Richtige Dimensionierung von Prozessschnecken

Exakt ausgelegt

Die Prozessschnecken kombinieren mehrere Verfahrensschritte. Im Bildsieht man eine Vierfachschnecke (links) und eine Zweifachschnecke.

In der Prozesstechnik sind

kontinuierliche Verfahren weiter

auf dem Vormarsch. Ob in der

Chemieindustrie, der Lebensmittel-

technik oder in der Umwelt-

industrie, thermische Prozesse sind inte-

grative Bestandteile von vielen

Produktionsverfahren. Prozess-schnecken

übernehmen dabei viele Rollen, sie wer-

den etwa zum Kühlen, Heizen, Mischen,

Kristallisieren und Trocknen eingesetzt. Die

wichtigste Voraussetzung für deren rei-

bungslosen Einsatz ist die richtige

Auslegung.

Jeder Prozess hat seine Eigenheiten, da-her müssen Prozessschnecken ganz spezifisch an die jeweilige Aufgabe an-

gepasst werden. Die Auslegung von Pro-zessschnecken basiert auf vielen Verfah-rensparametern, beispielsweise dem Pro-duktdurchsatz, der Feuchte, den Tempe-raturen, der spezifischen Wärmekapazitätund natürlich den allgemeinen Gesetzen der Thermodynamik und Fördertechnik.Eingekoppelt werden hier produktspezifi-sche Erfahrungswerte zum Beispiel hin-sichtlich des Wärmeübergangs und derFördereigenschaften. Sollte weder aus derLiteratur noch aus der gängigen Praxis einhinreichendes Zahlenmaterial zur Verfü-gung stehen, können produktspezifischeParameter mit Hilfe von Versuchsanlagenermittelt werden.

Das Unternehmen Segler Förderanla-gen hat die thermodynamischen Berech-nungsverfahren zur Auslegung vonProzessschnecken aus den physikalischenZusammenhängen von Wärmetauschern her-geleitet. Bei den Wärmetauschvorgän-gen zwischen dem Fördergut in einer Pro-zessschnecke und dem verwendeten Heiz-oder Kühlmedium handelt es sich umannähernd vergleichbare thermodynami-sche Vorgänge.

Vorgehensweisezur DimensionierungProzessschnecken werden für ein be-

stimmtes Produkt und für die geforderteDurchsatzleistung mit der entsprechen-den Kühl- oder Heizleistung ausgelegt. Dieübertragbare Kühl-/Heizleistung ist ab-hängig von:■ Stoffdaten,■ Prozessdaten,■ Anlagengeometrie.

Da die Wärmetauscherleistung bei Pro-zessschnecken durch den Kontakt desProduktes mit den effektiv wirksamenWärmetauscherflächen übertragen wird, ist für dieses Produkt – mit den produkt-spezifischen thermodynamischen Pro-dukteigenschaften – die notwendige Kühl/Heizfläche zu ermitteln.

Die übertragbare Kühl-/Heizleistung wird neben der Größe der Kühl-/Heizflä-che von der wirksamen Temperaturdiffe-renz zwischen Produkt und Kühl-/Heiz-medium vorgegeben. Da das Temperatur-niveau des Kühl-/Heizmediums in der Re-gel von einem innerbetrieblichen Kühl-Heizkreislaufsystem abhängt, verbleibt als Auslegungsvariable die erforderliche wirk-same Kühl-/Heizfläche.

Die Fördereigenschaften bestimmen dieAuswahl des Förderorgans. Als Schne-ckenförderorgan können Schneckenwel-len mit verschiedenen Flügelarten undPaddelelementen bestückt werden. So bie-

ten doppelwandige geschlossene Schne-ckengänge die effektivste Wärmetausch-fläche. Vollschnecken in Verbindung ei-nes mit Kühl-/Heizflüssigkeit durchflos-senen Schneckenrohres wirken nur teil-weise als Wärmetauscherflächen. Paddel-organe fördern die Durchmischung desProduktes.

Das spezifische Gewicht und die Fließ-eigenschaften des Produktes wirken sichebenfalls auf die Schneckengeometrie aus. Bei stark haftenden Produkten wird der Einsatz von Doppelschnecken erfor-derlich. Mit einem Spezialantrieb lassen sich diese auch selbstreinigend ausfüh-ren. Die Produkteigenschaften geben imbestimmten Rahmen auch den realisier-baren Füllungsgrad der Förderschnecke und damit die wirksame effektive Wärme-tauschfläche der Prozessschnecke vor. Die Neigung der gesamten Schneckenan-lage hat durch den Rückflusseffekt einenEinfluss auf die Vermischung des Pro-duktes.

ThermodynamischeBerechnungNachdem man eine Schneckengeome-

trie gewählt hat, lässt sich die wirksam ef-fektive Wärmeaustauschfläche berech-nen. Die Größen zur Kennzeichnung vonWärmetauschern lassen sich wie folgt aufstellen:■ Massenströme mPkt als die durchgesetz-ten Massen pro Zeiteinheit,■ Wärmekapazitätsstrom eines Massen-stromes als Produkt des Massenstro-mes und seiner spezifischen Wärmekapa-zität cP,■ die Eintrittstemperaturen t1' und t2' so-wie die Austrittstemperaturen t1" und t2",■ die Abkühlung (t1'-t1") des wärmerenMassenstromes sowie die Aufwärmung (t2"- t2') des kälteren Massenstromes,

DR.-ING. DIETER SCHILLINGMANN, DIPL.-ING.HARTMUT SCHILLINGMANN, MANFRED ZOBEL

D. Schillingmann ist Geschäftsführer, H. Schillingmann und M. Zobel sind Mitarbeiter der Segler-Förderanlagen Maschi-nenfabrik GmbH, Berge

Presse A4 05.07.2001 10:35 Uhr Seite 1

■ der Eintritts-Temperaturabstand (t1'-t2') als größter Temperaturabstand zwi-schen den Massenströmen,■ Wärmetauscher-KennzahlenNTU1 = k·A/WPkt1, Mitteltemperatur tm alsarithmetisches Mittel der Ein- und Aus-trittstemperaturen der Massenströme zurBestimmung der Stoffkenngrößen wieDichte, spezifische Wärmekapazität, Wär-meleitfähigkeit, Viskosität,■ Betriebsdrücke p zur Bestimmung derStoffgrößen,■ wirksame logarithmische Temperatur-differenz

tlog= 1 {(tl'-t2')-(t 1’’-t2’’)}/In ((t1'-t2")/(t1"-t2'))

Bestimmender WärmeleistungDie Wärmeleistung QPkt, eines Wärme-

tauschers lässt sich vereinfachend dar-stellen über das Produkt aus Wärme-durchgangskoeffizient k, die dazugehörigeWärmetauschfläche A und einem wirksamen,Temperaturabstand tlog als:

QPkt= k · A · tlog

Dabei wird für den betrachteten Zu-stand vorausgesetzt, dass der Wärme-durchgangskoeffizient k konstant ist.Gleichzeitig gilt für die Wärmeströme:

dQPkt = mPkt · c P · dt

Mit Hilfe der oben dargestellten Glei-chungen für das betrachtete Produkt und diegeforderte Kühlleistung lässt sich dieGeometrie und die erforderliche wirksameWärmeaustauschfläche der Prozess-schnecke bestimmen. Die Drehzahl, alswesentliche Prozessgröße, ist im be-stimmten Rahmen zu variieren. Die Dreh-zahl korreliert umgekehrt proportional mitder Verweilzeit und dem Füllungsgrad des Produktes in der Schnecke bei gleichemzufluss.

Aufgrund dieser relativ komplexenZusammenhänge ist der Hersteller für die Dimensionierung einer Prozess-schnecke auf exakte Vorgaben vom Kunden angewiesen. Bevor eine Prozess-schnecke dimensioniert werden kann, müssen also die entsprechendenProzessparameter festgelegt werden. Sollteneinige Parameter unklar bleiben, müssenVorstudien und Versuche durch-geführt werden, damit die Prozess-schnecke optimal auf die Anwendung ausgelegt wird.

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