DE4128428C2 - Zentrifugentrommel und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifugentrommel mit mindestens einer Metalltrommel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Zentrifugen haben ganz allgemein die Aufgabe, heterogene Systeme zu trennen. Meist ist es dabei wichtig, die feste und flüssige Phase von Suspensionen vonein­ ander 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. An Stelle der Schwerkraft werden in der Zentrifuge aus der Rotationsbewegung resultierende Beschleunigungskräfte genutzt, die ein Vielfaches der Erdbeschleunigung betragen können und so den Sedimentationseffekt verstärken. Bei Filterzentrifugen strömt die Suspension gegen ein Filtermedium, das die festen Teilchen zurückhält, die Flüssigkeit jedoch durchtreten läßt. Die Triebkraft der Filtration 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 infolge der Fliehkraft und durch beliebige Kombination der aufgezählten Maßnahmen erzeugt werden. Zur Leistungssteigerung des Filtrationsprozesses, d. h. zur Beschleunigung des Filtrationsprozesses und/oder zur Reduzierung der Restfeuchte des Feststoffes ist es wesentlich, das Druckgefälle zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird ein möglichst hohes Verhältnis von Zentrifugal- zu Erdbeschleunigung angestrebt. Dieses Verhältnis kann mit korrosionsbeständigen Stahlwerkstoffen, die für konventionelle Zentrifugen eingesetzt werden, auf Grund des festliegenden Ver­ hältnisses 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 Bewickeln solcher Trommel mit Kohlenstoffasern in Umfangsrichtung ist 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. Erhöhung der Abzugsspannung beim Aufwickeln, ist nicht möglich, da das Ablösen der CFK- Bandage nicht verhindert werden kann. Dies kann bei dem sehr aufwendigen Verfahren zu Problemen führen. Darüber hinaus müssen um die Zentrifugendrehzahl deutlich erhöhen zu können, Kohlenstoff-Fasern mit einem wesentlich höheren E-Modul eingesetzt werden. 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.

Die DE-OS 21 44 739 beschreibt eine Ultrazentrifuge, d. h. eine dünne, mit kleinem Durchmesser, hochtourig laufende Zentrifuge, welche im wesentlichen zur Urananreicherung eingesetzt wird. Bei diesen Zentrifugen kommt zusätzlich zu dem Problem der höheren Belastung durch höhere Drehzahlen das Problem der Biegebelastung durch das ungünstige Verhältnis einer großen Länge bei kleinem Durchmesser. Die beschriebene Zentrifuge besteht aus einem Metallinnenzylinder und einer faserverstärkten Kunststoff-CFK-Bandage. Die CFK-Ummantelung besteht aus einer Anzahl von einzelnen Ringkörpern, welche auf die innere Metalltrommel aufgeschoben werden. Die Verbindung der äußeren Zylinder mit dem inneren Metallzylinder erfolgt durch einen Schrumpfprozeß. Das Schrumpfen von Metallinnenzylinder und faserverstärkten Kunststoffaußenzylinder ist bekannt. Dabei wird der Metallinnenzylinder auf eine niedrige Temperatur abgekühlt, wobei sich sein Durchmesser verkleinert, so daß er in den faserverstärkten Kunststoffaußenzylinder eingeschoben werden kann. Anschließend werden die ineinandergeschobenen Teile erwärmt und auf Grund der Ausdehnung des Metallinnenzylinders, d. h. der Vergrößerung seines Durchmessers, verspannen sich die beiden Bauteile gegeneinander. Durch diese Verspannung entstehen in dem Metallinnenzylinder Druckspannungen in Axialrichtung und in Umfangsrichtung. In der faserverstärkten Kunststoffbandage entstehen durch die Schrumpfverbindung Zugspannungen in Axial- und Umfangsrichtung. Dieser Spannungszustand verhindert nicht die Entstehung von Rissen parallel zur Faserwickelrichtung bzw. parallel zur Faser während des Betriebes der Zentrifuge bei höheren Drehzahlen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Zentrifugentrom­ mel so auszugestalten, daß eine besonders günstige, gleichmäßige Spannungsverteilung vorliegt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zentrifugentrommel anzugeben, welches gleichzeitig einfach und preiswert ist.

Diese Aufgabe ist bei der Zentrifugentrommel durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.

Die Zentrifugentrommel besteht aus mindestens einer Metalltrommel und einer äußeren Bandage aus ausgehärtetem faserverstärktem Kunststoff. Diese Bandage 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 der faserverstärkten Kunststoff-Bandage möglich, welche jedoch ausreichende Festigkeitsreserven besitzt. Die die Metalltrommel umgebende Bandage kann aus Hochmodul-Kohlenstoffaser-Kunststoff (HM-CFK) bestehen. Die Metalltrommel oder die Bandage können an mindestens einem ihrer Enden auf ihren offenen Seiten zusätzlich aufgedickt werden. Dadurch entsteht eine besonders günstige Verteilung der Druckspannungen im verspannten Zustand, die im Betrieb der Zentrifuge 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 Druckvorspannungen erzeugt wie im ungestörten Mantelbereich. Dadurch wird im Betriebszustand eine gleichmäßige Span­ nungsverteilung erzielt, wodurch eine maximale Drehzahlsteigerung ermöglicht wird.

Die Metalltrommel kann aus mehreren Metalltrommeln mit einem oder mehreren Werkstoffen mit möglichst hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. 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 entsteht 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.

Zur Aufnahme der Zugspannungen in der faserverstärkten Kunststoff-Bandage in Umfangsrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Verstärkungsfasern weitgehend in Umfangsrichtung orientiert sind, 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.

Das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zentrifugentrommel wird so durchgeführt, daß im ersten Schritt der Metalltrommelkörper und die Bandage hergestellt werden, wobei die Bandage bereits vollständig ausgehärtet wird. Das Fügen des Me­ talltrommelkörpers und der Bandage erfolgt bei niedrigen Temperaturen. Durch das gewählte Übermaß, welches der Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Metalltrommel und dem Innendurchmesser der Bandage entspricht und die spätere Einsatztemperatur, wird der Verspannungszustand bestimmt. Die beiden abge­ kühlten 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 + ΔT) ± Fügespalt/2

wobei d_F den Innendurchmesser der ausgehärteten Ringbandage, α den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trommelwerkstoffes und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Fügetemperatur und Einsatztemperatur bedeuten. Der berechnete Außendurchmesser für den Metalltrommelkörper wird für die Fertigung vorgegeben und der berechnete 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^-6 1/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-Bandage 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.

Bei zwei Metalltrommeln, die bei Raumtemperatur bzw. einer erhöhten Temperatur ineinander geschoben werden und anschließend zum Aufschieben der faserverstärkten Kunststoff-Bandage abgekühlt werden, entsteht in der Metalltrommel ein Eigen­ spannungszustand 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, kann zumindest eine Fügefläche mit Klebstoff versehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend ebenso wie das Verfahren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine verspannte Zentrifugentrommel,

Fig. 2 ein zugehöriges Verspannungsdiagramm,

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

Fig. 4 eine Zentrifugentrommel mit einer Wanddickenvergrößerung der Metalltrommel,

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

Die in Fig. 1 dargestellte Zentrifugentrommel besteht aus einer Stahltrommel, der Metalltrommel 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 Zentrifuge in bestehende Einbauten und Antriebe erleichtert. Im verspannten Zustand herrschen bei Betriebstemperatur in der Metalltrommel 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 Metalltrommel 1 zunächst die Druck­ spannungen reduziert, bevor mit steigender Drehzahl als resultierende Spannung in der Metalltrommel 1 Zugspannungen auftreten (vgl. Fig. 2). Durch das Verspannen der bei­ den Teile, der Metalltrommel 1 und der Bandage 2, gegeneinander, ist es demnach möglich, einen größeren Spannungsbereich für die Metalltrommel 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. Die Metalltrommel 6 und die ausgehärtete CFK-Bandage 7 sind in diesen Figuren vereinfacht als Hohlzylinder dargestellt. Bei Raumtemperatur ist der Außendurchmesser der Metall­ trommel 6 gemäß Fig. 3a größer als der Innendurchmesser der ausgehärteten CFK-Bandage 7. Das Übermaß 8 berechnet sich aus der gewünschten Druckvorspan­ nung in der Metalltrommel 6 und dem zum Fügen notwendigen Fügespalt 9 ge­ mäß Fig. 3b. Aus diesen beiden Größen und den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metalltrommel 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 Metalltrommel 6 und der Bandage 7 möglich ist. Nach dem Fügen werden die Metalltrommel 6 und die Bandage 7 langsam wieder aufgeheizt, wobei das ge­ wünschte Verspannen stattfindet. In Fig. 3c ist die verspannte Zentrifugentrommel bei Raumtemperatur gezeigt. In der Metalltrommel 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. Vor dem Aufschieben wird mindestens eine Fügefläche 6a, 7a mit Klebstoff versehen.

In Fig. 4 und 5 sind Hybrid-Zentrifugentrommeln dargestellt, bei denen eine gleichmäßi­ gere Spannungsverteilung in der Metalltrommel 1 erreicht wird, wodurch nochmals eine Drehzahlsteigerung möglich ist. Die Metalltrommel 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 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 Metall­ trommel 1 höhere Druckspannungen beim Vorspannen erzeugt werden.

Claims (7)

1. Zentrifugentrommel mit mindestens einer Metalltrommel (1, 6) und mindestens einer diese kreiszylindrisch umgebenden, ausgehärteten Bandage (2, 7) aus faserverstärktem Kunststoff, wobei bei Raum- und Betriebstemperatur die Metalltrommel (1, 6) und die Bandage (2, 7) gegeneinander verspannt sind, wobei die Metalltrommel (1, 6) in Umfangs­ richtung mit Druckspannungen und die Bandage (2, 7) in Umfangsrichtung mit Zugspannungen belastet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalltrommel (1, 6) in Längsrichtung mit Zugspannungen be­ lastet ist, und die Bandage (2, 7) in Längsrichtung mit Druckspannungen belastet ist.

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

3. Zentrifugentrommel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstär­ kungsfasern in der Bandage (2, 7) weitgehend in Umfangsrichtung orientiert sind.

4. Zentrifugentrommel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Verstärkungsfasern von der Umfangsrichtung zwischen 5° und 10° abweicht.

5. Verfahren zur Herstellung der Zentrifugentrommel nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Schritten:

• - Die Metalltrommel (1, 6) unter die faserverstärkte Bandage (2, 7) werden beide unter die niedrigste, zu erwartende Betriebstemperatur abgekühlt.
• -Die Metalltrommel (1, 6) wird in die faserverstärkte Bandage (2, 7) ge­ schoben.
• -Die beiden Teile ( Metalltrommel 1, 6, Bandage 2, 7) werden auf Raumtemperatur bzw. Einsatztemperatur gebracht, wobei ein durch die Differenz zwischen dem Außendurchmesser (d) der Metalltrommel (1, 6) und dem Innendurchmesser (d_F) der Bandage (2, 7) und die Temperaturdifferenz (Δ T) zwischen der Einsatz- und der Abkühltemperatur sowie den Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) des Metall­ werkstoffes vorgegebene Verspannungszustand zwischen den beiden Teilen (Metalltrommel 1, 6, Bandage 2, 7) entsteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall der Herstellung einer Zentrifugentrommel nach Anspruch 2 zuerst die beiden Metalltrommeln zunächst bei Raumtem­ peratur oder erhöhter Temperatur ineinandergeschoben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschieben der Bandage (2, 7) zumindest eine Fügefläche (6a, 7a) mit Klebstoff versehen wird.