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Auslegungsmethode für Dichtphasen-Pneumatikförderleitungen

Hochskalierungsberechnung aus Pilotversuchen

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Methode und Einschränkungen
2. Berechnungsverfahren für Dichtphasen-Fördersysteme basierend auf Versuchsanlagenergebnissen
3. Auslegungsbeispiel für ein Dichtphasen-Fördersystem
4. Excel-Berechnungstool für Dichtphase (Hochskalierung)
5. Veröffentlichte Methoden zur Auslegung von Dichtphasen-Pneumatikförderungen – Druckverlustberechnung in der Dichtphase

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1. Methode und Einschränkungen

Wie legt man eine Dichtphasen-Pneumatikförderleitung aus und dimensioniert sie?

Es gibt nur wenige veröffentlichte Methoden zur Berechnung von Dichtphasen-Pneumatikfördersystemen doch das meiste Wissen verbleibt bei spezialisierten Herstellern. Während dilute-Phasen-Pneumatikförderleitungen mit Modellen recht zuverlässig ausgelegt werden können, gilt dies für die Dichtphasenförderung weniger. Daher werden fast immer Pilotversuche durchgeführt, um eine neue Anlage auszulegen und die Modellergebnisse zu überprüfen bzw. anzupassen.

Abbildung 1: Typisches Dichtphasen-Fördersystem

Die folgenden Berechnungen zeigen, wie die Ergebnisse der - oder in manchen Fällen herunterskaliert werden - der Versuchsanlage hochskaliert werden, um eine industrielle Leitung auszulegen. Besonders wird auf die konstant zu haltenden Parameter eingegangen.

2. Berechnungsverfahren: Auslegung von Dichtphasen-Förderungen basierend auf Versuchsanlagenergebnissen

Um aussagekräftige Testergebnisse zu erhalten, müssen folgende Punkte sichergestellt sein:

• Die Versuchsleitung hat eine ähnliche Länge, aber vor allem eine ähnliche Anzahl an Bögen wie die industrielle Leitung.

• Das Feststoff-Beladungsverhältnis ist ähnlich wie für die geplante industrielle Leitung.

• Die Aufnahmegeschwindigkeit und die Endleitungsgeschwindigkeit werden bestimmt und für Versuchs- und Industrieleitung gleich gehalten.

Feststoffbeladung und Luftgeschwindigkeit sind somit die Konstanten für die Hochskalierung. Der Rohrdurchmesser und der volumetrische Luftstrom müssen demzufolge angepasst werden.

Wenn die oben genannten Konstanten eingehalten werden, sollte der in den Tests beobachtete Druck industriell identisch sein. Somit können der industrielle Rohrdurchmesser und der industrielle Luftvolumenstrom wie folgt berechnet werden:

Rohrdurchmesser

Der Massenstrom pro Einheit der Rohrquerschnittsfläche bleibt konstant:

ṁ_{p_indus}/S_{_indus} = ṁ_{p_pilot}/S_{_pilot}

Der Luftvolumenstrom kann dann wie folgt berechnet werden:

Q_{_Luft_indus_N} = S_{_indus} * u_{_Aufnahme} * ρ / ρ_{_N} in Nm^³/h

Mit:

ṁ_{_p_indus} = hochskalierter Produktmassenstrom in kg/h
ṁ_{_p_pilot} = in der Versuchsanlage beobachteter Produktmassenstrom in kg/h
S_{_indus} = hochskalierter Rohrquerschnitt in m^²
S_{_pilot} = in der Versuchsanlage verwendeter Rohrquerschnitt in m^²
D = hochskalierter Rohrdurchmesser in m
d = in der Versuchsanlage verwendeter Rohrdurchmesser in m
Q_{_Luft_indus_N} = hochskalierter Luftvolumenstrom in Nm^³/h
u_aufnehmen = Luftgeschwindigkeit zu Beginn der Leitung, in der Versuchsanlage BEOBACHTET; Parameter wird für den Scale-up konstant gehalten
ρ = spezifisches Gewicht der Luft am Anfang der Förderleitung, abgeleitet aus dem in der Versuchsanlage BEOBACHTETEN Druck und als konstant für den industriellen Maßstab ANGENOMMEN, in kg/m^³
ρ_N = spezifisches Gewicht der Luft unter Normbedingungen in kg/m^³

3. Berechnungsbeispiel zur Auslegung einer dichten Phase in einer pneumatischen Förderanlage

Beispiel zur Dimensionierung einer dichten Phase in einer pneumatischen Förderleitung basierend auf Versuchsanlagenergebnissen

Ein Versuch wird organisiert, um eine industrielle pneumatische Förderleitung in dichter Phase für ein bruchempfindliches Material auszulegen. Die industrielle Leitung muss 8 t/h fördern können, die Rohrleitung ist 50 m lang (davon 15 m vertikal) und weist 5 Bögen auf.

Für die Auslegung werden folgende Daten benötigt:

Ein Versuch in einer Versuchsanlage wird mit einer Leitung mit 60 mm Durchmesser durchgeführt. Die Leitung ist 50 m lang, mit nur 5 m Höhenunterschied, aber 5 Bögen. Die Versuche bestätigen die Möglichkeit, das Material in dichter Phase zu fördern. Die Testergebnisse sind wie folgt:

Folgende Berechnungen können durchgeführt werden:

• Q_luft = 67 * 1 / 2,2 = 30,5 m^³/h
• U_aufnehmen = 30,5 / (π * 0,06^²/4) / 3600 = 3 m/s
• m_luft = 67 * 1,2 = 80 kg/h
• τ = 2000 / 80 = 25

Der Materialstrom und der relative Luftstrom zum Rohrquerschnitt bleiben beim Scale-up erhalten.
Für das Beispiel: D = (8000 / 2000 * 0,06^²)^{^0,5} = 0,12 m
Die Förderluftgeschwindigkeit bleibt zwischen dem Pilotversuch und der industriellen Installation konstant, sodass der Luftvolumenstrom berechnet werden kann:
Q_luft = U_aufnehmen * S_indus = 3 * π * D^² /4 = 122 m^³/h bei 1,2 bar (ü)
Dies entspricht 267 Nm^³/h

Zusammenfassung

Da die industrielle Anlage eine höhere Elevation als die Versuchsanlage aufweist, sollte der Konstrukteur den zusätzlichen Druck berücksichtigen, der durch die Produktsäule zum Heben entsteht, und die Berechnung entsprechend anpassen – hier nicht detailliert dargestellt.

4. Excel-Berechnungstool für dichte Phase (Scale-up)

Sie können das Excel-Berechnungsblatt hier herunterladen

Wie oben erwähnt, ist die Förderung in dichter Phase stets ein anspruchsvoller Förderprozess, und die Auslegung sollte immer in Zusammenarbeit mit einem anerkannten Fachunternehmen erfolgen. Das oben beschriebene Verfahren dient lediglich der Sensibilisierung und gibt eine grobe Vorstellung vom Scale-up, nicht jedoch für eine detaillierte Auslegung.

Dieses Scale-up-Verfahren kann auch für die verdünnte Phase angewendet werden.

5. Veröffentlichte Methoden zur Auslegung von dichten pneumatischen Fördersystemen – Druckverlustberechnung in der dichten Phase

Auslegungsberechnungsmethoden für die Förderung in dichter Phase, die im Wesentlichen auf die Berechnung des Druckverlusts eines pneumatischen Fördersystems in dichter Phase basieren – gegeben durch Rohrleitungslayout, Materialeigenschaften und Durchsatz – werden in Fachbüchern zur Schüttguttechnik nur selten detailliert behandelt, mit wenigen Ausnahmen, zumindest nach Kenntnis des Autors dieser Website. Daher ist es für Ingenieure außerhalb spezialisierter Unternehmen, die solche Systeme herstellen, besonders schwierig, selbst grobe Auslegungen für pneumatische Fördersysteme in dichter Phase durchzuführen. Dieser Abschnitt versucht, eine Literaturübersicht der veröffentlichten Methoden und Forschungsergebnisse zur pneumatischen Förderung in dichter Phase zu geben, die für Ingenieure in diesem Bereich von Interesse sein könnten:

Autor	Buchtitel, Artikel oder Dissertation	Jahr	Beschreibung
Sprouse und Schuman	Dichtephase-Förderung von pulverisierter Kohle im gleichmäßigen Pfropfenstrom (AICHE Journal)	1983	Spezifisch für kontinuierliche dichte Phase (Kolbenströmung)
Luis Sancheza, Nestor A. Vasqueza, George E. Klinzing, Shrikant Dhodapkarb	Bewertung von Modellen und Korrelationen zur Schätzung des Druckverlusts bei pneumatischer Förderung in dichter Phase und eine experimentelle Analyse (Powder Technology)	2005	Vergleicht mehrere Modelle; das Mi-Modell zeigt die beste Übereinstimmung mit dem Datensatz
Bo Mi	B. Mi, Niedriggeschwindigkeits-Pneumatiktransport von Schüttgütern	1994	Stellt ein Modell für die horizontale Förderung in dichter Phase vor
Geldart und Ling	Pneumatische Förderung von Feinkohle in dichter Phase bei hohen Gesamtdrücken (Powder Technology)	1990	Modell für die Förderung in dichter Phase
G.E. Klinzing, F. Rizk, R. Marcus, L.S. Leung	Pneumatische Förderung von Feststoffen: Ein theoretischer und praktischer Ansatz (Springer)	2010	Teile des Buches behandeln die pneumatische Förderung von Feststoffen in dichter Phase
Mills	Pneumatische Fördertechnik: Design-Leitfaden (Butterworths) Seite 421	2013	Mills wendet die "Universal Conveying"-Methode auf die Förderung in dichter Phase an, allerdings bei relativ hohen Kapazitäten und Drücken