Auslegung von vertikalen Schneckenförderern

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1 Auslegung von vertikalen Schneckenförderern Zuverlässiges Berechnungsverfahren für die Praxis Prof. Dr.-Ing. Willibald A. Günthner Dipl.-Ing. Niels Blomeyer TU München Der Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik der TU München verfügt über langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet der Schüttgutförderung mit Schneckenförderern. Dieses Knowhow war die Basis für die Entwicklung und Verifizierung eines praxistauglichen Auslegungsverfahrens für vertikale Schneckenförderer, das in eine Richtlinie überführt werden soll. Schneckenförderer gewinnen an Bedeutung Mit der zunehmenden Globalisierung steigen auch die Anforderungen im Massengutumschlag hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit sowie Zuverlässigkeit der eingesetzten Förderanlagen. Mit zusätzlichen Auflagen zum Umweltschutz geht die Entwicklung hin zu stetig fördernden Anlagen. Dies gilt neben vielen anderen Anwendungszwecken vor allem für die Schiffsentladung. Neben diversen anderen Fördergeräten gewinnt hier der Schneckenförderer durch seine geschlossene, kompakte und dadurch relativ gewichtsarme Bauweise an Bedeutung. Er eignet sich besonders zur Förderung von pulverförmigen und feinkörnigen bis kleinstückigen Gütern und trägt dazu bei, schnell und effizient zu entladen, um teure Liegezeiten zu verkürzen und die Auslastung der Schiffe zu verbessern. Für die Auslegung von Schneckenförderern gibt es bisher lediglich die Normen ISO 7119 und DIN 15262, die allerdings beide nur für die Berechnung von horizontal bis leicht geneigten Schneckenförderern gültig sind. Für vertikale Schneckenförderer existierte bisher jedoch kein praxistaugliches Auslegungs- und Berechnungsverfahren. Deshalb bestand die Aufgabe, ein einfaches Auslegungsverfahren für vertikale Schneckenförderer zu entwickeln, das sich in der Praxis durchsetzen kann und breite Verwendung findet. Mit Hilfe von umfangreichen experimentellen Untersuchungen an der Großversuchsanlage des Lehrstuhls fml der TU München konnte ein Dimensionierungs- und Auslegungsverfahren für vertikale Schneckenförderer im Rahmen eines von der AiF geförderten Forschungsprojektes erarbeitet werden. Baugrößendimensionierung Bei der Dimensionierung eines vertikalen Schneckenförderers ist der Massen- bzw. Volumenstrom, der gefördert werden soll, von entscheidender Bedeutung. Als Eingangsparameter für die Baugrößendimensionierung wird aus dem zu fördernden Massenstrom über die Schüttdichte des Förderguts der Volumenstrom I V nach Gleichung (1) ermittelt: 1

2 Mit dem zu fördernden Volumenstrom I V kann die Baugröße des Förderers in Abhängigkeit vom festgelegten Füllungsgrad anhand des im Bild 1 dargestellten Diagramms ausgewählt werden. Zur Auslegung des Förderers werden dem Anwender Diagramme mit verschiedenen Betriebszuständen zur Verfügung gestellt. Aus diesen lassen sich für unterschiedliche Füllungsgrade je nach Baugröße und dem geförderten Volumenstrom eine Schneckendrehzahl und die dazugehörige Axialgeschwindigkeit v ax ermitteln. Die Axialgeschwindigkeit wird im Verlauf der Baugrößendimensionierung zur Berechnung der Gutwinkelgeschwindigkeit benötigt. Ein solches Diagramm ist beispielhaft für den Füllungsgrad von 40 % im Bild 1 dargestellt. Bild 1: Baugrößendimensionierung in Abhängigkeit von der Schneckendrehzahl n und dem Volumenstrom I V für Geometrien nach DIN (Füllungsgrad 40 %) Bei der Variation des Füllungsgrads und der Drehzahl ist weiterhin zu beachten, dass beide Parameter auf die spezifische Leistung des Schneckenförderers Einfluss nehmen. So können für den gleichen Volumenstrom unterschiedliche Förderer mit sehr verschiedenen spezifischen Leistungen gewählt werden. Leistungsberechnung Bei der Entwicklung eines Auslegungsverfahrens für vertikale Hochleistungs-Schneckenförderer standen eine einfache Handhabung des Verfahrens und die ausreichende Genauigkeit der Berechnungsergebnisse für die Praxis im Vordergrund. 2

3 Wie Bild 2 zeigt, ist eine Auslegung anhand der analytisch ermittelten Leistungsanteile (Hubleistung, Rohrreibleistung und Wendelreibleistung) nicht möglich, da der gemessene Gesamtleistungsbedarf deutlich höher liegt. Ein Grund hierfür sind Leistungsanteile wie z. B. Reibungsverluste im Inneren des Guts und im Spalt zwischen Wendel und Schneckenrohr, die bislang nicht berücksichtigt wurden. Sie werden jetzt in einer empirischen Leistungskenngröße, dem Förderfaktor, zusammengefasst. Da sowohl die Rohrreibleistung als auch die Wendelreibleistung einen großen Einfluss auf die Höhe der Gesamtreibleistung haben, werden beide Anteile in Form einer Gesamtreibleistung als Bezugsgröße für den Förderfaktor angesetzt. Bild 2: Verlauf unterschiedlicher Leistungsanteile über der Drehzahl für den Versuchsförderer (vertikale Förderung, Füllungsgrad 30 %); DS = 260 mm, dw = 76 mm, H = 230 mm Der Berechnungsansatz ergibt sich nach Gleichung (2) aus den beiden analytisch zu berechnenden Leistungsanteilen Rohrreibleistung und Wendelreibleistung, einer empirischen Kenngröße (Förderfaktor ) und der Hubleistung: Betrachtet man die Ansätze der Rohrreibleistung und der Wendelreibleistung in den Gleichungen (3) und (4), so ist sofort erkennbar, dass diese einen beträchtlichen Berechnungsaufwand zur Folge haben und nur mit Computerunterstützung in einer angemessenen Zeit bewältigt werden können. Daher ist es notwendig, den Ansatz aus Gleichung (2) für den Anwender zu vereinfachen. Daraus folgt 3

4 Wie die experimentellen Untersuchungen im Vorfeld der Entwicklung gezeigt haben, besteht eine Abhängigkeit des Förderfaktors vom Schüttgut und von der Gutwinkelgeschwindigkeit..Der Förderfaktor wird daher in einen konstanten Schüttgutbeiwert und in den veränderlichen Rotationsbeiwert aufgeteilt. Der konstante Schüttgutbeiwert muss für das verwendete Schüttgut experimentell bestimmt werden. Der Rotationsbeiwert wird mit Hilfe folgender Formel errechnet: Die dafür nötige Gutwinkelgeschwindigkeit berechnet sich aus: Die Axialgeschwindigkeit v ax lässt sich aus der Baugrößendimensionierung (s. Bild 1) entnehmen. Die Rohrreibleistung P Rohr,Reib und die Wendelreibleistung P Wendel,Reib werden jeweils in einen Reibfaktor S, bzw., einen Füllungsfaktor bzw. und eine spezifische Reibleistung P Rohr,Reib,spez bzw. P Wendel,Reib,spez zerlegt. Diese Werte können grafisch bzw. über einfache Formeln bestimmt werden. In den Bildern 3 und 4 sind beispielsweise die spezifische Rohrreibleistung über der Drehzahl und der Rohr- und Wendelreibungsfaktor und über dem Reibwert zwischen Gut und Wendel aufgetragen. Bild 3: Verlauf der spezifischen Rohrreibleistung über der Drehzahl bei 40 % Füllungsgrad, Reibwerten zwischen Fördergut und Förderer von 0,3 und Fördergeometrien nach DIN (vertikale Förderung) 4

5 Bild 4: Verlauf der spezifischen Rohrreibleistung über der Drehzahl bei 40 % Füllungsgrad, Reibwerten zwischen Fördergut und Förderer von 0,3 und Fördergeometrien nach DIN (vertikale Förderung) Verifikation mit Hilfe von Referenzanlagen Da ein Vergleich zwischen dem Vertikalförderer der Versuchsanlage des Lehrstuhls fml einerseits und dem vertikalen Schneckenförderer einer externen Anlage andererseits vorgenommen werden soll, müssen im Vorfeld bestimmte Voraussetzungen gegeben und geklärt sein. Grundbedingung für einen Vergleich zweier Anlagen ist, dass das geförderte Schüttgut übereinstimmt und damit die gleichen Schüttgutbeiwerte angesetzt werden können. Das heißt, dass für eine Leistungsmessung nur eine Anlage heran gezogen werden kann, die mit einem der Schüttgüter betrieben wird, die bereits in den Versuchsreihen am Lehrstuhl fml untersucht worden waren. Da der Massenstrom einen wichtigen Parameter bei der Leistungsbestimmung eines Schneckenförderers darstellt, muss dieser bei einer Messung bestimmt werden. Daher ist es sinnvoll, für eine Vergleichsmessung eine Anlage auszuwählen, die über ein Massenstrommesssystem, meist eine Bandwaage, verfügt. Messungen an der Referenzanlage 1 Als erster Referenzförderer diente der vertikale Schneckenförderer eines Schiffsentladers zur Entladung von Steinkohle für ein Kraftwerk. Das zu fördernde Schüttgut wird mit Hilfe eines speziellen Zuführorgans aus dem Schiff in den vertikalen Schneckenförderer transportiert. Dieser fördert das Material zu einem leicht geneigten Schneckenförderer, worauf es weiter bis zu einer vertikalen Rinne transportiert wird, in der das Material durch Schwerkraft auf einen Gurtförderer zum weiteren Transport in das Kohlekraftwerk fällt. Für die Verifikation des Berechnungs- und Auslegungsverfahrens wird ausschließlich der vertikale Schneckenförderer betrachtet. Auf Basis der technischen Daten des Referenzförderers 1 (Tafel 1) und der ermittelten schüttguttechnischen Kennwerte wird das neu entwickelte Berechnungsverfahren mit der Leistungskurve der Referenzanlage 1 verglichen (Bild5). 5

6 Tafel 1: Technische Daten des Referenzförderers Bild 5: Vergleich zwischen gemessener und berechneter Antriebsleistung am Referenzförderer 1 (Steinkohle, Schüttgutbeiwert 1,4, Reibwert 0,49) Beim Vergleich der beiden Kurven aus der Leistungsmessung und der Berechnung der Antriebsleistung mit dem entwickelten Berechnungsverfahren lässt sich erkennen, dass die Kurve der Berechnung leicht über der Kurve der Messwerte der Leistungsmessung liegt. Zudem weist die Kurve der Berechnung eine leicht konvexe Form auf. Diese ergibt sich durch den unterschiedlichen Einfluss der Rohrreibleistung und der Wendelreibleistung auf die Gesamtleistung. Mit zunehmendem Massenstrom und damit zunehmendem Füllungsgrad erhöht sich der Einfluss der Wendelreibleistung relativ zur Rohrreibleistung. Dieses Verhalten spiegelt sich in den Messwerten nicht wider. Der Schneckenförderer der Referenzanlage 1 wird im Normalfall mit einem Massenstrom von 200 bis 250 t/h betrieben. In diesem Bereich beträgt die Abweichung zwischen Messung und Berechnung der Antriebsleistung etwa 4 bis 10 %. Messungen an der Referenzanlage 2 Auch als zweiter Referenzförderer diente der vertikale Schneckenförderer eines Schiffsentladers zur Entladung von Steinkohle für ein Kraftwerk. Die Referenzanlage 2 gleicht im Aufbau der Referenzanlage 1. Sehr deutlich unterscheidet sie sich aber durch ihre Größe und damit durch ihre Leistungsfähigkeit (Nennmassenstrom 1200 t/h). Auf Basis der technischen Daten des Referenzförderers 2 (Tafel 2) und der ermittelten schüttguttechnischen Kennwerte wird das neu entwickelte Berechnungsverfahren mit der Leistungskurve der Referenzanlage 2 verglichen (Bild 6). Daraus ist erkennbar, dass die Kurve der Berechnung leicht über der Kurve der Messwerte der Leistungsmessung liegt. Auch hier lässt sich eine leicht konvexe Form der Kurve aus der Berechnung erkennen. Der Schneckenförderer der Referenzanlage 2 wird im Nor- 6

7 malfall mit einem Massenstrom von rd bis rd t/h betrieben. In diesem Bereich beträgt die Abweichung zwischen Messung und Berechnung der Antriebsleistung etwa 10 bis 15 %. Tafel: 2 Technische Daten des Referenzförderers 2 Bild 6: Vergleich zwischen gemessener und berechneter Antriebsleistung am Referenzförderer 2 (Steinkohle, Schüttgutbeiwert 1,4, Reibwert 0,35) Zusammenfassende Bewertung der Messungen Bei beiden Messungen wird deutlich, dass die Kurven der Berechnung leicht über den Kurven der Messwerte der Leistungsmessung liegen. Zudem weisen die Kurven der Berechnung eine leicht konvexe Form auf, die sich durch den unterschiedlichen Einfluss der Rohrreibleistung und der Wendelreibleistung auf die Gesamtleistung ergibt. Mit zunehmendem Massenstrom und damit zunehmendem Füllungsgrad erhöht sich der Einfluss der Wendelreibleistung relativ zur Rohrreibleistung. Dieses Verhalten spiegelt sich in den Messwerten zwar nicht wider, dennoch wird der Leistungsanstieg über dem Massenstrom gut abgebildet. Die Abweichung zwischen Leistungsberechnung und Leistungsmessung beträgt in den relevanten Betriebsbereichen der jeweiligen Förderanlagen zwischen 4 % und 15 %. Damit ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Berechnung und Messung. Die untersuchten Referenzanlagen mit Schneckendurchmessern von 490 mm bzw. 790 mm und die Versuchsanlage des Lehrstuhls fml mit einem Schneckendurchmesser von 260 mm unterschieden sich in den Förderergrößen und somit auch in den Nennmassenströmen. Da das Berechnungsverfahren von der Versuchsanlage abgeleitet wurde und die Berechnungsergebnisse beider Referenzanla- 7

8 gen gut mit den Messergebnissen übereinstimmen, kann auch von einer Übertragbarkeit des Berechnungsverfahrens auf andere Förderergrößen ausgegangen werden. Resümee Mit dem am Lehrstuhl fml der TU München entwickelten Berechnungsverfahren können vertikale Schneckenförderer sicher ausgelegt werden. Durch die Verwendung von Diagrammen zur Berechnung einzelner Parameter ist die Auslegung auch für den praxisorientierten Anwender verständlich und mit angemessenem Zeitaufwand durchführbar. Die Verifikation des Auslegungsverfahrens für vertikale Schneckenförderer durch Leistungsmessungen an zwei Referenzanlagen hat gezeigt, dass sich die im industriellen Einsatz befindlichen Anlagen mit guten Ergebnissen durch das Berechnungsverfahren nachrechnen lassen. Um eine weite Verbreitung in der Praxis zu erreichen, soll das Auslegungsverfahren in eine Richtlinie überführt werden. Quellen [1] Fottner, J.: Auslegung und wirtschaftlicher Einsatz von Hochleistungs-Schneckenförderern. TU München, Dissertation [2] Greinwald, K.: Untersuchung der Förderung leicht fließender Schüttgüter im senkrechten Schneckenförderer unter Berücksichtigung der Zwischenlager. TU München, Dissertation [3] Günthner, W.A.; Fottner, J.; Rong, O.: Empirische Entwicklung von Kenngrößen zur Auslegung von Hochleistungs-Schneckenförderern. Forschungsbericht München: Herbert Utz Verlag GmbH [4] Günthner, W. A.; Blomeyer, N.; Rong, O.: Entwicklung von praxistauglichen Auslegungsverfahren für Schüttgut-Hochleistungs-Schneckenförderer. TU München, Lehrstuhl fml, Forschungsbericht [5] Linke, H.: Stirnradverzahnung, Berechnung Werkstoffe Fertigung. München: Carl Hanser Verlag [6] Rong, O.: Auslegungsverfahren für Hochleistungsschneckenförderer. TU München, Dissertation [7] SEW-Eurodrive. Preiskatalog Getriebemotoren, Ausgabe 06/2002. Bruchsal, Autor Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. Willibald A. Günthner Ordinarius Technische Universität München Lehrstuhl fml Dipl.-Ing. Niels Blomeyer wissenschaftlicher Mitarbeiter Technische Universität München Lehrstuhl fml Boltzmannstr. 15 Boltzmannstr. 15 D Garching D Garching 8

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