Vorlesung "Partikelmechanik und Schüttguttechnik"

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1 Institut für Verfahrenstechnik Sommersemester 2015 Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas, , Tel.: , (vertreten durch P. Müller) Vorlesung "Partikelmechanik und Schüttguttechnik" Vorlesung: Do. 11:00-13:00 G 22A Seminar: Fr. 13:00-15:00 G 22A (1. Woche) Unterlagen: Vorlesungsskript, Folien, Seminaraufgaben und zusätzliche vertiefende Publikationen 0. Einführung 1. Aufgaben und Probleme einer Silo- bzw. Bunkeranlage 2. Auslegungsschritte einer Silo- bzw. Bunkeranlage 3. Einführung in die Schüttgutmechanik 3.1 Partikelmechanik und Haftkräfte 3.2 Zweiachsiger Spannungszustand, Fließkriterien eines Schüttgutes, Fließkennwerte, Kompressions- und Verfestigungsfunktionen 3.3 Meßtechnik und Messmethodik 3.4 Durchströmungs-, Fluidisier- und Entlüftungsverhalten 4. Fließgerechte Auslegung eines Silos bzw. Bunkers Trichterauslegung, Massenstrom, Befüllung, Füllstandsmeßeinrichtungen, Absperrorgane 5. Silo- und Bunkerdruckberechnung 6. Auslegung und Einsatz von Austragshilfen 7. Auswahl und Auslegung von Austraggeräten 8. Einführung in die Dosierung 8.1 Volumetrisches Dosieren 8.2 Gravimetrisches Dosieren 9. Einführung in die Auslegung peripherer Einrichtungen Sicherheits-und Umweltschutzeinrichtungen Literatur Schulze, D., Pulver und Schüttgüter Fließeigenschaften und Handhabung, Springer Berlin 2006 Schubert, H. (Ed.): Handbuch der Mechanische Verfahrenstechnik, Whiley-VCH Verlag, Weinheim 2003 Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Bd III, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1984 Martens, P.: Silo - Handbuch, Ernst & Sohn Verlag, Berlin 1988 Molerus, O.: Schüttgutmechanik - Grundlagen u. Anwendungen in der Verfahrenstechnik, Springer Verlag, Berlin, 1985 Israelachvili, J.N.: Intermolecular and surface forces, Academic Press London, 1992 Pahl, M.H.: Lagern, Fördern u. Dosieren von Schüttgütern, Verlag TÜV Rheinland, Köln 1989 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

2 Institut für Verfahrenstechnik Sommersemester 2015 Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas, , Tel.: , Vorlesung "Partikelmechanik und Schüttguttechnik" Nr. Name, Vorname SG Matrikel-Nr Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

3 Mechanische Verfahrenstechnik Prof. Dr. Ing.-habil. J. Tomas Sommersemester 2013 Prüfungsschwerpunkte Partikelmechanik und Schüttguttechnik Nr. Kap. Schwerpunkte und Inhalte 1 1. Technologische Aufgaben von Speicheranlagen; Fließprofile der Kern- und Massenflußbunker, Vor- und Nachteile, Diagnose resultierender praktischer Probleme ultrafeiner, kohäsiver, kompressibler und gasundurchlässiger (impermeabler) Pulver; zeitliche Verfügbarkeit 2 2. Therapie: Bearbeitungsschritte der Anlagenplanung am Beispiel einer Siloanlage, Rentabilität und Gewinn, Speicherbedarf, Übersicht der Apparateauslegung am Beispiel eines Silos (Trichter, Drücke, MSR-Technik, Austragshilfen, Austraggeräte) 3 3.1* Grundlagen der Partikelkontaktmechanik, elastische, plastische, elastisch-plastische und viskoplastische Stoffgesetze der Partikelkontaktdeformationen (typische Kraft-Weg-Diagramme erläutern) Haftkräfte, Partikelkontaktkräfte und grundlegende physikalische Stoffeinflußgrößen bzw. funktionen; Kinetik der Festkörperbrückenbindungen, physikalische Einflußgrößen der Zeitverfestigungen der Schüttgüter Spannungsfelder (-zustände), typische Stoffgesetze (Elastizität, Plastizität und Viskosität), zweiachsige Spannungszustände, Fließorte und Fließkennwerte von Schüttgütern; Scherkraft- Weg-Diagramm, beginnende Verfestigung, Fließen und stationäres Fließen, lineare Fließortgleichungen Meßgeräte zur Bestimmung des Fließverhaltens (Schnelltests und Schergeräte) und deren Wirkprinzipien, Funktionweise einer Scherzelle und Versuchablauf; Ermittlung der Fließkennwerte der Fließorte, Zeitfließorte (einschl. physikalischer Grundlagen) und Wandfließorte, typische Verfestigungsfunktionen der Schüttgüter Einaxiale Schüttgutkompression, Elastizität und Kompressibilität, Kompressionsfunktionen, Kompressions- und Anscherarbeit, spezifischer Leistungseintrag beim Scheren Erläuterung der analytischen Verfestigungsfunktionen σ c (σ 1 ), σ 1 (σ 1 ), φ e (σ 1 ) und ρ b (σ 1 ); Auslegung eines Massenflußtrichters zur Vermeidung der Brückenbildung kohäsiver Pulver, Vorund Nachteile konischer und keilförmiger Trichterformen Erläuterung und Beurteilung der Auslegungsmethoden eines Kernflußtrichters zur Vermeidung stabiler Schächtbildung durch kohäsive Pulver; Ausfließen einer Flüssigkeit, Erläuterung des allg. Prozessmodells des Ausfließens einer gleichmäßig beschleunigten, kohäsiven Schüttgutbrücke einschließlich Luftgegenströmung (für mathematisch/physikalisch Interessierte) qualitative Druckverläufe in Schaft und Trichter; Herleitung der Differentialgleichung für Silodrücke im Schaft, radiales Spannungsfeld im konvergenten Trichter kritische mechanische Beanspruchungen der Silowände; Abschätzung der Stahlbewehrung von Betonwänden, Beullasten für Metallblech, Abschätzung der Wandstärken Übersicht und Wirkprinzipien der Austraghilfen, fließgerechte Auslegung; Diskussion ihrer Eignung für ultrafeine, kohäsive, kompressible und gasundurchlässige (impermeable) Pulver; Anordnung der Austraghilfen bei Zeitverfestigungen (einschl. der physikalischen Grundlagen) Übersicht und Wirkprinzipien der Austraggeräten, fließgerechte Gestaltung des Überganges Trichterauslauf-Austraggerät für Massenfluß; Diskussion ihrer Eignung für ultrafeine, kohäsive, kompressible und gasundurchlässige (impermeable) Pulver; Vertikaldruck in Trichtern, Abzugskraft, Drehmoment und Leistungsbedarf * nicht 2012 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

4 weiterführende Literatur zur Lehrveranstaltung Partikelmechanik und Schüttguttechnik : Verfasser/Her.geb. Titel Verlag Jahr Buhrke, H., Kecke, Strömungsförderer F. Vieweg Verlag, Braunschweig 1989 H.J., Richter, H. Fischer, W. Silos und Bunker in Stahlbeton Verlag für Bauwesen, Berlin 1966 Hampe, E. Silos, Bd I Grundlagen Verlag für Bauwesen, Berlin 1987 Hesse, St., Handhabetechnik Dr. Alfred Hüthig Verlag, 1989 Mittag, G. Heidelberg Israelachvili, J.N. Intermolecular and surface forces Academic Press London 1992 Jenike, A. W. Gravity flow of bulk solids Eng. Exp. Station Bull. No , Univ. Utah Jenike, A. W. Storage and flow bulk of solids Eng. Exp. Station Bull. No , Univ. Utah Johnson, K.L. Contact Mechanics Cambridge University Press 1985 Kvapil, R. Schüttgutbewegungen in Bunkern Verlag Technik, Berlin 1959 Martens, P. Silo Handbuch Ernst & Sohn, Berlin 1988 Molerus, O. Principles of Flow in Disperse Systems Chapman & Hall, London 1993 Molerus, O. Schüttgutmechanik - Grundlagen und Anwendungen in der Verfahrenstechnik Springer Verlag, Berlin - New York - Tokio 1985 Mührel, K. Transport, Umschlag, Lagerung in der Landwirtschaft Verlag Technik, Berlin 1983 Pahl, M. H., Ernst, Lagern, Fördern und Dosieren von Schüttgütern Verl. TÜV Rheinland Köln / 1993 R., Wilms, H. Fachbuchverlag Leipzig Pajer, G. Fördertechnik, Bd III Stetigförderer Verlag Technik, Berlin 1983 Reimbert, A. u. M. Silos - Berechnung, Betrieb und Ausführung Bauverlag, Wiesbaden, Berlin 1975 Reisner, W., v. Eisenhardt-Rothe, Silos und Bunker für die Schüttgutspeicherung - Trans. Tech. Publications, 1971 M. Konstruktion und Verfahrensablauf Clausthal-Zellerfeld Scheffler, M. Fördermittel und ihre Anwendung für Transport, Fachbuchverlag, Leipzig 1980 Umschlag und Lagerung Schubert, H. (Ed.) Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechniheim WILEY-VCH Verlag, Wein Schubert, H. Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Bd. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1984 III Leipzig Schulze, D. Pulver und Schüttgüter: Fließeigenschaften und Springer Berlin 2006 Handhabung Schwedes, J. Fließverhalten von Schüttgütern in Bunkern Verlag Chemie, Weinheim/Bergstraße 1970 Tomas, J. Modellierung des Fließverhaltens von Schüttgütern Habilitation, Bergakademie 1991 auf der Grundlage der Wechselwir- kungskräfte zwischen den Partikeln und Anwendung bei der Auslegung von Bunkeranlagen Freiberg Vetter, G. Handbuch Dosieren Vulkan-Verlag, Essen 1994 Woodcock, C. R., Mason, J. S. Bulk Soilds Handling - An Introduction to the Practice and Technology Leonard Hill, Glasgow and London 1987 Aufbereitungs-Technik Bulk Solids Handling Chemical Engineering Science Chemie-Ingenieur-Technik Fördern und Heben Powder Handling and Processing Powder Technology Zement-Kalk-Gips Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

5 Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik Prof. Dr. Ing. habil. J. Tomas Vorlesung "Partikelmechanik und Schüttguttechnik" Es wurden keine Einträge für das Inhaltsverzeichnis gefunden. 2 Auslegungsschritte einer Silo- bzw. Bunkeranlage Ökonomie und Planung Lageplan, verfahrenstechnische Fließbilder Speicherbedarf, Platzbedarf Festlegung der Hauptabmessungen, Baumaterialien Detailplanung mit Kenntnis der Eigenschaften der Schüttgüter bis 2.12 Auslegungsschritte 12 3 Einführung in die Partikel- und Schüttgutmechanik Partikelmechanik und Partikelhaftkräfte in Schüttgütern Molekulare Wechselwirkungen und Partikelhaftkräfte Übersicht über wesentliche Partikelhaftkräfte in Schüttgütern Mechanik eines weichen adhäsiven Partikelkontaktes Normalkraft-Weg-Beziehungen Tangentialkraft-Weg-Beziehungen Rollmoment-Rollwinkel-Beziehungen Torsionsmoment-Drehwinkel-Beziehungen Vergleich der charakt. Haft- und Reibungsgrenzen Hysterese-, Ablöse- & Reibungsarbeit des lastabhängigen Partikelkontaktes Weicher adhäsiver Partikelkontakt in Wasser Festkörperbrückenbindungen im Partikelkontakt Messung der Kontaktkräfte Modelle bimodaler kubischer Partikelpackungen Mikro-Makro-Übergang in einer bewegten Partikelpackung Einführung in die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) Kontinuumsmechanische Grundlagen des Fließverhaltens vorverdichteter Partikelpackungen Zweiachsiger Spannungszustand Kontinuumsmechanische Fließkriterien (Bruchhypothesen) Partikelmechanisch begründete Fließkriterien Partikelmechanische Pulvereigenschaften & Fließkennwerte Kompressionsfunktionen, Schüttgut- und Packungsdichte Messung der Fließeigenschaften von Schüttgütern Übersicht der Meßgeräte Meßmethodik eines direkten Scherversuches Numerische Versuchsauswertung Anscherarbeit Fließkennwerte kohäsiver Schüttgüter und deren Beeinflussung Wesentliche Fließkennwerte kohäsiver Pulver Übersicht des mechanischen Verhaltens kohäsiver Pulver Tabelle mit Datenblatt Schüttgutkennwerte Durchströmungs-, Fluidisier- und Entlüftungsverhalten Durchströmungsverhalten von Partikelschichten Durchströmung von Wirbelschichten Entlüftungsverhalten Feldgleichungen des ebenen Spannungszustandes 87 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

6 4 Fließgerechte Auslegung eines Silos bzw. Bunkers Vermeidung der Brückenbildung in einem Massenflussbunker Radiales Spannungsfeld Allgemeines Kräftegleichgewicht an einer Schüttgutbrücke Auflagerspannung einer Brücke σ 1 und Fließfaktor ff Differentialgleichungen zur Berechnung des Fließfaktors Analytische Berechnung des Fließfaktors Vermeidung der Brückenbildung beim Massenflusstrichter Maximaler Trichterneigungswinkel für Massenfluß Grafische Auslegungsmethode für beginnendes Fließen Analytische Auslegung für beginnendes Fließen mit ρ b,krit Analytische Auslegung für stationäres Fließen Analytische Auslegung für stationäres Fließen mit ρ b,krit Geometrische Auslegung des Trichters Ermittlung der größten Hauptspannung σ 1 (b) am Auslauf Kompressibles Pulver und Hauptspannung σ 1 (b) am Auslauf Auslegung der Geometrie eines Bunkertrichters Berechnungsbeispiel für Kalzitpulver: Vermeidung der Schachtbildung in einem Kernflußbunker Berechnung des Vertikaldruckes im Schaft JANSSEN-Gleichung des Fülldruckes im Schaft Kompressibles Pulver und isostatischer Druck σ iso (H) Kompressibles Pulver und Vertikaldruck p v (H) im Schaft Berechnung des Horizontaldruckverhältnisses λ Ringspannungen im stabilen Schacht Analytische Näherung der Funktion G(ϕ i ) Maximaler Trichterneigungswinkel und Spannungsspitze Minimale Öffnungsweite zur Vermeidung eines Schachtes Mit maximaler Verfestigungsspannung Anisotropie zwischen Verfestigung und Fließen Auslegung mittels Fließfaktor ff d nach JENIKE Berechnung des minimalen Schaftdurchmessers Beispiel einer Trichter- u. Schaftauslegung für Kalksteinmehl Kinematik eines Schüttgutelementes auf einer geneigten Schurre Berechnung des Trichterauslaufmassenstromes Vergleich bisheriger Modelle Stationäres Ausfließen einer Flüssigkeit Stationäres Ausfließen eines Schüttgutes Allgemeines Prozessmodell einer gleichmäßig beschleunigten kohäsiven Schüttgutbrücke Modellbildung Kräftegleichgewicht an einer gleichmäßig beschleunigten Brücke Druckverlust während der homogenen Durchströmung Durchströmungsbedingungen Differentialgleichung des Ausfließens Numerische Lösung mit der RUNGE-KUTTA-Methode Näherungslösungen für die turbulente Durchströmung Das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz Mit Wandkollisionen und EULER-Zahl Das Weg-Zeit-Gesetz Berechnung der Auslaufzeit t d = f(h) 144 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

7 Das Geschwindigkeits-Weg-Gesetz Analytische Lösungen für die laminare Durchströmung Differentialgleichung des Ausfließens Das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz Das Weg-Zeit-Gesetz Plausibilitätsprüfung und Spezialfälle Auslaufzeit aus einem Trichter und Verweilzeit Experimentelle Überprüfung der Trichterauslaufmodelle Einfluß der kohäsiven Fließeigenschaften Zusammenfassung wesentlicher Dimensionierungsgleichungen Wärmetransportprobleme in Silos praktische Probleme Wärmeübergang zwischen Wand und ruhendem Schüttgut Modellierung des Wärmeüberganges zwischen Wand und Schüttgut Partikel-Partikel-Wärmeübergang in ruhender Schüttung instationärer Partikel-Partikel-Wärmeübergang in ruhender Schüttung Befüllung und Füllstandsmessung Normsilos Bunkerverschlüsse Drücke in Bunkern und Silos Einleitung - Silohavarien Berechnungsmodell - Scheibenelementmethode Berechnung des Vertikaldruckes im Schaft Herleitung der JANSSEN-Gleichung Schaftdruck bei Schüttgutbewegung nach oben Berechnung des Horizontaldruckverhältnisses λ Entleerungsdrücke im Schaft Berechnung des Vertikaldruckes im Silotrichter Füllzustand Entleeren Druckberechnung mittels bautechnischer Standards Einfluß der Schüttguteigenschaften Abschätzung der Wandstärken Zugbeanspruchung und Bewehrung von Stahlbetonsilos Zugbeanspruchung im Mantel von Stahlbetonsilos axiale Zugbeanspruchung im Mantel von Metallblechtrichtern ringförmige Zugbeanspruchung im Mantel von Metallblechzylindern Ausbeulen eines Metallblechsilos Auslegung und Einsatz von Austraghilfen Einleitung und Überblick Auskleidungen und Einbauten Schwingende Austraghilfen pneumatische Austraghilfen mechanische Austraghilfen und Beeinflussung der Fließeigenschaften Anordnung von Austraghilfen bei Zeitverfestigungen Auslaufweite für die maximale Lagerzeit in Ruhe Wahl der Auslaufweite b min (t = 0) < b min,t1 < b min (t = t max ) Wahl der Auslaufweite b min,0 = b min (t = 0) Unterschreitung der Mindestauslaufweite b 2 < b min (t = 0) 163 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

8 7 Auslegung von Austraggeräten Einleitung und Überblick Auslegung, Auswahl von Austraggeräten Austraggeräte für Massenfluß Bandaustraggeräte und Kettenförderer Schwingrinnen Zellradschleuse Räumarme Drehteller Schneckenförderer Schwingtrichter Belastungsdruck, Abzugskraft und Leistungsbedarf Zusammenfassende energetische Bewertung Dosieren von Schüttgütern Einführung, Aufgaben und Probleme Kontinuierliche, volumetrische Dosierung Allgemeines Schneckendosierer Vibrationsdosierer Pneumatische Förderrinne Banddosierer Zellenraddosierer Kammerdosierer Ringutdosierer Kolbendosierer, Membranpumpen Weitere Bauarten Diskontinuierliche Dosierung mehrerer Komponenten Allgemeines Behälterwaagen Kontinuierliche, gravimetrische Dosierung Allgemeines Differentialwaage Kontinuierliche, gravimetrische Dosierung mit Druchflußmeßgeräten Dosiergenauigkeit Homogenität der Fertigprodukte Zusätzliche Prozeßaufgaben von Silos Mischsilos Trockner Auswahl peripherer Einrichtungen Explosionsschutz Auswahl der Entstaubungstechnik Reparatur und Instandhaltung Fertigung, Transport und Montage Auslegungsbeispiele für Siloanlagen 225 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas

9 Schüttec_0 VO Partikelmechanik und Schüttguttechnik Einführung Prof. Dr. J. Tomas