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Über dieses Buch

Erfahren Sie in diesem Buch alles über die Eigenschaften von Pulvern und Schüttgütern sowie deren Anwendung in der Praxis

Das theoretische Wissen um das Verhalten von Pulvern und Schüttgütern ist im Ingenieurwesen mittlerweile weit verbreitet. Beim Blick in die Praxis – speziell bei der Schüttgutlagerung in Silos – fehlt es jedoch nach wie vor an Vertrauen in diese Methode. Das möchte Dietmar Schulze mit diesem Buch über Pulver und Schüttgüter ein für alle Mal ändern. In seinem Buch erläutert er daher die Fließeigenschaften und -fähigkeiten dieser Komponenten und zeigt, wie dieses Wissen in die Gestaltung von Anlagenteilen wie Trichtern oder Silos praktisch angewendet werden kann. Anhand von Berechnungsaufgaben mit Lösungen können Sie Ihren aktuellen Wissensstand prüfen und erweitern.

Von der Theorie zur Gestaltung von Schüttgutbehältern

Schulze hat sein Buch über Pulver und Schüttgüter in zwei Bereiche aufgeteilt. In drei Kapiteln erörtert er die theoretischen Grundlagen zum Umgang mit Schüttgütern im Ingenieurwesen. Hier lernen Sie alles über:

• Wechselwirkungen zwischen Partikeln

• Fließeigenschaften und deren Messung

• Einflüsse auf das Fließverhalten (z.B. Feuchtigkeit, Zeit, Fließhilfsmittelgehalt)

Nach diesem theoretischen Grundlagen-Exkurs wendet sich der Autor der Schüttguttechnik in der Praxis zu. Schulze erläutert, wie Sie die gemessenen Fließeigenschaften zur funktionsgerechten Gestaltung von Schüttgutbehältern wie Silos und Trichtern anwenden können. Zudem bekommen Sie einen Einblick in apparative Aspekte sowie das praktische Messen von Fließeigenschaften – insbesondere mit Hilfe von Schergeräten.

Die vierte, ergänzte Auflage – ideal für Neueinsteiger

Abschließend befasst sich dieses Buch mit der verfahrenstechnischen Siloauslegung. Hier widmet sich der Autor Aspekten wie der Silogestaltung, dem Schüttgutaustrag, der Entmischung sowie dem Phänomen von Erschütterungen und Schwingungen in Silos.

Für die vierte Auflage wurden in mehreren Kapiteln Ergänzungen vorgenommen, u.a. bei der Entmischung zur Probenahme und zur Bewertung der Mischungsqualität mittels statistischer Methoden, und bei der Siloauslegung mit weiteren Berechnungsdiagrammen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung
Kap. 1 fasst die häufig beim Lagern von Pulvern und Schüttgütern auftretenden Probleme zusammen und würdigt als Meilensteine der Schüttguttechnik die Arbeiten von Janssen (Spannungen in Silos, Grundlage für die festigkeitsmäßige Siloauslegung) und Jenike (Charakterisierung von Fließeigenschaften mit Schergeräten, verfahrenstechnische Siloauslegung).
Dietmar Schulze

Kapitel 2. Grundlagen

Zusammenfassung
Zur kontinuumsmechanischen Betrachtungsweise ist die Kenntnis der in einem Schüttgut wirkenden Spannungen notwendig. Nach der Erläuterung von Normal- und Schubspannungen und des grundlegenden Verhaltens von Schüttgut, auch im Vergleich zu Flüssigkeiten, wird der Mohrsche Spannungskreis eingeführt. Dieser dient zur einfachen Beschreibung der in unterschiedlichen Schnittebenen des Schüttgutes wirkenden Spannungen. Es folgen für die weiteren Kapitel des Buches wichtige Definitionen (Schüttgutdichte, Porosität, Sättigungsgrad, elastische und plastische Verformung, statischer Auftrieb) sowie eine Erläuterung der wesentlichen Haftmechanismen von Partikeln. Mit einer kurzen Einführung in die Darstellung von Partikelgrößenverteilungen und deren Kennwerten endet das Kapitel.
Dietmar Schulze

Kapitel 3. Fließeigenschaften von Schüttgütern

Zusammenfassung
Das Fließverhalten des Schüttgutes lässt sich über physikalische Größen wie Schüttgutfestigkeit (Druckfestigkeit), innere Reibung, effektiver Reibungswinkel und Schüttgutdichte beschreiben. Dazu kommen die Zeitverfestigung, die die Zunahme der Schüttgutfestigkeit bei längerer Lagerung des Schüttgutes unter dabei auf das Schüttgut wirkender Druckspannung beschreibt, sowie die Wandreibung, also die Reibung zwischen einem Schüttgut und einer Festkörperoberfläche (z. B. die Wand eines Trichters). Die genannten Größen werden durch Messung sogenannter Fließorte, Zeitfließorte und Wandfließorte bestimmt. Aus der Schüttgutfestigkeit lässt sich eine Kennzahl zur Beurteilung der Fließfähigkeit ableiten, deren Anwendbarkeit und Herkunft diskutiert wird. Neben den genannten Größen, die von der auf das Schüttgut wirkenden Spannung abhängen, werden die Grundprinzipien zu ihrer Messung erläutert.
Dietmar Schulze

Kapitel 4. Praktisches Messen von Fließeigenschaften

Zusammenfassung
Die im Kap. 3 erläuterten Fließeigenschaften (Fließorte, Zeitfließorte, Wandfließorte) werden mit Schergeräten gemessen. Dies wird detailliert anhand des Jenike-Schergerätes und des Ringschergerätes gezeigt. Außerdem werden Hinweise zu verschiedenen Messprozeduren und zur Auswahl der Normalspannungen gegeben.
Dietmar Schulze

Kapitel 5. Anmerkungen zum realen Verhalten von Schüttgütern

Zusammenfassung
Für praktische Messungen werden vereinfachende Annahmen zum Verhalten des Schüttgutes getroffen, was in der Regel zu einer ausreichenden Genauigkeit führt. Zur Beurteilung des Schüttgutverhaltens in Anlagen oder Messgeräten ist aber zuweilen ein weitergehendes Verständnis der Vorgänge im Schüttgut erwünscht, wofür es aber leider noch keine allgemeingültigen Theorien oder Gesetze gibt. Daher wird in diesem Kapitel das Verhalten des Schüttgutes anhand von experimentellen Befunden und einfachen Modellen gedeutet. Behandelt werden die Themen Anisotropie (richtungsabhängiges Verhalten des Schüttgutes), Scherzonenbildung, die Konstruktion des Fließortes, das Verhalten bei sehr kleinen Spannungen und der Geschwindigkeitseinfluss.
Dietmar Schulze

Kapitel 6. Überblick über Messverfahren und Messgeräte

Zusammenfassung
Zur Messung der Fließeigenschaften mit Schergeräten gibt es durchdachte Prozeduren, die eine genaue Messung ermöglichen und Einflüsse z. B. durch Anisotropie oder Reibung an Begrenzungswänden weitgehend ausschließen. Manchmal besteht aber der Wunsch, ein besonders „einfaches“ Messverfahren anzuwenden, z.B. die Messung des Böschungswinkels Das Kapitel gibt einen Überblick über die wesentlichen Kriterien für ein fehlerfreies Messverfahren und beurteilt eine Reihe von Messverfahren anhand dieser Kriterien.
Dietmar Schulze

Kapitel 7. Spezielle Eigenschaften und Einflüsse auf das Fließverhalten

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden zum einen Effekte beschrieben, die beim Fließen von Schüttgütern zuweilen auftreten. Zum anderen wird anhand von Beispielen erläutert, welche Maßnahmen und Randbedingungen das Fließen von Schüttgütern beeinflussen. Da es sich häufig um stoffspezifische Effekte handelt, können die hier mitgeteilten Regeln nicht verallgemeinert werden, jedoch ist es wichtig, möglichst viele dieser Effekte zu kennen, um das Verhalten von Schüttgütern besser beurteilen zu können. Beispiele sind der Stick-Slip-Effekt, die Weg- und Lageabhängigkeit der Wandreibung, Einflüsse auf das Fließverhalten durch Partikelgröße, Fließhilfsmittel, Feuchtigkeit, Gasströmung, Partikelform (z. B. die Problematik von faserigen und plättchenförmigen Partikeln) und Bildung von Agglomeraten bei sehr feinen Pulvern.
Dietmar Schulze

Kapitel 8. Beispiele gemessener Fließeigenschaften

Zusammenfassung
Die Fließeigenschaften von Pulvern und Schüttgütern sind von vielen Einflussgrößen abhängig, z. B. Feuchtigkeit, Temperatur oder Feinheit. Außerdem gibt es Eigenarten wie z. B. die Spannungsabhängigkeit der Fließeigenschaften oder die Bildung von Abrieb, aber auch Möglichkeiten, die Fließeigenschaften zu beeinflussen (Fließhilfsmittel). Im Falle der Wandreibung kann die Bewegungsrichtung des Schüttgutes relativ zur Wandoberfläche einen großen Einfluss haben (z. B. bei Schleifriefen). Auch die Rauigkeit ist wichtig, wobei die Anwendung von Rauigkeitskennwerten zur Vorhersage der Wandreibung ungeeignet ist. In diesem Kapitel werden Beispiele für gemessene Fließeigenschaften gezeigt, wobei zum Teil auch die daraus resultierenden Konsequenzen, z. B. für die Gestaltung von Silos, beschrieben werden.
Dietmar Schulze

Kapitel 9. Spannungen im Schüttgut

Zusammenfassung
Die in Silos und anderen schüttgutgefüllten Behältern auftretenden Spannungen hängen neben der Behälterform von Schüttguteigenschaften wie Schüttgutdichte, Horizontallastverhältnis und Wandreibungswinkel ab. Dabei gibt es im Siloschaft völlig andere Spannungsverläufe als im Trichter, bei dem wiederum ein Unterschied zwischen einem gerade eingefüllten Schüttgut und einem schon einmal im Trichter nach unten geflossenen Schüttgut. Diese Spannungsverläufe werden erläutert und mit einfachen Rechenverfahren (Scheibenelementmethoden) abgeschätzt. Mit Hilfe der Spannungsberechnung lassen sich auch die Belastung von Austraggeräten und die erforderliche Abzugskraft abschätzen. Außerdem werden Effekte wie die Spannungsspitze am Übergang vom Schaft zum Trichter bei Massenfluss, die Wirkung von Einbauten auf die Spannungen sowie ungleichmäßige Spannungsverteilungen durch einseitigen Schüttgutfluss beschrieben. Zum Messen von Spannungen an und in Silos werden Hinweise gegeben.
Dietmar Schulze

Kapitel 10. Verfahrenstechnische Siloauslegung

Zusammenfassung
Da schlecht ausgelegte Silos zu Betriebsstörungen und zur Verminderung der Produktqualität, z. B. durch Entmischung oder zu lange Verweilzeiten, führen können, ist die Silogeometrie stets unter Berücksichtigung der Schüttguteigenschaften festzulegen. Wie bei anderen verfahrenstechnischen Anlagenkomponenten ist auch bei Silos die Anwendung geeigneter Berechnungsverfahren möglich. In diesem Kapitel wird die Siloauslegung auf der Basis des bewährten Auslegungsverfahrens von Jenike beschrieben, das die Eigenschaften des zu lagernden Schüttgutes berücksichtigt. Die Zielgrößen des Auslegungsverfahrens sind das Erreichen von Massenfluss sowie die Verhinderung von Brückenbildung bzw. Schachtbildung im Fall von Kernfluss. Neben der Methode von Jenike, zu der neu berechnete Auslegungsdiagramme in 5°-Schritten des effektiven Reibungswinkels gegeben werden, werden auch andere Ansätze (Arnold/McLean, Molerus) erläutert.
Dietmar Schulze

Kapitel 11. Silogestaltung

Zusammenfassung
Die verfahrenstechnische Siloauslegung liefert für die grundlegenden Trichterformen die maximalen Trichterneigungswinkel für Massenfluss und die minimalen Auslaufgrößen zur Vermeidung von Brücken- und Schachtbildung. Diese Größen sind auf vielfältige Trichterformen und Einbauten anzuwenden und beeinflussen die Gesamtkonzeption eines Silos einschließlich der Auswahl des Austraggerätes. Für spezielle Aufgaben gibt es eine Reihe von Sonderformen, die sich teils durch besondere Einbauten, teils durch eine besondere Funktionsweise auszeichnen. Anhand ausgewählter Beispiele wird gezeigt, welche Möglichkeiten zur Gestaltung von Silos es gibt, wenn man die schüttgutspezifischen Eigenheiten berücksichtigt.
Dietmar Schulze

Kapitel 12. Schüttgutaustrag

Zusammenfassung
Bei einfachen Anwendungen kann es ausreichend sein, das Schüttgut frei aus einem Silo oder Trichter ausfließen zu lassen. Hier ist vor allem der zu erzielende Massenstrom von Interesse, der bei feinkörnigen Schüttgütern vom Verhalten des Gases in den Hohlräumen abhängt. Häufig ist eine kontrollierte Entnahme des Schüttgutes notwendig, wozu Austraggeräte eingesetzt werden. Austraggeräte sind entweder Fördergeräte, die für die Anforderungen als Austraggerät modifiziert wurden, oder spezielle Geräte, die das Schüttgut nicht nur austragen, sondern auch zum Fließen innerhalb des Silos anregen. Bei Austraggeräten ist vor allem darauf zu achten, dass sie das Schüttgut über der gesamten Auslauföffnung entnehmen und keine toten Zonen erzeugen. Austraghilfen dienen dazu, den Schüttgutfluss im Silo anzuregen (z. B. bei Brücken- oder Schachtbildung) oder zu verbessern. Wirkungsweise und Einsatz der wesentlichen Austraghilfen (pneumatisch, mechanisch) werden beschrieben.
Dietmar Schulze

Kapitel 13. Entmischung

Zusammenfassung
Pulver und Schüttgüter neigen zur Entmischung, wenn sich die Partikel z. B. hinsichtlich Partikelgröße, Form oder Dichte unterscheiden. Bei sehr schlecht fließenden, also sehr feinkörnigen und/oder feuchten Schüttgütern, ist die Tendenz zur Entmischung in der Regel gering, da die Beweglichkeit der Partikel durch die zwischen ihnen wirkenden Haftkräfte eingeschränkt ist. Dagegen zeigen frei fließende Schüttgüter, aber auch kohäsive Schüttgüter, die sich leicht durch eine Gasströmung auflockern lassen, häufig eine spürbare Entmischung. Neben unterschiedlichen Entmischungsmechanismen werden Maßnahmen erläutert, die zur Verringerung der Entmischung führen. Breiter Raum wird der Ermittlung der Entmischung eingeräumt, was neben der richtigen Probenahme die Beurteilung eines Produktes hinsichtlich Zusammensetzung und Mischgüte auf Grundlage statistischer Methoden umfasst.
Dietmar Schulze

Kapitel 14. Erschütterungen und Schwingungen in Silos

Zusammenfassung
Beim Fließen von Schüttgut in Silos kann es zu Erschütterungen und selbsterregten Schwingungen kommen. Die Frequenz der durch das Schüttgut ausgelösten Schwingungen kann größer als 1 Hz sein, manchmal sogar im hörbaren Bereich > 20 Hz liegen, wobei aber gewöhnlich kleine Amplituden vorherrschen. Werden hörbare Schwingungen erzeugt, spricht man vom „Silohupen“, bei Erschütterungen mit längerem Zeitabstand vom „Silobeben“. Da es keine allgemeingültigen Regeln zum Vermeiden der genannten Effekte gibt, wird eine Übersicht über Modellvorstellungen zu den Ursachen und über Experimente zur Ergründung der relevanten Mechanismen gegeben. Anhand von Beispielen aus der Literatur werden Problemlösungen vorgestellt.
Dietmar Schulze

Kapitel 15. Beispielaufgaben mit Lösungen

Zusammenfassung
Zu den im Buch vorgestellten Berechnungsverfahren werden eine Reihe von Aufgaben mit Lösungen vorgestellt. Die Themen sind die Berechnung von Spannungen z. B. in Silos und anderen Behältern, und die verfahrenstechnische Siloauslegung (Trichterneigung für Massenfluss, Auslauföffnungen zur Vermeidung von Brücken- oder Schachtbildung). Die Rechenbeispiele sind detailliert ausgeführt und sollen das eigenständige Anwenden der im Buch vorgestellten Berechnungsverfahren erleichtern.
Dietmar Schulze

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