AT504379A1 - Staubgenerator - Google Patents

Description

  DI Dr. Karl Prodinger Unteres Bayerland 4 3542 Gföhl em.k@aon.at
25. 10. 2006
Staubgenerator
Die Erfindung betrifft einen Staubgenerator zum Verteilen von Staub aus staubförmigen Mischungen oder Substanzen in einem gasförmigen Fluid, insbesondere Luft.
In der DE 3818643 A1 werden verschiedene Staubgeneratoren auf trockener Basis beschrieben, bei denen z. B. durch einen nachgeahmten Mahl- oder Schleifvorgang
Staubpartikel aus einem Vorratsbehälter auf eine Fläche aufgebracht und von dort mit einem
Luftstrom aufgewirbelt werden.
In der DE 19947597 C1 wird ein Aerosolgenerator beschrieben, bei dem das Aerosol mit
Hilfe von Druckluft aufgelöst und in einen Luftstrom befördert wird. Ähnlich arbeitet das
Verfahren, das in der DE 3211524 A1 beschrieben wird.

   Hier wird Staub mit einem Gasstrom in einer Venturi-Düse fluidisiert und anschliessend mit einem weiteren Luftstrom verteilt.
Ein weiterer Staubgenerator, nach der WO 2006/037636 A2 besteht aus einer mit Staub gefüllten Kapsel, die mit Druckgas so lange beaufschlagt wird, bis die Abdeckung der Kapsel aufplatzt und der fluidisierte Staub in einen grösseren Luftstrom eingebracht wird.
Andere Verfahren verwenden Flüssigkeiten, in denen Aerosole gelöst sind oder bei denen beim Trocknungsprozess Aerosole frei werden.
Aufgabenstellung
Alle Verfahren sind entweder sehr aufwändige Geräte oder sie können Staub nur in Portionen, nicht jedoch kontinuierlich, bereit stellen. Die vorgestellte Konstruktion soll mit geringem Aufwand verschiedene Stäube kontinuierlich, über lange Zeiten, bereit stellen können.

   Aufgrund der Konstruktion ist es möglich, mit geringen Änderungen Stäube von 1 mm bis 0,1 [mu]m Korngrösse und kleiner zu bearbeiten. Lösung
Dies wird dadurch erreicht, dass in einem Vorratsbehälter für den Staub in Bodennähe eine Spindel oder Schnecke mit mindestens einem Gewindegang vorgesehen ist, die aus dem Vorratsbehälter herausführt, dass ein Abstreifer wie z.B. eine Bürste, insbesondere eine Bürstenwalze mit zur Spindel paralleler Drehachse, an der Spindel ausserhalb des Vorratsbehälters rotierend anliegt und der Bürste vorzugsweise ein Prallblech in der von der Bürste ausgehenden Staubfahne zugeordnet ist. Dieser Aufbau ermöglicht mit einfachen Mitteln eine konstante Staublieferung, um beispielsweise Filterungssysteme oder Absorber testen zu können und um beispielsweise Reinigungsmaschinen, wie z. B.

   Strassenkehrmaschinen, zu optimieren.
Der Staubgenerator kann sowohl mit Netzspannung von 230 V / 50 Hz oder mit der Bordspannung eines Fahrzeuges betrieben werden, um Stäube auch abseits von industriellen Einrichtungen herstellen zu können.
Es ist zweckmässig, wenn im Bereich der Spindel oder Schnecke im Vorratsbehälter Düsen zur Zufuhr eines Fluids, insbesondere zur pulsierenden Luftzufuhr, vorgesehen sind. Dadurch wird ein Verstopfen verhindert und eine gleichmässige Staubförderung begünstigt.

   Die von der Schnecke oder der Spindel in den Prallschacht 21 transportierte Staubmenge wird mit einer Bürste und einem Prallblech zerstäubt, wobei in dem Schacht eine konstante Fluidströmung 20 besteht, um das Anbacken von Stäuben an den Wänden des Schachtes zu vermeiden.
Das Staub-Fluid-Gemisch im vertikal angeordneten Schacht wird weitergeführt in die unterhalb liegende Diffusionswanne 30 mit einer horizontalen Fluidströmung. In der horizontalen Strömung, deren Geschwindigkeit in einem weiten Bereich veränderbar ist, findet eine Klassierung des Staubes nach Korngrössen in der Strömungsrichtung statt. Mit dieser Massnahme ist es möglich, für z. B. Untersuchungen spezielle Fraktionen bereit zu stellen und Begleitpartikel auszublenden.

   Die in der Diffusionswanne abgelagerten Fraktionen können anschliessend durch ein Bodengitter und Sammeleinrichtungen aufgefangen werden.
Sämtliche Vorrichtungen zur Erzeugung und zum Transport des Staubes können durch elektrische Regelungen in einem weiten Drehzahlbereich verändert werden. Sämtliche vom Staub berührten Bereiche können beheizt werden, um das Anbacken der Stäube zu vermeiden. Ebenso kann das Fluid zum Auflockern des Staubes in der Vorratswanne erwärmt werden, um den Staub trocken zu halten. Bei explosiven Stäuben wie Mehl oder Metallen ist es empfehlenswert, anstelle von Luft als Fluid zumindest zum Auflockern des Staubes und im Schacht 21 ein Löschgas, beispielsweise CO2 oder Stickstoff, zu verwenden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben.

   Figur 1 zeigt einen Längsschnitt entlang der Austragespindel durch die gesamte Anordnung, Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Vorratsbehälter mit der Austragespindel und Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Schacht, in dem der Staub zum ersten Mal mit dem Fluid gemischt wird.
Eine Vorratswanne 1 für das zu zerstäubende Material oder den Staub 2 weist am Boden eine horizontale, nach oben offene Längsfalte oder Längsrinne 3 auf. In der Längsrinne 3 liegt eine Förderspirale oder Spindel 4 mit Gewindegängen, z. B. ein handelsüblicher Bohrer, in dessen Gewindegänge 5 das zu zerstäubende Material 2 hinein fällt. Durch die Drehung der Spindel 4 wird der Staub in konstanten Mengen pro Gewindegang 5 zu einer Öffnung 6 im Boden der Vorratswanne transportiert. Mit der Drehzahl der Spindel wird die Staubmenge je Zeiteinheit festgelegt.

   Durch das Drehen der Spindel werden Verklumpungen in der Vorratswanne aufgelöst, sodass ein gleichmässiger Austrag gegeben ist. Die Drehzahl der Spindel liegt zwischen einigen Umdrehungen pro Minute und bis zu 1000 U/min. Die Staubmenge kann auch durch den Einsatz verschiedener Spindeln mit unterschiedlich dimensionierten Gewindegängen beeinflusst werden. Die Spindel selbst wird über ein Riemenrad 8 über einen Riemen 9 von einem Elektromotor 10 mit kleiner Riemenscheibe 11 angetrieben. Die Spindel selbst wird in einem Lagerbock 12 aus weichem Material, z. B. Kunststoff oder Holz, gelagert.
Innerhalb der Vorratswanne kann bei Bedarf ein Rührwerk für das zu zerstäubende Material eingesetzt werden, um Brückenbildungen zu vermeiden.
Feine und feinste Stäube um 10[mu]m und kleiner weisen eine starke Neigung zur Brückenbildung auf.

   Um diese Stäube (feine Mineralstäube mit einem kompakten Oberflächen - Volumenverhältnis) auf Dauer fluidisiert zu halten, sind nach Fig. 2 knapp oberhalb des Austragesystems 4 (Spirale oder Spindel) im Boden bzw. im Wandbereich des Vorratsbehälters 1 Düsen 7 vorgesehen, um den Staub wieder fliessfähig zu halten.
Über die genannten Düsen 7 können auch spezielle Fluide eingespeist werden, um z. B. eine Trocknung des Staubes zu erreichen oder eine Zündung durch die Verwendung von Inertgasen bzw. Löschgasen zu vermeiden. Es ist auch zu erwarten, dass Schwergase eine Verbesserung der Fluidisierung mit sich bringen. Das Einbringen des Fluids soll nicht in einem konstanten Fluss stattfinden, da sich dabei Strömungskanäle im Staub bilden.

   Günstiger ist die pulsweise Einbringung mit einem gegenüber der konstanten Eindüsung vergleichbar hohen Druck, um Agglomerationen im Vorratsbereich aufzubrechen. Das Fluid bzw. die Düsen selbst können bei Bedarf beheizt sein.
Da Feinstäube oft hygroskopisch reagieren, ist an der Aussenseite des Vorratsbehälters 1 eine nicht dargestellte flächige Beheizung vorgesehen. Sie hat die Aufgabe, zusammen mit der sehr langsamen Durchspülung des Staubes mit einem Fluid eine weitere Trocknung zu erreichen, womit die Qualität der Zerstäubung erhöht wird.
Wie oben beschrieben reicht in den Vorratsbehälter 1 eine Spindel oder Spirale 4 hinein. Durch die Spirale bzw. die Spindel wird bei konstanter Drehzahl eine konstante Menge an Staub 2 in das Zerstäubersystem transportiert.

   Das Zerstäubersystem selbst besteht aus einer rotierenden Rundbürste 15, deren Borsten oder Fasern in die Gewindegänge 5 der Spindel 4 eindringen. Damit wird die aus der Vorratswanne transportierte Staubmenge vollständig ausgeräumt und in das umgebende Fluid (in der Regel Luft, aber auch verschiedene Gase) verteilt. Die mit der Bürste aus der Spindel ausgeräumten Staubmengen werden an ein Prallblech 17 geführt, um allfällige Zusammenbackungen zu zerkleinem. Anschliessend werden die zerkleinerten Staubmengen wieder durch die Bürste 15 geführt. Die Rundbürste 15 wird vom Elektromotor 16 angetrieben.
Die Spindel 4 und die Bürste 15 weisen einen gegenläufigen Drehsinn im Kontaktbereich auf, um eine optimale Reinigung der Spindelgänge zu erreichen. Die Drehzahl der Bürste wird so gewählt, dass sich im Inneren der Rundbürste kein Staub ablagert.

   Für eine feine Zerstäubung können auch mehrere Bürstenaggregate rund um die Spindel, aber auch in fortlaufender Richtung vorgesehen sein.
Durch die Bürste 15 entsteht im abführenden Staubkanal 18 eine sehr staubbeladene Zone. Mit Hilfe eines kleinen Gebläses 19 bzw. einem kleinen Düsensatz wird ein konstanter Fluss 20 des mit Staub zu beladenen Fluids erzeugt. Bei korrekter Einstellung dieser Fluidquelle kann kein Staub oberhalb der Spindel festgestellt werden. Die zugeführte Fluidmenge hat die Aufgabe, die Staubpartikel an einer nachfolgenden Agglomeration zu hindern. Das Fluid transportiert den Staub in einem senkrechten Kanal 21 nach unten. Der Abtransport soll im Bereich der Sinkgeschwindigkeit der Partikel liegen. Das hoch mit Staub angereicherte Fluid kann sowohl direkt genutzt werden, als auch in einer nach geschalteten Diffusionswanne 4 weiter aufbereitet werden.

   In der Diffusionswanne 30 besteht ein konstanter, horizontaler, laminarer Fluidstrom 31, der durch mindestens ein Gebläse 32 oder einen Düsensatz hergestellt wird. Das staubbeladene Fluid 18 wird auf diesen horizontalen Strom 31 aufgelegt. Dabei diffundieren die Staubpartikel in den horizontalen Strom ein. Abhängig von der Sinkgeschwindigkeit der Partikel und der Strömung im Fluid findet eine Abtrennung der Partikel statt. Grosse Anteile mit einem Durchmesser grösser 100 [mu]m sinken nach kurzer Strecke auf den Boden der Diffusionswanne, während die leichteren Partikel um z. B. 30 [mu]m wesentlich weiter transportiert werden. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit im Diffusionskanal um 1,4 m/s werden mineralische Partikel mit ca. 30 [mu]m nach ca. 1 m Diffusionsstrecke abgelagert.

   Der Luftstrom in der Diffusionswanne kann zwischen 0,1 bis mehreren Metern pro Sekunde eingestellt werden, abhängig von der Aufgabenstellung und den Eigenschaften der Partikel. Die leichtesten Partikel gelangen über das Ende der Diffusionswanne hinaus und können dort, entsprechend der Aufgaben des Systems, entweder weiter bearbeitet oder auch durch eine Absaugung mit Filterung entfernt werden.
Da die Strömung nach einem Gebläse 32 oder einer Düse im Allgemeinen turbulent ist, sind nach den genannten Einrichtungen mindestens eines, besser zwei Staugitter 33 im Strom 34 vorgesehen. Zum Regeln der Fluidmenge sind entsprechende Einrichtungen nach dem Stand der Technik vorgesehen (konstanter Durchfluss, konstante Drehzahl, elektronische Anemometer).
Der Diffusionseffekt kann auch zum Klassieren von staubartigen Materialien genutzt werden.

   Dazu erhält die Diffusionswanne eine Vorrichtung zum Sammeln der Staubfraktionen in den entsprechenden Abständen, im speziellen Wannen oder Sammeltrichter im Bereich des Bodenblechs. Um die Strömung des Fluids im Diffusionskanal laminar zu erhalten, wird das Bodenblech durch ein Gitter mit einer Maschenweite zwischen 0,1 bis 5 mm ersetzt. Zum Abreinigen des Gitters können Einrichtungen zur mechanischen Vibration vorgesehen werden. Die Länge der Diffusionswanne hängt von der Aufgabenstellung ab, wobei einfache Stäube, die zur Gänze verarbeitet werden können, eine sehr kurze Wanne erlauben. Komplexe Staubmischungen werden durch den Diffusionseffekt klassiert.
Regeltechnik
Für den gleichmässigen Betrieb des Staubgenerators muss der Durchfluss konstant gehalten werden. Bei der Verwendung von Gleichstrommotoren liefert eine konstante Spannung die gewünschten Voraussetzungen.

   Da die Stäube unterschiedliche rheologische Eigenschaften haben, kann es von Vorteil sein, die Strömungen durch Regelung konstant zu halten. Staubmischungen
Ein grosses Problem bietet die gleichmässige Bereitstellung von sehr feinen Stäuben, für z. B. Untersuchungen. Während Feinstäube sehr zur Agglomeration neigen und kaum verarbeitet werden können, weisen Mischungen von Feinstäuben und groben Anteilen wesentlich verbesserte Eigenschaften auf. Die Feinstaubpartikel lagern sich beim Mischen am gröberen Korn an und werden nach dem Austragen und Zerstäuben abgetrennt.

   Das gröbere Korn wird im Diffusionskanal bereits auf kurzer Strecke abgetrennt, während der Feinstaub weiter getragen wird.
Bei Staubmischungen kann es sinnvoll sein, die Diffusionsrinne im Sammelbereich des Grobanteiles in Vibration zu versetzen, um auch die restlichen Feinstaubanteile von den Körnern abzuschlagen. Auch hier wird eine Beheizung der Diffusionsrinne von Vorteil sein, um die Bindungen zwischen den Partikeln durch Oberflächenladungen und die Anlagerung von Feuchte zu verringern. Das Reiben der Kömer aneinander unterstützt dabei die Abtrennung. Dieser Abtrennprozess kann durch eine beheizte, vibrierende Platte 40 unterhalb des Zerstäubesystems weiter unterstützt werden, wobei die genannte Platte sowohl oberhalb, als auch unterhalb vom Fluid in der Diffusionsrinne umspült wird.

Claims (8)

Ansprüche: P a t e n t a n s p r ü c h e :

1. Staubgenerator zum Verteilen von Staub aus staubförmigen Mischungen oder Substanzen in einem gasförmigen Fluid, insbesondere Luft, mit einem Vorratsbehälter (1) für den Staub (2) und mit einer Spindel oder Schnecke (4) mit mindestens einem Gewindegang in Bodennähe des Vorratsbehälters, die aus dem Vorratsbehälter herausführt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstreifer wie z.B. eine Bürste (15), insbesondere eine Bürstenwalze mit zur Spindel (4) parallelen Drehachse, an der Spindel (4) ausserhalb des Vorratsbehälters (1) rotierend anliegt und der Bürste (15) vorzugsweise ein Prallblech (17) in der von der Bürste (15) ausgehenden Staubfahne zugeordnet ist.

1. Staubgenerator zum Verteilen von Staub aus staubförmigen Mischungen oder Substanzen in einem gasförmigen Fluid, insbesondere Luft, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorratsbehälter für den Staub in Bodennähe eine Spindel oder Schnecke mit mindestens einem Gewindegang vorgesehen ist, die aus dem Vorratsbehälter herausführt, dass ein Abstreifer wie z.B. eine Bürste, insbesondere eine Bürstenwalze mit zur Spindel paralleler Drehachse, an der Spindel ausserhalb des Vorratsbehälters rotierend anliegt und der Bürste vorzugsweise ein Prallblech in der von der Bürste ausgehenden Staubfahne zugeordnet ist.

2. Staubgenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Spindel (4) oder Schnecke im Vorratsbehälter Düsen zur Zufuhr eines Fluids, insbesondere zur pulsierenden Luftzufuhr, vorgesehen sind.

2. Staubgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Spindel oder Schnecke im Vorratsbehälter Düsen zur Zufuhr eines Fluids, insbesondere zur pulsierenden Luftzufuhr, vorgesehen sind.

3. Staubgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste und das Prallblech in einem durchströmten Schacht (21) liegen, der in eine Diffusionswanne einmündet.

3. Staubgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste und das Prallblech in einem durchströmten Schacht liegen, der in eine Diffusionswanne einmündet.

4. Staubgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht (21 ) vertikal angeordnet ist und in eine Diffusionswanne (30) mit horizontaler Strömung zur Staubklassierung in Fraktionen nach Korngrösse in Längsrichtung führt.

4. Staubgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schacht vertikal angeordnet ist und in eine Diffusionswanne mit horizontaler Strömung zur Staubklassierung in Fraktionen nach Korngrösse in Längsrichtung führt.

5. Staubgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite der Diffusionswanne (30) von einem Gitter gebildet ist und abschnittweise in Längsrichtung der Diffusionswanne (30) Auffangbehälter für unterschiedliche Staubfraktionen vorgesehen sind.

5. Staubgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite der Diffusionswanne von einem Gitter gebildet ist und abschnittweise in Längsrichtung der Diffusionswanne Auffangbehälter für unterschiedliche Staubfraktionen vorgesehen sind.

6. Staubgenerator nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe der Spindel (4), der insbesondere zur Spindel gegenläufigen Bürstenwalze (15) sowie der Gebläse (19) für den Luftstrom im Schacht (21) und in der Diffusionswanne drehzahlregelbar ausgebildet sind.

6. Staubgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe der Spindel, der insbesondere zur Spindel gegenläufigen Bürstenwalze sowie der Gebläse für den Luftstrom im Schacht und in der Diffusionswanne drehzahlregelbar ausgebildet sind.

7. Staubgenerator nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) und bzw. oder der Schacht (21) sowie die Diffusionswanne (30) zumindest teilweise beheizbar sind.

7. Staubgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter und bzw. oder der Schacht sowie die Diffusionswanne zumindest teilweise beheizbar sind.

8. Staubgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Fluid, insbesondere die Luft, auch jene der Düsen nächst der Spindel oder Schnecke, erwärmt ist. Ansprüche:

Patentansprüche

8. Staubgenerator nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Fluid, insbesondere die Luft, auch jene der Düsen nächst der Spindel oder Schnecke (4), erwärmt ist.

NACHGEREICHT