Spannungen und Schachtbildung in Kernflusssilos - Untersuchungen an einer Silozentrifuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Industrie spielen Schüttgüter in vielen Bereichen eine große Rolle, dennoch sind viele Aspekte der Handhabung eben dieser Schüttgüter noch nicht richtig verstanden. So werden Schüttgüter durch Belastung in Silos wie auch bei anderen Prozessen wie der Pressgranulation (z.B. Tablettierung) verdichtet und ändern dabei ihre mechanischen Eigenschaften. Eine wichtige Eigenschaft ist dabei die Schüttgutfestigkeit, die entsprechend der Belastungsvorgeschichte in der Regel an unterschiedlichen Orten und vor allem in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Werte aufweist. Diese Anisotropie des Schüttgutes besitzt eine hohe Bedeutung für die Schachtbildung in Kernflusssilos. Durch die vertikale Verdichtung verfestigt sich das Schüttgut und bildet bei ausrechend kleinen Auslaufgrößen einen stabilen Schacht. Damit ein Schacht zusammen bricht, müssen die Ringspannungen im Schacht größer als die Festigkeit in dieser Richtung sein. Bei den bisher bekannten Auslegungsverfahren zur Vermeidung von Schachtbildung wurde aber die Schüttgutfestigkeit in Verdichtungsrichtung für die Auslegung herangezogen, so dass die notwendigen Auslaufdurchmesser deutlich überschätzt wurden. Für die wissenschaftliche Untersuchung des anisotropen Verfestigungsverhaltens der kohäsiven Schüttgüter wurde in diesem Projekt eine neue Messeinrichtung, der so genannte Anisotropietester, entwickelt, sowie Messprozeduren dafür etabliert. Der Anisotropietester erlaubt die Festigkeit geometrisch definierter Schüttgutproben sowohl in der Verdichtungsrichtung als auch orthogonal dazu zu bestimmen. Die Eignung des neu entwickelten Anisotropietesters für diese Untersuchungen wurde mit verschiedenen Experimenten verifiziert, u.a. durch vielfältige Betrachtungen zu Homogenität und Stabilität der erzeugten Proben, um den Einfluss der Wandreibung auf die Messungen ausschließen zu können. Die Untersuchung verschiedener Schüttgüter zeigt dabei, dass das anisotrope Verhalten sowohl von der Verfestigungsspannung als auch vom verwendeten Schüttgut abhängig ist. Die Charakterisierung des anisotropen Verhaltens unterschiedlicher Schüttgüter zeigte, dass das anisotrope Verhalten eines Schüttguts von individuellen Eigenschaften der Einzelpartikel, wie Morphologie und Elastizität bzw. Härte, bestimmt wird. Schließlich wurde ein modifizierter Anisotropie-Faktor eingeführt, der die Verringerung der Festigkeit bei einer Änderung der Verfestigungsrichtung beschreibt. Für unterschiedliche Materialien wurden Anisotropie-Faktoren gemessen. Eine neue Methode zur Vorhersage des kritischen Auslaufdurchmessers mit Berücksichtigung des anisotropen Verhaltens wurde vorgestellt und mit den bisherigen Methoden verglichen. Die neue Methode erlaubt die Auslegung von Kernflusssilos mit entsprechender Sicherheit auf Basis von Standardgrößen der Schüttguttechnik - dem Horizontallastverhältnis und der mit Schergeräten bestimmten Fließfunktion. Durch die neue Methode kann die Vorhersage von kritischen Schaftdurchmessern deutlich erhöht werden. Die Spannungsmessung mit Foliensensoren wurde in einem Modellsilo mit Trichter in der Silozentrifuge etabliert. Sowohl geeignete Methoden als Geräte zu Equilibrierung und Kalibrierung der Sensoren wurden entwickelt. Die Daten wurden zweifach gemittelt, um Fehlstellen in der Messmatrix zu kompensieren. Es wurden hierbei qualitativ sehr gute Ergebnisse erzielt, insbesondere auch bei dynamischen Prozessen wie dem Ausfließen des Schüttguts aus dem Silo.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008) Investigation of the anisotropic behaviour of bulk solids, RELPOWFLO IV, Tromsø, Conf. Proc. S. 48-54
T. Ittershagen, J. Schwedes, A. Kwade
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(2008) Pipe Stability in Silos. Bulk Solids & Powder – Science & Technology. 3: 123-129
J. Schwedes, M. Morgeneyer, A. Cannavacciuolo, T. Ittershagen, A. Kwade
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(2009) Anisotropic consolidation behaviour of bulk solids and its effect on silo design, 8th WCCE, Montréal
T. Ittershagen, M. Morgeneyer, J. Schwedes and A. Kwade
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(2009) Auswirkung der Anisotropie auf die Schüttgutfestigkeit. Chemie Ingenieur Technik 81(8): 1150
T. Ittershagen, J. Schwedes, H. Zetzener, A. Kwade
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(2009) Measurement of the anisotropic consolidation behaviour, 6th CHoPS, Brisbane
T. Ittershagen, S. Strege, H. Zetzener, J. Schwedes and A. Kwade
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(2011) Measurement of the anisotropic consolidation behavior. Particulate Science and Technology 29(1): 79-88
T. Ittershagen, A. Kwade
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(2012) A new approach for the design of funnel flow silos taking anisotropy into account. 7th CHoPS, Friedrichshafen
H. Zetzener, T. Ittershagen, J. Stieghan, A. Kwade
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(2013) Anisotropic behaviour of bulk solids and its effect on silo design. Powder Technology. 247(10): 260-264
T. Ittershagen, H. Zetzener, J. Schwedes, A. Kwade
