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Zellenradschleuse

Drehzellenförderer

Sternradschleuse

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Einführung
2. Durchfall-Zellenradschleuse und Durchblas-Zellenradschleuse
3. Spielraum und Kontakterkennung bei Sternradschleusen
4. Explosionsschutz
5. Entgasung von Zellenradschleusen
6. Dimensionierung von Zellenradschleusen
7. Fehlerbehebung

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Eine Zellenradschleuse, auch Drehzellenförderer oder Sternradschleuse genannt, ist eine mechanische Fördervorrichtung, die zur Steuerung des Schüttgutstroms (Pulver, Pellets, Granulate usw.) dient. Solche Zellenradschleusen werden in pneumatischen Fördersystemen als Übergang zwischen Druckbereichen eingesetzt. Sie werden häufig vor einem pneumatischen Fördersystem verwendet, um Feststoffe in die Förderleitung (verdünnte Phase) einzubringen, oder am Empfänger, wo die Luft von den geförderten Feststoffen getrennt wird.

1. Einführung

Zellenradschleusen werden an Schnittstellen der Schüttgutverarbeitung eingesetzt, typischerweise wenn es notwendig ist, zwei Bereiche mit unterschiedlichen Bedingungen (meist Druck) voneinander zu trennen, während der Feststoff von einem Bereich in den anderen übergeht.

Sternradschleusen, auch Zellenradschleusen genannt, werden daher am Anfang und am Ende pneumatischer Fördersystemeeingesetzt. Sie ermöglichen den Transport des Feststoffs von einer Niederdruckzone in eine Hochdruckzone am Anfang der Leitung und unterstützen die Trennung des Feststoffs vom Luftstrom am Ende der Leitung.

Solche Schleusen können eine grobe Dosierung durchführen und werden daher auch als Dosiergeräte installiert, obwohl dies nicht als gute Praxis gilt.

Im Vergleich zu anderen Dosiergeräten bieten Zellenradschleusen folgende Vorteile:

Tabelle 1: Sternradschleuse im Vergleich zu anderen Dosiergeräten

Vorteile	Nachteile
Durchgehender Betrieb Einfache (aber grobe) Durchsatzanpassung, falls Motor mit Frequenzumrichter (VFD) Geringer Platzbedarf Einige Konstruktionen mit einfachem Zugang zur Reinigung	Förderpulsation (diskontinuierliche Entleerung der Zellen) Luftleckage Zerkleinerung großer Partikel / Pellets Kann durch abrasive Produkte beschädigt werden Begrenzter Betriebsdruck Empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen Anspruchsvolle Wartung – erfordert gut geschultes Personal Kann zu Fremdkörpervorfällen führen, wenn nicht korrekt montiert

Es gibt zwei Arten von Zellenradschleusen: den Durchfall-Typ und den Durchblas-Typ. Beide Typen erzielen im Grunde dieselben Ergebnisse, unterscheiden sich jedoch leicht in Funktionsweise und Eigenschaften.

2. Durchfall-Zellenradschleuse und Durchblas-Zellenradschleuse

Durchfall-Zellenradschleuse

Durchfall-Zellenradschleusen "lassen das Produkt fallen" in die darunterliegende Leitung oder Ausrüstung. Sie verfügen über einen Einlassflansch und einen Auslassflansch.

Abbildung 1: Frontansicht einer Durchfall-Sternradschleuse

Durchblas-Zellenradschleuse

Durchblas-Sternradschleusen sind direkt mit einer Förderleitungverbunden. Die in der Förderleitung verwendete Luft strömt daher direkt durch die Zellen der Schleuse und transportiert das Produkt ab.

Typischerweise werden Durchblas-Schleusen eingesetzt, wenn entweder nur eine sehr begrenzte Bauhöhe verfügbar ist oder wenn das Produkt dazu neigt, im Rotor haften zu bleiben. Für andere Anwendungen wird eher der Durchfall-Typ bevorzugt.

Ein direkt in der Rohrströmung befindlicher Rotor kann zu stärkerer Zerstörung des geförderten Produkts führen, insbesondere wenn mehrere Durchblas-Schleusen in Reihe in derselben Rohrleitung angeordnet sind. In solchen Fällen können Durchfall-Schleusen in Betracht gezogen werden, um das Produkt zu schonen.

Abbildung 2: Front- und Seitenansicht einer Durchblas-Sternradschleuse

3. Spielraum und Kontakterkennung bei Sternradschleusen

Sternradschleusen weisen typischerweise einen sehr geringen Spielraum zwischen den Rotorblättern und dem Stator auf. Dies ist notwendig, um eine Luftabdichtung zwischen den Bereichen mit unterschiedlichen Drücken zu gewährleisten.

Der typische Spielraum für Zellenradschleusen beträgt 0,1 mm und liegt in der Regel zwischen 0,05 mm und 0,25 mm, abhängig von den Anforderungen an die Schleuse (z. B. hoher Druckunterschied auf beiden Seiten der Schleuse). Dieser sehr geringe Spielraum erklärt, warum Zellenradschleusen häufig Kratzer durch Kontakt zwischen Rotor und Stator aufweisen. Die folgende Tabelle fasst die häufigsten Ursachen für Kontakte zusammen. (großer Druckunterschied auf beiden Seiten der Schleuse oder nicht). Aufgrund des sehr geringen Spielraums kommt es häufig zu Kratzern durch Rotor-/Stator-Kontakt. Die folgende Tabelle fasst die Hauptursachen für Kratzer bei Sternradschleusen zusammen.

Tabelle 2: Fehlerbehebung – Hauptursachen für Kratzer bei Sternradschleusen

Hauptursachen für Kratzer bei Zellenradschleusen	Vermeidungsmaßnahmen
Falsches Demontieren / Wiederzusammenbauen	Schulung von Bedienpersonal / Mechanikern Verwendung von Konstruktionen mit Extraktionseinrichtungen
Fremdkörper zwischen Rotor und Stator eingeklemmt	Sieb und Magnet im vorgelagerten Prozess installieren
Thermische Ausdehnung verringert den Spielraum	Korrekte Spezifikation der Schleuse und Auslegung des Prozesses (Nachkühler, Temperatursensor)

Kratzer können verschiedene Folgen haben: Blockierung der Schleuse, verminderte Luftabdichtung, Entstehung von Fremdkörpern. Es kann erforderlich sein, die Schleuse nach einem Kratzer nachzupolieren, was lokal zu einer Vergrößerung des Spielraums und einer Verringerung der Dichtfähigkeit der Schleuse führt.

Zu beachten ist, dass einige Konstruktionen entwickelt wurden, bei denen die Blätter eine einstellbare, angeschraubte Spitze aufweisen. Wenn die Spitze aus weichem Material wie Nylon besteht, kann sie den Stator berühren, ohne ihn zu beschädigen. Sie unterliegt jedoch Verschleiß und hat ein begrenztes Anwendungsspektrum.

4. Explosionsschutz

Eine Zellenradschleuse kann als Isolationselement verwendet werden, um die Ausbreitung einer Staubexplosion in einer Anlage zu verhindern. Dafür muss die Zellenradschleuse zertifiziert sein, um explosionsdruckstoßfest und flammendurchschlagsicher zu sein.

Um diese Eigenschaften zu erreichen, muss die Schleuse so konstruiert sein, dass:

• Gehäuse und Rotor dem Explosionsdruck standhalten – typischerweise 10 bar (ü)

• der Spielraum zwischen den Blattspitzen und dem Gehäuse weniger als 0,2 mm beträgt

• mindestens 2 Blätter auf jeder Seite der Schleuse mit dem Gehäuse in Kontakt stehen (d. h., die Gesamtzahl der Blätter muss ≥ 8 betragen)

Es ist sehr wichtig, den Spielraum regelmäßig zu überwachen, da Verschleiß der Schleuse dazu führen kann, dass der Spielraum 0,2 mm überschreitet, was die flammendurchschlagsicheren Eigenschaften der Schleuse beeinträchtigt.

5. Entgasung von Zellenradschleusen

Ein geringer Spielraum ermöglicht eine gute Abdichtung und reduziert die Leckage der Zellenradschleuse. Dennoch tritt selbst bei verringertem Spielraum eine gewisse Leckage auf. Zudem wird die in jeder Zelle eingeschlossene Luft freigesetzt, wenn die Zelle in den Niederdruckbereich gelangt. Dies führt zu Luftleckagen.

Die Luftleckage steigt mit dem Druckunterschied und nimmt mit der Drehzahl der Schleuse zu. Sie kann die Leistung der Schleuse stark beeinträchtigen, insbesondere bei leichten Pulvern, da die freigesetzte Luft das Pulver fluidisiert und verhindert, dass es die Zellen füllt.

Dieses Phänomen zeigt sich in den Leistungskurven von Zellenradschleusen: Die Kapazität erreicht ein asymptotisches Niveau und kann bei hohen Drehzahlen sogar abnehmen, da die Zellen aufgrund der starken Fluidisierung des Produkts nicht mehr gefüllt werden können.

Um dieses Phänomen zu kontrollieren und die Leistung der Schleuse zu verbessern, muss eine ordnungsgemäße Entlüftung der Zellenradschleuse implementiert werden. Ein Entgasungskanal wird seitlich dort angebracht, wo die Zellen zurückkehren, um sie vor der Aufnahme neuen Produkts von der Luft zu befreien. Der Kanal leitet die Luft zu einem Filter, um sie abzulassen.

Abbildung 2: Sternradschleuse mit Entgasungstrichter zur Beschickung eines pneumatischen Förderers

6. Auslegung von Zellenradschleusen

Die Kapazitätsberechnung einer Zellenradschleuse zur Erzielung eines bestimmten Durchsatzes ist abhängig vom Durchmesser der Zellenradschleuse, ihrer Zieldrehzahl und der Beschaffenheit des Produkts,

• Je größer die Zellenradschleuse, desto höher ist die Kapazität.

• Eine höhere Drehzahl bedeutet im Allgemeinen einen höheren Durchsatz, jedoch hört der Durchsatz ab einer bestimmten Geschwindigkeit auf zu steigen

• Je fließfähiger das Pulver ist, desto höher wird der Durchsatz sein. Allerdings können zu leichte Produkte bei einer bestimmten Drehzahl eine Begrenzung des Durchsatzes verursachen.

Der Durchsatz kann anhand von Hersteller-Diagrammen abgeschätzt werden, aber die Kenntnis des Produkts ist eine entscheidende Eingabegröße.

Abbildung 3: Typische Kapazitätskurve einer Zellenradschleuse

Wichtiger Hinweis : Der Durchsatz einer Zellenradschleuse ist nicht linear. Der Durchsatz hört auf zu steigen oder kann sogar abnehmen, wenn eine bestimmte Drehzahl überschritten wird. Dies kann verschiedene Ursachen haben, hauptsächlich liegt es daran, dass die Zeit für das Befüllen und Entleeren der Zellen reduziert wird. Bei leichten Pulvern verhindert die Entgasung der Zellen beim Rückkehren zur Niederdruckseite, dass das Pulver in die Zellen fließt. Dieses Phänomen wird durch den Druckabfall über die Schleuse verstärkt und kann durch ein geeignetes Entlüftungssystem der Zellen gemildert werden. Bei kohäsiven Materialien ist sowohl das Einfließen in die Zellen als auch das Ausfließen in der Austragszone erschwert.

Gleichung 1 : Berechnung der Kapazität einer Zellenradschleuse

Mit:
m = Kapazität in kg/h
V_{_Zelle} = Volumen einer Zelle in Litern
n_{_Zellen} = Anzahl der Zellen
N = Drehzahl in U/min
ρ = Schüttdichte des Pulvers in kg/l
η = Füllgrad – zu berechnen aus Hersteller-Diagrammen

7. Fehlerbehebung bei Zellenradschleusen

Während des Betriebs einer Zellenradschleuse können verschiedene Probleme auftreten. Häufige Probleme sind unter anderem:

• Leistung unter den Auslegungswerten (geringerer Durchsatz als erwartet)

• Beschädigung durch Metall-Metall-Kontakt

• Verschleiß

Für jedes dieser Probleme werden im Folgenden mögliche Ursachen und Abhilfemaßnahmen aufgeführt:

Tabelle 3: Fehlerbehebung – Hauptbetriebsprobleme bei Zellenradschleusen

Beobachtung	Mögliche Ursache	Mögliche Maßnahme
Leistung unter den Auslegungswerten	Die Zellen sind nicht vollständig gefüllt Das Produkt hat eine schlechte Fließfähigkeit, und der Trichter über der Zellenradschleuse ist nicht ordnungsgemäß ausgelegt. Das Produkt blockiert bereits vor Erreichen der Schleuse.	Dies kann durch den Einsatz von Austragshilfen im Trichter behoben werden.
Leistung unter den Auslegungswerten	Die Zellen sind nicht vollständig gefüllt Falls die Schleuse zur Beschickung einer Druckförderleitung verwendet wird, führt Luftleckage zu einer Fluidisierung des Produkts am Einlass der Zellenradschleuse, wodurch das Befüllen der Zellen verhindert wird. Dies kann auf eine falsch spezifizierte Schleuse mit zu großem Spiel, zu wenigen Flügeln oder eine abgenutzte Schleuse mit übermäßigen Spiel zurückzuführen sein. Eine weitere mögliche Ursache ist eine unzureichende Entgasung der leeren Zellen, bevor sie erneut Pulver aus dem Trichter aufnehmen. Schließlich sollte auch die Spüldichtung überprüft werden: Ist der Druck zu hoch eingestellt, kann die durch die Dichtung austretende Luft dem Produktfluss entgegenwirken.	Überprüfen Sie die Spezifikation der Schleuse hinsichtlich des zu überwindenden Druckabfalls Überprüfen Sie die Entgasung der Schleuse und des darüber liegenden Trichters (falls vorhanden) Überprüfen Sie den Druck der Druckluft-Dichtung Hinweis: Zellenradschleusen können mit 6–8–10 Flügeln ausgelegt werden. Je mehr Flügel, desto dichter ist die Schleuse. Allerdings reduziert eine hohe Anzahl von Flügeln auch die volumetrische Kapazität der Schleuse: Ein Optimum zwischen Dichtheit und Zellenkapazität muss gefunden werden.
Leistung unter den Auslegungswerten	Die Zellen können nicht ordnungsgemäß entleert werden Eine schlechte Entleerung der Zellen hängt mit der Fließfähigkeit des Pulvers zusammen. Wenn das Pulver stark kohäsiv ist, kann es in den Zellen der Zellenradschleuse haften bleiben, wodurch das verfügbare Volumen für neues Produkt bei jeder Umdrehung verringert wird.	Es gibt Rotordesigns mit glattem Zellenboden, bei denen sich kein Pulver ansammeln kann und das Pulver leichter aus den Zellen fällt.
Beschädigung durch Metall-Metall-Kontakt	Ein "Kratzen" an einer Zellenradschleuse entspricht einem punktuellen Metall-Metall-Kontakt, der zu Beschädigungen am Rotor und Stator führt. Nach einem solchen Vorfall kann die Schleuse blockiert sein, was ihren Einsatz verhindert. Während des Vorfalls können Metallsplitter in den Produktstrom gelangen, was für bestimmte Produktanwendungen problematisch sein kann.	Um solche Schäden zu vermeiden, ist Folgendes notwendig: - Stellen Sie sicher, dass keine Fremdkörper die Schleuse erreichen (verwenden Sie Siebe und Magnete vor der Schleuse) - Stellen Sie sicher, dass die Schleuse korrekt spezifiziert ist, insbesondere die Betriebstemperatur, da höhere Temperaturen zu Metallausdehnung und damit zu Berührungen führen können - Schulen Sie das Personal in der Wartung der Schleuse, da die meisten Equipment-Schäden auf Rotoren zurückzuführen sind, die nach der Wartung nicht korrekt wieder eingebaut wurden - Verwenden Sie ein System zur Erkennung von Rotor-/Stator-Kontakt Im Schadensfall muss die Schleuse nachbearbeitet oder bei zu großen Spielen nach der Bearbeitung vollständig ausgetauscht werden.
Verschleiß [IAC]	Verschleiß an Zellenradschleusen entspricht mittel- bis langfristigen Schäden an der Schleuse. Zwei Hauptphänomene können zu Abrasion führen: - Produkt wird zwischen Flügelspitze und Gehäuse während der Rotation eingeklemmt - Luftleckagen tragen Partikel des Produkts mit hoher Geschwindigkeit, die die Schleuse erodieren Es ist möglich abzuschätzen, welches Phänomen eine bestimmte Schleuse beschädigt: Ist das Gehäuse auf der beladenen Seite (Zellen voll mit Produkt) beschädigt, könnte das erste Phänomen die Ursache sein; ist das Gehäuse auf der anderen Seite (leere Zellen) beschädigt, könnte das zweite Phänomen die Ursache sein.	Folgende Maßnahmen können ergriffen werden, um den Verschleiß von Zellenradschleusen zu verhindern: - Wählen Sie das richtige Spiel, um das Einklemmen von Produkt zwischen Rotor und Stator zu reduzieren. Dies verringert auch die für Erosion verantwortliche Luftleckage. - Verwenden Sie angefaste Flügelspitzen, um die potenzielle Kontaktfläche mit eingeklemmtem Produkt während der Rotation zu reduzieren - Verwenden Sie einen geschlossenen Rotor (die Seiten des Rotors sind geschlossen, was die Leckage begrenzt und Reibung vermeidet – allerdings ist dies nicht für alle Anwendungen geeignet)