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Einrichtung zum veränderlichen Einstellen der Differenzdrehzahl bei
Schneckenzentrifugen Zum Abschleudern von Feststoffen aus einer Suspension mit hohem
Feststoffgehalt oder zum Abtrennen größerer Feststoffteilchen von einer Trägerflüssigkeit
werden im allgemeinen Schneckenzentrifugen verwendet. Diese Zentrifugen bestehen
im wesentlichen aus einem Trommelmantel und einer im Innern dieses Mantels angeordneten
Schnecke. Der Trommelmantel hat vorwiegend die Form eines Kugelstumpfes, an dessen
Innenwand sich die Schneckengänge mit einem geringen Abstand bewegen. Die Schubwirkung
der Schnecke wird durch den Unterschied der Drehzahlen von Trommel und Schnecke
hervorgerufen.
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Schneckenzentrifugen sind im allgemeinen waagerecht gelagert. Unter
der Einwirkung der Zentrifugalkraft stellt sich die feststoffhaltige Flüssigkeit
im Innern der Trommel in Form eines Hohlzylinders ein, wobei die Feststoffe wegen
ihres größeren spezifischen Gewichtes gegen die Trommelwand geschleudert werden
und somit die äußere Schicht bilden. Durch die Relativbewegung zwischen Trommel
und Schnecke werden die Feststoffe zum kleineren Ende der Trommel gefördert und
durch Öffnungen im Trommelmantel ausgetragen, während der Auslaß oder die Auslässe
für die Flüssigkeit sich am größeren Trommelende befinden. Sie sind in einem größeren
Abstand von der Trommelachse angeordnet als die Auslaßöffnungen für die Feststoffe.
Dadurch bilden sich im Trommelinnern zwei Zonen. Die Flüssigkeitszone liegt am erweiterten
Trommelende und ist von feststoffhaltiger Flüssigkeit ausgefüllt. Die Trockenzone
liegt am kleineren Trommelende, und zwar näher zur Trommelachse als die zylindrische
Oberfläche der Flüssigkeitszone. Durch radiale Verlegung der Austrittöffnungen für
die Flüssigkeit kann die Trockenzone verlängert oder verkürzt werden.
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Die an der Trommelinnenwand abgelagerten Feststoffe werden von der
Schnecke erfaßt und aus der Flüssigkeitszone über die Trockenzone zu ihren Auslässen
gefördert. Während des Passierens der Trokkenzone sondert sich die Flüssigkeit weitgehend
von den Feststoffen ab, so daß diese verhältnismäßig trocken ausgetragen werden.
Die dabei von der Schnecke zu überwindende Reibungskraft hat das Bestreben, die
Differenzdrehzahl zwischen Trommel und Schnecke zu vermindern, d h. die Schnecke
mit den- Drehzahl der Trommel mitzunehmen. Dieses Moment ist abhängig von der Art
des Schleudergutes, seinem Feststoffgehalt und der Länge der Trockenzone.
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Normalerweise treibt der Motor die Trommel direkt an, während die
Drehzahl der Transportschnecke durch ein zwischengeschaltetes Planeten- oder Zyklogetr
lebe festgelegt ist. Im allgemeinen liegt die Drehzahl der Schnecke niedriger als
die der Trommel. Die Differenzdrehzahl liegt meistens zwischen 20 und 50 U/min.
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An sich ist es unbedeutend, ob die Drehzahl der Schnecke größer oder
kleiner ist als die der Trommel; es muß nur durch die Relativbewegung die Förderung
der Feststoffe zum kleineren Trommelende hin erfolgen. Bei einem zweistufigen Planeten-
oder Zyklogetriebe wird das das Ritzel tragende Wellenende der ersten Getriebestufe
festgehalten, indem es mittels eines Scherstiftes mit einem feststellbaren Momentenhebel
verbunden ist. Auf diesen Wellenstumpf wirkt auch bei unbelasteter Schnecke ein
gewisses Drehinoment.
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Trotz der Vervollkommung der Getriebe weist ihre Verwendung bei Schneckenzentrifugen
einen großen Nachteil auf. Dieser besteht darin, daß die Differenzdrehzahl durch
das Übersetzungsverhältnis festgelegt und während des Betriebes unveränderlich bleibt.
Zwar kann man durch Regelung der Antriebsdrehzahl auch die Drehzahl der Schnecke
verändern, doch beeinflußt man damit gleichzeitig die Klärleistung der Schleuder.
Wenn nun die Zusammensetzung eines Schleudergutes eine Änderung der Schneckendrehzahl
erforderlich macht, ist man gezwungen, die Zentrifuge stillzusetzen und das Planetengetriebe
in seiner Gesamtheit gegen ein anderes auszuwechseln. Dies ist umständlich, erfordert
die Bereithaltung verschiedener Übersetzungsgetriebe und hat dann immer noch den
Nachteil, daß nur eine stufenweise Änderung der Drehzahl möglich ist.
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Um diese Nachteile wenigstens teilweise zu' beheben, hat man versucht,
Trommel und Schnecke über Riemenschieben verschiedener Größe getrennt anzutreiben.
so
daß von vornherein die gewünschte Differenzdrehzahl zustande kommt. Da diese aber
nur etwa 1% der Antriebsdrehzahl der Trommel ausmacht, kann sie bei Belastung der
Schnecke vom Riementrieb nicht gehalten werden. Es ist dann nicht zu verhindern.
daß die Schnecke bezüglich ihrer Drehzahl von der Trommel mitgenommen wird. In diesem
Fall gleichen sich die etwa um 1% voneinander abweichenden Drehzahlen durch den
Riemenschlupf aus.
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llan ist deshalb dazu übergegangen, die Drehzahldifferenz der Riemenscheiben
auf etwa 500 U/min zu erhöhen und zwischen diese Scheiben einerseits sowie
Trommel und Schnecke andererseits ein einstufiges Zyklogetriebe zwischenzuschalten,
das die Drehzahl für den Antrieb der Trommel direkt überträgt und die Drehzahl für
den Antrieb der Transportschnecke so weit heraufsetzt, daß diese Änderung einer
Untersetzung der Differenzdrehzahl von 25 :1 entspricht.
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Mit dem Zwischenschalten eines einstufigen Zyklogetriebes wird erreicht,
daß ein etwaiger Riemenschlupf sich auf die Relativdrehzahl von Trommel und Schnecke
nur im Verhältnis von 25 :1 auswirkt.
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Eine solche Anordnung hat zwar gegenüber dem direkten Antrieb mit
einem zweistufigen Getriebe den Vorteil, daß man zur Änderung der Relativdrehzahl
nur eine Riemenscheibe anstatt eines vollständigen Getriebes auszuwechseln braucht.
Nachteilig ist aber immer noch, daß die Änderung der Schneckendrehzahl nur stufenweise
möglich ist und zu diesem Zweck der Schleuderbetrieb unterbrochen werden muß.
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Es ist auch eine Schneckenzentrifuge bekannt, bei der der Trommelmantel
über einen Riementrieb direkt und die Förderschnecke von der gleichen Antriebswelle
über einen Variator angetrieben wird. Die Drehzahl der Schneckenwelle kann durch
Regelung des Variators stufenlos verändert werden, jedoch besteht auch bei diesem
Getriebe der Nachteil, daß sich bei höherer Belastung der Transportschnecke die
niedrige Differenzdrehzahl durch Riemenschlupf ausgleichen wird.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß eine freilaufend angeordnete
Schnecke bei der Beschickung der Trommel mit Schleudergut auf Grund des durch die
Feststoffe hervorgerufenen Reibungswiderstandes mit der gleichen oder annähernd
gleichen Drehzahl umläuft wie die Trommel, so daß durch Abbremsen der Schnecke jede
beliebige Differenzdrehzahl zwischen Trommel und Schnecke eingestellt werden kann.
Dazu können mit Vorteil die an sich bekannten Wirbelstrombremsen, generatorische
Bremsen oder ähnliche Einrichtungen verwendet werden.
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Es ist bereits eine Schneckenzentrifuge bekannt, bei der die langsamer
laufende, mittels eines Untersetzungsgetriebes angetriebene Trommelwelle elektrisch
gebremst wird, wenn bei höherem Feststoffgehalt der Schleuderflüssigkeit die schneller
laufende, direkt angetriebene Förderschnecke auf die Trommel eine mitnehmende Kraft
ausübt. Das Abbremsen erfolgt durch Belastungsänderung eines von der Trommelwelle
angetriebenen Generators, wobei die Belastung von dem drehbar gelagerten Getriebegehäuse
in Abhängigkeit von der mitnehmenden Kraft der Förderschnecke geregelt wird. Bei
dieser bekannten Einrichtung bleibt aber die durch das Untersetzungsverhältnis gegebene
Differenzdrehzahl erhalten, und die Einrichtung hat ausschließlich den Zweck, die
Rückwirkung der mitnehmenden Kraft auf das Getriebe zu vermindern, d. h. das Getriebe
zu entlasten.
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Es ist auch eine Einrichtung bekannt, die eine kontinuierliche Regelung
der Differenzdrehzahl von Schneckenzentrifugen ermöglicht. Diese Einrichtung besteht
aus einem Doppelmotor mit feststehender Welle und einem zentral angeordneten Stator,
der von zwei Rotoren koaxial umgeben ist. Der innere Rotor trägt eine innere und
eine äußere Wicklung, von denen die innere als reguläre Rotorwicklung gegenüber
dem feststehenden Stator, die äußere Wicklung als Statorwicklung gegenüber dem äußeren
Rotor anzusehen ist. Bei Änderung der Betriebsspannung ändert sich der Schlupf,
d. h. die Drehzahl des inneren Rotors und damit die Drehzahl der Trommel, und in
weitaus höherem Maß auch der Schlupf, d. h. die Drehzahl des äußeren Rotors, und
damit die Drehzahl der Förderschnecke. Beide Drehzahlen erfahren also eine Änderung
im gleichen Sinn.
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Neben der notwendigen Verwendung eines teuren Spezialmotors hat diese
Einrichtung den Nachteil, daß die Drehzahl des primär angetriebenen Trommelteils
nicht konstant bleibt und demzufolge mit der Änderung der Differenzdrehzahl sich
auch die Klärleistung der Zentrifuge ändert. Mit zunehmendem Feststoffgehalt einer
Schleuderflüssigkeit nimmt die Klärleistung einer Zentrifuge ohnehin ab. Wenn nun
zum schnelleren Ausräumen der Feststoffe die Differenzdrehzahl durch Herabsetzen
der Betriebsspannung erhöht wird, nimmt die Klärleistung infolge der Verminderung
der Drehzahl zusätzlich ab. Hinzu kommt, daß Belastungsschwankungen der Trommel
infolge Änderungen im Zulauf und Netzspannungsschwankungen unkontrollierbare Änderungen
der Differenzdrehzahl zur Folge haben.
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Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung wird die Trommel von einem
Motor üblicher Bauart mit konstanter Drehzahl direkt angetrieben und nur die Drehzahl
der Förderschnecke durch Abbremsen verändert.
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Beim Abbremsen mittels einer Wirbelstrombremse werden zwei Feldspulen
symmetrisch zur Schneckenwelle und diametral gegenüberliegend angeordnet. Die Wicklungen
werden hintereinandergeschaltet und mit Gleichstrom beschickt. Die Schneckenwelle
trägt eine Scheibe aus nichtferromagnetischern Metall, z. B. Aluminium, die bezüglich
ihrer Breite und Dicke entsprechend bemessen ist. Infolge Rotation dieser Scheibe
in dem von den beiden Feldspulen erzeugten Magnetfeld wird in der Scheibe ein Drehmoment
erzeugt, das der Rotation entgegengerichtet ist. Da dieses Gegenmoment von der Stärke
des Magnetfeldes abhängig ist, kann durch Regelung des Erregerstromes die Bremswirkung
und damit die Differenzdrehzahl geändert werden.
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Die sich durch besondere Einfachheit auszeichnende Einrichtung ermöglicht
es, beim Wechsel des Schleudergutes die Relativdrehzahl zwischen Schnecke und Trommel
auf einen anderen zweckmäßigen Wert einzustellen. Es ist selbstverständlich auch
möglich, die Drehzahl der Schnecke zu verändern, wenn sich die Zusammensetzung des
Schleudergutes während des Betriebes ändert.
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Die Differenzdrehzahl kann durch ein Meßinstrument angezeigt werden.
Zu diesem Zweck werden sowohl auf der Trommelwelle als auch auf der Schnekkenwelle
elektrische Drehzahlanzeiger vorgesehen, dies sind Kleinstgeneratoren, deren erzeugte
Spannung der Drehzahl proportional ist. Durch Gegeneinanderschaltung der Spannungen
erhält man eine Differenzspannung, die der Differenzdrehzahl entspricht. Die Skala
des Instrumentes kann in U/min entsprechend der Differenzdrehzahl geeicht werden.
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Die Differenzspannung kann auch zur Regelung des Bremsstromes benutzt
werden, so daß auf diese Weise
die Differenzdrehzahl automatisch
konstant gehalten werden kann. Die Unterschreitung einer bestimmten Differenzspannung
kann auch zur Sperrung des Zulaufes und/oder zum Abschalten des Antriebsmotors benutzt
werden. Es ist auch möglich, in die Spannungszuleitung des Motors ein Überstromrelais
einzubauen und die erhöhte Stromaufnahme des Motors bei Überlastung für Schaltzwecke
auszunutzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt: Die Zentrifuge besteht im wesentlichen aus der Trommel 1 und der Schnecke
2, die auf einem Hohlkörper 3 angeordnet ist. Das Schleudergut wird durch die Leitung
4 über ein Zulaufventil 4a und durch ein zentrales Rohr 5 in diesen Hohlkörper eingeführt,
aus dem es durch Bohrungen 6 in den eigentlichen Schleuderraum zwischen Hohlkörper
und Trommelmantel gelangt. Unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft werden die
Feststoffe an die Trommelwand geschleudert, während sich die Flüssigkeit bis in
die Höhe der Auslaßöffnungen 7 anstaut. Die Flüssigkeit wird durch das Ablaufrohr
8 abgeleitet. Die Schnecke 2 fördert die Feststoffe zum kleineren Trommelende hin,
wo sie durch Bohrungen 9 austreten und dann bei 10 die Zentrifuge verlassen. Auf
der Trommelwelle 11 sitzt die Keilriemenscheibe 12, welche vom Motor 13 angetrieben
wird. Die Schneckenwelle 14 trägt einen Ring 15 aus nichtferromagnetischem Material,
der mit der Schneckenwelle im Magnetfeld zwischen den Spulen 16 rotiert. Der Erregerstrom
für die Spulen 16 kann mit Hilfe eines Regelwiderstandes 17 variiert und damit die
Differenzdrehzahl auf verschiedene Werte eingestellt werden. Von der Trommelwelle
11 wird der Drehzahlgeber 18 und von der Schneckenwelle 14 der Drehzahlgeber 19
angetrieben. Die Differenzdrehzahl zeigt das Instrument 20 an. Das Überstrom.rela,is
21 schaltet den Motor 13 ab und schließt das Zulaufventil4a.