Die Bedeutung der Minimierung von Luftlecks in Zellenradschleusen

Matt Burt, Vertriebsleiter – Komponenten, und Ron Van Ostenbridge, Junior Business Development Manager – Komponenten, Coperion K-Tron | 22. November 2021

Ein Zellenradschleusen ist ein Gerät zum Dosieren von Produkten oder dient als Trenngerät für Material in Trichtern, als Trenndruckdifferenz oder als Isoliergerät für NFPA 69 (die aktuelle Norm für Explosionsschutzsysteme). Zellenradschleusen sind unter verschiedenen Namen bekannt, beispielsweise als Luftschleusen, Sternventile, Zellenradschleusen und Zellenradschleusen. Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt eines Zellenradschleusens.

Bei allen Zellenradschleusen tritt Luft aus, und diese Leckluft muss gemanagt werden. Es gibt drei Arten von Leckagen, die berücksichtigt werden sollten. Radiale Leckage ist die Luft, die zwischen den Spitzen der Rotorblätter und dem Gehäuse austritt. Unter axialer Leckage versteht man die Leckage zwischen den Kanten der Rotorblätter und den Endplatten. Bei der Verschleppungsleckage handelt es sich um das Gas, das über die leere Rotortasche zurück zum Einlass des Ventils transportiert wird. Gasleckagen am Einlass des Ventils können den Materialfluss in das Ventil beeinträchtigen.

Bei der Konfiguration der richtigen Zellenradschleuse für eine bestimmte Anwendung ist es wichtig, die Eigenschaften des zugeführten Schüttguts zu verstehen.

Wenn das Material klebrig oder klebrig ist, kann es unter Druck dazu führen, dass es sich zusammenzieht und nicht ungehindert in das Ventil fließt. Partikelgröße und -form beeinflussen, wie gut das Material in die Ventiltaschen fließt und damit die Effizienz des Ventils. Es gibt Materialien, die ineinandergreifen oder agglomerieren, wodurch die Effizienz der Taschenfüllung verringert wird. Dies muss bei der Dimensionierung Ihres Ventils berücksichtigt werden.

Wie abrasiv ist das Schüttgut an den Innenteilen der Zellenradschleuse? Abrasive Materialien verschleißen den Rotor, das Gehäuse und die Endplatten. Die dadurch entstehenden Lücken ermöglichen eine zusätzliche Luftleckage über das Ventil hinweg. Um Ihr Ventil so zu gestalten, dass es dem Verschleiß entgegenwirkt, sind möglicherweise spezielle Beschichtungen wie Chrom, Wolframkarbid und Keramik erforderlich.

Wenn das zugeführte Material korrosiv ist, müssen Sie das Konstruktionsmaterial des Ventils berücksichtigen. Typischerweise bestehen Ventile aus Aluminium, Kohlenstoffstahl oder Edelstahl. Bei korrosiven Schüttgütern ist die Wahl des richtigen Konstruktionsmaterials von entscheidender Bedeutung. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Möglichkeit, dass die Prozessdämpfe Korrosion verursachen können. Dies hat wahrscheinlich größere Auswirkungen auf die Dichtungen als auf das Ventil selbst.

Bei der Konfiguration einer Zellradschleuse müssen sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Temperatur des Materials berücksichtigt werden. Achten Sie bei heißem Material genau auf die Abstände, um einen Kontakt zwischen Rotor und Gehäuse aufgrund der Wärmeausdehnung zu vermeiden. Auch die Temperatur kann sich auf die Art der Dichtungen auswirken.

Könnten die Werkstoffe der Zellenradschleuse oder der Dichtungen mit dem Material reagieren? Einige PVC-Verbindungen können sich beispielsweise verfärben, wenn Aluminium in der Prozessausrüstung wie Rohren oder Zellenradschleusengehäusen/-rotoren verwendet wird. Das Fördergas ist typischerweise Umgebungsluft oder Inertgas, beispielsweise N2. Es ist wichtig, dass die Robben mit sauberer, trockener Pflanzenluft versorgt werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass Feuchtigkeit, Schmutz oder Öl in die Ventildichtungen eindringen oder deren Wirksamkeit beeinträchtigen.

Wenn sich das Material leicht zersetzt, kann der durch die Zellradschleuse auf das Material ausgeübte Verschleiß dazu führen, dass das Produkt nicht mehr den Spezifikationen des Herstellers oder Endverbrauchers entspricht. Typischerweise wird diese Verschlechterung durch das Scheren oder Verschmieren des Materials verursacht.

Wenn das Material hart und schwer zu scheren ist, kann dies zu starken Belastungen der Rotorwelle oder des Antriebsaggregats führen. In der Regel lässt sich dies durch den Einsatz eines stärker belastbaren Antriebs beheben. Allerdings ist Vorsicht geboten, da durch den Einbau eines Hochleistungsantriebs in den Rotor die Gefahr besteht, dass sich die Rotorwelle verdreht. Es ist wichtig, ein Ventil mit einer Rotorwelle auszuwählen, die der Drehmomentbelastung standhalten kann. Darüber hinaus ist die Mohs-Härte neben der Druckdifferenz das erste Kriterium für die Auswahl des Verschleißschutzes.

Die Schüttdichte des Materials und wie es durch die Druckdifferenz am Ventil beeinflusst wird, muss berücksichtigt werden. Beispielsweise erfordern Materialien, die sich leicht verflüssigen lassen – typischerweise Pulver –, möglicherweise ein überdimensioniertes Ventil, um den Verlust an Taschenfülleffizienz bei der Einspeisung in ein Drucksystem auszugleichen.

Abbildung 2: 6-Blatt-, 8-Blatt- und 10-Blatt-Rotorkonfigurationen

Bei allen Ventilen sind die Abstände zwischen den Rotorblättern und dem Gehäuse bzw. den Endplatten festgelegt. Der Abstand variiert je nach Faktoren wie Größe, Temperatur, Material und Service. Typischerweise gilt: Je größer das Ventil, desto größer der Spielraum, was einem größeren Leckagegasvolumen entspricht.

Die richtige Betriebstemperatur ist einer der am häufigsten übersehenen Parameter. Wenn das Ventil für eine höhere Temperatur ausgelegt ist und bei niedrigerer Temperatur betrieben wird, sind die Abstände viel größer als nötig. Abhängig von den Materialeigenschaften besteht die Möglichkeit, dass das Material selbst bis zur Hälfte des Zwischenraums blockiert, was die Gasleckage verringern würde.

Unabhängig von der Größe des Ventils hat die Anzahl der Flügel am Rotor Einfluss auf die Gasleckage des Ventils. Die Darstellung in Abbildung 2 zeigt verschiedene Rotorkonfigurationen. Links ist ein sechsblättriger Rotor zu sehen. Bei der minimalen Anzahl an Klingen dichtet zu jedem Zeitpunkt mindestens zwei Klingen mit dem Gehäuse ab, bei der maximalen Anzahl wären es vier. Das bedeutet, dass die Luft nur ein oder zwei Hürden auf jeder Seite überwinden muss, um von der Unterseite zur Oberseite des Ventils zu entweichen. Die mittlere Abbildung zeigt einen Achtblattrotor mit mindestens vier abgedichteten Blättern. Das Gas muss auf jeder Seite über zwei oder drei Hürden springen, um durch das Ventil zu gelangen. Die rechte Abbildung zeigt einen 10-Blatt-Rotor, und es sind immer mindestens sechs Rotorblätter dicht, was bedeutet, dass es auf jeder Seite drei oder vier Hindernisse gibt, über die man springen muss.

Fügen Sie Abbildung 3 ein: Diagramme für Acht-Blatt- und Zehn-Blatt-Rotor

Wenn wir uns Abbildung 3 ansehen, können wir abschätzen, wie viel Gas bei einer bestimmten Druckdifferenz durch das Ventil austritt. Anhand der Diagramme können wir verschiedene Ventilgrößen vergleichen und einen Acht-Blatt-Rotor mit einem Zehn-Blatt-Rotor vergleichen. Es ist leicht zu erkennen, dass bei einer höheren Druckdifferenz ein größeres Ventil mit weniger Flügeln zu einer erhöhten Gasleckage führt.

Zum Beispiel:

* 10 Zoll. Rotor

o 8-Blatt-Rotor – 24 [email protected] psi oder 45 [email protected] psi

o 10-Blatt-Rotor – 17 cfm bei 5 psi oder 33 [email protected] psi

* Acht Zoll. Rotor

o Achtblattrotor – 18 [email protected] psi oder 34 [email protected] psi

o 10-Blatt-Rotor – 14 [email protected] psi oder 26 [email protected] psi

Abbildung 4: Zellenradschleuse ohne Leckgasentlüftung

In einem pneumatischen Fördersystem – Druck oder Vakuum – muss diese Leckage bei der Berechnung der richtigen Dimensionierung des Systems berücksichtigt werden. Wenn mehr als zwei Zellenradschleusen in eine Leitung einspeisen, wird ein Absperrschieber darüber empfohlen, um die Leckage bei Stillstand zu stoppen.

Abbildung 5: Eingebaute Entlüftung zur Ableitung von Leckgas

Einschub Abbildung 6: Zellenradschleuse mit Leckgassammler

Neben der Optimierung von Material und Design gibt es mehrere Möglichkeiten, das Leckagegas im Zellenradschleusen zu verringern. Abbildung 4 zeigt eine typische Pelletanwendung, bei der die Luft durch die Pellets nach oben strömt und nur geringe Auswirkungen auf den Betrieb hat. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel einer in das Zellenradschleusengehäuse eingebauten Entlüftung für Pellets und körnige Materialien. Dadurch verringert sich die Gesamtaufbauhöhe im Vergleich zu einem Leckgassammler. Abbildung 6 zeigt einen Leckgassammler, der das Gas entlüftet und seinen Einfluss auf die Ventilrate verringert. Schließlich könnten zwei Ventile übereinander gestapelt werden. Dies würde die Leckage um etwa die Hälfte reduzieren. Dies ist die teuerste Option und hat auch den größten Einfluss auf die Stapelhöhe. Die untere Zellenradschleuse müsste etwas schneller laufen als die obere, um sicherzustellen, dass sich das Material nicht staut.

Luftleckagen in einer Zellradschleuse sind unvermeidbar. Eingestellte Abstände sind konstruktionsbedingt vorgesehen, aber wenn die Luftleckage nicht eingehalten wird und die Empfehlungen des Herstellers überschreitet, kommt es zu Betriebsproblemen und höchstwahrscheinlich zum Ausfall des Ventils. Für Verarbeiter ist es wichtig zu verstehen, was die Möglichkeit einer Luftleckage beeinflussen kann, z. B. Materialeigenschaften, Ventilgröße, Anlagengasqualität, Umweltfaktoren und sogar das Konstruktionsmaterial des Ventils. Wenden Sie sich an Ihren Ventilhersteller oder Systemlieferanten, um Best Practices zur Minimierung von Luftleckagen an Ihrem Zellenradschleusen zu ermitteln, unabhängig davon, ob Sie eine neue Anwendung entwerfen oder eine bestehende Anwendung verbessern.

Matt Burt ist Vertriebsleiter für Komponenten und Ron Van Ostenbridge ist Junior Business Development Manager für Komponenten bei Coperion K-Tron. Coperion ist ein internationaler Markt- und Technologieführer in den Bereichen Compoundier- und Extrusionsanlagen, Dosier- und Wägetechnik, Schüttguthandlingsysteme sowie Dienstleistungen. Coperion entwirft, entwickelt, produziert und wartet Systeme, Maschinen und Komponenten für die Kunststoff-, Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Mineralienindustrie. Für weitere Informationen besuchen Sie www.coperion.com oder senden Sie eine E-Mail an [email protected]

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