[0001] Die Erfindung betrifft ein Mischwerkzeug für Schüttgüter und/oder ähnliche Materialien
zum Anbringen auf einer Welle in einer Trommel eines Mischers, Trockners und/oder
Reaktors, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
[0002] Ein derartiges Mischwerkzeug ist durch die US-2,017,116 sowie die FR 2.177.638 bekanntgeworden.
[0003] Um Schüttgüter schnell und gleichmäßig zu bearbeiten, ist es erforderlich, die einzelnen
Schüttgut-Partikel intensiv und möglichst gleichmäßig untereinander auszutauschen.
Mit einer Vielzahl von bekannten Mischwerkzeugen, die aus einem Haltearm und einem
Mischkörper bestehen, lassen sich unterschiedlichste Bewegungsverhältnisse in einem
Materialbett erzeugen, die im wesentlichen von der geometrischen Gestaltung des Mischkörpers
abhängen.
[0004] Die geometrischen Formen der bekannten Mischkörper werden im allgemeinen auf die
Bearbeitungsart der zu bearbeitenden Materialien abgestimmt, nämlich darauf, ob die
Materialien im Haufwerk (Schubmischer), im mechanisch erzeugten Wirbelbett (Pflugscharmischer)
oder im Materialgutring (Zentrifugalmischer) bearbeitet werden sollen. Je nach Bearbeitungsart
ergeben sich unterschiedliche Bearbeitungszeiten und Materialqualitäten nach diesen
Bearbeitungszeiten.
[0005] Aus der DE 29 42 325 C2 ist ein Mischwerkzeug bekannt, das eine erste Mischwerkzeugfläche
und eine zweite Mischwerkzeugfläche aufweist. Diese Mischwerkzeugflächen grenzen in
radialer Richtung unmittelbar aneinander und erstrecken sich von einer Mischerwelle
ausgehend bis nahe an die Trommelinnenwandung. Mit dem bekannten Mischwerkzeug soll
ein trocknendes Gut aufgelockert werden, damit ein möglichst intensiver Austausch
zu erwärmten Kontaktflächen der Trommel bzw. zu einem durch die Trommel strömenden
Gasstrom erhöhter Temperatur erfolgen kann. Die Mischflächen des bekannten Mischwerkzeuges
sind keilförmig ausgebildet und bezüglich ihrer Flächen nicht aufeinander abgestimmt.
Die bekannten Mischwerkzeuge zeichnen sich dadurch aus, daß sie von der Mischerwelle
ausgehend in radialer Richtung zuerst stabförmig ausgebildet sind und im Bereich der
Trommel innenwandung in einen achsparallel zur Welle verlaufenden Stab übergehen.
[0006] Weiterhin ist aus der DE-AS 1 101 113 eine Mischeinrichtung bekannt, die Mischwerkzeuge
mit von einander beabstandeten Werkzeugflächen aufweisen. Diese Werkzeugflächen (paarweise
angeordnete Schleuderschaufeln) bewegen ein zu bearbeitendes Gut jeweils in eine entgegengesetzte
Förderrichtung. Unterschiedliche Förderrichtungen werden ferner durch die aus US 2,017,116
und FR 2.177.638 A bekannten Mischwerkzeuge erzielt.
[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Mischwerkzeug dahin gehend
weiterzuentwickeln, daß die Bewegungen von zu bearbeitenden Materialien in einer Trommel
über den Trommelquerschnitt gesehen unabhängig von der Wellendrehzahl sowohl bezüglich
eines axial gerichteten Materialaustausches als auch eines radial ausgerichteten Materialaustausches
verbessert werden.
[0008] Die Aufgabe wird durch ein Mischwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0009] In dem ein von der Mischwerkzeugfläche F2 ausströmender Materialvolumenstrom teilweise
auf die Mischwerkzeugfläche F1 strömt, wird der Materialaustausch verbessert.
[0010] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch die folgende Dimensionierung
des erfindungsgemäßen Mischwerkzeugs dadurch bereit gestellt, daß die Durchdringungsvolumina
V
DP1 = 2π . r
P1 . F
P1, V
DP2 = 2π . r
P2 . F
P2, die die Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 des Mischwerkzeugs im Schüttgut erzeugen in folgender Beziehung zueinander stehen
wobei k eine Konstante > 0,3 und ≤ 1 ist, daß die Neigungen der Mischwerkzeugflächen
F
1, F
2 in einem x-y-z-Koordinatensystem jeweils durch α
1, β
1 an jedem Punkt der ersten Mischwerkzeugfläche und α
2, β
2 an jedem Punkt der zweiten Mischwerkzeugfläche mit Werten
definiert sind, und daß die Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 folgenden Flächenformeln entsprechen
wobei die Faktoren c
1 [cm] und c
2 [cm] durch folgende Werte
begrenzt sind.
[0011] Bei dem erfindungsgemäßen Mischwerkzeug sind die Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 in cm
2 definiert und der Trommelradius R ist in der Dimension cm anzugeben.
[0012] Das erfindungsgemäße Mischwerkzeug wird in einem x-y-z-Koordinatensystem dargestellt,
wobei die z-Achse durch die Welle verläuft (fällt mit der Wellenachse zusammen) und
mit der x-Achse eine Grundrißebene aufspannt (siehe Fig. 1 und Fig. 4 der Beschreibung).
Die y-Achse verläuft senkrecht zur Grundrißebene, erstreckt sich mit positiven Werten
aus dieser heraus und definiert mit der x-Achse die Bewegungsebene des erfindungsgemäßen
Mischwerkzeugs.
[0013] Die Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2 werden als weitere Flächen zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Mischwerkzeugs
herangezogen. Dabei handelt es sich um die entsprechenden Flächen eines Schnitts in
der x-z-Ebene durch einen Durchdringungskörper, der dadurch entsteht, indem man die
am Mischwerkzeug ausgebildeten Mischwerkzeugflächen durch das zu bearbeitende Material
bewegt (Drehung um die Welle).
[0014] r
P1 und r
P2 kennzeichnen den Abstand in cm von der z-Achse (Wellenachse) zu den Flächenschwerpunkten
der Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2.
[0015] k ist eine Konstante und variiert im Bereich von 0,3 bis 1 je nach Flächenverteilung
der Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2.
[0016] Die Winkel α, β beschreiben die Neigungen der Werkzeugflächen F
1, F
2 an einem beliebig ausgewählten Oberflächenpunkt in zwei zueinander senkrechten Richtungen.
Der Winkel α beschreibt den Winkel zwischen der positiven y-Richtung und der Ausrichtung
der in positiver y-Richtung liegender Mischwerkzeugoberfläche in z-Richtung. Der Winkel
β bezeichnet den Winkel zwischen der positiven y-Richtung und der Ausrichtung der
Mischwerkzeugoberfläche in positiver x-Richtung.
[0017] Das erfindungsgemäße Mischwerkzeug hat den Vorteil, daß es bei einer Rotation um
die Welle mit Mischwerkzeugflächen in das zu bearbeitende Material eintaucht, die
sich radial gerichtet über die gesamte Länge des Mischwerkzeugs in Richtung der x-Achse
erstrecken. Damit kann eine in einer Trommel vorliegende Materialanhäufung bei unterschiedlichsten
Drehzahlen der Welle effektiv bearbeitet, d.h. vermischt werden. Die Bearbeitungszeiten
werden beim Mischen im Haufwerk, mechanisch erzeugtem Wirbelbett und dem Mischgutring
optimiert. Schon mit geringen Drehzahlen (extrem produktschonend) lassen sich vereinheitlichte
Partikelbewegungen über die gesamte Höhe der Materialanhäufung auslösen, die zu einer
verbesserten Mischgüte bei verkürzter Mischzeit beitragen.
[0018] Das erfindungsgemäße Mischwerkzeug erstreckt sich von der Welle bis zur Trommelinnenwandung
und hält nur einen geringen Abstand zu der Innenwandoberfläche der Trommel.
[0019] Die Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2 sowie deren Flächenschwerpunktskoordinaten r
P1 und r
P2 sind so zu wählen, daß der von der Fläche F
1 auslaufende Materialvolumenstrom gleich oder größer dem k-fachen bis vorzugsweise
gleich dem des von der Fläche F
2 auslaufenden Materialvolumenstromes ist. Die Neigungswinkel α und β der Mischwerkzeugflächen
F
1 und F
2 sind weiterhin so zu wählen, daß das zu bearbeitende Material entlang den Mischwerkzeugoberflächen
gleitet und damit eine Staukörperbildung vermieden wird. Ebenfalls sind die Neigungswinkel
α und β derart zu wählen, daß die von den Mischwerkzeugflächen auslaufenden Materialmassenströme
diametral zueinander und bevorzugt achsparallel gerichtet sind.
[0020] Endet die axiale Flächenberandung der ersten Mischwerkzeugfläche F
1 in z-Richtung und schließt sich in derselben Richtung die zweite Mischwerkzeugfläche
F
2 an, ohne daß eine Überlappung der Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 in z-Richtung entsteht (siehe Fig. 2), so wird der von der Mischwerkzeugfläche F
2 ausströmende Materialvolumenstrom nicht von der Mischwerkzeugfläche F
1 erfaßt. Die bei bewegtem Mischwerkzeug auf die Mischwerkzeugfläche F
1 und F
2 einströmenden Materialvolumenströme sind somit gleich den von den Mischwerkzeugflächen
F
1 und F
2 ausströmenden Materialvolumenströmen.
[0021] Der von der Fläche F
1 auslaufende Materialvolumenstrom ist in diesem Fall gleich dem k-fachen des von der
Fläche F
2 auslaufenden Materialvolumenstromes. Im bevorzugten Fall k = 1 sind also die auslaufenden
Volumenströme gleich groß.
[0022] Sind die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 derart angeordnet, daß ein von der Mischwerkzeugfläche F
2 ausströmender Materialvolumenstrom teilweise auf die Mischwerkzeugfläche F
1 strömt, so können die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 gemäß k < 1 gestaltet werden. Der von der Fläche F
1 auslaufende Materialvolumenstrom ist dann größer als das k-fache und höchstens gleich
dem des von der Fläche F
2 auslaufenden Materialvolumenstromes. Es kann also auch im Falle k < 1 die bevorzugte
Bedingung erreicht werden, daß die auslaufenden Materialvolumenströme gleich groß
sind, so daß eine homogene Vermischung des Materials bei kürzester Bearbeitungszeit
erreicht wird.
[0023] Sind in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Mischwerkzeuge längs der Welle
über den Umfang der Welle verteilt und sind somit mehrere Mischwerkzeuge in der Trommel
zur Bearbeitung des in der Trommel befindlichen Materials vorgesehen, so können diese
Mischwerkzeuge zusätzlich untereinander zusammenwirken, so daß beispielsweise Mischwerkzeugflächen
F
2 eine den natürlichen Materialfluß unterstützende Materialrichtungsauslenkung auslösen
und die Mischwerkzeugflächen F
1 den auf sie einströmenden Materialvolumenstrom entgegen der Auslenkungsrichtung durch
die Mischwerkzeugflächen F
2 fördern. Zwischen diesen extremen Richtungsauslenkungen des zu bearbeitenden Materials
durch die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 sind Auslenkungsrichtungen durch die Flächen F
1 und F
2 denkbar, die nur teilweise die Materialförderung bzw. -rückförderung unterstützen.
[0024] Neben den beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mischwerkzeuge, bei
denen in radialer Richtung ein mehr oder weniger breiter Übergangsbereich zwischen
Mischwerkzeugfläche F
1 und Mischwerkzeugfläche F
2 vorhanden ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen sich wenigstens
eine der beiden Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 von der Welle oder einer weiter außen liegenden Position bis nahe zur Trommel hin
erstrecken, so daß die Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 in axialer Richtung ineinander übergehen.
[0025] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Mischwerkzeugflächen konvex und/oder
konkav gekrümmt ausgebildet.
[0026] Sind die Winkel α und β an jedem Punkt der zu betrachtenden Oberfläche der Mischwerkzeugflächen
F
1 und F
2 konstant, d.h. ortsunabhängig, so liegen ebene Mischwerkzeugflächen vor. Sind jedoch
in einer bevorzugten Ausgestaltung die Winkel α und β an jedem Punkt der zu betrachtenden
Oberfläche der Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 unterschiedlich, so sind die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 gekrümmt. D.h. die Winkel α und β sind an jedem Punkt der zu betrachtenden Oberfläche
der Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 unterschiedlich (ortsabhängige Winkel).
[0027] Um eine gezielte Umlenkung des zu bearbeitenden Materials entlang der Mischwerkzeugflächen
F
1 und F
2 zu gewährleisten, muß der sogenannte Einlaufwinkel δ, d.h. der Winkel zwischen den
auf die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 einlaufenden und von diesen auslaufenden Materialvolumenströme nicht größer sein
als ein Grenzwinkel δ
g, der dem inneren Reibungswinkel des zu bearbeitenden Materials entspricht. Ist δ
größer, so bildet sich vor den Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 ein zusätzliches Materialvolumen (Staukörper), das zu einer erhöhten Leistungsaufnahme
des Mischers führt. Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug bzw. mit den erfindungsgemäßen
Werkzeugen wird diese erhöhte Leistungsaufnahme vermieden und auf die Mischwerkzeugflächen
F
1 und F
2 wirkt das zu bearbeitende Material nicht mit einem erhöhten Widerstand.
[0028] Ein Mischer, dessen Welle mit den erfindungsgemäßen Werkzeugen bestückt ist, weist
Antriebe auf, die diese Welle und die daran befestigten Mischwerkzeuge in Drehung
versetzen können. Die Drehzahl n der Welle wird in sec
-1 angegeben.
[0029] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß
jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Es
zeigt:
- Fig. 1
- ein erfindungsgemäßes Mischwerkzeug, wie es auf einer Welle angebracht ist;
- Fig. 2
- ein weiteres erfindungsgemäßes Mischwerkzeug auf einer Welle;
- Fig. 3
- eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Mischwerkzeugs;
- Fig. 4
- Mischwerkzeugprofilflächen eines erfindungsgemäßen Mischwerkzeugs, die den Mischwerkzeugflächen
F1 und F2 zugeordnet sind.
[0030] Die in den Figuren gezeigten Mischwerkzeuge sind nicht maßstäblich zu verstehen und
sind stark vereinfacht gezeichnet.
[0031] Fig. 1 zeigt ein Mischwerkzeug 10, das an einer Welle 11 befestigt ist.
[0032] Die Welle 11 ist in Kopfstücken einer nicht in der Figur gezeigten Trommel gehalten
und dort drehbar gelagert. Die Welle 11 weist eine Achse 15 (Rotationsachse) auf,
um die sich die Welle 11 in Pfeilrichtung 16 drehen kann.
[0033] Das Mischwerkzeug 10 setzt sich aus einer ersten Mischwerkzeugfläche F
1 17 und aus einer zweiten Mischwerkzeugfläche F
2 18 zusammen. An einer Oberfläche 19 der Welle 11 ist das Mischwerkzeug 10 befestigt.
Das Mischwerkzeug 10 kann an der Welle 11 angeschraubt bzw. mit der Welle 11 verschweißt
sein.
[0034] Dem Mischwerkzeug 10 ist ein Koordinatensystem x-y-z zugeordnet, das teilweise in
der Figur angedeutet ist. Die z-Achse ist mit der Achse 15 deckungsgleich und die
x-Achse erstreckt sich senkrecht zur z-Achse in der Figurenebene. Die y-Achse erstreckt
sich mit positiven Werten aus der Figurenebene heraus und ist ebenfalls senkrecht
zur x- bzw. z-Achse angeordnet. Rotiert das Mischwerkzeug 10 mit einer Drehzahl n
um die Welle 11, so rotiert es in der Bewegungsebene, die durch die Koordinatenachsen
x-y aufgespannt wird. Die Mischwerkzeugfläche F
2 18 erstreckt sich axial sowohl entlang der negativen wie auch der positiven z-Achse.
Damit wird auch ein gewisser Materialvolumenstrom, der von der Mischwerkzeugfläche
F
2 ausströmt, an die Mischwerkzeugfläche F
1 übergeben. Die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 17, 18 sind derart ausgebildet, daß die Durchdringungsvolumina V
DP1 und V
DP2, die die Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 17, 18 des Mischwerkzeugs 10 im Schüttgut bzw. in dem zu bearbeitenden Material erzeugen,
in folgender Beziehung stehen:
[0035] k ist bei dieser Beziehung < 1. Die Mischwerkzeugfläche F
1 ist dabei so gewählt, daß deren axiale Erstreckung in radialer Richtung von der Welle
11 zur Trommelinnenwandung hin abnimmt.
[0036] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Mischwerkzeuges 20, das an einer Welle
21 befestigt ist. Die Welle 21 weist eine Achse 25 auf, die in Pfeilrichtung 26 drehbar
ist. Bei einer Drehung der Welle 21 um die Achse 25 taucht das Mischwerkzeug 20 in
ein zu bearbeitendes Material ein. Beim Eintauchen in das zu bearbeitende Material
bewegen Mischwerkzeugflächen F
1 27 und F
2 28 das zu bearbeitende Material. Die Mischwerkzeugflächen F
1 27 und F
2 28 können eben und/oder gekrümmt sein. Die Mischwerkzeugflächen F
1 27 und F
2 28 erzeugen Durchdringungsvolumina V
DP1 und V
DP2 im zu bearbeitenden Schüttgut bzw. Material, die für k = 1 einander entsprechen.
Die Mischwerkzeugfläche F
1 ist dabei so gewählt, daß deren axiale Erstreckung in radialer Richtung von der Welle
zur Trommel hin zunimmt.
[0037] Fig. 3 zeigt ein weiteres Mischwerkzeug 30, das an einer Welle 31 befestigt ist.
Die Welle 31 weist eine Achse 35 auf, die in Pfeilrichtung 36 drehbar ist. Das Mischwerkzeug
30 ist aus Mischwerkzeugflächen 37, 38 zusammengesetzt, wobei die erste Mischwerkzeugfläche
F
1 37 eine axiale Erstreckung aufweist, die in radialer Richtung konstant ist. Die erste
Mischwerkzeugfläche F
1 37 erstreckt sich radial zur Welle 31 und geht an ihrem Ende in die zweite Mischwerkzeugfläche
F
2 38 über, die sich bei dieser Ausführungsform des Mischwerkzeugs 30 beidseits der
ersten Mischwerkzeugfläche F
1 37 erstreckt. Die Mischwerkzeugfläche F
2 38 fördert auf sie einströmende Materialvolumenströme anteilsmäßig sowohl auf die
Mischwerkzeugfläche F
1 37 als auch in den angrenzenden Freiraum der Trommel des Mischers und in das Mischwerkzeug
umgebende Materialanhäufungen.
[0038] In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Mischwerkzeug mit Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2 gezeigt, die Hilfsflächen für die Mischwerkzeugflächen F
1 und F
2 darstellen. Die Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2 sind Flächen, die sich durch einen Schnitt eines Durchdringungskörpers in der x-z-Ebene
ergeben, wobei der Schnitt an der Achse der Welle endet. Der Durchdringungskörper
entsteht dadurch, indem man die am Mischwerkzeug ausgebildeten Mischwerkzeugflächen
durch das zu bearbeitende Material bewegt.
[0039] Das in der Fig. 4 gezeigte Koordinatensystem x-y-z verläuft mit der z-Achse durch
die Achse der Welle, die x-Achse verläuft senkrecht zur z-Achse und definiert die
Figurenebene und die y-Achse erstreckt sich sowohl senkrecht zur z- wie auch zur x-Achse
und verläuft mit positiven y-Werten aus der Figurenebene heraus. Die x-y-Ebene definiert
die Bewegungsebene, in der sich ein bewegtes Mischwerkzeug dreht. Mit r
w ist der Wellenradius angegeben. R definiert den Trommelradius zwischen der Achse
der Welle und der Trommelinnenwandung. Zwischen der Welle und der Trommelinnenwandung
ist das Mischwerkzeug angeordnet, das in der Figur durch Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2 definiert ist. S
1 ist der Flächenschwerpunkt der Werkzeugprofilfläche F
P1 und S
2 ist der Flächenschwerpunkt der Werkzeugprofilfläche F
P2. r
P1 und r
P2 geben den Abstand der Flächenschwerpunkte S
1 und S
2 von der z-Achse an. Gestrichelt ist in der Zeichnung der Übergang von der Werkzeugprofilfläche
F
P1 zu der Werkzeugprofilfläche F
P2 eingezeichnet. Mit T ist die Trommelwandung gekennzeichnet.
[0040] Für eine Trommel mit einem Radius von 39,5 cm weist ein erfindungsgemäßes Mischwerkzeug
in einer bevorzugten Ausführungsform einen Wert k = 1, c
1 = 10,38 cm und c
2 = 5,7 cm, eine Mischwerkzeugfläche F
1 von 410 cm
2 und eine Mischwerkzeugfläche F
2 von 225 cm
2 auf.
[0041] Ein Mischwerkzeug 10 für Schüttgüter und/oder ähnliche Materialien zum Anbringen
auf einer Welle 11 in einer Trommel eines Mischers weist Mischwerkzeugflächen F
1 17 und F
2 18 auf, die sich radial von der Welle 11 ausgehend bis nahe zur Trommelinnenwandung
des Mischers erstrecken. Die Mischwerkzeugflächen F
1 17 und F
2 18 sind durch Werkzeugprofilflächen F
P1 und F
P2 gekennzeichnet, die dadurch entstehen, daß man einen Schnitt durch einen Durchdringungskörper
in der x-z-Ebene herstellt, der dadurch entsteht, indem man die am Mischwerkzeug 10
ausgebildeten Mischwerkzeugflächen F
1 17 und F
2 18 durch das zu bearbeitende Material bewegt. Die Mischwerkzeugflächen F
1, F
2 sind derart ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit des Trommelradiuses durch Faktoren
c
1 und c
2 begrenzte Flächen aufspannen und die Materialvolumenströme, die von den Mischwerkzeugflächen
F
1 17 und F
2 18 in das zu bearbeitende Material zurückströmen, bevorzugt gleich groß und achsparallel
entgegengesetzt gerichtet sind. Die Mischwerkzeugflächen F
1 17 und F
2 18 sind bezüglich ihrer Neigungen durch Winkel α und Winkel β begrenzt.