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Konstruktionsberechnungen für Schneckenförderer

Konstruktion von Schneckenförderern

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Seitenübersicht
1. Definition eines Schneckenförderers
2. Position im Prozess
3. Wichtige Überlegungen für die Konstruktion
4. Gestaltung der Schneckenwendel
5. Dosierung
6. Häufige Probleme bei Schneckenförderern

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1. Konstruktionsverfahren

Wie dimensioniert man einen Schneckenförderer?

In der Industrie finden sich verschiedene Konstruktionsverfahren. Das hier vorgestellte Verfahren basiert auf der CEMA-Methodik. Es ermöglicht eine grundlegende Auslegung, ist jedoch nicht für eine detaillierte Konstruktion und Fertigung vorgesehen – WENDEN SIE SICH IMMER AN EIN ANERKANNTES UNTERNEHMEN, BEVOR SIE EINEN SCHNECKENFÖRDERER FERTIGEN, z. B. an Unternehmen, die Teil der CEMA-Vereinigung sind.

Das in dieser Seite vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Näherung der Kapazität des Schneckenförderers unter Berücksichtigung verschiedener Konstruktionsparameter wie [...] Die Methodik zielt auf die Auslegung relativ großer Schnecken für Kohle-, Zement- usw. Industrien ab. Für kleinere Schnecken sollten die Ergebnisse des Verfahrens kritisch überprüft werden.

Eine typische Konstruktion eines Schneckenförderers ist unten dargestellt:

Abbildung 1: Prinzipskizze eines Schneckenförderers und dessen Hauptkomponenten

2. Konstruktion eines neuen Schneckenförderers

Bekannt: Erforderliche Kapazität des Schneckenförderers, Material
Unbekannt: Schneckengröße und -eigenschaften

2.1 Vereinfachte Formel

Die Kapazität eines Schneckenförderers mit einer Standard-Schneckenwendel kann wie folgt abgeschätzt werden:

Mit

Q = Förderkapazität der Schnecke in kg/h
D = Schneckendurchmesser in m
S = Steigung der Schnecke in m
N = Drehzahl der Schnecke in U/min
α = Füllgrad
ρ = Schüttdichte des Materials in kg/m³
C = Neigungskorrekturfaktor

Schritt 1: Anforderung definieren

Definieren Sie die für den Schneckenförderer erforderliche Kapazität. Die Konstruktion der Schnecke muss eine Kapazität erreichen, die gleich oder größer als dieser Wert ist.

Beispiel: Die Anforderung für eine Zucker fördernde Schnecke beträgt 3500 kg/h.

Schritt 2: Berechnung der Kapazität des Schneckenförderers

• Nehmen Sie einen Durchmesser D an

• Definieren Sie die Steigung (abhängig von den Eigenschaften des zu fördernden Produkts, unter anderem) entsprechend dem Durchmesser der Schnecke.

Steigung	Steigungslänge S
Standard	S = D
Kurz	S = 2/3 * D
Halb	S = D/2
Lang	S = 1,5 * D

• Schätzen Sie den Füllgrad α der Schnecke anhand der Fließeigenschaften des zu fördernden Schüttguts

Material	Minimaler Füllgrad	Maximaler Füllgrad
Nicht frei fließend	0,12	0,15
Durchschnittliche Fließfähigkeit	0,25	0,30
Frei fließend	0,4	0,45

Zu beachten ist, dass dies nur Größenordnungen sind. Die Werte können höher oder niedriger sein; in manchen Fällen kann der Füllgrad sogar 95 % erreichen.

• Legen Sie fest, ob der Schneckenförderer horizontal (was immer vorzuziehen ist) oder geneigt sein muss. Bestimmen Sie den entsprechenden Korrekturfaktor.

Neigung in °	Korrekturfaktor C
0	1
5	0,9
10	0,8
15	0,7
20	0,65

• Passen Sie die Drehzahl der Schnecke so an, dass die Kapazität der Schnecke höher als die Anforderung ist.

Beispiel:

• Der angenommene Durchmesser beträgt 0,1 m
• Keine spezifische Anforderung an die Schnecke, die Steigung wird standardmäßig gewählt, S = 0,1 m
  
• Zucker ist frei fließend, ein Füllgrad von 0,45 wird gewählt
• Die Schnecke ist ohne Neigung installiert, C = 1
• Die Schüttdichte von Zucker beträgt 800 kg/m³

Die Berechnung ergibt 17 kg/h bei 1 U/min. Durch Anpassung der Drehzahl sind 207 U/min erforderlich, um eine Kapazität von 3500 kg/h zu erreichen.

Schritt 3: Vergleich der berechneten Kapazität mit der maximalen Schneckendrehzahl

Einige Referenzwerte für maximale Schneckendrehzahlen sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Schneckendurchmesser in m	15 %	30%A	30%	45%
0,1	69
0,15	66
0,23	62
0,25	60
0,30	58
0,36	56
0,41	53
0,46	50
0,51	47
0,61	42

Falls die im Schritt 2 berechnete Drehzahl kleiner ist als die maximale Drehzahl für den ausgewählten Schneckendurchmesser, kann das Design beibehalten werden.

Falls die im Schritt 2 berechnete Drehzahl größer ist als die maximale Drehzahl für den ausgewählten Schneckendurchmesser, ist das Design nicht geeignet, und die Berechnung muss durch Änderung eines Parameters, in der Regel des Durchmessers, erneut durchgeführt werden.

Beispiel:

• Der gewählte Durchmesser betrug 0,1 m, für den bei einer 45%igen Füllung eine maximale Schneckendrehzahl von 190 U/min empfohlen wird.
• Die berechnete Drehzahl ist zu hoch; die Berechnung muss durch Änderung eines Parameters wiederholt werden. Es kann ein größerer Durchmesser gewählt werden, z. B. D = 0,15 m.
• Die Berechnung wird erneut durchgeführt, und diesmal ergibt sich eine Drehzahl von 62 U/min. Da diese unter der maximal empfohlenen Drehzahl liegt, kann das Schneckendesign ausgewählt werden.

2.2 Alternative Formel nach CEMA

Der CEMA-Verband gibt die Förderkapazität eines Schneckenförderers wie folgt an:

C = 0,7854*(Ds²-Dp²)*P*K*60/1728

Mit:

C = Kapazität in ft³/h/Umin
Ds = Außendurchmesser der Schneckenwindung in Zoll
Dp = Durchmesser der Welle/Rohrs, das die Schneckenwindung trägt, in Zoll
P = Steigung der Schnecke in Zoll
K = Füllgrad der Schneckenrinne in %

Dies ist die Kapazität pro 1 U/min. Falls die Abmessungen einer bestehenden Schnecke bekannt sind, kann die Förderkapazität in m³/h durch Multiplikation mit der tatsächlichen Drehzahl der Schnecke ermittelt werden.

Die Formel liefert ähnliche Ergebnisse wie die oben genannte.

Drehzahl des Schneckenförderers

Die Drehzahl des Schneckenförderers kann durch Division der erforderlichen Kapazität Q durch die berechnete Kapazität C ermittelt werden: N = Q/C.

Sie kann auch wie folgt berechnet werden, wenn Standard-Schneckenauslegungen verfügbar sind: N = Q*CF₀*CF₁*CF₂*CF₃/C₁

Mit:

N = Schneckendrehzahl in U/min
Q = erforderliche Kapazität in ft³/h
C₁ = Förderkapazität bei 1 U/min (tabelliert)
CF₀ = Überlastfaktor = 1,1 bis 1,2
CF₁ = Steigungsfaktor der Schnecke
CF₂ = Faktor für die Art der Schneckenwindung
CF₃ = Mischpaddel-Faktor

Überprüfung der Kapazität eines bestehenden Schneckenförderers

4. Leistungsbedarf des Schneckenförderers

5. Berechnungsbeispiel

Angenommen, ein Ingenieur möchte einen Schneckenförderer für den Transport von Weizenmehl mit 5 t/h auslegen.

Bei einer Dichte von ca. 0,510 kg/m³ ergibt sich ein Volumenstrom von 5000/0,510 = 9800 l/h = 9,8 m³/h. Zur Umrechnung in ft³/h muss mit 35,3147 multipliziert werden, was 346 ft³/h ergibt.

SCHRITT 1: Anforderungen verstehen

Die Schnecke soll horizontal betrieben werden, nicht geneigt. Es besteht kein besonderer Bedarf an speziellen Windungen, daher wird eine Standardwindung verwendet (nicht geschnitten, kein Band, keine Paddel usw.).

Mehl fließt gut und ist fein; der Füllgrad wird mit mindestens 45 % angenommen.

SCHRITT 2: Annahme einer Schneckengröße

Als Ausgangswert wird ein Schneckendurchmesser von 150 mm (ca. 6 Zoll) angenommen. Es wird eine Standardsteigung angenommen.

SCHRITT 3: Definition der Standardkapazität der Schnecke

Aus Tabellen: Ein 6-Zoll-Schneckenförderer mit 45 % Füllgrad hat eine Kapazität von 368 ft³/h bei 165 U/min bzw. 2,23 ft³/h bei 1 U/min.

SCHRITT 4: Berechnung der erforderlichen Drehzahl

N = 346 * 1,2 * 1 * 1 * 1 / 2,23 = 186 U/min

SCHRITT 5: Überprüfung, ob N < maximale Drehzahl der Schnecke

186 U/min ist höher als 165 U/min; es muss eine größere Baugröße gewählt werden.

Der gleiche Ansatz wird für einen 9-Zoll-Schneckenförderer wiederholt. Aus den Tabellen: Ein 9-Zoll-Schneckenförderer mit 45 % Füllgrad hat 1270 ft³/h bei 165 U/min bzw. 8,20 ft³/h bei 1 U/min.

N = 346 * 1,2 * 1 * 1 * 1 / 8,20 = 50 U/min

Diesmal liegt die erforderliche Drehzahl deutlich unter dem tabellierten Wert. Die Schnecke kann ausgewählt werden.

Schneckenförderer werden üblicherweise unter Trichtern platziert, um das Produkt horizontal zu einem weiteren Verarbeitungsschritt zu fördern. Wenn die Förderung auch eine Dosierung umfasst, wird der Schneckenförderer tatsächlich als **Dosiergerät** eingesetzt.

Schneckenförderer können Feststoffe auch in ein pneumatisches Fördersystem einspeisen. In den meisten Fällen werden sie für Vakuumförderung eingesetzt, da hier\kein Druckproblem besteht. Einige Konstruktionen eignen sich jedoch auch, um das Produkt in eine Druckförderleitung zu speisen. Für diesen Zweck muss die Schneckenwindung so ausgelegt sein, dass eine Verdichtung des Feststoffs möglich ist, damit der gebildete Pfropfen verhindert, dass die Druckluft der Förderleitung durch die Schnecke zurückströmt. Dies ist nicht für alle Produkte geeignet. Für die Druckförderung werden daher **Drehschieber-Zellenradschleusen** in der Regel gegenüber Schneckenförderern für die Produkteinspeisung bevorzugt.

Schneckenförderer finden sich in allen Industrien, die Schüttgüter verarbeiten, um diese zu fördern und/oder zu dosieren:

- Lebensmittelverarbeitung
- Pharmazeutische Industrie
- Getreide-/Tierfutterproduktion
- Wasseraufbereitung (Schlammverarbeitung)
- ...

3. Wichtige Überlegungen

Was ist bei der Auslegung eines Schneckenförderers zu beachten?

Industrielle Schneckenförderer können sehr lang sein (über 5 m), jedoch eignet sich diese Bauart nur für unempfindliche Produkte und wenn keine Reinigung erforderlich ist. Tatsächlich ist es nicht möglich, die Wendel solcher Schnecken zu entfernen. Zwar existieren Konstruktionen, die den Zugang zum Inneren ermöglichen (z. B. Trogausführung), jedoch ist die Reinigungswirkung verringert und die Reinigungsdauer verlängert. Zudem neigt die lange Schnecke zu Durchbiegung und möglichen Metall-Metall-Kontakten mit dem Gehäuse, was das Produkt mit Metallspänen verunreinigen kann. Als Referenz: Eine 4 m lange Schneckenwendel kann sich bis zu 7–8 mm von der geraden Wellenachse verbiegen. Wurden keine geeigneten Maßnahmen zur Kompensation dieser Durchbiegung getroffen, kann es zu Metall-Metall-Kontakt kommen.

Für hygienische Anwendungen erscheint es sinnvoll, folgende Merkmale anzufordern:
- Kurze Schnecken
- Herausnehmbare Wendeln
- 2 Lager (obwohl auch freitragende Ausführungen für sehr kurze Schnecken von 1–1,5 m verfügbar sind)
- Horizontaler Betrieb
- Umfangsgeschwindigkeit von 1 m/s und druckbeaufschlagte Lagerdichtungen – für ATEX- Prävention

Geneigte Schnecken sind zwar verlockend, da sie viele verfahrens- technische Probleme lösen – insbesondere bei Nachrüstungen –, jedoch ist Vorsicht geboten: Solche Schnecken sind in der Regel schwer zugänglich und schwer zu reinigen, möglicherweise anfälliger für Durchbiegung und Metall-Metall-Kontakt und weniger effizient (die Effizienz sinkt mit zunehmendem Neigungswinkel).

Tabelle 1: Förderkapazität von Schneckenförderern in Abhängigkeit von der Neigung

Schneckenwinkel (Grad)	Prozent der Maximalleistung (%)
<8	100
20	55
30	30
45	0

In der Verfahrenstechnik kommen verschiedene Arten von Schneckenförderern zum Einsatz:

- Schneckenförderer mit Welle
- Wellenlose "Schweineschwanz"-Schneckenförderer
- Flexible Schneckenförderer
- Trogschneckenförderer oder Rohrschneckenförderer
- Einfach- oder Doppelschnecken (insbesondere in gravimetrischen Dosierern)

Schneckenförderer sind rotierende Maschinen und bergen daher Risiken für Bediener, die versuchen, den Ein- oder Auslass der Schnecke zu erreichen. Aus diesem Grund ist den Einlauf- und Fallrohren besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Falls diese mit flexiblen Elementen ausgestattet sind, müssen diese nur mit Werkzeug demontierbar sein, und der Bediener ist darin zu schulen, die Maschine bei Bedarf anzuhalten. Falls dies nicht möglich ist, kann ein Kreuz im Rohr eingebaut werden, um den Zugang zur Wendel zu blockieren, sofern dies den Produktfluss nicht behindert. In jedem Fall muss der Anlagenbetreiber eine Risikoanalyse durchführen, um sicherzustellen, dass der Zugang ausreichend geschützt ist.

4. Auslegung von Schneckenförderern

Welche Merkmale weist eine Schneckenwendel auf (Steigung usw.)?

Die Schneckenwendel kann je nach Anwendung unterschiedliche Formen und Steigungen aufweisen.

- Standardwendel: konstante Steigung = 1 × Durchmesser; geeignet für die meisten Anwendungen

- Kurze Steigung: wird für geneigte Schnecken verwendet, eignet sich auch für leicht fluidisierbare Materialien

- Zunehmende Steigung: kleinere Steigung am Anfang der Schnecke; kann unter Trichtern eingesetzt werden, um eine konstante Dosierung zu gewährleisten.

- Abnehmende Steigung: große Steigung am Anfang und kleinere am Ende; erzeugt Kompression. Diese Bauart ist unüblich und kann zu hohem Axialschub, erhöhtem Leistungsbedarf und mechanischen Schäden führen. Bei korrekter Auslegung können solche Wendeln als Zuführeinrichtungen für Drucksysteme dienen, da das am Ende komprimierte Pulver als "Stopfen" wirkt und verhindert, dass Gas in Richtung Schnecke entweicht.

- Bandwendel: wird hauptsächlich für klebrige Materialien verwendet

Weitere Ausführungen mit Rührflügeln oder unterbrochenen Wendeln sind verfügbar, wenn eine Materialmischung erforderlich ist.

In Anwendungen mit hohen Hygieneanforderungen muss die Welle massiv (nicht hohl) ausgeführt sein, und die Wendel muss vollständig verschweißt und poliert sein. Dies verhindert, dass sich Material in unzugänglichen Bereichen ansammelt und später gute Chargen verunreinigt.

Welle und Motor müssen präzise fluchtend ausgerichtet sein, damit der Motor die Schnecke antreiben und aus dem Stillstand oder unter Überlast starten kann – Bedingungen, die das höchste Drehmoment erfordern. Umgekehrt muss die Welle so ausgelegt sein, dass sie diesem Drehmoment standhält und nicht bricht.

5. Dosierung

Bei Dosieranwendungen muss die Schnecke mit einem Frequenzumrichter-Motor ausgestattet sein, um Grob- und Fein- geschwindigkeiten zu ermöglichen (siehe Dosier -Seite). Schneckenförderer werden häufig in automatische "Gewichts- zuwachs"- oder "Gewichtsverlust"-Systeme integriert. Im Gewichtsverlust-Modus kann der Schneckenförderer entweder volumetrisch oder automatisch gravimetrisch betrieben werden.

6. Häufige Probleme bei Schneckenförderern

Schneckenförderer sind zwar in der Regel zuverlässige Maschinen, jedoch können bestimmte Probleme Korrekturen erfordern:

Tabelle 2: Häufige Probleme bei Schneckenförderern

Problem	Ursache und Maßnahme
Metall-Metall-Kontakt	Lagerschaden – Lager austauschen Falsches Spiel zwischen Wendel und Gehäuse – Konstruktion überprüfen oder Wendel austauschen Fremdkörper in der Schnecke – Fremdkörperprävention vor dem Schneckenförderer überprüfen
Lagerschaden	Pulver ist in das Lager eingedrungen – Dichtung und Spülung des Lagers prüfen
Leistung unter den Auslegungswerten	Wendel falsch herum montiert Schlechte Produktzufuhr zur Schnecke – Brückenbildung oder Rattenlöcher im Trichter prüfen
Schneckenförderer blockiert	Prüfen, ob das Auslassventil geöffnet ist Steigung der Schnecke prüfen – das Pulver darf nicht verdichtet werden
Ungenauigkeiten bei der Dosierung	Schnecke zu groß – Schneckengröße prüfen oder Wendelprofil am Schneckenende anpassen