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E-Book

Pulver und Schüttgüter

Fließeigenschaften und Handhabung

AutorDietmar Schulze
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl508 Seiten
ISBN9783540340836
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis54,99 EUR

Ein Buch für alle, die mit Pulvern und Schüttgütern umgehen - sei es bei der Entwicklung von Pulvern, der Qualitätskontrolle, Planung, dem Bau und Betrieb von Apparaten/Anlagen oder der Beseitigung typischer Probleme. In Teil 1: grundlegende Eigenschaften von Pulvern und Schüttgütern. Teil 2: die Anwendung der in Teil 1 gemessenen Fließeigenschaften zur funktionsgerechten Gestaltung von Schüttgutbehältern. Verständlich, zahlreiche Beispiele.

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Leseprobe

6 Überblick über Messverfahren und Messgeräte (S. 166-167)

Schergeräte sind die Standardmessgeräte der Schüttguttechnik. Auch wenn man bei ihrer Anwendung mit Vereinfachungen arbeitet, z.B. bei der Auswertung von Fließorten (Kap. 5.3), weiß man aufgrund von zahlreichen Untersuchungen, die in Hunderten von Publikationen beschrieben sind, relativ viel über die Vorgänge in der untersuchten Schüttgutprobe. Schließlich trifft man aufgrund der Messergebnisse Entscheidungen zur Gestaltung von Trichtern und Silos, also über große Investitionssummen.

Werden Ergebnisse vor allem zum Vergleich von Schüttgutproben und nicht zur Auslegung von Anlagenteilen benötigt, besteht oft der Wunsch nach möglichst einfachen Messmethoden. Auch ist manchmal festzustellen, dass eine gewisse Scheu vor Schergeräten besteht, da die Darstellung der Ergebnisse mit Fließorten und Spannungskreisen auf den ersten Blick als kompliziert empfunden wird. Daher werden zur Beurteilung der Fließfähigkeit auch andere Messgeräte und -verfahren eingesetzt, die zum Teil auf anderen Messprinzipien beruhen und andere physikalische Größen erfassen. Wegen des Anspruchs dieser Geräte, Fließeigenschaften oder zumindest die Fließfähigkeit von Schüttgütern messen zu können, muss es erlaubt sein, sie hinsichtlich der gleichen Kriterien wie auch Schergeräte zu beurteilen, was in diesem Kapitel geschieht.

6.1 Einflüsse auf das Messergebnis

6.1.1 Prozedur und Hauptspannungen

Aufgrund der vielfältigen Einflüsse auf das Messergebnis sollte stets angestrebt werden, ein Messverfahren mit definierten Bedingungen einzusetzen. Aus den im Kap. 5 beschriebenen Befunden lassen sich Grundregeln für das Messen von Fließeigenschaften, wozu insbesondere die für die Siloauslegung und die Fließfähigkeitsbestimmung wichtige Druckfestigkeit bzw. Schüttgutfestigkeit c gehört, ableiten: Die Verfestigungsprozedur sollte mit dem stationären Fließen enden, denn durch das stationäre Fließen wird der Einfluss der Vorgeschichte (Füllen, vorangegangene Verformung) weitgehend eliminiert, und man erhält bei gegebener Verfestigungsspannung die größte Festigkeit (größer als bei ein- oder zweiachsiger Verdichtung). Außerdem stellt sich stationäres Fließen erst ein, wenn die Schüttgutprobe überall hinreichend verdichtet ist, so dass durch die Beobachtung der Spannungen während der Verdichtung der Verfestigungszustand überwacht werden kann.

Stationäres Fließen bedeutet hier, dass die Spannungen (beim Schergerät: Schubspannung) im Verlauf des Anscherens nicht weiter ansteigen. Die Probe sollte nicht so lange verformt werden, bis die Spannungen aufgrund der Lokalisation auf niedrigem Niveau konstant bleiben. Dies würde zu zu kleinen Schubspannungen beim Abscheren und damit zu zu kleinen Werten der Druckfestigkeit c führen. Bei der Verfestigung (Anscheren) und bei der Messung der Festigkeit (Abscheren) sollten die größten Hauptspannungen in die gleiche Richtung weisen.

Während der Messung darf die Verformungsgeschwindigkeit (z.B. die Schergeschwindigkeit bei Schergeräten) nicht schlagartig verändert werden. Diese Bedingungen lassen sich mit Schergeräten weitgehend erfüllen. Die Hauptspannungen haben beim An- und Abscheren nur wenig voneinander abweichende Richtungen, wenn nicht zu kleine Spannungen für das Abscheren gewählt werden (s. Kap. 5.3.2). Betrachtet man als Beispiel die Scherzelle des Jenike-Schergerätes (Abb. 6.1) (nicht in der Leseprobe enthalten), so ist beim Anscheren die größte Hauptspannung um einen Winkel von etwa 45° gegen die Vertikale geneigt ( 1,an), beim Abscheren um etwas größere Winkel ( 1,ab). Bei kleinen Abweichungen der Richtungen der Hauptspannungen ist der Einfluss aber klein und kann daher vernachlässigt werden. Die Bedingung „Verfestigung bis zum stationären Fließen" lässt sich bei richtiger Durchführung der Messung ebenfalls erfüllen.

Inhaltsverzeichnis
Geleitwort5
Vorwort9
Inhaltsverzeichnis11
1. Einführung17
1.1 Häufig auftretende Probleme mit Schüttgütern17
1.2 Meilensteine der Schüttguttechnik20
2 Grundlagen25
2.1 Partikel oder Kontinuum?25
2.2 Kräfte und Spannungen26
2.3 Spannungsverhältnisse in Schüttgütern28
2.3.1 Einführung des Mohrschen Spannungskreises29
2.3.2 Berechnungen zum Mohrschen Spannungskreis32
2.4 Schüttgutdichte36
2.5 Elastische und plastische Verformung38
2.6 Haftkräfte40
2.7 Einfluss der Partikelgröße auf das Verhalten des Schüttgutes48
3 Fließeigenschaften von Schüttgütern51
3.1 Einachsiger Druckversuch als Modell51
3.1.1 Verfestigung von Schüttgütern51
3.1.2 Zeitverfestigung54
3.1.3 Darstellung mit Spannungskreisen55
3.1.4 Kennzahlen zur Charakterisierung der Fließfähigkeit58
3.2 Prinzip der Messung mit Schergeräten63
3.2.1 Messprozedur64
3.2.3 Fließort und Fließeigenschaften72
3.2.3.1 Verfestigungsspannung und Druckfestigkeit72
3.2.3.2 Darstellung des An- und Abscherens mit Spannungskreisen75
3.2.3.3 Weitere Fließeigenschaften78
3.2.3.4 Fließeigenschaften in Abhängigkeit von der Verfestigungsspannung81
3.2.4 Zeitverfestigung (Caking)83
3.3 Wandreibung87
3.3.1 Messprozedur für Wandfließorte88
3.3.2 Wandfließort und Wandreibungswinkel89
3.3.3 Zeitwandfließort, statische Wandreibung91
4 Praktisches Messen von Fließeigenschaften95
4.1 Messungen mit Schergeräten95
4.1.1 Messung von Fließorten mit dem Jenike-Schergerät96
4.1.2 Messung von Fließorten mit dem Ringschergerät104
4.1.3 Messung der Zeitverfestigung108
4.1.4 Messung der kinematischen Wandreibung110
4.1.5 Messung der statischen Wandreibung113
4.1.6 Abriebmessung114
4.1.7 Messung der Verdichtbarkeit117
4.2 Festlegen der Spannungen119
4.2.1 Fließorte (Fließfähigkeit)119
4.2.1.1 Auswahl des Spannungsniveaus119
4.2.1.2 Normalspannungen beim An- und Abscheren121
4.2.1.3 Automatische Wahl der An- und Abschernormalspannungen125
4.2.2 Zeitfließorte (Fließfähigkeit bei Zeitverfestigung)128
4.2.2.1 Auswahl des Spannungsniveaus128
4.2.2.2 Normalspannungen beim An- und Abscheren128
4.2.2.3 Automatische Wahl der Abschernormalspannung128
4.2.3 Wandfließorte (Wandreibung)129
4.2.3.1 Festlegen der Spannungen129
4.3 Anwendungsbezogene Messung von Fließeigenschaften130
4.3.1 Vergleichsmessungen130
4.3.2 Verfahrenstechnische Siloauslegung131
5 Anmerkungen zum realen Verhalten von Schüttgütern133
5.1 Anisotropie und Einfluss der Verformung133
5.1.1 Spannungen135
5.1.2 Schüttgutdichte145
5.1.3 Druckfestigkeit (Schüttgutfestigkeit)146
5.2 Scherverformung, Scherzonen, Lokalisation149
5.2.1 Idealisierung: Einfaches Scheren und reines Scheren149
5.2.2 Scherzonen und Scherbänder152
5.2.3 Dilatanz160
5.2.4 Stationäres Fließen und Dilatanz beim Messen von Fließeigenschaften164
5.3 Fließorte167
5.3.1 Anscherpunkt, Abscherpunkte und Spannungskreise168
5.3.2 Zugfestigkeit und Kohäsion171
5.3.3 Verhalten bei sehr kleinen Spannungen176
5.4 Einfluss der Geschwindigkeit180
6 Überblick über Messverfahren und Messgeräte183
6.1 Einflüsse auf das Messergebnis183
6.1.1 Prozedur und Hauptspannungen183
6.1.2 Spannungen in der Messebene187
6.2 Anforderungen an Messgeräte für Fließeigenschaften188
6.3 Messverfahren (Übersicht)189
6.3.1 Trichter191
6.3.2 Böschungswinkel192
6.3.3 Lawinenbildung (Avalanching)194
6.3.4 Imse-Test195
6.3.5 Fließfähigkeitsindex nach Carr196
6.3.6 Rührer197
6.3.7 Verdichtbarkeitsmessung198
6.3.8 Cohesion Tester, Flowability Test199
6.3.9 Penetration Test201
6.3.11 Monoaxial Shear Test202
6.3.12 Powder Bed Tester mit Zugfestigkeitsmessung203
6.3.13 Einachsige Zugfestigkeitsmessung204
6.3.17 Zweiachsiger Druckversuch (Biaxial compression test)209
6.3.18 Jenike-Schergerät210
6.3.19 Torsionsschergeräte211
6.3.20 Ringschergeräte212
6.4 Bemerkungen zu Aussagekraft und Genauigkeit213
6.5 Messung von Haftkräften216
6.6 Zusammenfassung218
7 Spezielle Eigenschaften und Einflüsse auf das Fließverhalten219
7.1 Effekte beim Fließen von Schüttgütern219
7.1.1 Slip-Stick-Effekt durch Zeit- und Geschwindigkeitsabhängigkeit219
7.1.2 Wegabhängigkeit der Wandreibung229
7.2 Einflüsse auf das Fließverhalten231
7.2.1 Partikelgrößenverteilung231
7.2.2 Fließhilfsmittel231
7.2.3 Flüssigkeit, Feuchtigkeit236
7.2.4 Gasströmung239
7.2.5 Partikelform243
8 Beispiele gemessener Fließeigenschaften253
8.1 Fließhilfsmittel253
8.2 Feuchtigkeit255
8.3 Temperatur257
8.4 Zeitverfestigung258
8.5 Feinheit260
8.6 Abrieb262
8.7 Schüttgutdichte263
8.8 Spannungsabhängigkeit des Wandreibungswinkels265
8.9 Wandreibungswinkel in Abhängigkeit vom Wandmaterial267
9 Spannungen im Schüttgut271
9.1 Spannungsverhältnisse bei der Lagerung in Silos271
9.1.1 Horizontallastverhältnis271
9.1.2 Spannungsverläufe274
9.2 Berechnungsverfahren (Übersicht)279
9.2.1 Berechnung der Spannungen im Siloschaft281
9.2.2 Weitere Anwendungen der Janssen-Gleichung284
9.2.3 Schüttguteigenschaften zur Spannungsberechnung288
9.2.4 Abschätzung der Spannungen an der Auslauföffnung291
9.2.5 Spannungsberechnung für das Gesamtsystem292
9.3 Belastung von Austraggeräten293
9.3.1 Vertikalspannung an der Auslauföffnung294
9.3.2 Abschätzen von Abzugskräften296
9.4 Einflüsse auf die Spannungsverteilung300
9.4.1 Lokale Querschnittsänderungen300
9.4.2 Exzentrisches Entleeren307
10 Verfahrenstechnische Siloauslegung311
10.1 Fließprofile: Massenfluss und Kernfluss311
10.2 Probleme beim Lagern von Schüttgütern in Silos313
10.3 Das Auslegungsverfahren von Jenike315
10.3.1 Auslegung von Massenflusssilos315
10.3.2 Auslegung von Kernflusssilos326
10.4 Anwendungen der Ergebnisse der Siloauslegung330
10.5 Diagramme zur Siloauslegung332
12 Schüttgutaustrag357
12.1 Freier Auslauf und maximaler Massenstrom357
12.1.1 Abschätzung des Auslaufmassenstroms grobkörniger Schüttgüter359
12.1.2 Auslaufmassenstrom feinkörniger Schüttgüter360
12.2 Austraghilfen365
12.2.1 Pneumatische Austraghilfen365
12.2.2 Mechanische Austraghilfen368
12.2.3 Einsatz von Austraghilfen370
12.3 Austraggeräte371
12.3.1 Regeln zur Gestaltung hinsichtlich Massenfluss371
12.3.2 Übersicht375
12.4 Einsatz von Austraghilfen und Austraggeräten395
13 Entmischung399
13.1 Entmischungsmechanismen399
13.1.1 Siebeffekt und andere Entmischungsmechanismen auf Böschungen400
13.1.2 Perkolation bei Verformung des Schüttgutes402
13.1.3 Flugbahn und Gasströmung404
13.2 Reduzieren der Entmischung beim Lagern von Schüttgütern408
13.2.1 Veränderung des Schüttgutes409
13.2.2 Optimieren von Einfüllprozessen410
13.2.3 Zusammenführen des entmischten Schüttgutes414
13.3 Probenahme421
13.4 Schlussfolgerungen422
14 Erschütterungen und Schwingungen in Silos423
14.1 Phänomen423
14.2 Erschütterungen als Ergebnis schlagartig bewegter Schüttgutmassen424
14.3 Schlagartiges und pulsierendes Fließen durch Slip- Stick427
14.4 Scherzonen im Silo427
14.5 Erschütterungen durch Slip-Stick-Reibung431
14.5.1 Scherzonen im fließenden Schüttgut431
14.5.2 Veränderliche tote Zonen (Kernfluss)437
14.5.3 Fließen an der Silowand441
14.5.4 Kombinationen verschiedener Mechanismen447
14.6 Erschütterungen durch andere Ursachen447
14.6.1 Große Massenströme bei kleinen Auslauföffnungen447
14.6.2 Zyklische Anregung durch das Austraggerät448
14.6.3 Zusammenbrechende Brücken und Schächte448
14.7 Maßnahmen zur Reduzierung von Silobeben und Silohupen449
14.7.1 Verringerung der beschleunigten Masse450
14.7.2 Regelmäßiges Auslösen von kleinen Erschütterungen452
14.7.3 Erhöhung der Wandrauhigkeit im Siloschaft453
14.7.4 Vergleichmäßigung des Fließprofils454
14.7.5 Umwandeln von Kernfluss in Massenfluss455
15 Beispielaufgaben mit Lösungen457
15.1 Allgemeine Hinweise zu den Aufgaben457
15.2 Aufgaben und Lösungen457
Aufgabe 1: Spannungen im Siloschaft457
Aufgabe 2: Maximale Spannung im Massenflusssilo (Abrieb)459
Aufgabe 3: Entleerungsrohr460
Aufgabe 4: Abzugskraft462
Aufgabe 5: Presse463
Aufgabe 6: Spannungen bei Kombination von Behältern465
Aufgabe 7: Spannungen in BigBags und gestapelten Säcken467
Aufgabe 8: Auslaufmassenstrom468
Aufgabe 9: Auswahl eines Wandmaterials für Massenfluss469
Aufgabe 10: Auslegung eines Massenflusssilos470
Aufgabe 11: Auslegung eines Kernflusssilos474
Aufgabe 12: Auslegung eines Silos bei Zeitverfestigung477
Symbolverzeichnis483
Literaturverzeichnis487
Sachverzeichnis517

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