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 einer bei Drehung der Welle auf das Schüttgut wirkenden ersten Mischwerkzeugfläche F₁, der eine erste Werkzeugprofilfläche F_P1 zugeordnet ist und einer dazu radial versetzten zweiten Mischwerkzeugfläche F₂, der eine zweite Werkzeugprofilfläche F_P2 zugeordnet ist, wobei sich die erste und zweite Werkzeugprofilfläche F_P1 und F_P2 abstandsfrei aneinandergrenzend in radialer Richtung von der Oberfläche der Welle ausgehend erstrecken.

Ein derartiges Mischwerkzeug ist durch die DE 29 42 325 C2 bekanntgeworden.

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.

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.

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 Trommelinnenwandung in einen achsparallel zur Welle verlaufenden Stab übergehen.

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.

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.

Die Aufgabe wird durch die folgende Dimensionierung des erfindungsgemäßen Mischwerkzeugs dadurch gelöst, daß die Durchdringungsvolumina ${\text{V}}_{\text{DP1}}{\text{= 2π . r}}_{\text{P1}}{\text{. F}}_{\text{P1}}$, ${\text{V}}_{\text{DP2}}{\text{= 2π . r}}_{\text{P2}}{\text{. F}}_{\text{P2}}$, die die Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ des Mischwerkzeugs im Schüttgut erzeugen in folgender Beziehung zueinander stehen$${\text{r}}_{\text{P1}}{\text{. F}}_{\text{P1}}{\text{= k . r}}_{\text{P2}}{\text{. F}}_{\text{P2}}\text{,}$$ wobei k eine Konstante > 0,3 und ≤ 1 ist, daß die Neigungen der Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ in einem x-y-z-Koordinatensystem jeweils durch α₁, β₁ an jedem Punkt der ersten Mischwerkzeugfläche und α₂, β₂ an jedem Punkt der zweiten Mischwerkzeugfläche mit Werten$$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{0° < α}}_{\text{1}}\text{< 70°}\\ {\text{0° < β}}_{\text{1}}\text{< 90°}\\ {\text{0° < α}}_{\text{2}}\text{< 70°}\\ {\text{0° < β}}_{\text{2}}\text{< 90°}\end{array}\end{array}$$ definiert sind, und daß die Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ folgenden Flächenformeln entsprechen$${\text{F}}_{\text{1}}{\text{= c}}_{\text{1}}{\text{. R und F}}_{\text{2}}{\text{= c}}_{\text{2}}\text{. R,}$$ wobei die Faktoren c₁ [cm] und c₂ [cm] durch folgende Werte$$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{2 cm < c}}_{\text{1}}\text{≤ 36 cm}\\ {\text{3 cm < c}}_{\text{2}}\text{≤ 18 cm}\end{array}\end{array}$$ begrenzt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Mischwerkzeug sind die Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ in cm² definiert und der Trommelradius R ist in der Dimension cm anzugeben.

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.

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).

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.

k ist eine Konstante und variiert im Bereich von 0,3 bis 1 je nach Flächenverteilung der Werkzeugprofilflächen F_P1 und F_P2.

Die Winkel α, β beschreiben die Neigungen der Werkzeugflächen F₁, F₂ 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.

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.

Das erfindungsgemäße Mischwerkzeug erstreckt sich von der Welle bis zur Trommelinnenwandung und hält nur einen geringen Abstand zu der Innenwandoberfläche der Trommel.

Die Werkzeugprofilflächen F_P1 und F_P2 sowie deren Flächenschwerpunktskoordinaten r_P1 und r_P2 sind so zu wählen, daß der von der Fläche F₁ auslaufende Materialvolumenstrom gleich oder größer dem k-fachen bis vorzugsweise gleich dem des von der Fläche F₂ auslaufenden Materialvolumenstromes ist. Die Neigungswinkel α und β der Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ 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.

Endet die axiale Flächenberandung der ersten Mischwerkzeugfläche F₁ in z-Richtung und schließt sich in derselben Richtung die zweite Mischwerkzeugfläche F₂ an, ohne daß eine Überlappung der Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ in z-Richtung entsteht (siehe Fig. 2), so wird der von der Mischwerkzeugfläche F₂ ausströmende Materialvolumenstrom nicht von der Mischwerkzeugfläche F₁ erfaßt. Die bei bewegtem Mischwerkzeug auf die Mischwerkzeugfläche F₁ und F₂ einströmenden Materialvolumenströme sind somit gleich den von den Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ ausströmenden Materialvolumenströmen.

Der von der Fläche F₁ auslaufende Materialvolumenstrom ist in diesem Fall gleich dem k-fachen des von der Fläche F₂ auslaufenden Materialvolumenstromes. Im bevorzugten Fall k = 1 sind also die auslaufenden Volumenströme gleich groß.

Sind in einer weiteren Ausgestaltung die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ derart angeordnet, daß ein von der Mischwerkzeugfläche F₂ ausströmender Materialvolumenstrom teilweise auf die Mischwerkzeugfläche F₁ strömt, so können die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ gemäß k < 1 gestaltet werden. Der von der Fläche F₁ auslaufende Materialvolumenstrom ist dann größer als das k-fache und höchstens gleich dem des von der Fläche F₂ 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.

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 F₂ eine den natürlichen Materialfluß unterstützende Materialrichtungsauslenkung auslösen und die Mischwerkzeugflächen F₁ den auf sie einströmenden Materialvolumenstrom entgegen der Auslenkungsrichtung durch die Mischwerkzeugflächen F₂ fördern. Zwischen diesen extremen Richtungsauslenkungen des zu bearbeitenden Materials durch die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ sind Auslenkungsrichtungen durch die Flächen F₁ und F₂ denkbar, die nur teilweise die Materialförderung bzw. -rückförderung unterstützen.

Neben den beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mischwerkzeuge, bei denen in radialer Richtung ein mehr oder weniger breiter Übergangsbereich zwischen Mischwerkzeugfläche F₁ und Mischwerkzeugfläche F₂ vorhanden ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen sich wenigstens eine der beiden Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ von der Welle oder einer weiter außen liegenden Position bis nahe zur Trommel hin erstrecken, so daß die Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ in axialer Richtung ineinander übergehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Mischwerkzeugflächen konvex und/oder konkav gekrümmt ausgebildet.

Sind die Winkel α und β an jedem Punkt der zu betrachtenden Oberfläche der Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ 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 F₁ und F₂ unterschiedlich, so sind die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ gekrümmt. D.h. die Winkel α und β sind an jedem Punkt der zu betrachtenden Oberfläche der Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ unterschiedlich (ortsabhängige Winkel).

Um eine gezielte Umlenkung des zu bearbeitenden Materials entlang der Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ zu gewährleisten, muß der sogenannte Einlaufwinkel δ, d.h. der Winkel zwischen den auf die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ 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 F₁ und F₂ 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 F₁ und F₂ wirkt das zu bearbeitende Material nicht mit einem erhöhten Widerstand.

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.

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.

Die in den Figuren gezeigten Mischwerkzeuge sind nicht maßstäblich zu verstehen und sind stark vereinfacht gezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein Mischwerkzeug 10, das an einer Welle 11 befestigt ist.

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.

Das Mischwerkzeug 10 setzt sich aus einer ersten Mischwerkzeugfläche F₁ 17 und aus einer zweiten Mischwerkzeugfläche F₂ 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.

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 F₂ 18 erstreckt sich axial sowohl entlang der negativen wie auch der positiven z-Achse. Damit wird auch ein gewisser Materialvolumenstrom, der von der Mischwerkzeugfläche F₂ ausströmt, an die Mischwerkzeugfläche F₁ übergeben. Die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ 17, 18 sind derart ausgebildet, daß die Durchdringungsvolumina V_DP1 und V_DP2, die die Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ 17, 18 des Mischwerkzeugs 10 im Schüttgut bzw. in dem zu bearbeitenden Material erzeugen, in folgender Beziehung stehen:$${\text{r}}_{\text{P1}}{\text{. F}}_{\text{P1}}{\text{= k . r}}_{\text{P2}}{\text{. F}}_{\text{P2}}\text{.}$$

k ist bei dieser Beziehung < 1. Die Mischwerkzeugfläche F₁ ist dabei so gewählt, daß deren axiale Erstreckung in radialer Richtung von der Welle 11 zur Trommelinnenwandung hin abnimmt.

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 F₁ 27 und F₂ 28 das zu bearbeitende Material. Die Mischwerkzeugflächen F₁ 27 und F₂ 28 können eben und/oder gekrümmt sein. Die Mischwerkzeugflächen F₁ 27 und F₂ 28 erzeugen Durchdringungsvolumina V_DP1 und V_DP2 im zu bearbeitenden Schüttgut bzw. Material, die für k = 1 einander entsprechen. Die Mischwerkzeugfläche F₁ ist dabei so gewählt, daß deren axiale Erstreckung in radialer Richtung von der Welle zur Trommel hin zunimmt.

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 F₁ 37 eine axiale Erstreckung aufweist, die in radialer Richtung konstant ist. Die erste Mischwerkzeugfläche F₁ 37 erstreckt sich radial zur Welle 31 und geht an ihrem Ende in die zweite Mischwerkzeugfläche F₂ 38 über, die sich bei dieser Ausführungsform des Mischwerkzeugs 30 beidseits der ersten Mischwerkzeugfläche F₁ 37 erstreckt. Die Mischwerkzeugfläche F₂ 38 fördert auf sie einströmende Materialvolumenströme anteilsmäßig sowohl auf die Mischwerkzeugfläche F₁ 37 als auch in den angrenzenden Freiraum der Trommel des Mischers und in das Mischwerkzeug umgebende Materialanhäufungen.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Mischwerkzeug mit Werkzeugprofilflächen F_P1 und F_P2 gezeigt, die Hilfsflächen für die Mischwerkzeugflächen F₁ und F₂ 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.

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. S₁ ist der Flächenschwerpunkt der Werkzeugprofilfläche F_P1 und S₂ ist der Flächenschwerpunkt der Werkzeugprofilfläche F_P2. r_P1 und r_P2 geben den Abstand der Flächenschwerpunkte S₁ und S₂ 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.

Für eine Trommel mit einem Radius von 39,5 cm weist ein erfindungsgemäßes Mischwerkzeug in einer bevorzugten Ausführungsform einen Wert k = 1, c₁ = 10,38 cm und c₂ = 5,7 cm, eine Mischwerkzeugfläche F₁ von 410 cm² und eine Mischwerkzeugfläche F₂ von 225 cm² auf.

Ein Mischwerkzeug 10 für Schüttgüter und/oder ähnliche Materialien zum Anbringen auf einer Welle 11 in einer Trommel eines Mischers weist Mischwerkzeugflächen F₁ 17 und F₂ 18 auf, die sich radial von der Welle 11 ausgehend bis nahe zur Trommelinnenwandung des Mischers erstrecken. Die Mischwerkzeugflächen F₁ 17 und F₂ 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 F₁ 17 und F₂ 18 durch das zu bearbeitende Material bewegt. Die Mischwerkzeugflächen F₁, F₂ sind derart ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit des Trommelradiuses durch Faktoren c₁ und c₂ begrenzte Flächen aufspannen und die Materialvolumenströme, die von den Mischwerkzeugflächen F₁ 17 und F₂ 18 in das zu bearbeitende Material zurückströmen, bevorzugt gleich groß und achsparallel entgegengesetzt gerichtet sind. Die Mischwerkzeugflächen F₁ 17 und F₂ 18 sind bezüglich ihrer Neigungen durch Winkel α und Winkel β begrenzt.