DE10115029B4 - Vorrichtung für einen Schüttgutprobenehmer mit niedriger Bauhöhe - Google Patents

Abstract

Rotierender Probenehmer mit einem Probenahmegefäß (1) zur Entnahme repräsentativer Proben über einen gesamten Querschnitt eines insbesondere aus einer Vorlage (3) in einen Trichter (7) fallenden Schüttgutstroms und Weiterleitung in einen Probensammler, wobei eine Rotationsachse (5) eines Probenehmerdrehantriebs um einen Winkel (γ) zwischen 40 und 75 Grad gegenüber einer Horizontalen geneigt ist,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
– Das Probenahmegefäß (1) ist rohrförmig ausgebildet und weist eine Schlitzöffnung (4) entlang seiner Längsachse zur Probenahme auf;
– Die Längsachse des Probenahmegefäßes (1) ist zur Rotationsachse (5) des Probenehmerdrehantriebs um einen Winkel (γ) abgewinkelt und läuft bei Rotation auf einer Kegelmantelfläche um, wobei eine unterste Kegelmantelgerade horizontal verläuft und mittig im Schüttgutstrom liegt;
– Die Schlitzöffnung (4) ist beim Umlauf stets auf die Rotationsachse (5) des Probenehmerdrehantriebs gerichtet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen rotierenden Probenehmer nach Anspruch 1.
• 1. Anwendungsgebiet
• Der rotierende Probenehmer mit niedriger Bauhöhe dient zur repräsentativen Probenentnahme aus einem fallenden Schüttgutstrom.
• 2. Stand der Technik und Nachteile des Standes der Technik
• Eine repräsentative Probe muß genau, richtig, systematisch unbeeinflußt, reproduzierbar und zuverlässig sein (W. Rasemann, Qualitätssicherung von Stoffsystemen im Abfall- und Umweltbereich, Probenahme und Datenanalyse, TransTech-Verlag, Clausthal-Zellerfeld, 1999, S. 9–21; siehe besonders S. 18–19).
• Diesen Forderungen entsprechend ist eine Probenahmeanlage zu gestalten und funktionssicher auszuführen. Werden diese Vorraussetzungen nicht erfüllt, so kann eine nicht entsprechende Probenahme zu Verlusten führen. (Wilhelm Hermanns, Probenahme- und Probenaufbereitungsanlagen, insbesondere im Hinblick auf die Prozeßautomation, S. 59–92 Aus: Probenahme – Theorie und Praxis, Verlag Chemie, Weinheim, 1980, siehe Seite 83–87)
• Zur Realisierung dieser Vorraussetzungen werden Proben gerne dem frei fallenden Schüttgut entnommen. Hierdurch steigt die Bauhöhe von Schüttgutanlagen. Jedoch ist der Bedarf an Höhe in Anlagen zur Förderung oder Aufbereitung von Schüttgutern eine besonders kostenkritische Größe. Förderwege werden größer und der notwendige Raumbedarf steigt. Dementsprechend steigen die aufzuwendenden Investitionskosten und auch die Betriebskosten.
• Die zur Verfügung stehende freie Materialfallhöhe ist also ein entsprechend kostbares und knappes Gut.
• Bei nachträglich einzubauenden Probenehmern steht freie Fallhöhe in vielen Fällen nur sehr begrenzt zur Verfügung.
• Die Probenahme kann grundsätzlich in die beiden Verfahrensschritte Materialentnahme und Materialaustrag unterteilt werden.
• Diese Teilschritte laufen je nach Bauform entweder kontinuierlich und gleichzeitig oder nacheinander ab. Bei Gleichzeitigkeit wird die Probe, während der Probenehmer den Materialstrom durchfährt, kontinuierlich weitergeleitet. Bei Ungleichzeitigkeit wird die Stichprobe genommen, bleibt im Schlitzgefäß liegen und wird erst, nachdem der Materialstrom durchfahren wurde, weiter transportiert.
• Für die Probenahme aus dem fallenden Gutstrom gibt es bewegte und starre Probenahmesysteme (DIN 51 701 Prüfung fester Brennstoffe, Probenahme und Probenvorbereitung, Teil 4 (August 1985) Geräte und Beiblatt zu DIN 51 701, Teil 4, Ausführungsbeispiele).
• Die starren Systeme zeichnen sich dadurch aus, daß sie im Gutstrom feststehend über eine Schlitzöffnung oder ähnliches eine Teilmenge entnehmen. Antriebe dienen hier nur dazu, das Material abzutransportieren (z.B. Schneckenprobenehmer) oder den Probenahmeschlitz zu schließen (siehe z.B. in Schüttgut 5(1999) Nr.3, Seite 446). Diese Probenehmer sind einfach gebaut und benötigen nur eine niedrige, freie Fallhöhe. Jedoch beproben sie nicht den gesamten Querschnitt und entnehmen deshalb nur Proben mit stark eingeschränkter Repräsentativität. Ihre Anwendbarkeit wird hierdurch entscheidend eingeschränkt bzw. grundsätzlich in Frage gestellt.
• Bei den bewegten Systemen wird nach Art der Bewegung zwischen traversierenden und rotierenden Systemen unterschieden.
• Das traversierende Schlitzgefäß („Probenahme während der Waggonentladung", Schüttgut 4(1998) Seite 150–151) ist dabei das klassische, aus der manuellen Anwendung in offenen Anlagen kommende Probenahmeprinzip. Bei der Mechanisierung ist die traversierende also lineare Bewegung jedoch relativ aufwendig (Wilhelm Hermanns, ebenda, siehe Seite 64) und zwar beim Aufbau von Antrieb und Verlagerung. Der Schutz gegenüber der Umgebung vor Schmutz und Staub ist z.B. nur mit Hilfe von flexiblen Manschetten zu realisieren, wobei diese einer intensiven Wartung und Instandhaltung bedürfen. Dies gilt insbesondere für die heute von den Betreibern immer mehr geforderte Materialführung in abgeschlossenen Räumen.
• Nach Möglichkeit werden deshalb rotierende Systeme bevorzugt. Der Staub- und Explosionsschutz ist leichter zu realisieren. Nur die rotierende Welle wird mit entsprechender Abdichtung nach innen geführt. Die schmutz- und staubempfindlichen Teile, wie Verlagerung, Getriebe und elektrischer Antrieb liegen dabei außerhalb des staubbelasteten, geschlossenen Innenraums.
• Die Rotationsachse kann je nach Ausführungsform waagerecht, senkrecht oder geneigt stehen.
• Probenehmer, deren waagerechte Achse innerhalb des Materialstroms liegen (1), werden von den Anlagenbetreibern nicht gerne eingesetzt, weil sie dem Verschleiß dauernd, d.h. auch während der Stillstandsphase zwischen den Probenahmezyklen, ausgesetzt sind und die Transportwege verengen. Außerdem muß der Rotationsradius (b) entsprechend groß sein, damit die Probe im ausgelenkten Ruhezustand aus dem Probenehmer abfließt. Die Größe des Rotationsradius (b) hängt von dem Durchmesser (d) des Hauptmaterialstroms ab. Bei größerem (d) wird auch (b) größer. Dementsprechend groß ist die benötigte freie Fallhöhe (h) für den Probenehmer.
• Bei Probenehmern, deren Achse waagerecht neben dem Materialstrom liegt (2), müssen der Radius (b) und damit die notwendig zur Verfügung stehende Einbauhöhe (h) entsprechend größer sein (E. Hopmann, Laboratory Automation and Sampling, in G. Kraft (Editor), Sampling in the Non-Ferrous Metals Industry, TransTech-Verlag, Clausthal-Zellerfeld, 1993, Seite 199–207, siehe Seite 201).
• Probenehmer mit senkrechter Rotationsachse führen das Probenmaterial über eine Rutsche oder einen Trichter seitlich aus dem Materialstrom heraus (3). Die Trichterhöhe (t) ist entscheidend für die Bauhöhe (b) des Probenehmers und beeinflußt über den Materialstreuwinkel (α) auch die Rutschenhöhe (c). Streuwinkel (α) und Rutschenwinkel (β) beeinflussen ebenfalls die Höhen (t) und (c). Sie sind jedoch vom Material abhängig und können nicht beeinflußt werden. Die Trichterhöhe (t) und Rutschenhöhe (c) vergrößern sich auch mit dem Durchmesser (d). Die Gesamthöhe (h) vergrößert sich also auch mit dem Durchmesser (d) des Primärstroms und erfordert eine entsprechend größere, freie Materialfallhöhe (h) in der Produktionsanlage.
• An Versuchen die Bauhöhe (h) von rotierenden Probenehmern zu reduzieren, indem der Höhenbedarf für Trichter (t) und Rutschen (c) vermieden bzw. reduziert wird, hat es nicht gefehlt.
• Eine Lösungsmöglichkeit ist zum Beispiel der Einbau von Bodenklappen (Wilhelm Hermanns, ebenda, Seite 65). Diese Bodenklappen sind jedoch wiederum bewegliche Teile in einer sehr staubhaltigen Umgebung. Es ist häufig problematisch den Betrieb störungsfrei zu gewährleisten. Unkontrollierte Leckagen und Fehlausträge z.B. durch Verklemmungen mit Grobkorn verursachen nicht reproduzierbare Probenahmefehler. Das Abdichten und Dichthalten derartiger Klappen, u.a. z.B. durch Führungsrollen ist in geschlossener und staubiger Umgebung eine weitere Schwachstelle (Wilhelm Hermanns, ebenda S. 69 unterer Abschnitt).
• Eine weitere Möglichkeit besteht im Einbau von Fördersystemen. Diese müssen jedoch in schmutz- und staubbelasteter Umgebung arbeiten und sind dementsprechend anfällig und häufig nicht exgeschützt.
• Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von Probenehmern mit geneigter Achse (4) (Wilhelm Hermanns, ebenda, Seite 63 und Seite 66). Hier hat die Trichterhöhe keinen Anteil mehr an der Höhe (b). Anstatt dessen kommt allerdings in derselben Größenordnung die Neigung der senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Oberkante (f) hinzu und vergrößert wiederum die Bauhöhe (b) und damit die Gesamthöhe (h). Je weiter die Rotationsachse geneigt (γ) wird, um so größer wird (f). Durch Vergrößerung von (δ) wird der Probenehmer dicker und damit (f) größer. Auch dieser Probenehmer hat den Nachteil, daß sich seine Bauhöhe mit dem Durchmesser (d) des Hauptmaterialstroms vergrößert.
• In der Offenlegungsschrift DT 2458783 A1 wird zwar ein Probenehmer mit geneigter Rotationsachse vorgestellt, wobei es hier jedoch nur um das Anheben der Probe auf gleiche Höhe mit dem Transportband geht. Es werden jedoch keinerlei Lösungsmöglichkeiten zur Einsparung von Bauhöhe aufgezeigt.
• 3. Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine repräsentative Schüttgutprobe aus dem gesamten Querschnitt des fallenden Schüttgutstroms zu entnehmen, wobei der Probenehmer insbesondere die folgenden Bedingungen erfüllen muß:
• – Die notwendig zur Verfügung stehende freie Fallhöhe (h) des Schüttgutstroms sollte möglichst gering sein und unabhängig von der Größe des Schüttgutstrom-Querschnitts (d)
• – Der Probenehmer sollte komplett einhausbar sein und eine staubfreie Umgebung ermöglichen und auch Proben von explosionsgefährdeten Schüttgütern entnehmen können.
• – Die Ruhestellung des Probenehmers sollte außerhalb des Schüttgutstroms liegen.
• – Im inneren, abgeschlossenen, schmutz- und staubexponierten Bereich sollten keine Verlagerungen, Antriebe oder andere elektrische Bauteile liegen.
• 4. Lösung der Aufgabe
• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der rotierende Probenehmer weist eine schräg liegende Rotationsachse und ein zur Rotationsachse abgewinkeltes Schlitzgefäß auf (5), wobei das Schlitzgefäß in seiner tiefsten Position waagerecht ausgerichtet ist und mittig im Schüttgutstrom liegt. In dieser Lage hat das Probenahmegefäß im Normalfall horizontal und parallel verlaufende Ober- und Unterkanten.
• Normalerweise ist das Schlitzgefäß ein Rohr; die Querschnittsform ist also ein Kreis (8). Es kann aber auch andere Querschnittsformen annehmen, wenn die jeweilige Applikation dies wünschenswert erscheinen läßt, z.B. eine Raute oder ein Rechteck.
• Die beiden Schneiden (8, 9) des Probenehmers sind so ausgerichtet, daß die Enden der Schneiden auf gleicher „Höhe" liegen und dementsprechend die gleiche kegelförmige Bahn überstreichen, je nach Spaltbreite mehr oder weniger zeitversetzt.
• 5. Vorteile der Erfindung
• – Der Probenehmer benötigt nur eine geringe freie Fallhöhe (h), die ähnlich gering ist wie bei den starr eingebauten Probenehmern, jedoch mit dem Vorteil der repräsentativen Beprobung des gesamten Schüttgut-Querschnittes.
• – Bei der vorgeschlagenen Lösung (5) ist der Ausschüttwinkel (δ) kleiner/gleich 90° ohne Einfluß auf die Bauhöhe (h) frei wählbar. Dadurch kann auch schwer fließendes Schüttgut rückstandsfrei in den Probenbehälter weitertransportiert werden.
• – Der Probenehmer ist durch die Dimensionierung der Länge des Probenahmearms (I), dem Durchmesser des Stichprobengefäßes (a) und dem Neigungswinkel (γ) der Rotationsachse ohne nennenswerte Veränderung der Bauhöhe (h) gut an unterschiedliche Hauptmassenströme und -querschnitte anpaßbar. Nur der Probenehmerdurchmesser (a) beeinflußt die Gesamthöhe (h). Im Normalfall ist das Stichprobenahmegefäß (1) ein Rohr. Das Gefäßvolumen und damit der Durchmesser (a) des Rohres wird entsprechend der zu erwartenden Stichprobenmenge angepaßt. Bei gegebenem Durchmesser des Hauptmaterialstroms ist allerdings das Volumen der Stichprobe (V) proportional dem Quadrat von (a): V ~ a². Das heißt, daß bei einer relativ geringen Vergrößerung von (a) das Auffangvolumen des Probenehmers für die Stichprobe beträchtlich erhöht wird.
• – Ein Vergleich mit dem bisherigen Stand der Technik verdeutlicht, daß die erforderliche Gesamthöhe (h) der vorgeschlagenen Lösung (5) entscheidend geringer ist. Bei allen Bauformen (1 bis 5) ist die Gesamthöhe h = b + c, wobei (c) proportional zu (b) ist. Ist (b) groß, so ist auch (c) groß. In vielen Fällen gilt zudem ungefähr b = c. Das bedeutet, daß auch ungefähr h = 2b bzw. bei einer Reduzierung der Bauhöhe (b) wird (h) um ca. das Zweifache reduziert.
• Da der neue Probenehmer nur eine Mindestbauhöhe (b) hauptsächlich bestehend aus (a) benötigt und Rutschen (t) und Schrägen (f) keinen Einfluß auf die vorgeschlagene Lösung nehmen, die Rutschenhöhe (c) klein wird, ist eine entscheidende Reduzierung der Bauhöhe (h) gegeben.
• Ein Vergleich der Verhältniszahlen zwischen der Gesamtbauhöhe (h) und dem Durchmesser (d) des Materialhauptstroms macht dies deutlich. Bei senkrechter Rotationsachse (3) beträgt das Verhältnis h/d = 4,8/1 und selbst bei geneigter Rotationsachse mit entsprechend geneigter Oberkante (4) beträgt das Verhältnis noch h/d = 3,5/1. Das Verhältnis bei der vorgeschlagenen Lösung (5) beträgt jedoch lediglich h/d = 1,25/1.
• Die notwendig zur Verfügung stehende freie Fallhöhe (h) ist konstruktionsbedingt nahezu unabhängig von der Abmessung des Materialstrom-Querschnitts (d), so daß das Verhältnis h/d mit größerem (d) noch günstiger werden kann.
• – Der Probenehmer ist leicht komplett einhausbar. Verlagerung und andere empfindliche Bauteile liegen dabei außerhalb des schüttgutexponierten Bereiches.
• – Die offene Bauweise am Auslauf (6) des Probenehmers gewährleistet den Druckausgleich innerhalb und außerhalb des Schlitzes. Dies ermöglicht isokinetische Bedingungen bei der Probenahme.
• 6. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
• Anhand der folgenden Zeichnungen wird der Stand der Technik erläutert:
• 1 Rotationsprobenehmer mit waagerechter Achse innerhalb des Materialstroms – Stand der Technik.
• 2 Rotationsprobenehmer mit waagerechter Achse außerhalb des Materialstroms – Stand der Technik.
• 3 Rotationsprobenehmer mit senkrechter Achse – Stand der Technik.
• 4 Rotationsprobenehmer mit geneigter Achse – Stand der Technik.
• Ein Ausführungsbeispiel ist in den folgenden Zeichnungen dargestellt.
• 5 Seitenansicht
• 6 Ansicht von oben
• 7 Bewegung der Schlitzoberfläche
• 8 Querschnitt durch das Probenahmegefäß
• Der Probenehmer besitzt eine entsprechend dem Winkel (γ) geneigte Antriebsachse. Das Probenahmegefäß (1) mit der Schlitzöffnung (4) liegt während der Ruhephase senkrecht neben dem Materialstrom (2). Zur Entnahme einer Stichprobe dreht sich das Probenahmegefäß (1) um 180°. Gleichzeitig wird es von der Senkrechten in die Horizontale verkippt. Das Passieren der Mitte des Materialstroms ist in 5 dargestellt.
• Die Stichprobengefäßhöhe (a) und die freie Bauhöhe (b) werden fast nur von dem zu erwartenden Stichprobenvolumen bestimmt. Die gesamte noch notwendige freie Materialfallhöhe (h) des Hauptschüttgutstroms (2) ist minimal, da durch die geringe Höhe (b) auch die Rutschenhöhe (c) klein ist.
• Aus der Position in der Mitte fährt das Probenahmegefäß (1) mit gleichmäßiger Geschwindigkeit 180° weiter und stoppt in der senkrechten Position. Die Stichprobe rutscht dabei in die Mitte und wird über den unten offenen Übergabezylinder (6) in das Rohr zum Probenahmebehälter umgelenkt.
• Die offene Schlitzfläche (4) wird entlang der Manteloberfläche eines Kegels rotierend bewegt. So daß die Probenahme durch einen systematischen Fehler beeinträchtigt werden kann, die Rotation (ρ). Diese Fehlermöglichkeit wird durch die radiale Veränderung der Schlitzbreite (s) vermieden. Hierbei treffen sich die Verlängerungen der beiden Schneiden (8, 9) im Punkt A und bilden den Winkel (σ).
• Erfahrungsgemäß muß die Schlitzbreite (s) mindestens das drei- bis fünffache der maximal im Schüttgut auftretenden Partikelgröße betragen. Entsprechend dem unterhalb des Probenahmequerschnittes wirksamen Kippwinkel (κ) wird jedoch für diese Betrachtung nicht die wirkliche, Schlitzbreite (s) sondern die, zu Beginn und Ende der Stichprobenahme senkrecht zum Schüttgutstromstrom stehende Schlitzbreite s_senkr = s·cos_κ angesetzt.
• Dem in 5 gezeigten Beispiel liegen folgende Abmessungen zugrunde:
  Der Hauptschüttgutstrom fällt durch ein Rohr mit einem Durchmesser d = 200 mm. Die Rotationsachse ist im gezeigten Anwendungsbeispiel zur Waagerechten um den Winkel (γ) entsprechend 45° geneigt, entsprechend resultiert ein Ausschüttwinkel (δ) von 90°. Sollte ein Ausschüttwinkel (δ) von 90° nicht erfordeilich sein, kann er durch Vergrößerung von (γ) dem Schüttgut oder dem örtlichen, geometrischen Umfeld angepaßt werden.
• Die materialabhängigen Parameter, der Streuwinkel (α) und Rutschenwinkel (β) werden hier mit 55° angenommen.
• Der abgewinkelte Probenehmer hat eine Länge (I) von 466 mm. Der Durchmesser (a) des Probenehmers wird mit 92 mm festgelegt. Daraus resultiert für (b) eine Höhe von 125 mm und für (c) ebenfalls eine Höhe von 125 mm. Die gesamte freie Einbauhöhe (h) beträgt dann h = b + c = 250 mm.

Claims (7)

1. Rotierender Probenehmer mit einem Probenahmegefäß (1) zur Entnahme repräsentativer Proben über einen gesamten Querschnitt eines insbesondere aus einer Vorlage (3) in einen Trichter (7) fallenden Schüttgutstroms und Weiterleitung in einen Probensammler, wobei eine Rotationsachse (5) eines Probenehmerdrehantriebs um einen Winkel (γ) zwischen 40 und 75 Grad gegenüber einer Horizontalen geneigt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Das Probenahmegefäß (1) ist rohrförmig ausgebildet und weist eine Schlitzöffnung (4) entlang seiner Längsachse zur Probenahme auf; – Die Längsachse des Probenahmegefäßes (1) ist zur Rotationsachse (5) des Probenehmerdrehantriebs um einen Winkel (γ) abgewinkelt und läuft bei Rotation auf einer Kegelmantelfläche um, wobei eine unterste Kegelmantelgerade horizontal verläuft und mittig im Schüttgutstrom liegt; – Die Schlitzöffnung (4) ist beim Umlauf stets auf die Rotationsachse (5) des Probenehmerdrehantriebs gerichtet.
2. Rotierender Probenehmer nach Anspruch 1, wobei die Rotationsgeschwindigkeit (ω) des Probenehmers während der Probenahme konstant bleibt.
3. Rotierender Probenehmer nach Anspruch 1 und 2, wobei das Verhältnis von Probenehmerbauhöhe (h) zum Durchmesser (d) des Schüttgutstroms kleiner oder gleich 2,5/1 ist.
4. Rotierender Probenehmer nach Anspruch 1 bis 3, mit einer Schlitzöffnung (4), deren Breite sich radial zur Rotationsachse hin verringert.
5. Rotierender Probenehmer nach Anspruch 1 bis 4, bei dem Probenmaterial durch einen nach unten geöffneten und entsprechend der Rotationsachse (5) geneigten Übergabezylinder (6) in den Probensammler weitergeleitet wird, wobei der Übergabezylinder oben geschlossen ist und dort mit der Rotationsachse verbunden ist.
6. Rotierender Probenehmer nach Anspruch 1 bis 5, wobei Motor und Getriebe am oberen oder unteren Ende der Rotationsachse anbringbar sind.
7. Rotierender Probenehmer nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Probenahmegefäß (1) sich im Querschnitt an den Stellen vergrößert, wo erfahrungsgemäß am meisten Probenmaterial zu erwarten ist.