Reibmühle und deren Verwendung

Abstract

 Eine Reib-Mühle weist einen im wesentlichen aus Flügeln (33) bestehenden Rotor (25) und einen diesen umgebenden ringförmigen Stator (24) auf. Die Innenfläche des Stators (24) ist als sich von einer Mischgut-Eintrittsseite (24a) zu einer Mischgut-Austrittsseite (24b) kegelstumpfförmig verjüngende Reibfläche (28) ausgebildet. Die Weite b von zwischen den Flügeln (33) und der Reibfläche (28) ausgebildeten Scherspalten (38) ist einstellbar. Unmittelbar benachbart zur Mischgut-Eintrittsseite (24a) ist eine Flüssigkeits-Zuführeinrichtung (50) angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Reib-Mühle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und deren Verwendung nach Anspruch 11.

[0002] Aus der DE-AS 11 76 614 ist eine Mischturbine mit einem mit Flügeln versehenen Rotor bekannt, die von einem als Stator dienenden Leitring in gleicher Höhe umgeben ist. Der Leitring weist fensterartige Öffnungen auf, durch die zumindest ein Teil des Mischgutes radial ausgeschleudert wird. Um die Überdeckung der Flügel mit den fensterartigen Öffnungen verändern zu können, sind das Flügelrad und der Leitring relativ zueinander axial verstellbar.

[0003] Aus der EP 0 200 003 A1 (entsprechend US-Patent 4 848 919) ist eine Stiftmühle bekannt, die in einem Mischer einsetzbar ist. Der Rotor ist mit Flügeln versehen, die innerhalb eines Stators drehantreibbar angeordnet sind. Der Stator ist mit Stiften versehen, zwischen denen und den radial äußeren Enden der Flügel Scherspalte gebildet sind.

[0004] Aus der DE 40 28 108 C1 ist eine Stiftmühle für Mischer bekannt, die einen im wesentlichen aus Flügeln bestehenden Rotor aufweist, die innerhalb eines ringförmigen Stators angeordnet sind. Der Rotor und der Stator weisen jeweils am Umfang verteilte Zähne auf, die bei der Drehung des Rotors kämmend ineinandergreifen.

[0005] Die vorstehend erwähnten Mühlen dienen insbesondere zur definierten Verteilung von viskosen, also fließfähigen Materialien auf Mischgütern. Sie dienen gleichzeitig dazu, Mischgutagglomerate wieder zu zerteilen. Die Vorgenannten Zwecke werden in zahlreichen Anwendungsfällen zufriedenstellend erreicht; für extrem empfindliches Mischgut, insbesondere bei entsprechender Flüssigkeitsverteilung werden diese Effekte aber nicht zufriedenstellend erreicht.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reib-Mühle der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß auch unter extremen Bedingungen eine hervorragende Misch- und Desagglomerier-Wirkung erreicht wird.

[0007] Diese Aufgabe wird bei einer Reibmühle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den Merkmalen im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 gelöst. Durch die kegelstumpfförmige Ausgestaltung der Reibfläche wird erreicht, daß die Reibfläche von der Mischgut-Eintrittsseite bis zur Mischgut-Austrittsseite eine Erstreckung hat, die größer ist als der Abstand von der Eintrittsseite zur Austrittsseite, wodurch der Reib- und damit Misch- und Desagglomeriereffekt vergrößert wird. Weiterhin wird durch die Verjüngung eine dem Hindurchfördern des Mischgutes von der Eintrittsseite zur Austrittsseite entgegenwirkende Kraft auf das Mischgut ausgeübt, wodurch die Verweilzeit des Mischgutes im Bereich des Rotors und damit der Misch- und Desagglomeriereffekt vergrößert wird.

[0008] Die Maßnahmen nach Anspruch 2 führen zu einer besonders intensiven Misch- und Desagglomerierwirkung, wobei Anspruch 3 optimale Kegelöffnungswinkel für die Reibfläche angibt. Anspruch 4 gibt optimale Bereiche für das Verhältnis von Rotordurchmesser zu axialer Erstreckung des Rotors an.

[0009] Die Ansprüche 5 bis 7 beinhalten eine sich aus der kegelstumpfförmigen Ausgestaltung der Reibfläche ergebende äußerst einfache Möglichkeit der Einstellung der Spalte zwischen Rotor und Reibfläche. Die Ansprüche 8 bis 10 geben besonders vorteilhafte und erfinderische Maßnahmen zur Zuführung von Flüssigkeit in den Bereich der kegelstumpfförmigen Reibfläche wieder.

[0010] Die Ansprüche 11 und 12 geben die Verwendung einer erfindungsgemäßen Reib-Mühle in einem Mischer wieder, der kontinuierlich oder diskontinuierlich betreibbar sein kann.

[0011] Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Mischer,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Mischer entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch Fig. 1 entsprechend der Schnittlinie III-III,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Reib-Mühle entsprechend dem Sichtpfeil IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Reib-Mühle in einer Darstellung entsprechend Fig. 3 und

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Reib-Mühle gemäß dem Sichtpfeil VI in Fig. 5.

[0012] Der in der Zeichnung dargestellte, weitgehend konventionelle Mischer, weist einen horizontalen, stationären, zylindrischen Behälter 1 auf, der von gleichzeitig als Ständer wirkenden Seitenwänden 2, 3 stirnseitig abgeschlossen und gleichzeitig gehalten wird. An den Seitenwänden 2, 3 sind Lagerböcke 4 befestigt, in denen eine konzentrisch zum Behälter 1 angeordnete Welle 5 eines Mischwerks 6 gelagert ist. Sie wird von einem Antriebsmotor 7 über einen Keilriementrieb 8 und ein Getriebe 9 angetrieben. Das Mischwerk 6 weist schaufelartig ausgebildete Mischwerkzeuge 10 auf, die mittels an der Welle 5 angebrachter und radial von dieser abstehender Mischwerkzeug-Träger 11 gehalten werden. Die Mischwerkzeuge 10 selber befinden sich in der Nähe der Innenseite der Wand 12 des Behälters 1.

[0013] Auf der Oberseite des Behälters 1 ist ein Materialeinlaß 13 angeordnet; an der Unterseite ist ein Materialauslaß 14 vorgesehen. Der Mischer wird chargenweise als sogenannter Turbulent-Mischer betrieben, d.h. es handelt sich um einen Wurfmischer, bei dem die einzelnen Mischgutpartikel hochgeworfen werden und auf einer parabelförmigen Wurfbahn wieder in ein Mischgutbett gelangen. Um diesen Effekt zu erreichen, werden die Mischwerkzeuge 10 mit überkritischer Umfangsgeschwindigkeit angetrieben, die - ausgedrückt in der dimensionslosen Froude-Kennzahl - etwa Fr = 2 - 6 beträgt. Die Froude-Kennzahl ist definiert





wobei gilt

W =

Umfangsgeschwindigkeit der radial äußeren Enden der Mischwerkzeuge 10 in m/s

R =

Radius des Mischwerks 6 in m

g =

Erdbeschleunigung in m/s².

[0014] In die Wand 12 des Behälters 1 ist eine sogenannte Reib-Mühle 15 eingebaut, die nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Auf der Außenseite der Wand 12 des Behälters 1, und zwar im Bereich unterhalb der Welle 5 (siehe Fig. 2) ist ein Flanschlager 16 angebracht, an dem ein Motor 17 angeflanscht ist. Eine Kupplung 18 verbindet die Abtriebswelle des Motors 17 mit einer Antriebswelle 19 der Reib-Mühle 15. Diese Antriebswelle 19 durchsetzt die Wand 12. Das Flanschlager 16 des Motors 17 stützt sich über Lagerstützen 20 und einen Flanschring 21 auf einer Mühlen-Grundplatte 22 ab. An dieser Mühlen-Grundplatte 22 ist die gesamte Reib-Mühle 15 befestigt. Die Mühlen-Grundplatte 22 wird in und vor einer Öffnung 23 der Wand 12 befestigt.

[0015] Die Reib-Mühle 15 weist auf ihrer dem Motor 17 abgewandten Seite der Grundplatte 22 einen Stator 24 und einen Rotor 25 auf. Der Stator 24 besteht im wesentlichen aus einem Stator-Ring 26, der eine zylindrische Außenfläche 27 und eine kegelstumpfförmige innere Reibfläche 28 aufweist. Die der Grundplatte 22 zugewandte Seite des Rings 26 bildet eine Mischgut-Eintrittsseite 24a und die der Grundplatte (22) abgewandte Seite bildet eine Mischgut-Austrittsseite 24 b. Die innere Reibfläche 28 verjüngt sich von der Eintrittsseite 24a zur Austrittsseite 24b der Reib-Mühle 15 hin unter einem halben Kegelöffnungswinkel a von 20° bis 45° und bevorzugt 30°. Der Stator-Ring 26 ist über zwei Stützstäbe 29 gegenüber der Grundplatte 22 abgestützt, die in einer Radialebene zur Welle 5 angeordnet sind, so daß sie kein effektives Hindernis für Mischwerkzeuge 10 darstellen, wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht. Sie befinden sich also auch in einer gemeinsamen Ebene mit der Achse 30 der Antriebswelle 19.

[0016] Innerhalb der inneren Reibfläche 28 ist der Stator-Ring 26 in Richtung der Achse 30, die auch die Achse der inneren Reibfläche 28 ist, völlig offen. Lediglich zwei Ansätze 29a für die Stützstäbe ragen geringfügig in den offenen Querschnitt.

[0017] Der Rotor 25 ist propellerartig ausgebildet. Er weist eine mit der Antriebswelle 19 mittels einer Paßfeder 31 drehfest verbundene hülsenförmige Nabe 32 auf, an der sich etwa radial nach außen erstreckende Flügel 33 mit einem Radius c und einer axialen Erstreckung d angebracht sind. Diese Flügel 33 haben den Querschnitt eines langgestreckten Rechtecks und sind radial zur Achse 30 angeordnet. Sie sind weiterhin - wie insbesondere aus Fig. 4 hervorgeht - gegenüber der Achse 30 derart geneigt bzw. angestellt, daß - bezogen auf die Drehrichtung 34 des Rotors 25 - die der Grundplatte 22 benachbarte untere Kante 35 jedes Flügels 33 voreilt und die der Grundplatte 22 abgewandte obere Kante 36 nacheilt. Dadurch üben die Flügel 33 auf Mischgut einen in Richtung der Achse 30 von der Grundplatte 22 weg zum freien Ende der Reib-Mühle 15 hin gerichteten Förderimpuls aus, dem ein radial zur Achse 30 zur Reibfläche 28 hin gerichteter Förderimpuls überlagert wird.

[0018] Die Flügel 33 sind an ihren radial äußeren Enden mit Scherkanten 37 versehen, die parallel zur inneren Reibfläche 28 des Stator-Ringes 26 verlaufen und die schmale Scherspalte 38 gegenüber der inneren Reibfläche 28) begrenzen, deren Weite b also über die Länge der Scherspalte 38 konstant ist. Für die Weite b gilt üblicherweise 0,5 mm ≦ b ≦ 3,0 mm.

[0019] Auf der Antriebswelle 19 ist in dem Bereich, in dem sie die Grundplatte 22 durchsetzt, eine Dicht-Hülse 39 angebracht, gegen die Dichtungen 40, 41 dichtend anliegen, die sich wiederum in einer Durchtritts-Bohrung 42 in der Grundplatte 22 abstützen. Zwischen den Dichtungen 40 und 41 ist eine Fettkammer 43 ausgebildet, in die durch einen Schmierfett-Anschluß 44 Schmierfett zur Schmierung der Dichtungen 40, 41 eingeführt werden kann.

[0020] Gegen die Dicht-Hülse 39 liegt eine Distanz-Hülse 45 an, die sich auf ihrer anderen Seite gegen die Nabe 32 des Rotors 25 abstützt, wobei zwischen der Nabe 32 und der Distanz-Hülse 45 Distanz-Scheiben 46 angeordnet sind. Durch Hinzufügen oder Wegnehmen einer Distanz-Scheibe 46 wird die Lege des Rotors 25 in Richtung der Achse 30 verändert, wodurch die Weite b der Scherspalte 38 verändert bzw. eingestellt wird. Gegen die Nabe 32 liegt vom freien Ende des Rotors 25 her eine topfförmige Befestigungs-Hülse 47 an, die mittels einer Hut-Mutter 48 mit einem Gewindezapfen 49 der Antriebswelle 19 verbunden ist und die Nabe 32 mit den Flügeln 33 in Richtung der Achse 30 zur Grundplatte 22 fest gegen die Distanz-Hülse 45 mit den Distanz-Scheiben 46 verspannt.

[0021] Der Reib-Mühle 15 ist eine Flüssigkeits-Zuführeinrichtung 50 zugeordnet, die einen rohrförmigen Grundkörper 51 aufweist, der in eine parallel zur Achse 30 verlaufende Durchgangs-Bohrung 52 in der Grundplatte 22 eingesetzt ist. In diesen rohrförmigen Grundkörper 51 mündet auf dessen dem Stator 24 und Rotor 25 abgewandten Seite der Grundplatte 22 ein Flüssigkeits-Zuführanschluß 53 ein. Auf der dem Rotor 25 zugewandten Seite des Grundkörpers 51 mündet aus diesem ein Sprüh-Ventil 54 aus, bei dem es sich um ein handelsübliches Sprüh-Ventil 54 handelt, das nur dann öffnet, wenn über den Zuführanschluß 53 Flüssigkeit unter Druck zugeführt wird, und das schließt, wenn keine Flüssigkeit unter Druck mehr zugeführt wird. Der Abstand e der Austritts-Öffnung 55 des Ventils 54 von der benachbarten Kante 35 der Flügel 33 ist sehr klein, und zwar so klein, wie es konstruktiv möglich ist. Der Abstand e liegt also im Bereich zwischen 0,5 und 3,0 mm. Der mittlere Abstand f der Austritts-Öffnung 55 von der Achse 30, d.h. der Abstand der Achse 56 des Ventils 54 von der Achse 30 der Antriebswelle 19 beträgt mehr als die Hälfte des maximalen Radius c des Rotors 25, wobei grundsätzlich das Ventil 54 mit seiner Austritts-Öffnung 55 bezogen auf die Achse 30 radial möglichst weit außen, also nahe an der inneren Reibfläche 28 und damit den Scherspalten 38 angeordnet sein soll. Da das Ventil 54 in einer gemeinsamen Ebene mit den Stützstäben 29, den Ansätzen 29a und der Antriebswelle 19 angeordnet ist, ist aus konstruktiven Gründen ein gewisser Abstand zu den Scherspalten 38 unvermeidbar.

[0022] Der Wirkungsmechanismus ist wie folgt:
Durch die Mischwerkzeuge 10 des Mischwerks 6 wird das Mischgut im Behälter 1 umgewälzt und gemischt und auch parallel zur Achse 57 der Welle 5 verschoben. Es wird hierbei in den Raum 58 zwischen der Grundplatte 22 und dem Rotor 25 gebracht und dem Rotor 25 hierbei zugeführt. Das Mischgut wird von den Flügeln 33 erfaßt und einerseits in der geschilderten Weise in Richtung der sich verjüngenden inneren Reibfläche 28 gefördert und gleichzeitig radial zur Achse 30 nach außen geschleudert und den Scherspalten 28 zugeführt. Dadurch daß einerseits die innere Reibfläche 28 radial zur Achse 30 nach außen zumindest weitestgehend geschlossen ist und dadurch, daß die innere Reibfläche 28 sich in der axialen Förderrichtung 59 der Flügel 33 verjüngt, wird das Mischgut im Stator 24 gestaut und nicht lediglich in Richtung 59 durch die Reib-Mühle 15 hindurchgeschleudert. Dadurch daß es gleichzeitig radial nach außen gefördert wird, wird es einer intensiven Reib-Scher-Beanspruchung in den Scherspalten 38 unterzogen. Gleichzeitig wird die Flüssigkeit durch die Austritts-Öffnung 59 in das Mischgut aufgegeben und gelangt unmittelbar danach in die Scherspalte 38. Hierdurch bedingt können sich keine Agglomerate des Mischgutes bilden, und zwar auch nicht bei sehr feinem Mischgut einerseits und hochviskosen, stark klebenden Flüssigkeiten andererseits. Die Flüssigkeit wird auf die einzelnen Mischgut-Partikel feinstverteilt aufgebracht. Es erfolgt also keine Makro-Mischung von Mischgut und Flüssigkeit unter gleichzeitiger Agglomeratbildung, sondern eine Mikro-Mischung.

[0023] Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von dem nach den Fig. 3 und 4 hinsichtlich des Aufbaus von Rotor und Stator nur in konstruktiven Details, auf die es hier nicht ankommt. Identische Teile sind daher mit identischen Bezugsziffern wie in den Fig. 3 und 4 versehen, während funktionell gleiche, aber konstruktiv geringfügig andere Teile mit derselben Bezugsziffer, zusätzlich aber einem hochgesetzten Strich bezeichnet werden, ohne daß es in beiden Fällen einer neuen Beschreibung bedarf. Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von dem nach den Fig. 3 und 4 durch die Art der Flüssigkeitszuführung. Hierbei ist an der Mühlen-Grundplatte 22' ein Zuführgehäuse 60 mittels Schrauben 61 angebracht, in das ein Flüssigkeits-Zuführanschluß 53' radial einmündet. Aus dem die Antriebswelle 19' mit der Dicht-Hülse 39' ortsfest umgebenden Zuführgehäuse 60 wird Flüssigkeit über einen radialen Kanal 62 in der Hülse 39' und der Antriebswelle 19' einem konzentrisch zur Achse 30 verlaufenden Axial-Kanal 63 in der Antriebswelle 19' zugeführt. Dieser Axial-Kanal 63 mündet im Bereich des Rotors 25' in radialen Austrittskanälen 64, die als Bohrungen benachbart zur unteren Kante 35 in den Flügeln 33' angeordnet sind und mit ihren Austrittsöffnungen 55' im jeweiligen Scherspalt 38 oder in der Nähe des Scherspaltes 38 enden.

[0024] Alternativ können die radialen Austrittskanäle 64' als von den Flügeln 33' gesonderte Röhrchen ausgebildet sein, die ebenfalls bis in die Nähe der inneren Reibfläche 28 ragen und dort die Flüssigkeit in Richtung zur inneren Reibfläche 28 abgeben. In allen geschilderten Fällen wird die Flüssigkeit also so zugegeben, daß sie zusammen mit dem Mischgut über den größten Teil der inneren Reibfläche 28 von ihrer Eintrittsseite 24a als ihrem weiteren Bereich zu ihrer Austrittsseite 24b als ihrem engeren Bereich durchwandern muß.

Ansprüche

1. Reib-Mühle

- mit einer Mühlen-Grundplatte (22, 22')

- mit einem mit der Grundplatte (22, 22') verbundenen Motor (17)

- mit einer mit dem Motor (17) gekuppelten um eine Achse (30) drehantreibbaren Antriebswelle (19, 19')

- mit einem mit der Grundplatte (22, 22') verbundenen, eine konzentrisch zur Achse (30) angeordnete Innenfläche (Reibfläche 28) aufweisenden und innerhalb der Innenfläche (Reibfläche 28) zumindest im wesentlichen offenen, ringförmigen Stator (24) mit einer Mischgut-Eintrittsseite (24a) und einer in Richtung der Achse (30) beabstandeten Mischgut-Austrittsseite (24b) und

- mit einem drehfest mit der Antriebswelle (19, 19') verbundenen, mit sich bis in die Nähe der Innenfläche (Reibfläche 28) erstreckenden Flügeln (33, 33') versehenen, zwischen den Flügeln (33, 33') zumindest im wesentlichen offen ausgebildeten, an den radial außenliegenden Enden der Flügel (33, 33') im wesentlichen parallel zur Innenfläche (Reibfläche 28) verlaufende Kanten (Scherkanten 37) aufweisenden Rotor (25, 25'),

dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Stators (24) als sich in Richtung von der Mischgut-Eintrittsseite (24a) zur Mischgut-Austrittsseite (24b) kegelstumpfförmig verjüngende Reibfläche (28) ausgebildet ist.

2. Reib-Mühle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche (28) zumindest im wesentlichen geschlossen ausgebildet ist.

3. Reib-Mühle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche (28) unter einem halben Kegelöffnungswinkel (a) zur Achse (30) geneigt ist, für den gilt: 20° ≦ a ≦ 45°.

4. Reib-Mühle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (25, 25') einen maximalen Radius (c) und im Bereich seiner radialen äußeren Kanten (Scherkanten 37) eine Erstreckung (d) in Richtung der Achse (30) aufweist, für deren Verhältnis d/c gilt: 0,4 ≦ d/c ≦ 0,6.

5. Reib-Mühle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Kanten (Scherkanten 37) der Flügel (33, 33') jeweils einen Scherspalt (38) zur Reibfläche (28) begrenzen.

6. Reib-Mühle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite (b) der Scherspalte (38) einstellbar ist.

7. Reib-Mühle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (25, 25') in Richtung der Achse (30) relativ zum Stator (24) einstellbar ist.

8. Reib-Mühle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeits-Zuführeinrichtung (50, 50') vorgesehen ist, deren mindestens eine Flüssigkeits-Austrittsöffnung (55, 55') unmittelbar benachbart zur Mischgut-Eintrittsseite (24a) des Stators (24) angeordnet ist.

9. Reib-Mühle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits-Zuführeinrichtung (50) mindestens ein unmittelbar vor der Mischgut-Eintrittsseite (24b) des Stators (24) angeordnetes Sprüh-Ventil (54) ausweist.

10. Reib-Mühle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits-Zuführeinrichtung (50') einen durch die Antriebswelle (19') geführten Kanal (63) und mindestens einen hiermit verbundenen, sich bis in die Nähe der Reibfläche (28) erstreckenden Austrittskanal (64, 64') aufweist.

11. Verwendung einer Reib-Mühle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem einen zylindrischen Behälter (1) und ein in diesem drehantreibbar angeordneten Mischwerk (6) aufweisenden Mischer, wobei die Mühlen-Grundplatte (22, 22') in einer Wand (12) des Behälters (1), der Motor (17) außerhalb des Behälters (1) und Rotor (25, 25') und Stator (24) innerhalb des Behälters (1) angeordnet sind.

12. Verwendung einer Reib-Mühle nach Anspruch 1, wobei das Mischwerk (6) eine Welle (5) und mit dieser verbundene, in der Nähe der Wand (12) des Behälters (1) umlaufend antreibbare Mischwerkzeuge (10) aufweist und wobei die Mischwerkzeuge (10) zwischen der Wand (12) des Behälters (1) einerseits und Rotor (25, 25') und Stator (24) andererseits hindurchbewegbar sind.

Zeichnung