Theoretische und praktische Grundlagen der pneumatischen Förderung

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1 Theoretische und praktische Grundlagen der pneumatischen Förderung (Vortrag anläßlich eines Seminars in Moskau von Dr. Hesse, Fa. NEUERO) 1. Physikalische Grundlagen Förderprinzip und Aufbau einer pneumatischen Förderanlage Strömungstechnische Vorgänge im Förderrohr 3 2. Empirische Grundlagen Luftgeschwindigkeit Druckverluste in der Förderrohrleitung Kompressible Strömung und Rohrerweiterung Ermittlung der Förderleistung Bauliche und konstruktive Einzelheiten Aufbau einer pneumatischen Saugförderanlage Saugdüsen Förderrohre Förderrohrbogen Abscheider Zellenradschleusen Luftstromerzeuger oder Gebläse Literaturverzeichnis Bildanhang (Bildnachweis) 27 1

2 1. Physikalische Grundlagen 1.1. Förderprinzip und Aufbau einer pneumatischen Förderanlage Das Prinzip der pneumatischen Förderung basiert auf der bekannten, physikalischen Grundlage, daß strömende Luft unter bestimmten Voraussetzungen dazu fähig ist, schwerere Feststoffe zu tragen und mitzuführen. Wir alle kennen diese Tatsache als Naturerscheinung. Wir wissen, daß Luft als Trägermedium große Mengen an Feststoffen, wie z.b. Sand, Schnee, Laug, Samen und dergleichen forttragen kann. Bei der pneumatischen Förderung wird dieses Förderprinzip gezielt technisch genutzt, der Transport erfolgt dabei durch Rohrleitungen. Das Fördermittel ist stets der Luftstrom, der durch einen Druckunterschied zwischen Anfang und Ende der Rohrleitung hervorgerufen wird. Aus der Schulphysik ist uns bekannt, daß das Ansaugen von Flüssigkeit theoretisch auf 10 m Höhe begrenzt ist. Wird jedoch körniges Material im Saugverfahren pneumatische gefördert, dann ist die Förderhöhe fast unbegrenzt vorausgesetzt, daß ein Luftstrom von der erforderlichen Geschwindigkeit vorhanden ist, der die Körper mitreißt. Kurz vor der Jahrhundertwende wurden die ersten pneumatischen Förderanlagen zur Entladung von Getreide aus Überseeschiffen eingesetzt. Wir würden sie auch heute noch als Großanlagen bezeichnen. Erst später erfolgte die Ausdehnung dieser neuen Art der Stetigförderung auf kleinere und mittlere Anlagen sowie auch auf andere geeignete Massenschüttgüter. Je nach der Höhe des für den Luftstrom aufzubringenden Gebläsedruckes spricht man von Niederdruck-, Mitteldruck- oder Hochdruck-Anlagen. Die für industrielle Zwecke zum Einsatz kommenden Gebläse erzeugen heute einen Förderdruck von etwa 0,5 bis 1 bar Uberdruck, was einem Unterdruck von etwa 0,3 bis 0,5 bar entspricht. Ferner unterscheidet man pneumatisehe Förderanlagen grundsätzlich nach der Art der Ausführung, nämlich Saug- oder Druck- Förderanlagen, sowie kombinierte Saug- Druck-Anlagen. Bild 1 zeigt schematisch eine Saugförderanlage. Ein Gebläse (7) am Ende der Rohrleitung erzeugt einen Unterdruck, um die erforderliche Luftströmung im Rohr zu erzeugen. Wie bei einem Staubsauger wir das zu fördernde Gut über die Saugdüse (1) aufgenommen und durch die Rohrleitung (2,3) in den Abscheider (4) transportiert. Dort werden Fördergut und Luft wieder von- einander getrennt. Das Gut wird über eine Schleuse (5) ausgetragen. Die Luft wird vom Gebläse (7) abgesaugt, wobei evtl. zur Reinigung ein Filter zwischengeschaltet wird. Bei derartigensaugförderanlagen kann von einer oder mehreren Aufgabestellen nach einer Abgabestelle gefördert werden. Typische Beispiele für den Saugbetrieb sind pneumatische Entladeanlagen in ortsfester, fahrbarer, versetzbarer oder schwimmender Ausführung für Getreide und Ölsaaten aus Uberseeschiffen, Binnenschiffen, Bahnwaggons oder Lastkraftwagen. 2

3 Bild 2 zeigt das Schema einer Druckförderanlage. Hier wird Luft direkt aus der Atmosphäre angesaugt und vom Gebläse (1) in die Rohrleitung gedriickt. Das zu fördernde Material gelangt über eine Schleuse (2) in den Luftstrom im Förderrohr (3) und wird mitgerissen. Am Ende der Rohrleitung werden Fördergut und Luft in einem Abscheider (5) oder Zyklon wieder voneinander getrennt, das Material fällt nach unten aus und die Luft entweicht nach oben. Druckförderanlagen sind dann zu empfehlen, wenn das Fördergut an einer Steile aufgegeben und wahlweise durch Zwischenschaltung von Rohrweichen oder Rohrumschaltern (4) nach mehreren Abgabestellen gefördert werden soll. Weiterhin ist, zu beachten,daß in Druckförderanlagen mit einem größeren Druckgefälle und einer höheren Luftdichte gearbeitet werden kann. Dadurch können, wie wir nachher noch sehen werden, höhere Förderleistungen gegenüber Saugförderanlagen erzielt werden. Bild 3: In der Praxis werden auch die beiden erwähnten Ausführungen kombiniert - bei der Firma NEUERO ein sehr häufig angewandtes Verfahren -, um die Einzelvorteile beider Verfahren voll auszunutzen: Es wird dabei der erste Teil des Förderweges als Saugförderung möglichst kurz ausgebildet, um das Fördergut einfach in die Rohrleitung aufnehmen zu können, und der zweite Teil als Druckförderung, um bei größeren Förderwegen möglichst hohe Förderleistungen zu erzielen. Die Durchmesser pneumatiseher Förderleitungen liegen in der Praxis zwischen 10 mm (z. B. für Dosiervorgänge in der Verfahrenstechnik) und mehreren 100 mm (für die Förderung großer Feststoffmengen, z. B. beim Löschen von Getreide aus Schiffen). Die Fördermengen sind dementsprechend außerordentlich unterschiedlich und gehen von wenigen kg/h bis zu einigen 100 t/h. Technisch eingesetzte Förderleitungen haben Längen zwischen 10 und 1000 m. Die Luftgeschwindigkeiten liegen je nach Fördergut bei 10 bis 30 m/s Strömungstechnische Vorgänge im Förderrohr Damit also ein Feststofftransport mittels Luft überhaupt möglich ist, müssen die antreibenden Strömungskräfte der Luft auf die Feststoffteilchen größer sein als die Kräfte, die das Fördergut festzuhalten versuchen. Vor allem sind Gewicht, Reibung urd Trägheit der Feststoffe zu überwinden. Im folgenden wollen wir uns die beiden wichtigsten Förderzustände mit ihrem Erscheinungsbild und die drei wesentlichen Einflußgrößen näher ansehen. Besondere Bedeutung kommt dabei der Schwebegeschwindigkeit w s der Feststoffteilchen zu. Danach muß sich die zweite wichtige Größe, nämlich die Fördergeschwindigkeit w der Luft, richten. Als dritte kennzeichnende Größe wird das Mischungsverhältnis zur Charakterisierung der gegenseitigen Beeinflussung der Feststoffteilchen definiert. Doch zunächst zur Schwebegeschwindigkeit: Der für die Erläuterung der strömungstechnischen Vorgänge im Förderrohr einfachste Fall liegt bei der vertikalen Förderung nach oben vor. 3

4 Im Bild 4 sind links unter (a) die beiden wichtigsten an einem Einzelkorn im vertikalen Luftstrom angreifenden Kräfte schematisch dargestellt. Die Strömungskraft der Luft, d.h. der Strömungswiderstand S des Teilchens greift von unten nach oben an. Das Gewicht des Teilchens greift entgegengesetzt, d. h. in Richtung der Schwerkraft nach unten an. Sind nun beide Kräfte S und G gleich groß, so bleibt das Teilchen in der Schwebe. Die dazu erforderliche Luftgeschwindigkeit w ist die sog.schwebegeschwindigkeit w s. Eine andere Definition dieses Zustandes ergibt sich aus der kinematischen Umkehrung: Die Geschwindigkeit w s ist demzufolge die maximal erreichbare Fallgeschwidigkeit, die ein Feststoffpartikel in unbewegter Luft im vertikalen Fall erreichen kann. Man spricht daher auch von der sog. Fallgeschwindigkeit oder Sinkgeschwindigkeit. Mindestvoraussetzung für eine Förderung ist also, daß die Luftgeschwindigkeit im vertkalen Rohr größer ist, als die Schwebegeschwindgkeit. Die Differenz aus beiden ist dann die eigentliche Transportgeschwindigkeit der einzelnen Teilchen gegenüber dem festen Rohr. ρ S = cw * A* * w² 2 Wie Sie wissen, wird die Strömungskraft S in der Strömungsslehre dagestellt als Produkt aus dem sog. c w - Wert (also einem strömungstechnischen Beiwert), der Anströmfläche A des Teilchens (senkrecht zur Strömungsrichtung, auch als projizierte Fläche bezeichnet), der Luftdichte ρ (rho) und der Luftgeschwrindigkeit w, dividiert durch 2, d.h. ρ 2 * w² ρ Der Ausdruck w 2 wird auch als Staudruck oder dynamischer Druck bezeichnet. 2 Die Schwebegeschwindigkeit, die wohl den wesentlichsten Einfluß auf die Förderung überhaupt hat, wird nach diesem mathematischen Ansatz von mehreren Faktoren beeinflußt.zunächst hat die Luftdichte Einfluß auf die Strömungskraft und damit auf die Förderleistung. (So wird die Förderleistung einer pneumatischen Anlage bei einer Hochruckwetterlage oder an sehr kalten Tagen leicht ansteigen, wie wir noch sehen werden.) Weiterhin wird die Schwebegeschwindigkeit vom c w - Wert des Körpers bestimmt. Wie wir wissen, ist diese. u. a. sehr stark von der Oberflächenrauhigkeit und der Geometrie des Körpers abhängig. Nichtkugelförmige Körper neigen z.b. dazu, sich während des Fallesin eine bevorzugte Richtung auszurichten. So fällt ein stromlinienförmiger körper immer mit der Spitze nach unten, um einen möglichst geringen Widerstand zu erzeugen.( Dadurch lassen sich beispielsweise bei der pneumatischen Förderung die unterschiedlichen Förderleistungen für die verschiedenen Getreidearten unter sonst gleichen Bedingungen erklären.) Befindet sich das betrachtete Teilchen nun nicht wie bisher stillschweigend vorausgesetzt und links im Bild dargestellt - in der Rohrmitte, sondern wie im Bild 4 unter (b) angedeutet, in der Nähe der Rohrwand, so tritt zusätzlichdie Auftriebskraft A senkrecht zur Strömungsrichtung auf. Sie wird hervorgerufen durch eine 4

5 unsymmetrische Anströmung des Teilchens in Wandnähe, d.h. durch die gegenüber der Rohrmitte an der Rohrwand kleinere Luftgeschwindigkeit und damit durch die zur Rohrmitte hin größere Umströmung des Teilchens. Diese Auftriebskraft versucht, das Teilchen wieder in die Rohrmitte zu ziehen. Noch deutlicher wird dieser Effekt in den rechten Bildern, die die entsprechenden Verhältnisse für die horizontale Förderung vereinfacht darstellen. Auf das von links angeströmte Teilchen wirkt zunächst in Rohrmitte (Darstellung (c)) nur der Strömungswiderstand bzw. die Schleppkraft S nach rechts und das Eigengewicht G des Teilchens nach unten. Fliegt das Teilchen dabei in die Nähe der Rohrwand (Darstellung (d) und (e)), kommt die Auftriebskraft A wieder ins Spiel, da das Geschwindigkeitsprofil der Luft in Wandnähe durch die Grenzschicht wie stets unsymmetrisch wird. Unterhalb der Rohrmitte ist diese Auftriebskraft die Gegenkraft zum Teilchengewicht (unten dargestellt in (e)). Theoretisch müßten noch weitere Kräfte in diese Bilder eingetragen werden, z. B. die Trägheitskraft, die Reibkraft zwischen zwei Teilchen, die Reibkraft zwischen Teilchen und Wand, dann Impulskräfte, die Magnuskraft - um nur einige zu nennen. Sie alle müssen schließlich von der Luftströmung im Rohr überwunden werden. Da andererseits die Luftströmung durch einen Druckunterschied zwischen dem Anfang und dem Ende der Rohrleitung hervorgerufen wird, führt die Summe der erwähnten Kräfte zu einem Druckverlust, der vom Gebläse als Förderdruck aufgebracht werden muß. Doch nun vom Einzelkorn zu sog. Gutwolken: Die hier betrachtete pneumatische Förderung wird in der Literatur im Gegensatz zur sog. Dichtstromförderung oder Pfropfenförderung als Flugförderung oder Dünnstromförderung bezeichnet. Dabei bewegen sich die Partikel in fliegender und springender Weise vorwärts und werden mit ungefähr gleichmäßiger Konzentration durch die Transportleitung geblasen. Die Höhe der Konzentration, d. h. also der Feststoffanteil wird über die dimensionslose Kenngröße µ (my) ausgedrückt. Sie ist definiert als das Verhältnis der geförderten Feststoff-Masse pro Zeiteinheit zur Masse der geförderten Luft pro Zeiteinheit. Man spricht daher auch vom sog. Mischungsverhältnis µ. Bild 5 zeigt schematisch die Flugförderung von Feststoffteilchen in Rohrleitungen, links für vertikale und rechts für horizontale Förderung. Aufgrund der auch quer verlaufenden Geschwindigkeitskomponenten treffen die Teilchen auf die Rohrwände, werden abgebremst, prallen zurück und müssen wieder neu beschleunigt werden. Diese wiederholten Beschleunigungen führen schließlich zum erwähnten Druckabfall in der Rohrleitung. Bei der vertikalen Förderung ist bei einem Mischungsverhältnis von ungefähr 10 bis 20 noch ein mehr oder weniger freier Flug der Teilchen bei hinreichender Luftgeschwindigkeit möglich, wie in Skizze (a) dargestellt. Rückt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in die Nähe der Schwebegeschwindigkeit des Einzelkornes und das Mischungsverhältnis in die Größenordnung von ungefähr 30, so kann es bereits zu Entmischungen kommen. Wir erkennen das in der Skizze (b). Obwohl bereits Feststoffansammlungen absinken, kann dennoch im zeitlichen Mittel insgesamt aufwärts gefördert werden. 5

6 Noch deutlicher werden diese Überlegungen bei der horizontalen Förderung, Skizze (c). Dort unterscheiden sich die Förderzustände darüber hinaus von denen im vertikalen Rohr, daß die Schwerkraft sich sehr deutlich auf die Entmischung bemerkbar macht, sobald die Luftgeschwindigkeit etwas kleiner wird. Ist die Luftgeschwindigkeit nur unwesentlich grö8er als die Schwebegeschwindigkeit des Einzelteilchens, so lagern sich besonders feinere Feststoffe leicht strähnenartig am Rohrboden ab ( unter (d) zu erkennen). Bei diesem stark entmischten Förderzustand kann sich ein erheblicher Teil des Feststoffes in einer Strähne am Rohrboden entlang bewegen. Wenn die Druckreserve des Gebläses nicht mehr ausreicht, treten Verstopfungen auf. An jeder Stelle in der Förderrohrleitung ist also eine Mindest-Luftgeschwindigkeit einzuhalten, um das Fördergut gerade noch transportieren zu können. Diese Mindest-Luftgeschwindigkeit wird daher auch als kritische Geschwindigkeit bezeichnet. Sie ist je nach Beschaffenheit des Fördergutes sehr unterschiedlich und kann zwischen 10 und 30 m/s liegen. Wird diese Mindest-Luftgesohwindigkeit unterschritten, ist die Stopfgrenze erreicht, d.h. das zu fördernde Material lagert sich im Förderrohr ab und die Rohrleitung verstopft schließlich. Theoretisch ist die Stopfgrenze nicht exakt vorher festlegbar, da sie u.a. auch abhängig ist von der jeweiligen Anlage, d.h. von der speziellen Rohrführung. Hohe Luftgeschwindigkeiten garantieren zwar einen einwandfreien Transport, haben aber erhabliche Nachteile zur Folge: Der durch das Fördergut hervorgerufene Verschleiß an der Rohrleitung ist wesentlich größer. Es kann sich eine erhebliche Kornbeschädigung des Fördergutes einstellen. Es ist ein unnötig hoher Kraftbedarf des Gebläses zur Erzeugung des Förderdrucks bzw. des Luftstroms erforderlich. Der letzte Punkt sei für diejenigen, die sich für eine kurze physikalische Erläuterung interessieren, etwas näher ausgeführt: Aus der Strömungslehre ist bekannt, daß sich die elektrische Antriebsleistung N bei reiner Luftförderung eines Gebläses zusammensetzt aus dem Produkt des Volumenstromes V der Luft und dem gesamten aufzubringenden Druck p (delta p), dividiert durch den Wirkungsgrad η, d.h. V p N= η Der Volumenstrom läßt sich wiederum ausdrücken als Produkt von Rohrquerschnitt A und Luftgeschwindigkeit w, d.h. V= A w = 2 Πd w. 4 6

7 Andererseits sagt die Energiegleichung von Bernoulli, daß die Druckverluste delta p im Rohr bei turbulenter Strömung proportional dem Quadrat der Luftgeschwindigkeit sind, d. h. p ~ w 2. Zusammenfassend ergibt sich daraus, daß die Antriebsleistung N proportional der Luftgeschwindigkeit in der dritten Potenz ist, d. h. N ~ w³ Eine zu große Luftgeschwindigkeit im Rohr erfordert also einen beträchtiichen Leistungsmehraufwand. 2. Empirische Grundlagen 2.1. Luftgeschwindigkeit Wie wir gesehen haben, spielt die Schwebegeschwindigkeit in der pneumatischen Förderung eine große Rolle. Eingangs haben wir die Schwebegeschwindigkeit am Einzelkorn definiert. Praktisch werden sich Partikel sehr häufig miteinander verbinden oder konzentriert in Form von Gutwolken auftreten. Versuche haben gezeigt, daß diese dann schneller sinken als einzelne Teilchen. Eine Erklärung dazu liefert der dabei auftretende Windschatteneffekt: Wir kennen diese Erscheinung vom Fahrradrennen oder Straßenverkehr, wo nachfolgende Fahrer von den vorderen profitieren und weniger Windkräfte zu überwinden haben. Das bedeutet also, daß bei hoher Gutkonzentration im Förderrohr auch höhere Luftgeschwindigkeiten erzeugt werden müssen, um einen einwandfreien Transport sicherzustellen. Die Ermittlung der Schwebegeschwindigkeit eines Fördergutes ist mit einer einfachen Versuchsanordnung möglich, wie sie im Bild 6 gezeigt ist. In eine vertikale Saugförderrohrleitung wird ein konisch erweitertes Rohrstück aus durchsichtigem Material (links im Bild) eingebaut. Ein Gebläse sorgt für den erforderlichen Unterdruck. Je nach örtlichem Durchmesser dieses Konus treten dort unterschiedliche Luftgeschwindigkeiten auf. Von einem bestimmten Durchmesser an nach oben nimmt die Luftgeschwindigkeit aus Kontinuitätsgründen so weit ab, daß evtl. keine Förderung mehr gewährleistet ist. Nachdem die Materialproble unten angesaugt worden ist, bleiben die Teilchen also an einer bestimmten Stelle im Konus hängen. Mit Hilfe geeigneter Meßinstrumente und einer Reguliermöglichkeit des Luftstromes läßt sich die gesuchte Schwebegeschwindigkeit dann ermitteln. In Bild 7 ist das Ergebnis solcher Messungen für verschiedene Güter in Diagrammform dargestellt. Auf der Abszisse logarithmisch die Schwebegeschwindigkeit w s aufgetragen, auf der Ordinate die übergeblasene Gutmenge, d.h. der jeweilige Prozentsatz der gesamten Probe. Jede dieser Kurven gilt für ein Schüttgut. Es beginnt mit kleinen Schwebegeschwindigkeiten (links) für feinen Flußsand und geht über zu verschiedenen Getreidearten, bis hin zu glatten kugelförmigen landwirtschaftlichen Produkten, wie Erbsen und Bohnen, die eine höhe Schwebegeschwindigkeit aufweisen. Da die Probe eines Materials aus Körnern 7

8 unterschiedlicher Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit besteht, ergibt sich kein konstanter Wert der Schwebegeschwindigkeit für ein Schüttgut. Ein mittlerer Wert läßt sich sinnvollerweise bei 50% der übergeblasenen Menge angeben. Für Weizen ergibt sich daraus beispielsweise eine mittlere Schwebegeschwindigkeit von 9 m/s. Bei der Auslegung einer Förderrohrleitung muß zunächst die Geschwindigkeit der Förderluft festgelegt werden. Sie muß auf jeden Fall weit genug über der Schwebegeschwindigkeit liegen, um ein Verstopfen der Anlage zu verhindern. Die Luftgeschwindigkeit liegt z.b. bei Getreide im Mittel zwischen 20 und 25 m/s und wird vielfach auch nach praktischen Erfahrungen festgelegt. Wie bereits erwähnt, ist die Geschwindigkeit des Fördergutes, also die Teilchengeschwindigkeit, letztlich die Differenz aus der Luftgeschwindigkeit w und der Schwebegeschwindigkeit w s. In der Literatur wird angegeben, daß das Verhältnis der Teilchengeschwindigkeit zur Luftgeschwindigkeit mit etwa 0,6 anzusetzen ist. Für unser Weizen-Beispiel ergibt sich damit für eine Schwebegeschwindigkeit von 9 m/s eine erforderliche Luftgeschwindigkeit von 23 m/s Druckverluste in der Förderrohrleitung Wie wir bereits im Abschnitt Strömungstechnische Vorgänge gesehen haben, setzt sich der Gesamtdruckverlust im Förderrohr aus vielen Anteilen zusammen. In Bild 8 sind die wichtigsten Anteile noch einmal qualitativ zusammengetragen. Es ist dabei eine in der pneumatischen Förderung und in der Gebläsetechnik übliche Darstellungsform gewählt worden: der vom Gebläse für eine störungsfreie Förderung erforderliche Förderdruck oder auch der sich einstellende Druckabfall in der Förderrohrleitung in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit. Allein zur Förderung der Luft ohne Material ist in der Förderrohrleitung Reibung zu überwinden. Dieser Anteil des Förderdruckes ist durch die Kurve p L angedeutet. Mit Zunahme der Luftgeschwindigkeit nimmt der Druckabfall überproportional, genauer gesagt, annähernd quadratisch zu. Daraus ist wieder zu entnehmen, daß die Luftgeschwindigkeit möglichst niedrig sein sollte. Wie wir wissen, wird das Fördergut ständig an der Rohrwand abgebremst und muß neu beschleunigt werden. Aus dieser zu überwindenden Reibung zwischen Feststoff und Rohrwand ergibt sich ein Anteil, der mit p R bezeichnet ist. Der so hervorgerufene Druckabfall nimmt etwa linear mit der Luftgeschwindigkeit zu. Ein weiterer wesentlicher Anteil ergibt sich durch den Feststoff selbst, insbesondere durch Verkeilkräfte, mit p F bezeichnet. Mit sinkender Luftgeschwindigkeit ( und bei konstantem Feststoffdurchsatz) nimmt der Feststoffanteil im Förderrohr, d.h. das Mischungsverhältnis, zu und damit auch der Druckverlust. Diese Kurve weist einen hyperbelähnlichen Verlauf auf. Die Summe der einzelnen Druckverluste gibt die Kurve p TOT an. Der genaue Verlauf dieser Kurve ist vor allem abhängig vom Fördergut, dem Mischungsverhältnis zwischen Feststoff und Luft sowie von der Anlage selbst. Die parabelähnliche Funktion gilt jedoch für alle pneumatischen Förderanlagen. Diese 8

9 Gesamtdruckverlustkurve wird daher auch als Anlagenkennlinie bezeichnet. (Wir werden noch darauf zurückkommen). Da die aufzubringende Antriebsleistung des Gebläses, wie wir bereits gesehen haben, letztlich vom Förderdruck p und von der Luftgeschwindigkeit w abhängt, ergibt sich in dieser Darstellung ein Betriebspunkt mit einem minimalen Leistungsaufwand N min. Er fällt nicht mit dem geringsten Förderdruck zusammen. Um Verstopfungen im Förderrohr zu vermeiden, liegt der eigentliche Arbeitsbereich für Flugförderung bei einer noch höheren Luftgeschwindigkeit und damit leider bei einer etwas höheren Antriebsleistung. Der gestrichelte linke Ast der Kurve hat daher auch nur Bedeutung für die Dichtstromförderung. Die bisherige Betrachtung des aufzubringenden Förderdruckes und dessen Zusammensetzung galt bei der Anlage als Ganzem. Im folgenden wollen wir den Druckabfall näher betrachten, wie er sich aus einzelnen Anteilen über der Förderstrecke aufbaut bzw. zusammensetzt. Druckverlust infolge Material-Beschleunigung Wir wissen, daß eine Mindestluftgeschwindigkeit erforderlich ist, um eine kontinuierliche Förderung zu erreichen. Dabei müssen die Feststoffe so schnell wie möglich vom Luftstrom auf die Mindest-Fördergeschwindigkeit beschleunigt werden. Der hierdurch auftretende Beschleunigungsverlust schlägt bei dem vom Gebläse aufzubringenden Förderdruck stark zu Buche. Er tritt bei Saug- und bei Druckanlagen jeweils einmal bei der Materialannahme bzw.- eingabe auf, bei kombinierten Saug- Druck-Anlagen sogar zweimal, d.h. sowohl an der Saugdüse als auch nach dem Zwischenabscheiden bei der Wiedereingabe des Materials in die Druckleitung. Um die Größe des Beschleunigungswiderstandes und damit den Anteil am Gesamtdruckverlust in der Förderrohrleitung ausdrücken zu könne, wird dafür in der Literatur sehr häufig eine sog. Scheinlänge für die Beschleunigung eingeführt, d.h. der für die Beschleunigung verbrauchte Druckanteil wird durch ein zusätzliches, gedachtes horizontales Rohrleitungsstück ersetzt, für das sich der gleiche Druckverlust bei konstanter Fördergeschwindigkeit wie für die Beschleunigung ergeben würde. Bild 9 zeigt die von Segler experimentell ermittelten Scheinlängen für die Beschleunigung des Fördergutes. Dabei ist die Scheinlänge in Abhängigkeit von der Fördermenge für die Förderung von Weizen bei einer mittleren Luftgeschwindigkeit von 22 m/s aufgetragen. Man sieht, daß sich die Kurve asymptotisch einem Grenzwert nähert:: von einem Gutdurchsatz, der über 5 kg/s liegt das entspricht Förderleistungen von über 20 t/h -, kann die Scheinlänge mit etwa 22 m als konstant, d.h. unabhängig von der Fördermenge, angenommen werden. Bei Sauganlagen tritt für das Ansaugen des Fördermaterials an der Saugdüse evtl. zusätzlich zum Beschleunigungsverlust ein weiterer Druckabfall auf. Je nach Ausführung der Saugdüse ist hierfür ein Wert zwischen Null und dem des Beschleunigungswiderstandes zusätzlich zu berücksichtigen. Druckverlust im Rohrbogen 9

10 Bei der Projektierung und Ausführung von Saug- und Druckförderanlagen ist besonders zu beachten, daß Umlenkungen in den Förderleitungen durch Rohrbogen oder Krümmer auf ein Minimum beschränkt werden. Im Rohbogen erfolgt, wie leicht zu verstehen ist, eine Abbremsung des vom Luftstrom getragenen Fördergutes, und es wird dann eine Wiederbeschleunigung erforderlich, die zu größerer Belastung des Gebläses führt. Außerdem tritt im Rohrbogen starker Verschleiß auf, der besondere Maßnahmen notwendig macht, z.b. verstärkte Ausführung der Wandungen oder Einlegen von Verschleißplatten aus Hartstahl, wie wir bei den konstruktiven Einzelheiten noch sehen werden. Schließlich können die Rohrbogen durch den Aufprall des Fördergutes auch zu einer Veränderung der Körnung oder zu einer Qualitätsminderung des Materials führen. Bild 10 zeigt schematisch die Material- und Luftströmung in einem Förderrohrbogen. Wir wollen dabei vier Förderzustände unterscheiden: Bis zum Eintritt in den Bogen, d.h. bis zum Querschnitt I sind das Fördergut und die Förderluft gleichmäßig vermischt. Am Querschnitt I beginnt die Entmischung. Zwischen den Querschnitten I und II werden die Gutteilchen unter Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen an die Wand geschleudert, gleiten an dieser entlang und werden aufgrund der Reibung abgebremst, d.h. die Eintrittsgeschwindigkeit w KI der Körper ist größer als die Austrittsgeschwindigkeit w KII. Nach Austritt aus dem Rohrbogen, d.h. hinter Querschnitt II, findet die Wieder- Vermischung zwischen Luft und Teilchen unter gleichzeitiger Wieder-Beschleunigung der Teilchen statt. Versuche haben gezeigt, daß der Druckabfall längs des eigentlichen Rohrbogens bei der Materialförderung nur unwesentlich höher liegt als beim Fördern von reiner Luft. Der eigentliche Druckverlust tritt erst hinter der Unlenkung wegen der Wieder- Beschleunigung der Teilchen auf. Analog zum Beschleunigungswiderstand wird in der Literatur auch für Rohrbogen eine Scheinlänge definiert. Die Scheinrohrlänge eines Förderrohrbogens ist die äquivalente Länge einer waagerechten Rohrstrecke gleichen Durchmessers, gleicher Rauhigkeit und gleichen Druckabfalls wie der Förderrohrbogen. Bild 11 zeigt die Scheinlänge eines 90 Rohrbogens mit einem gängigen Krümmungsradius von 4- bis 6-fachem Rohrdurchmesser nach Untersuchungen von Segler. Lediglich für kleine Fördermengen von weniger als 4 kg/s ist eine leichte Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser zu erkennen. Oberhalb einer Fördermenge von 10 kg/s nähert sich die Kurve einem Grenzwert, d.h. bei Förderleistungen über 30 t/h kann eine konstante Scheinlänge von ca. 18 m angesetzt werden. Im Klartext bedeutet dieses Ergebnis: Bei Einsparung eines einzigen 90 -Krümmers könnte man die horizontale Förderleitung um fast 20 m verlängern und hätte immer noch die gleiche Förderleistung der Anlage. Förderrohrbogen mit weniger als 90 -Umlenkung, z.b. 45, erhalten für die praktische Berechnung des Druckgefälles eine entsprechend kleiner Scheinrohrlänge l SK. 10

11 Versuche haben ebenfalls ergeben, daß es von untergeordneter Bedeutung ist, zwischen einer Umlenkung in der horizontalen Ebene und einer Umlenkung aus der horizontalen in die vertikale Förderrichtung zu unterscheiden. In der Praxis wird daher in der Regel mit der gleichen Scheinrohrlänge gerechnet. Druckverlust bei vertikaler Förderung Zwischen einer vertikalen Förderrichtung und einer horizontalen Förderrichtung muß aber sehr wohl unterschieden werden. Im vertikalen Förderrohr muß gegenüber dem horizontalen Förderrohr zusätzlich reine Hubarbeit geleistet werden, was einen zusätzlichen Druckverlust bewirkt. In der Literatur wird dafür häufig ein für die Praxis ausreichender Fastwert empfohlen: Der Druckverlust pro Meter Förderrohrlänge ist im vertikalen Rohr etwa doppelt so groß. Nach Einführung einer Scheinrohlänge für das vertikale Förderrohr analog zur Beschleunigung und zum Förderrohrbogen ergibt sich daraus, daß alle vertikalen Strecken für die Ermittlung des Gesamt-Druckabfalls doppelt anzusetzen sind Kompressible Strömung und Rohrerweiterung Bei unseren bisherigen Betrachtungen haben wir vereinfachend vorausgesetzt, daß das Fördermedium Luft sich wie ein inkompressibles Gas verhält, d.h. daß sich Luft nicht zusammendrücken läßt. In Bild 12 wird dieser Zustand dem eines kompressiblen Gases schematisch gegenübergestellt. Unterhalb der beiden Diagramme ist jeweils ein Gebläse mit einer vereinfachten Saugrohrleitung angedeutet. Der Einfachheit halber wird dabei zunächst von reiner Luftförderung ausgegangen. Die Punkte 1 und 2 symbolisieren zwei Stellen in der Rohrleitung, d.h. auf der Abszizze ist die Rohrlänge 1 aufgetragen. In Abhängigkeit davon ist auf der Ordinate sowohl die über dem Rohrquerschnitt gemittelte Luftgeschwindigkeit w als auch der infolge der Reibung auftretende Druckverlust p sowie die zugehörige Luftdichte ρ angegeben. Bei inkompressibler Rohrströmung (linke Darstellung) ist die Luftdichte und damit auch die Luftgeschwindigkeit über der gesamten Rohrlänge gleichbleibend. Der infolge der Reibung auftretende Druckverlust bzw. der vom Gebläse aufzubringende Förderdruck oder speziell hier Unterdruck nimmt gleichmäßig zum Rohrende, d.h. zum Gebläse hin zu, wie wir schon vohin gesehen haben. Wir wissen aber, daß sich Luft bei höhreren Drücken komprimieren läßt, genauer gesagt, wie ein kompressibles Gas verhält. Die rechte Darstellung gibt die Verhältnisse für eine kompressible Rohrströmung an, wie sie auch in der Praxis bei größeren pneumatischen Förderanlagen anzutreffen ist. Bedingt durch den hohen Gesamtdruckverlust unterliegt die Luft in der Förderleitung einer merklichen Expansion, d.h. am Rohranfang (Stelle 1) herrscht noch etwa der Umgebungs- oder Barometerdruck und kurz vor dem Gebläse (Stelle 2) hat sich der höchste Unterdruck aufgebaut. Daher nimmt auch die Luftdichte, die an der Stelle 1 noch den Umgebungswert von etwa 1,2 kg/m³ hat, in Förderrichtung erheblich ab. Bei der hier vorausgesetzten Rohrleitung mit konstantem Durchmesser muß demzufolge die Luftgeschwindigkeit in Förderrichtung von Stelle 1 nach 2 ständig ansteigen. Diese Zunahme der Geschwindigkeit führt zu einem gegenüber der linken Darstellung 11

12 wesentlich stärkeren Anstieg des Druckverlustes in der Rohrleitung bzw. zu einem höheren Unterdruck, der dann von einem stärkeren Gebläse aufzubringen ist. Die hier am Beispiel von reiner Luftförderung erläuterten Vorgänge können in ähnlicher Form auf die pneumatische Förderung von Feststoffen übertragen werden. Lediglich die Reibungsverluste und damit die Förderdrücke bzw. erforderlichen Unterdrücke sind dabei wesentlich größer, wie wir schon weiter vorne gesehen haben. Für die Praxis bedeutet die sich einstellende höhere Luftgeschwindigkeit, daß mit einer verminderten Förderleistung zu rechnen ist. Um dennoch einen Großteil des Druckverlustes zu vermeiden, der sich aufgrund der zu hohen Luftgeschwindigkeit einstellt, wird die Rohrleitung in Förderrichtung allmählich erweitert. Nach der Kontinuitäts-Gleichung wird dadurch die Luftgeschwindigkeit wieder verringert und der mit der Geschwindigkeit verbundene Druckverlust gering gehalten. Eine entsprechende grafische Darstellung des Geschwindigkeits- und Druckverlaufes würde dem linken Diagramm wieder ähneln, dagegen nimmt die Luftdichte von Stelle 1 nach 2 weiterhin ab. In der Praxis läßt sich eine konische Rohrerweiterung, wie sie wünschenswert wäre, nicht realisieren. Man geht daher so vor, daß die zylindrische Rohrleitung in Förderrichtung gesehen sprungweise erweitert wird, d.h. jeweils nach einigen Metern Länge einen etwas größeren Durchmesser erhält. Günstig ist dabei selbstverständlich eine Erweiterung des Rohrquerschnittes in möglichst kleinen Stufen. Diesem Wunsch sind technisch jedoch dadurch Grenzen gesetzt, daß Rohre und Rohrbogen sowie Gelenkstücke usw. mit den üblichen und am Lager vorhandenen Durchmessern benutzt werden müssen. Bezüglich des Abstufungskriteriums gibt es bei den Experten unterschiedliche Auffassungen. Jeder Hersteller von pneumatischen Förderanlagen beruft sich auf seine praktischen Erfahrungen. Aber auch die angewandten Wissenschaften geben hier keine klare Aussage. Da die Rohrerweiterung aber ein sehr wesentlicher Faktor für die Förderleistungserhöhung bei der pneumatischen Förderung ist und damit erheblich zur Energieeinsparung beitragen kann, wollen wir dazu einige Überlegungen anstellen. Für stationäre Vorgänge, wie sie hier vorliegen, gilt bei idealen Gasen und damit auch annähernd bei Luft die uns allen bekannte allgemeine Gasgleichung wobei p ρ R T p = R T ρ der absolute Druck, d.h. der Barometerdruck plus oder minus der Druckdifferenz p ist, die entsprechende Luftdichte angibt, eine konstante Größe, die sog. Gaskonstante ist und die absolute Temperatur, gemessen in Kelvin, anzeigt. 12

13 Bei pneumatischen Förderleitungen kann man wegen der großen Masse des transportierten Feststoffes in fast allen Fällen davon ausgehen, daß die Luftströmung isotherm ist, d.h. gleiche Temperatur behält. Damit vereinfacht sich die Gasgleichung, und zwar ist jetzt der Quotient aus Druck p und Luftdichte ρ an verschiedenen Stellen in der Rohrleitung immer konstant, d.h. p 1 p = 2. ρ ρ 1 Wenn beim Transport der Fördergutteilchen wie wir eingangs gesehen haben nur der Strömungswiderstand der Teilchen gegenüber der Luft eine Rolle spielt, so bedeutet das, daß der dynamische Druck für eine optimale Förderung konstant gehalten werden muß, also 2 ρ w1 = ρ 2 w2 Mit dieser und der vorherigen Beziehung läßt sich unter gleichzeitiger Verwendung der Kontinuitäts-Gleichung nach kurzer Zwischenrechnung die neue Beziehung herleiten, daß sich die Drücke an zwei Stellen im Rohr umgekehrt verhalten, wie die dortigen Rohrdurchmesser in der 4. Potenz, d.h. p p d = d Die aufgrund dieser theoretischen Überlegungen ermittelten neuen Rohrdurchmesser ändern sich im Vergleich zu den im Anschluß zu behandelnden zwei Varianten von Anfang bis zum Ende der Rohrleitung am wenigsten. In der Praxis bringt die hiernach ausgeführte Rohrerweiterung insbesondere bei Sauganlagen auch noch nicht den gewünschen Erfolg. Trotzdem wird sie von einigen Herstellern von pneumatischen Förderanlagen angewendet. Es sei als nächstes auf eine extrem große Rohrerweiterung hingewiesen. Man geht hierbei von der Überlegung aus, daß die Luftdichte, im Gegensatz zu vorhin, keinen wesentlichen Einfluß auf die Förderung hat. Lediglich der Betrag der mittleren Luftgeschwindigkeit ist ausschlaggebend: die Luftgeschwindigkeit soll möglichst konstant sein und einen bestimmten Grenzwert nicht unterschreiten, also 1 w = constant Setzen wir wieder (wie oben) isothermische Strömung voraus, so ergibt sich damit und unter Verwendung der Kontinuitäts-Gleichung nach kurzer Zwischenrechnung die Beziehung, daß sich die Drücke an zwei Stellen im Rohr umgekehrt verhalten, wie die entsprechenden Rohrquerschnitte und damit wie die entsprechenden Rohrdurchmesser zum Quadrat, d.h.. p1 p 2 d = d

14 Entsprechend dieser Rohrerweiterung ausgeführte Anlagen weisen eine sehr große Förderleistungssteigerung von über 50% gegenüber einer Leistung mit konstantem Durchmesser auf. Je nach Fördergut weden dabei manchmal Ablagerungen im horizontalen Rohr beobachtet, was zu Verstopfungserscheinungen führen kann. Diese Rohrerweiterung eignet sich daher vor allem für Saugförderanlagen, bei denen der Ausleger die überwiegende Zeit der Förderung um einige Grad angehoben werden kann, so daß im horizontalen Förderrohr leicht bergab gefördert wird. Als dritte Variante sei auf eine Empfehlung in der Literatur hingewiesen. Es wird dabei von einer kritischen Froudezahl ausgegangen, auf die wir hier aber nicht näher eingehen wollen. Vielmehr erfolgt bei dieser Überlegung die Änderung des Rohrdurchmessers entsprechend der Beziehung p p 2, d = d Diese Rohrerweiterung liegt zwischen den beiden vorher genannten, aber näher an der letzteren. Sie führt auch zu einer sehr hohen Förderleistungssteigerung und hat nicht so leicht Materialablagerungen im horizontalen Rohr zur Folge. Daher ist sie besonders empfehlenswert Ermittlung der Förderleistung In der Literatur findet man im wesentlichen nur Berechnungsgrundlagen für körnige Schüttgüter, insbesondere für Getreide. Dabei spielen sehr häufig Stoffkonstanten und durch Versuche gefundene Beiwerte eine wichtige Rolle. Insbesondere für mehlige und staubförmige Schüttgüter fehlen diese Werte und damit die Berechnungsmöglichkeiten für eine pneumatische Anlage, d.h. die zu erwartende Förderleistung oder die zu installierende Antriebsleistung des Gebläses. Die als klassisch bezeichneten Berechnungsverfahren gelten darüber hinaus in der Regel nur für relativ kleine Rohrdurchmesser, d.h. bis zu einer Nennweite von etwa 100 mm. Heutzutage sind aber Rohrdurchmesser von über 300 mm, d.h. also mit mehr als dem 10-fachen Flächenquerschnitt gegenüber früher keine Seltenheit. Demzufolge sind Firmen, die große pneumatische Förderanlagen bauen, heute im wesentlichen auf ihre eigenen Erfahrungswerte angewiesen. Die Ergebnisse aus Förderleistungs-Untersuchungen der einzelnen Anlagen werden in Tabellen- oder Diagrammform zusammengefaßt und dem Kunden zur Verfügung gestellt. Angaben für neue, noch nicht getestete Anlagen werden durch entsprechende Interpolation vorhandener Werte gefunden, wobei auch die erwähnten Scheinlängen Berücksichtigung finden. Bild 13 zeigt Förderleistungsangaben beispielsweise für eine fahrbare NEUERO GSD-Förderanlage vom Typ 250. Dabei wird von einem bestimmten Aufbau der Rohrleitung ausgegangen, wie er oben links skizziert ist, z.b. als reine Druckanlage (1) oder als reine Sauganlage (3) oder als Kombination von beiden, als Saug-Druck- Anlage (2)

15 Im Diagramm unten ist für diese drei Varianten jeweils die Förderleistung in Abhängigkeit von der Förderrohrlänge aufgetragen. Man sieht deutlich, daß im reinen Druckbetrieb die höchsten Förderleistungen zu erzielen sind (oberstes Kurvenband (1)). Es ist dadurch zu erklären, daß im Druckbetrieb vom Gebläse vorausgesetzt, die zur Verfügung stehendeantriebsleistung ist groß genug wesentlich höhere Förderdrücke bei gleicher Drehzahl erzielt werden können als im Unterdruckbetrieb. Die pneumatische Förerung in einem Unterdrucksystem hat immer eine ungünstigere Förderleistung zur Folge, was hier durch das untere Kurvenband (3) dargestellt ist. Der Saug-Druck-Betrieb liegt in der Förderleistung zwischen den beiden anderen Systemen (mittleres Kurvenband (2)). Lediglich bei sehr kurzen Förderwegen macht sich die zweimalige Beschleunigung bei der Saug-Druck-Förderung negativ bemerkbar, so daß dann sogar eine reine Saugförderung etwas günstiger ist. Die Leistungsangaben werden in der Regel nur für einen bestimmten Zustand garantiert: so bezieht man sich auf ein bestimmtes Fördergut (z.b. Weizen) mit einem bestimmten Schüttgewicht (z.b. 750 kg/m³) und einer bestimmten Feuchtigkeit (z.b. 14 %), dann auf einen Aufstellungsort in Meereshöhe und eine normale Wetterlage (woraus sich ein Luftdruck von z.b. 760 mm Quecksilber bzw mbar ergibt) sowie auf eine bestimmte Umgebungstemperatur (z.b. 20 C) und auf eine geringe relativeluftfeuchtigkeit (z.b. 40 %). Davon abweichende Angaben können teilweise sogar einen erheblichen Einfluß auf die pneumatische Förderung haben. Wir wollen sie in materialabhängige und umgebungsabhängige Einflußgrößen aufteilen. Die materialbedingten Größen lassen sich in der Regel nur empirisch durch Versuche ermitteln. Dabei legt man z.b. Weizen als Einheitsfördergut zugrunde. Alle anderen Fördergüter werden bei der Förderleistung durch einen entsprechenden prozentualen Zuschlag oder Abschlag erfaßt. Glatte, runde Fördergüter, wie z.b. Erbsen und Bohnen, lassen sich schlechter pneumatisch transportieren und andere, wie z.b. Mais, etwas besser als Weizen. Die umgebungsabhängigen Einflußgrößen können dagegen überwiegend mathematisch exakt erfaßt werden. Wir haben erfahren, daß die Förderleistung direkt proportional dem vom Gebläse zur Verfügung gestellten Förderdruck p ist. Andererseits ist z.b. beim Einsatz eines Turbogebläses das Druckverhältnis bekannt, d.h. das Verhältnis von Ansaugdruck zu Ausblasdruck dieses Gebläses ist immer konstant. Aus diesen beiden Beziehungen lassen sich mit Hilfe der erwähnten allgemeinen Gasgleichung der Druck, die Luftdichte und die Umgebungstemperatur eines Zustandes 1 (z.b. Angaben des Herstellers) auf einen Zustand 2 (neue Umgebungsbedingungen) umrechnen. So erhält man eine Aussage über spezielle Förderleistungen. Bei der Beschreibung des Förderleistungsdiagrammes in Bild 13 wurde jeweils von einem Kurvenband gesprochen, das in diesem Fall aus drei Einzelkurven besteht. Die mittlere ausgezogene Kurve gibt dabei die Förderleistungen bei normaler Umgebungstemperatur, d.h. 20 C an. Die untere Kurve wurde für 40 C, die obere für 20 C ermittelt. Man sieht deutlich, daß kalte Luft infolge der größeren Luftdichte wesentlich besser für die pneumatische Förderung geeignet ist. 40 Temperaturdifferenz können demnach schon eine 15 %ige Steigerung der Förderleistung erbringen. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Anlage mit entsprechenden Antriebsreserven ausgelegt ist. 15

16 In Bild 14 sind die Mischungsverhältnisse und damit die relativen Förderleistungen unter normalen Umgebungsbedingungen am Beispiel von Saugförderanlagen, wie sie im Hafenbetrieb vorwiegend eingesetzt weden, dargestellt. Es ist das Mischungsverhältnis µ in Abhängigkeit von der Länge der Rohrleitung angegeben. Für eine bessere Vergleichsmöglichkeit wurde dabei die Scheinlänge und nicht, wie im vorherigen Bild, die tatsächliche Rohrlänge gewählt. Man sieht wieder, daß kurze Rohrlängen ein wesentlich höheres Mischungsverhältnis zulassen als lange Rohrleitungen. NEUERO-Förderanlagen, hier am Beispiel der GSD-Anlagen mit konstantem Rohrdurchmesser in der oberen Kurve dargestellt, können mit sehr viel höherem Mischungsverhältnis ausgelastet werden als üblicherweise in der Literatur angegeben wird (untere Kurve, die auf sonstige Versuchsergebnisse und Betriebserfahrungen beruht). Beim zusätzlichen Einsatz einer optimalen Rohrerweiterung kann bei NEUERO- Sauganlagen mit einer weiteren Steigerung des Mischungsverhältnisses, und zwar teilweise mit über 50 % höheren Werten, gerechnet werden. Diese außerordentlich hohen Mischungsverhältnisse führen, wie wir wissen, zu einem sehr günstigen Transportpreis pro geförderter Tonne Material und tragen daher besonders zur Energieeinsparung bei. 3. Bauliche und konstruktive Einzelheiten 3.1. Aufbau einer pneumatischen Saugförderanlage Eingangs waren wir bereits kurz auf den grundsätzlichen Aufbau von pneumatischen Förderanlagen eingegangen: sie bestehen mindestens aus einem Gebläse, einer Körnerannahmestelle, einer Körnerabgabestelle und der Rohrleitung. Bei allen Anlagen wird das Fördergut im Saugbetrieb vor dem Gebläse abgeschieden und im Druckbetrieb hinter dem Gebläse eingeschleust, es läuft in keinem Fall durch das Gebläse. Im folgenden wollen wir uns die einzelnen Bestandteile und Baugruppen insbesondere einer pneumatischen Saugförderanlage von der praktischen Seite näher ansehen. Bild 15 zeigt den Aufbau einer pneumatischen Schiffsentladeanlage. Ein Gebläse (9) erzeugt den Unterdruck am Ende der Rohrleitung, der für eine ausreichend hohe Luftgeschwindigkeit im Förderrohr sorgt. Nach der Aufnahme des Fördergutes über die Saugdüse (1) erfolgt die Förderung zunächst über ein vertikales Rohr (2), nach einer Gelenkstelle (3) und einem Bogen über ein horizontales Rohr (4), weiterhin über ein Gelenk und eine Drehverbindung (5) in einen Rezipienten oder Abscheider (6), wo Luft und Fördermaterial wieder voneinander getrennt werden. Auf diesem Wege, d.h. von (1) nach (6), wird gleichzeitig mit dem Fördergut auch Staub von der Förderluft mitgeführt, der bei den verschiedenen zu fördernden Materialien in unterschiedlicher Menge anfällt. Aus dem Abscheider wird mehr oder weniger staubhaltige Luft abgesaugt. Dieser Staub kann in einem zweiten Nachabscheider oder einem Filter abgeschieden werden, so daß vom Gebläse praktisch staubfreie Luft ins Freie ausgeblasen wird. In unserem Beispiel sind Abscheider und Filter zu einer Baugruppe zusammengefaßt. (Wir wollen uns das Funktionsprinzip dieses Filterabscheiders 16

17 nachher noch näher ansehen.) Die Ausführung des Filterabscheiders muß dem herrschenden Unterdruck angepaßt sein und nur ein spezielles Austragsorgan kann das abgeschiedene Fördergut nach unten, d.h. wieder in die Atmosphäre abgeben; in diesem Fall die Zellenradschleuse (7). Ob ein Filter eingebaut werden muß, hängt zunächst davon ab, ob in der Nähe solcher Anlagen eine Verunreinigung der Außenluft unbedingt vermieden werden soll, z.b. wegen der Nähe von Wohn- und Bürogebäuden. Entscheidend ist auch hierfür, ob der mitgeführte Staub nur eine unerwünschte Beimengung des Fördergutes ist oder ob er ein Bestandteil des Fördergutes und genauso wertvoll wie dieses ist, so daß er nicht verlorengehen darf. Schließlich ist die Einschaltung eines Filters von der Art des verwendeten Luftstromerzeugers abhängig. (Über Turbogebläse und Drehkolbengebläse wollen wir nachher noch sprechen.) Um die Materialförderung gegebenenfalls schnell unterbrechen zu können, wird beispielsweise beim Einsatz von Turbogebläsen kurz vor dem Gebläse eine Drosselklappe eingebaut, d.h. die Saugluftleitung kann damit abgeschiebert werden. Bei Drehkolbengebläsen wird an geeigneter Stelle in der Saugluftleitung eine Luftaufreißklappe eingebaut, d.h. das Gebläse kann über diese Nebenöffnung aus der Atmosphäre Luft ansaugen. Durch diese Maßnahmen ist es nicht erforderlich, den Luftstromerzeuger bei kurzen Förderunterbrechungen jedesmal auszuschalten und neu anzufahren. Um mit der Saugdüse möglichst den gesamten Laderaum einer Schiffsluke erreichen zu können, ohne dafür jedesmal das Schiff verholen, d.h. verfahren zu müssen, sind besonders größere Anlagen in der Regel mit einem vertikalen und einem horizontalen Teleskoprohr ausgerüstet. Diese Teleskoprohre sind koaxial ineinander laufende Rohre, die durch Winden gegeneinander verschoben werden können. Sie müssen ebenso wie alle Gelenkstellen leichtgängig und luftdicht sein. Trotz der geforderten Robustheit ist ein möglichst geringes Gewicht anzustreben, da die gesamte Föderrohrleitung an einem ebenfalls anhebbaren Ausleger hängt Saugdüsen Beim Saugverfahren wird das Fördergut von der Saugdüse aufgenommen. Bereits an dieser Stelle muß dafür gesorgt werden, daß das Fördergut im richtigen Verhältnis mit der Förderluft gemischt wird. Das optimale Mischungsverhältnis kann nicht fest für eine bestimmte Anlage eingestellt werden. Es ist nicht nur von der Länge der Förderleitung abhängig, sondern muß auch je nach Fördergut und Einsatzfall angepaßt werden. Bild 16 zeigt zwei gebräuchliche Saugdüsen. Links im Bild ist eine Doppelmantel- Saugdüse und ihre Funktion dargestellt. Die Saugdüse wird von oben in das Material hineingehalten. Der für die Förderung erforderliche Luftstrom, d.h. die sog. Beiluft, gelangt von oben in den Mantelraum zwischen Außenrohr und innerem Förderrohr nach unten und kann dort das Fördergut aufnehmen und für den Transport nach oben mitreißen. Der Luftstrom kann z.b. über einen von Hand einstellbaren Drehschieber am Eintritt in den Mantelraum der Saugdüse reguliert werden. Für die Gewähr einer gleichmäßigen Förderung ist beim Einsatz dieser Saugdüse darauf zu achten, daß die Saugdüse nicht tiefer als bis zur Eintrittsöffnung der Luft 17

18 oben an der Saugdüse in das Fördergut abgelassen wird. Erst bei noch tieferem Eintauchen kann Fördergut in die Beiluft-Eintrittsöffnung gelangen und das Mischungsverhältnis stören: die Anlage wird sich gewissermaßen verschlucken, d.h. sie verstopft. Wird die Saugdüse hingegen nicht tief genug in das sich abböschende Fördergut eingetaucht, dann wird die Förderung nach Absaugen der letzten Körner unterbrochen. Je größer der Abstand zwischen Lufteintritt oben und Materialannahme unten bei der Konstruktion gewählt wird, desto weniger muß eine bestimmte Eintauchtiefe der Saugdüse beachtet und damit ein weniger häufiges Absenken des vertikalen Rohres vorgenommen werden. Die Doppelmantelsaugdüse ist besonders für den Einsatz an einem vertikalen Teleskoprohr geeignet. Rechts im Bild ist eine Flachsaugdüse in zwei Ansichten dargestellt. Es ist eine Saugdüse einfachster Bauart, die durch den Wegfall des Mantels gekennzeichnet ist. Sie wird vor allem zum Aufnehmen von weniger gut zugänglichen Partien des Fördergutes, z.b. unter Überbauten in Laderäumen von Schiffen, in Flachlagern oder zum Resten allgemein eingesetzt. Auch hier wird die Beiluft, d.h. das Mischungsverhältnis von Fördergut und Förderluft z.b. durch einen Schieber eingestellt. Der Einsatz dieser Saugdüse macht die Eingliederung von biegsamen Stahlschläuchen in die Saugförderleitung erforderlich. Saugdüsen werden aus Stahlblech angefertigt; ihr Gewicht muß niedrig sein, um eine leichte Handhabung zu gewährleisten Förderrohre Auch die Förderleitung wird meistens aus Stahlblech von 1 bis 3 mm ausgeführt. Man unterscheidet fest verlegte und ankuppelbare Rohrleitungen. Letztere werden in der Regel in Längen von 2 bis 4 m Länge verwendet und mit schnell lösbaren Flanschkupplungen versehen. Man verwendet z.b. Klappschrauben oder wie in Bild 17 dargestellt Klammerverbindungen oder leicht montierbare Schellenverbindungen. Im praktischen Betrieb muß besonders auf die Verwendung von Dichtungen und Dichtringen geachtet werden, da jeder Eintritt von Falschluft die Förderleistung vermindert. Außerdem müssen die an- und abkuppelbaren Rohrelemente schonend behandelt werden, denn jede Eindrückung der Rohrwand führt schnell durch die verschleißende Wirkung des Fördergutes zur Lochbildung und damit zu Leistungsverlusten. Unten im Bild sind ein Schuppenrohr und ein Metallschlauch sowie ein Kreuzgelenk dargestellt. Sie werden für eine flexible Rohrleitung und bessere Handhabung z.b. der Saugdüse eingesetzt. Zu beachten ist für den praktischen Betrieb allerdings, daß die Druckverluste in diesen beweglichen Einheiten aufgrund von Luftwirbel, Umlenkungen und Stauungen wesentlich höher sind als in gleichlangen geraden, glatten Förderrohren. Sie setzen daher die Förderleistung der Anlage herab. Sie sind vom Druckabfall eher mit Förderrohrbogen zu vergleichen. Besonders ungünstig ist daher ein Verlegen in Schlangenlinien. Man sollte bewegliche Rohrelemente so wenig wie möglich einsetzen Förderrohrbogen Förderrohrbogen oder Krümmer sind, wie bereits erwähnt, an den Anprallflächen sehr starkem Verschleiß unterworfen, selbst bei Fördergütern, bei denen man oft 18

19 nicht damit rechnet. Man schützt sich dagegen, indem man wie in Bild 18 rechts dargestellt - in die Rückwand der Rohrbogen auswechselbare Hartstahl- Verschleißplatten einsetzt. Der Einbau erfordert aber einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt des Rohrbogens, so daß am Anfang und am Ende des Förderrohrbogens jeweils ein Übergangsstück vom runden Förderrohrquerschnitt auf das eckige Bogenelement erforderlich ist. Darüber hinaus ist genauestes Montieren der Platte notwendig, da Spalte usw. zur Wirbelbildung führen, die dann schnelle Zerstörungen am Krümmergehäuse zur Folge haben Abscheider Im Abscheider wird das Fördergut von der Förderluft getrennt. Hier ist zunächst der einfache Abscheider oder auch Rezipient zu nennen, wie er in Bild 19 links zu sehen ist. Da die Saugförderrohrleitung mit einem relativ kleinen Querschnitt in einen großen Behälter, z.b. radial oder wie hier dargestellt schräg einmündet, sinkt aufgrund der plötzlichen Raumerweiterung die Geschwindigkeit von Förderlust und Fördergut. Während die Förderluft oben am Behälter über einen Stutzen abgesaugt wird, lagert sich das Fördergut im Trichter des Abscheiders ab. Das Austragen des Fördergutes erfolgt unter Luftabschluß durch eine Zellenradschleuse. Die Abmessungen dieses Abscheiders müssen zunächst so ermittelt werden, daß die Geschwindigkeit der Förderluft in die Größenordnung von etwa 1 m/s absinkt. Es muß sich weiterhin in seinem zylindrischen und konischen Unterteil ein Pufferraum für Leistungsspitzen ergeben. Es muß verhindert werden, daß der Eintritt der Saugförderleitung nicht durch sich dan ansammelndes Material abgedrosselt wird. Auch muß der obere Luftabsaugstutzen so hoch angeordnet werden, daß keine Fördergutteilchen angesaugt werden und in die Saugluftleitung gelangen. Es ist bereits erwähnt worden, daß bei vielen Schüttgütern mit einem mehr oder weniger großen Anteil an Staub gerechnet werden muß. Bisweilen wird daher hinter diesem ersten Abscheider ein zweiter Staubabscheider in Form eines Zentrifugal- Abscheiders, wie wir ihn gleich noch näher betrachten werden, nachgeschaltet. Um den Luftstromerzeuger vor Staub zu schützen und um keinen Staub in die Atmosphäre zu blasen, wird in der Regel zwischen Abscheider und Luftstromerzeuger ein Filter zwischengeschaltet. Das linke Bild zeigt eine interessante Kombination aus Rezipient und Filter. Die Funktion und Abreinigung dieses Filterabscheiders werden wir im 2. Vortrag noch ausführlich betrachten. Rechts ist im Bild 19 ein Zentrifugal-Abscheider dargestellt; er wird auch als Tangential- oder Fliehkraft-Abscheider oder als Zyklon bezeichnet. Das Gemisch aus Fördergut und Förderluft gelangt zunächst tangential in das zylindrische Oberteil. Die Luft wird in eine Kreisbewegung, d.h. eine Wirbelströmung gezwungen. Die Feststoffteilchen unterliegen daher in dieser Strömung neben dem Gewicht und den Strömungskräften noch der Zentrifugalkraft als neuer wesentlicher Kraftkomponente. Dadurch wird das mitgeführte Material an die Wand gepreßt und rutscht unter weiterer Drehung schließlich im konischen Teil nach unten ab, während die Luft nach oben entweicht. Damit dabei nicht so leicht Feststoffteilchen nach oben mitgerissen werden, ist der Abscheider mit einem zentralen Tauchrohr versehen, so daß die Luft gezwungen ist, einen Umweg zu machen, d.h. sie bewegt sich während der 19

20 Zirkulation erst nach unten und kann dann in das unten offene Tauchrohr eintreten und nach oben entweichen. In der Praxis werden bei einigen Fördergütern mit Erfolg auch Tauchrohre aus Lochblech eingesetzt, bei denen sowohl der Mantel als auch der untere Deckel perforiert sind. Dadurch wird verhindert, daß bei einem evtl. im Abscheider auftretenden Materialstau das Fördergut vom Luftstrom nach oben mitgerissen wird und so zu Schäden am Gebläse führt. Das in einem solchen Zyklon auftretende räumliche Strömungsfeld ist sehr verwickelt und hat sich theoretisch noch nicht vollständig behandeln lassen. Der Abscheidegrad, d.h. die Trennschärfe eines Zyklons ist abhängig von seinen geometrischen Abmessungen, der Umfangsgeschwindigkeit der Luft, der Differenz zwischen Teilchendichte und Luftdichte, der Widerstandskraft der Teilchen gegenüber der Luft und der Teilchenreibung an der Wand. Derartige Abscheider können im Druckbetrieb mit unten offenem Auslauf, wie im Bild rechts dargestellt, oder im Saugbetrieb mit einer Zellenradschleuse, ähnlich wie im linken Bild am Filterabscheider gezeigt, eingesetzt werden Zellenradschleusen Unter den einzelnen Komponenten einer pneumatischen Förderanlage sind Schleusen ein besonders wichtiges Element. Sie können sowohl beim Ausschleusen des Fördergutes bei einer Saugförderung, als auch beim Einschleusen bei einer Druckförderung eingesetzt werden. Für beide Aufgaben wird in der Regel die schon vorhin beim Aufbau einer Sauganlage und beim Rezipienten schematisch dargestellte Zellenradschleuse angeordnet, wie sie auch in Bild 20 zu sehen ist. Das Fördergut fließt durch die Einlauföffnung der Schleuse in die Zellen oder Kammern des Zellenrades. Da sich das Zellenrad dreht es wird beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben -, gelangt das Fördergut auf diese Weise mit nach unten und fließt infolge der Schwerkraft aus der Auslauföffnung aus. Die Zellenradschleuse trennt in der Regel zwei verschiedene Druckniveaus voneinander, entweder Unterdruck von der Atmosphäre bei Sauganlagen oder Überdruck von der Atmosphäre bei Druckanlagen. Das hat zur Folge, daß eine Zellenradschleuse als negative Begleiterscheinung ständig unerwünschte Falschluft vom höheren Druckniveau in den Raum mit niedrigerem Druckniveau einfließen läßt. Diese Luft muß zusätzlich vom Gebläse verarbeitet werden, ohne daß sie zur eigentlichen Förderung in der Rohrleitung beiträgt. Sie setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: dem Expansionsanteil und dem Leckluftanteil. Der Expansionsanteil ergibt sich dadurch, daß die unterhalb der Schleuse, d.h. in dem höheren Druckniveau, vom Zellenrad während der Drehung dort eingeschlossene Luft bei der weiteren Drehbewegung schließlich am Einlauf der Schleuse, d.h. bei Erreichen des niedrigeren Druckniveaus, expandiert. Diese Erscheinung ist physikalisch bedingt und läßt sich nicht vermeiden. Der Leckluftanteil ergibt sich dadurch, daß aufgrund des Druckgefälles ständig Falschluft durch den technisch bedingten Spalt zwischen Zellenrad und Gehäuse strömt. Bei der Herstellung einer Schleuse muß daher auf möglichst enge und 20