätzlich aufgedickt, um dort die im Betrieb auftretenden maximalen Spannungen zu re duzieren. Der gleiche Effekt kann durch eine in Fig. 5 dargestellte modifizierte CFK-Ban dage 11 erzielt werden. Diese CFK-Bandage 2 ist an den Enden in den Bereichen 11 zusätzlich aufgedickt, wodurch im Bordbereich 10 und im Bodenbereich 12 der Stahl trommel höhere Druckspannungen beim Vorspannen erzeugt werden.

Claims

1. Zentrifugentrommel mit mindestens einer Metalltrommel und mindestens einer diese kreiszylindrisch umgebenden, ausgehärteten Bandage aus faserver stärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß bei Raum- und Betriebstemperatur die Metalltrommel (1, 6) und die Bandage (2, 7) gegeneinan der verspannt sind, wobei die Metalltrommel (1, 6) mit Druckspannungen und die Bandage (2, 7) mit Zugspannungen in Umfangsrichtung belastet sind.

2. Zentrifugentrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ban dage (2, 7) aus Hochmodul-Kohlenstoffaser-Kunststoff (HM-CFK) besteht.

3. Zentrifugentrommel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandage (2, 7) mindestens an einem ihren Enden eine größere Wanddicke (11) aufweist.

4. Zentrifugentrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Metall trommeln mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgesehen sind, wobei die Trommel mit dem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten durch die Metalltrommel mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten umgeben ist.

5. Zentrifugentrommel nach einem oder mehreren der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalltrommel (1, 6) mindestens an einem ihrer Enden eine größere Wanddicke (10) aufweist.

6. Zentrifugentrommel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die grö ßere Wanddicke (10) im Bordbereich liegt.

7. Verfahren zur Herstellung der Zentrifugentrommel nach den Ansprüchen 1 bis 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalltrommel (1, 6) unter die nied rigste zu erwartende Betriebstemperatur abgekühlt wird, dann in die faserverstärkte Kunststoff-Bandage (2, 7) geschoben wird und daß anschließend die beiden Teile (1, 6, 2, 7) auf Raumtemperatur bzw. Einsatztemperatur aufgeheizt werden, wobei die gewünschte Verspannung der Teile (1, 6, 2, 7) gegeneinander entsteht.

8. Verfahren zur Herstellung der Zentrifugen-Trommel nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metalltrommeln zunächst bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur ineinander geschoben, dann unter die niedrigste zu erwartende Betriebstemperatur abgekühlt und in die faserverstärkte Kunststoff-Bandage geschoben werden und anschließend samt Bandage auf die Raum- bzw. Einsatztemperatur aufgeheizt werden, wobei die gewünschte Verspannung aller Teile gegeneinander entsteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auf schieben der faserverstärkten Kunststoff-Bandage zumindest eine Fügefläche (6a, 7a) mit Klebstoff versehen wird.

10. Zentrifugentrommel nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in der Bandage (2, 7) weitgehend in Umfangsrichtung orientiert sind.

11. Zentrifugentrommel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Verstärkungsfasern von der Umfangsrichtung zwischen 5° und 10° abweicht.