DE4234440C2 - Zentrifugalkraftsichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalkraftsichter zur Trennung von Teilchen (Körnern) unterschiedlicher Größe und/oder Form und/oder unterschiedlichen spezifischen Gewichts in eine Grobkorn- und einer Feinkorn-Fraktion, wobei die Grenzkorngröße unter 3 µm, vorzugsweise unter 1 µm liegen soll.

Zentrifugalkraftsichter (nachstehend Sichter genannt) sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Die meisten Sichter eignen sich jedoch nur zur Trennung von relativ grobkörnigem Material, das heißt deutlich oberhalb der vorstehend genannten Grenzkorngröße.

In der technischen Keramik, in der Papierindustrie und anderen technischen Gebieten werden jedoch Feinstteilchen benötigt, die keinen oder nur einen sehr geringen Teil an Überkorn aufweisen dürfen. Derartige Feinstteilchen lassen sich nicht allein durch eine Optimierung des Mahlprozesses erreichen; vielmehr sind (anschließende) Trennverfahren notwendig.

In der Zement- und Kalkindustrie sind sogenannte Streuwindsichter im Einsatz, die jedoch für eine Feinstklassierung ungeeignet sind. Für diesen Zweck werden unter anderem Spiralsichter eingesetzt, die jedoch über den Labormaßstab hinaus bisher keine Bedeutung erlangt haben.

Die bekannten Sichter sind überwiegend aus metallischen Bauteilen zusammengesetzt und insoweit auch bezüglich ihrer mechanischen Belastbarkeit begrenzt.

Die Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) für Zentrifugen- und Rotortrommeln ist aus VDI-Z 114 (1972), 1079 bekannt.

Nähere Einzelheiten zur konstruktiven Gestaltung der Zentrifugen- und Rotortrommel enthält der Aufsatz nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zentrifugalkraftsichter der eingangs genannten Art zur Feinstkorntrennung bereitzustellen, mit dem sich Partikel mit einem Trennkorndurchmesser x_t50 < = 3 µm, vorzugsweise < = 1 µm aus einem Haufwerk abscheiden lassen. Dabei soll der Sichter so gestaltet sein, daß er möglichst hohe Umfangsgeschwindigkeiten des Rotorteils ermöglicht und eine höhere Stabilität aufweist.

Aus der DE 35 08 889 C1 ist ein Windsichter mit verschleißfreiem Sichtrad bekannt, wobei der Sichter mindestens zwei, mit Abstand zueinander angeordnete, rotationssymmetrische Grundkörper aufweist, die Grundkörper durch mehrere Haltestangen untereinander verbunden sind und mindestens ein Grundkörper auf einer koaxial zu seiner Symmetrieachse angeordneten Welle drehfest angeordnet ist. Eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Lamellen erstreckt sich zwischen den Grundkörpern und die Lamellen sind endseitig in den Grundkörpern festgelegt.

Dabei sollen die Schaufeln des Sichtrades ganz aus einem verschleißfesten keramischen Werkstoff bestehen. Gemäß der DD 2 78 958 A1 hat der Windsichter nach der DE 35 08 889 C1 den Nachteil, daß die Stabilität des Stabkorbes gering ist und nur durch Distanzbolzen gewährleistet wird. Entsprechend wird in der DD 2 78 958 A1 vorgeschlagen, daß verschiedene Ringe in die Nabe und den Flansch eingearbeitet werden, die diesen eine höhere Stabilität verleihen sollen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die genannte Aufgabe durch eine spezielle konstruktive Gestaltung des Sichters in Kombination mit einer spezifischen Werkstoffauswahl der einzelnen Sichter-Bauteile erreicht werden kann.

In der allgemeinsten Ausführungsform wird der Sichter durch folgende Merkmale beschrieben:

• - mindestens zwei, mit Abstand zueinander angeordnete rotationssymmetrische Grundkörper,
• - mindestens einer der Grundkörper ist auf einer koaxial zu seiner Symmetrieachse (die der Sichterachse entspricht) angeordneten Welle drehfest angeordnet,
• - die Grundkörper sind durch mehrere Haltestäbe aus faserverstärktem Verbundwerkstoff (nachstehend FVW genannt) untereinander verbunden,
• - eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Lamellen aus FVW erstreckt sich zwischen den Grundkörpern,
• - die Lamellen sind endseitig in den Grundkörpern festgelegt,
• - auf der Umfangsfläche der Grundkörper verlaufen aufgeschrumpfte Halteringe aus FVW.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2-18 enthalten.

Der Sichter kann sowohl einseitig, wie beidseitig gelagert sein. Eine einseitige Lagerung bietet sich für mittlere Massendurchsätze, eine beidseitige Lagerung für große Massendurchsätze an.

In jedem Fall wird das zu trennende Gut von außen durch die zwischen den Lamellen bestehenden Schlitze in das Sichter­ innere (den Rotor) hineingeführt, wobei eine möglichst laminare Strömung zwischen den Lamellen angestrebt wird, um so eine gegeneinander gerichtete Kräftekombination von Fliehkraft und Strömungskraft auf die einzelnen Partikel zu erzeugen. Die in das Rotorinnere strömenden Teilchen unterhalb der Trennkorngröße werden dann seitlich (in Axialrichtung des Sichters) aus dem Rotor abgesaugt.

Bei einem einseitig gelagerten Sichter geschieht dies beispielsweise dadurch, daß der über die Welle angetriebene Grundkörper als Scheibe gestaltet ist, während der gegenüberliegende Grundkörper eine Mittenöffnung aufweist, über die die Absaugung des Feinkorns erfolgt. Bei einem beidseitig gelagerten Sichter bestehen die Grundkörper vorzugsweise aus Speichenrädern, so daß das Feinkorn zwischen den Speichen abgesaugt werden kann. Die Formgebung der Speichen ist dafür verantwortlich, daß die fliehkraft­ bedingten Dehnungen des Grundkörpers keine wesentlichen Spannungserhöhungen in den Speichen verursachen.

Für die angetriebene Scheibe ist eine besondere Antriebsverbindung notwendig, die nach einer Ausführungsform der Erfindung als Welle-Nabe-Verbindung gestaltet ist und außerhalb des eigentlichen Rotorkörpers liegt. Dabei wird die Welle vorzugsweise unter Vorspannung auf die Nabe gezogen und axial, zum Beispiel über Schrauben, fixiert. Auf diese Weise lassen sich die Tangential- und Radialspannungen in der Scheibe auf nahezu gleiche Werte einstellen.

Die Scheibe soll nach einer Ausführungsform der Erfindung mit unterschiedlicher Dicke (in Axialrichtung des Rotors betrachtet) ausgebildet sein und sich von innen nach außen verjüngen.

In Kenntnis der Tatsache, daß der Elastizitätsmodul, die Dichte, die Ausdehnung und die Festigkeit einen erheblichen Einfluß auf die mechanische Belastbarkeit der Grundkörper haben, wurde anhand eines Rechenmodells festgestellt, daß Grundkörper aus Titan oder Aluminium (bei einer Scheiben­ geometrie) beziehungsweise aus einem faserverstärkten Werkstoff (bei Gestaltung in Form von Speichenrädern) ein Optimum an mechanischer Belastbarkeit schaffen.

Bei einer Speichengeometrie stellt die an den Speichen angreifende Zugkraft einen erheblichen Belastungsanteil dar. Um diesen abzufangen, sieht eine Ausführungsform vor, die Speichen nicht exakt radial verlaufen zu lassen, sondern im Kontaktbereich zu dem die Speichen umgebenden Haltering für die Lamellen durch im wesentlichen tangential verlaufende Endabschnitte "weicher" zu gestalten.

Eine wesentliche Aufgabe in Bezug auf die Statik des Rotors übernehmen die eingangs genannten Haltestäbe zwischen den Grundkörpern. Die Haltestäbe sollen nicht nur die Grundkörper verbinden und damit das Drehmoment übertragen, sie haben auch die Aufgabe, einen konstanten Abstand zwischen den Grundkörpern sicherzustellen und müssen schließlich Querkräfte und Biegemomente ebenso aufnehmen wie Eigen-Fliehkräfte und die Strömungslast. Da die Lamellen nur die Eigenfliehkräfte und die Strömungslasten aufnehmen können, müssen die aus dem Antrieb resultierenden Kräfte vollständig von den Haltestäben übernommen werden. Sie haben insofern einen erheblichen Einfluß auf die Steifigkeit des Rotors, weshalb eine Ausführungsform der Erfindung vorsieht, die Haltestäbe im Umfangsbereich der Grundkörper anzuordnen. Um die genannten Anforderungen zu erfüllen, haben sich Haltestäbe aus einem Faserverbundwerkstoff als vorteilhaft herausgestellt, die im "Wickelverfahren" hergestellt wurden.

Die Verbindung der Haltestäbe mit den Grundkörpern erfolgt vorzugsweise kraft- und formschlüssig, so daß die Verbindungsstellen etwa die gleiche Steifigkeit wie die Haltestäbe selbst besitzen. Dabei verbessert die form­ schlüssige Verbindung die Übertragung des Drehmoments.

Auch die Konfiguration, Anordnung und Materialauswahl für die Lamellen hat einen wesentlichen Einfluß auf die Betriebssicherheit des Sichters und die gewünschte Reduzierung der Trennkorngröße.

In jedem Fall soll eine laminare Strömung zwischen den Lamellen erfolgen. Die Lamellen sollen auch leicht austauschbar sein, um sie zum Beispiel nach Verschleiß erneuern zu können.

In diesem Sinne haben sich Lamellen aus Faserverbund Prepregs, insbesondere solche, die nach dem sogenannten tape-laying-Verfahren hergestellt wurden, als besonders vorteilhaft herausgestellt. Nach einer Ausführungsform der Erfindung sollen die einzelnen Schichten der Lamellen eine Dicke von 50 bis 250 µm und die Lamellen insgesamt eine Dicke von 2 bis 5 mm aufweisen.

Die einzelnen Schichten sind unidirektional aufgebaut, wobei der Orientierungswinkel der eingelagerten Fasern zwischen 0 und 30 Grad variieren kann.

Zur Optimierung der laminaren Strömung durch die zwischen den Lamellen ausgebildeten Schlitze sehen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung vor, benachbarte Lamellen mit unterschiedlicher Bauhöhe auszubilden, wobei vorzugsweise eine Lamelle mit größerer Bauhöhe einer Lamelle mit geringerer Bauhöhe folgt und die Lamellen mit größerer Bauhöhe weiter in das Rotorinnere vorragen als die kleineren Lamellen. Der Lamellenabstand entspricht dabei im wesentlichen der Lamellendicke.

Die äußeren Halteringe haben nicht nur die Aufgabe, die in korrespondierenden, radialen Schlitzen der Grundkörper konfektionierten Lamellen zu fixieren, sondern tragen auch wesentlich zur Stabilisierung der Grundkörper selbst bei. Sie sollen deshalb ebenfalls aus faserverstärkten Verbund- Werkstoffen bestehen und werden nach einer Ausführungsform der Erfindung auf Zwischenringen angeordnet, die in Richtung der Sichterachse konisch ausgebildet sind, wobei die Dicke der Zwischenringe vorzugsweise von innen nach außen zunimmt. Durch ein seitliches Aufschieben der Halteringe werden diese unter Vorspannung gesetzt und stabilisieren den Rotor nennenswert.

Als Faserverbundwerkstoffe (FVW) eignen sich faserverstärkte Kunststoffe ebenso wie faserverstärkte Reaktionsharze. Der Verbundwerkstoff kann ein glasfaser-, kohlefaser- oder polymerfaserarmierter Verbundwerkstoff sein, wobei der Faseranteil im Matrixmaterial zwischen 30 und 70 Gew.-% beträgt.

Die Durchsatzleistung des Sichters hängt unter anderem von seiner Größe ab, insbesondere von der Länge und dem Durch­ messer des Rotors und damit von seiner Umfangsfläche, an welcher die Sichtung stattfindet. Ein Durchmesser zu Längenverhältnis des Sichters von 3 : 1 bis 1,5 : 1 hat sich als besonders günstig herausgestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Dabei zeigen - in schematisierter Darstellung -

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zentrifugalkraftsichter,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie X-X von Fig. 1.

Der Sichter nach Fig. 1 besteht aus einem ersten, scheibenförmigen Grundkörper 10 mit einer nach außen (in der Figur nach links) vorstehenden Nabe 12. Der Grundkörper 10 ist rotationssymmetrisch zur Sichterachse A und ihre Dicke nimmt von innen nach außen ab.

Beabstandet zum Grundkörper 10 verläuft ein zweiter Grundkörper 14, der ebenfalls eine Scheibenform aufweist, jedoch mit einer Mittenöffnung 16, an der eine Absaugeinrichtung für Feinkorn (unterhalb der Trennkorngröße) angeschlossen ist (nicht dargestellt).

Die Grundkörper 10, 14 sind durch insgesamt vier Haltestäbe 18 miteinander verbunden, die in entsprechenden Aufnahmen der Grundkörper 10, 14 radial verschraubt sind, wie sich aus der Zusammenschau der Fig. 1 und 2 ergibt. Dabei zeigt Fig. 2, daß die Haltestäbe jeweils im Winkel von 90 Grad zueinander versetzt verlaufen.

Während die Grundkörper 10, 14 aus Aluminium bestehen, sind die Haltestäbe 18 aus einem gewickelten Verbundwerkstoff aus Kunststoff und Kohlefasern hergestellt.

Zwischen den Haltestäben 18 verlaufen eine Vielzahl von Lamellen 20′, 20′′, und zwar hier insgesamt 100 Stück. Die Lamellen 20′, 20′′ sind in korrespondierenden Schlitzen in der Umfangsfläche der Grundkörper 10, 14 konfektioniert und dort festgeklebt. Die Lamellen 20′ unterscheiden sich von den Lamellen 20′′ durch eine größere Bauhöhe, wobei die größeren Lamellen die kürzeren Lamellen nach unten (nach innen) in Richtung auf die Sichterachse A überragen. Die Lamellen 20′, 20′′ sind abwechselnd konfektioniert. Sie bestehen aus Faserverbundprepregs, die im tape-laying- Verfahren hergestellt wurden, wobei die einzelne Prepreg­ schicht eine Dicke von ca. 200 µm aufweist und jede Lamelle aus ca. 15 Schichten zusammengesetzt ist.

Die Lamellen 20′, 20′′ verlaufen exakt radial zur Sichter­ achse A. Durch die unterschiedliche Bauhöhe wird die Strömung, die sich zwischen den Lamellen aufbaut, weit in das Zentrum des Sichters (in Richtung auf die Sichterachse A) geführt, wodurch Druckverluste vermindert werden. Die Verwendung des Faserverbundwerkstoffes ermöglicht eine geringere Dichte der Lamellen, wodurch die Belastung in den Scheiben 10, 14 des Rotors deutlich herabgesetzt wird.

Sowohl die Lamellen 20′, 20′′ als auch die Haltestäbe 18 werden umfangsseitig von Halteringen 22′, 22′′ eingefaßt, wobei Fig. 1 zeigt, daß dies jeweils unter Zwischenschaltung eines schmalen Zwischenringes 24 erfolgt, der von innen nach außen eine ansteigende Dicke aufweist. Hierdurch werden beim Aufschieben (von innen nach außen) der Halte­ ringe 22′, 22′′ Vorspannungen erzielt, die den Rotor insgesamt und vor allem die Lamellen 20′, 20′′ und die Haltestäbe 18 in besonders vorteilhafter Weise fixieren.

Die Halteringe 22′ und 22′′ bestehen aus kohle­ faserverstärktem Kunststoff, die Zwischenringe 24 bestehen aus Metall. Die Nabe 12 weist eine axiale Gewindebohrung 26 an ihrem freien Ende auf, und ist in Richtung auf das Rotorinnere konisch erweiternd ausgeführt. Auf diese Weise kann eine korrespondierende Antriebswelle (nicht dargestellt) unter Vorspannung auf die Nabe 12 aufgeschoben werden (aufgeschrumpft werden), wobei eine zusätzliche Fixierung durch eine axiale Verschraubung in der axialen Gewindebohrung 26 erfolgt.

Die Funktionsweise des Sichters ist wie folgt: Das zu trennende Gut, zum Beispiel vorgemahlene Keramikpartikel im Korngrößenbereich < 5 µm strömt um den Sichter herum. In Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Sichters sowie seinem konstruktiven Aufbau läßt sich eine bestimmte Trennkorngröße (hier: 1 µm) einstellen, so daß Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser unter 1 µm durch die zwischen den Lamellen 20′, 20′′ ausgebildeten Schlitze in das Rotorinnere strömen und dort schließlich über die Mittenöffnung 16 seitlich abgesaugt werden.

Versuche haben gezeigt, daß sich aufgrund der erfindungs­ gemäßen Konstruktion und Werkstoffauswahl Trennkorngrößen sogar unterhalb von 0,5 µm realisieren lassen.

Claims (18)

1. Zentrifugalkraftsichter mit folgenden Merkmalen:

• 1.1 mindenstens zwei, mit Abstand zueinander angeordneten, rotationssymmetrischen Grundkörpern (10, 14),
• 1.2 die Grundkörper (10, 14) sind durch mehrere Haltestäbe (18) aus Faserverbundwerkstoff untereinander verbunden,
• 1.3 mindestens ein Grundkörper (10) ist auf einer koaxial zu seiner Symmetrieachse A angeordneten Welle drehfest angeordnet,
• 1.4 eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Lamellen (20′, 20′′) aus einem Faserverbund­ werkstoff erstreckt sich zwischen den Grundkörpern (10, 14),
• 1.5 die Lamellen (20′, 20′′) sind endseitig in den Grundkörpern (10, 14) festgelegt,
• 1.6 auf der Umfangsfläche der Grundkörper (10, 14) verlaufen aufgeschrumpfte Halteringe (22′, 22′′) aus Faserverbundwerkstoff.

2. Zentrifugalkraftsichter nach Anspruch 1, bei dem die Grundkörper (10, 14) scheibenförmig gestaltet sind.

3. Zentrifugalkraftsichter nach Anspruch 1 oder 2 mit einseitiger Lagerung, bei dem der auf der Welle angeordnete Grundkörper (10) geschlossen und der weitere Grundkörper (14) mit einer Mittenöffnung (16) ausgebildet ist.

4. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Verbindung von Welle und korrespondierender Nabe (12) am Grundkörper (10) außerhalb des zwischen den Grundkörpern (10, 14) ausgebildeten Rotors erfolgt.

5. Zentrifugalkraftsichter nach Anspruch 4, bei dem die Verbindung als Kegelschrumpfverband mit Außenkegel am Grundkörper (10) ausgebildet ist.

6. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit zweiseitiger Lagerung, bei dem die Grundkörper als Speichenräder ausgebildet sind.

7. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Grundkörper (10, 14) aus Titan, Aluminium, einschließlich deren Legierungen oder einem Faser­ verbundwerkstoff bestehen.

8. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem sich die Dicke (senkrecht zur Sichterachse (A) betrachtet) zumindest des angetriebenen Grundkörpers von innen nach außen verjüngt.

9. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Haltestäbe (18) im Umfangsbereich der Grundkörper (10, 14) verlaufen.

10. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Haltestäbe (18) aus einem gewickelten Faserverbund­ werkstoff bestehen.

11. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem Haltestäbe (18) auf die Grundkörper (10, 14) aufgeschraubt sind.

12. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Lamellen (20′, 20′′) exakt radial zur Mittenlängsachse (A) des Sichters ausgerichtet sind.

13. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem benachbarte Lamellen (20′, 20′′) eine unterschiedliche Bauhöhe aufweisen.

14. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem sich jeweils eine Lamelle (20′) größerer Bauhöhe mit einer Lamelle (20′′) geringerer Bauhöhe abwechselt, wobei die Lamellen (20′) mit größerer Bauhöhe weiter in den Innenraum des Sichters (Rotors) vorragen.

15. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Lamellen (20′, 20′′) aus Faserverbundprepregs bestehen.

16. Zentrifugalkraftsichter nach Anspruch 15, bei dem die einzelnen Schichten der Faserverbund-Prepregs eine Dicke von 50 bis 250 µm und die Lamellen insgesamt eine Dicke von 2 bis 5 mm aufweisen.

17. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Halteringe (22′, 22′′) jeweils auf einem in Richtung der Sichterachse (A) konisch ausgebildeten Zwischenring (24) aufsitzen.

18. Zentrifugalkraftsichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Durchmesser-Längenverhältnis des Sichters 3 : 1 bis 1,5 : 1 beträgt.