Dynamik der Trenncharakteristik eines Abweiseradsichters
In vielen Industriebereichen haben feinste Partikel mit einer definierten Größenverteilung einen wichtigen Stellenwert. Da Produktmerkmale und Qualität eng mit der Partikelgröße verflochten sind, sind Produkte mit einer engen Partikelgrößenverteilung z. B. für die Farbpigment- und Schleifpulverindustrie von lebenswichtiger Bedeutung. Hierbei können feine Partikelfraktionen durch eine größere spezifische Oberfläche chemische Reaktionen beschleunigen oder durch ihre optischen Eigenschaften deutlich hellere Farben erzeugt. Infolgedessen ist die Klassierung mittels Windsichtung für die Herstellung feinster Partikelfraktionen das bedeutendste Verfahren. Der wichtigste Vertreter der Windsichter ist der Abweiseradsichter. Im letzten Jahrhundert wurden Trennmodelle, welche das Partikelverhalten und die Trenncharakteristik eines Abweiseradsichters nur auf Basis von geometrischen und Gleichgewichtsüberlegungen beschreiben entwickelt. Diese Modelle, beschreiben das Verhalten eines einzelnen Partikels unter Einfluss von Zentrifugal- und Schleppkraft, wobei sie für die Berechnung der Trenngrenze unter Verwendung von mehreren empirischen Koeffizienten anwendbar sind. Diese Koeffizienten müssen jedoch durch aufwendige Experimente ermittelt werden. Des Weiteren weisen die Modelle mehrere Nachteile auf. Zum einen kann die Abhängigkeit zwischen den Betriebsbedingungen und den empirisch ermittelten Parametern nicht auf physikalische Zusammenhänge des Trenn-verfahrens zurückgeführt werden. Zum anderen werden keine Partikel-Schaufel- und Partikel-Partikel-Interaktionen berücksichtigt, welche besonders bei höheren Beladungen einen signifikanten Einfluss auf die Trenncharakteristik ausüben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Beschreibung der Trenncharakteristik eines Abweiseradsichters im stationären sowie instationären Betrieb angefertigt. Im Vordergrund stand die Visualisierung und Parametrisierung der Fluidströmung und der Feststoffpartikelbewegung im Schaufelzwischenraum sowie der Peripherie und dem Zentrum des Sichtrades mittels Hochgeschwindigkeitskamera, PIV-Messsystem und DEM-Simulation. Eine Visualisierung der Fluidströmung zeigte, dass mit zunehmender Sichtraddrehzahl im Schaufelzwischenraum ein Fluidwirbel ausgebildet wird, welcher an Durchmesser zunimmt und sich auf die nacheilende Schaufel zubewegt. Hierbei schnürt der Wirbel den in das Sichtradinnere strömenden Fluidstrom ein, wodurch auch der Partikelstrom eingeschnürt wird und mit zunehmender Sichtraddrehzahl mit einer kleineren Impfaktions-fläche der Schaufel interagiert. Aufgrund dieser Fokussierung erhöht sich des Weiteren die Partikelanzahl im Strom, was in einer Zunahme an Partikel-Partikel-Stößen resultiert. Erstmals konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, das sich die in die Sichtrad-peripherie abgewiesenen Partikel in Partikelschwärmen sammeln und als Strähnen den Sichter verlassen. Hierbei nimmt die Größe und Viskosität der Strähnen mit zunehmender Sichtrad-drehzahl und Gutbeladung zu. Auf dem Weg in das Grobgut nehmen diese Strähnen Partikel aus dem Aufgabegutstrom auf und weisen sie direkt ab. Die Parametrisierung der Fluidströmung erlaubt die Bestimmung der größenabhängigen Partikelflugbahnen und somit die Berechnung der Trennung in eine Grob- oder Fein-gutfraktion anhand physikalischer Zusammenhänge ohne Vorexperimente. Hinzukommend ermöglichte die Untersuchung der Fluidströmung eine Anpassung der Schaufelgeometrie an die Strömungsbedingungen. Somit konnte die Bildung eines Fluidwirbels im Schaufelzwischenraum bei allen untersuchten Drehzahlen vermieden werden, welches infolge einer reduzierten Partikelinteraktion bei identischer Sichtraddrehzahl zu einer kleineren Trenngrenze führte.
In many industrial sectors, finest particles with a defined size distribution have an important role on the production process. Product features and quality are closely intertwined with the particle size. Therefore, products with a narrow particle size distribution are of vital importance for the color pigment and grinding powder industry. In this case, fine particle fractions can accelerate chemical reactions by means of a larger specific surface or, by virtue of their optical properties, produce markedly brighter colours. As a result, particle separation by means of air classification is for the production of very fine particle fractions the most important process. The most important representative of the air classifiers is the deflector wheel separator. In the last century, separation models have been developed which describe the particle behaviour and the separation characteristics of a deflector wheel classifier only by geometric and equilibrium considerations. These models describe the behaviour of a single particle under the influence of centrifugal and drag forces. The models are applicable for the calculation of the cut size using several empirical coefficients. However, these coefficients must be determined by elaborate experiments. Furthermore, the models have several disadvantages. On the one hand, the dependence between the operating conditions and the empirically determined parameters cannot be attributed to physical relationships of the separation process. On the other hand, no particle-paddle and particle-particle interactions are taken into account, which exert a significant influence on the separation characteristic, especially at higher loadings. In the present work, investigations were made to describe the separation characteristics of a deflector wheel classifier in stationary and instationary conditions. The focus was on the visualization and parameterization of the fluid flow and the movement of solid particles in the area between two paddles as well as the periphery and the center of the classifying wheel by means of a high-speed camera, PIV measuring system and DEM simulation. A visualization of the fluid flow showed that with an increasing peripheral speed a fluid vortex is formed in the paddle interspace, which increases in diameter and moves toward the perusing paddle with an increasing peripheral speed of the deflector wheel. In this case, the vortex constricts the fluid flow between vortex and paddle. As a result of this constriction the particle stream is increasingly constricted with an increasing peripheral speed of the classification wheel and interacts with a shrinking impaction area. Due to this focusing, the number of particles in the focused stream rises, resulting in more particle-particle interactions. For the first time, it could be shown that rejected particles are forming particle streaks in the periphery of the deflection wheel. Furthermore, the size and viscosity of the streaks increases with the peripheral speed of the deflector wheel and the material loading. On their way into the coarse material fraction these streaks are collecting particles from the feed stream and reject them directly. The parameterization of the fluid flow allows the determination of the size-dependent particle trajectories and thus the calculation of the particle separation into coarse or fine good fraction, based on physical relationships without previous experiments. Furthermore, the investigation of the fluid flow made it possible to adapt the paddle geometry to the flow conditions. So, it was possible to avoid the formation of a fluid vortex in the paddle interspace at all peripheral speeds, which resulted in a smaller cut size.
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