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Feb 19, 2024

Gravimetrische Dosierer: Die Achillesferse der kontinuierlichen Fertigung

13. Februar 2018 Gravimetrische Dosierer werden häufig in kontinuierlichen Fertigungsprozessen eingesetzt. Ein gravimetrischer Dosierer basiert auf einem Steuersystem, das die Geschwindigkeit des Dosierers auf der Grundlage des Gewichtsverlusts anpasst

13. Februar 2018

Gravimetrische Dosierer werden häufig in kontinuierlichen Fertigungsprozessen eingesetzt. Ein gravimetrischer Dosierer basiert auf einem Steuersystem, das die Geschwindigkeit des Dosierers auf der Grundlage von Gewichtsverlustmessungen anpasst. Da die Steuerung beim Befüllen des Trichters mit neuem Material nicht in der Lage ist, die Austragsmenge zu erkennen, werden typischerweise zwei in Reihe angeordnete Trichter verwendet. Der untere Trichter ist häufig asymmetrisch und verfügt über mindestens eine steil geneigte Wand, um die Wahrscheinlichkeit von Fließhindernissen zu verringern. Solche Geometrien führen häufig zu einer stark schwankenden Geschwindigkeitsverteilung der Feststoffe, was die Entmischung verstärken kann. In einigen Trichtern wird ein Rührwerk verwendet, um sicherzustellen, dass der Boden „lebendig“ ist und keine Totzonen entstehen. Während des Füllzyklus wird der nachgeschaltete Feeder im volumetrischen Modus (dh mit konstanter Geschwindigkeit) betrieben. Der Dosierer arbeitet dann im gravimetrischen Modus (dh seine Geschwindigkeit wird durch Messung des Gewichtsverlusts des Materials im Trichter gesteuert), nachdem der nachgeschaltete Trichter gefüllt wurde. Eine schematische Darstellung eines gravimetrischen Dosierers ist in Abbildung 1 dargestellt.

Die meisten Pulver sind komprimierbar. Die Schüttdichte eines Pulvers nimmt mit zunehmender Konsolidierungsspannung zu, wobei sie bei niedrigen Spannungen schnell und bei hohen Spannungen weniger stark schwankt. Eine typische Kompressibilitätskurve ist in Abbildung 2 dargestellt, in der die Schüttdichte gegen die Haupthauptspannung aufgetragen ist. Die wichtigste Hauptspannung ist die Spannung, die auf einer Ebene gemessen wird, die der Spannung ihren Maximalwert verleiht.

Aufgrund der ungewöhnlichen Geometrie des Trichters bleibt das Pulver in einem sogenannten aktiven Spannungszustand. Im aktiven Zustand ist die Richtung der maximalen Belastung nach unten gerichtet. Wenn eine zusätzliche Belastung auf das Pulver ausgeübt würde, beispielsweise wenn ein Pulverklumpen aus dem oberen Trichter in den unteren Trichter fallen gelassen würde, würde sich die Belastung vertikal auf das Pulver übertragen, und da es komprimierbar ist, würde seine Schüttdichte zunehmen. Der Dosierer wäre nicht in der Lage, die Änderung der Schüttdichte auszugleichen, da er sich während des Füllzyklus im volumetrischen Modus befand. Da sich die Schüttdichte des Pulvers beim Befüllen erhöht hat, kann die Entladerate während des Befüllzyklus und zu Beginn des Entleerungszyklus höher sein als zuvor. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt, wo die Austragsrate durch Messung der Gewichtszunahme in einem vom Futterautomaten gefüllten Behälter berechnet wird.

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Wenn der untere Trichter geleert wird und der Dosierer im gravimetrischen Modus arbeitet, ist die Austragsrate sehr konstant. Die Schüttdichte des Pulvers ist nicht unbedingt konstant, aber das Steuersystem gleicht dies aus, indem es die Fördergeschwindigkeit verringert, wenn die Dichte zunimmt und umgekehrt. Leider wird während des Füllzyklus durch den Aufprall von frischem Material das Pulver im hinteren Teil des Trichterinhalts komprimiert. Das bedeutet, dass der Regler bei steigender Schüttdichte die Geschwindigkeit nicht anpasst, da er sich im volumetrischen Modus befindet.

Es gibt Methoden, die Variabilität zu dämpfen. Beispielsweise kann frisches Pulver häufiger hinzugefügt werden, sodass während des Füllzyklus eine geringere Belastung ausgeübt wird und die Zeit, die der Dosierer im volumetrischen Modus bleiben muss, verkürzt wird. Moderne Steuerungen sind außerdem prädiktiv: Sie können die höhere Schüttdichte abschätzen, die mit dem Füllschritt einhergeht, was eine Schätzung der erforderlichen Geschwindigkeit des Dosierers liefert, wenn der Dosierer in den gravimetrischen Modus zurückkehrt.

Die Variabilität kann auch reduziert werden, indem der konvergierende Abschnitt des unteren Trichters für den Massenfluss modifiziert wird. Massenfluss entsteht, wenn die Trichterwände steil genug und reibungsarm genug sind, um einen Fluss entlang ihnen sicherzustellen. Beim Massenfluss entsteht beim Austrag des Pulvers aus dem Behälter ein passiver Spannungszustand, der auch beim Nachfüllen bestehen bleibt. Das Pulver wird seitlich komprimiert und dehnt sich vertikal aus, wodurch die größten Hauptspannungen horizontal statt vertikal wirken. Ein typisches Hauptspannungsprofil ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 5 zeigt das Feststoffspannungsprofil am Ende des Entleerungszyklus und am Anfang und Ende des Füllzyklus. Zu Beginn des Nachfüllschritts wird das Pulver durch den Aufprall des neuen Materials zusätzlich belastet. Da es sich bei dem Untertrichter um einen Massenstromtrichter handelt, liegt ein passiver Spannungszustand vor. Dadurch ist die Feststoffbeanspruchung am Trichterauslauf nahezu konstant. Folglich ändert sich auch die Schüttdichte des Pulvers, die durch ihre Kompressibilitätskurve mit der Hauptspannung in Zusammenhang steht, nicht.

Abbildung 6 zeigt die Austragsrate des Pulvers aus dem unteren Trichter, der für den Massendurchfluss ausgelegt oder modifiziert wurde. Beachten Sie, dass sich die Abgaberate nicht wesentlich ändert, wenn der Dosierer im volumetrischen Modus arbeitet.

Kontinuierliche Fertigung erfordert gleichmäßige Zuführungen. Die Wahrscheinlichkeit, über einen zuverlässigen gravimetrischen Dosierer zu verfügen, erhöht sich erheblich, wenn der untere Trichter für Massenfluss ausgelegt ist. Um den empfohlenen Trichterwinkel für den Massenfluss zu bestimmen, ist eine Prüfung der Wandreibung erforderlich.

Greg Mehos, Ph.D., PE, University of Rhode Island und Stephanie McClory, University of New Haven. Weitere Informationen finden Sie unter www.mehos.net

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