Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen: bei besonderen mechanischen, thermischen oder chemischen Belastungen

637 Pages·2001·27.5 MB·German

by  P. Dietz (auth.)

Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
ONLINE LIBRARY
Paris Engineering
Singapur
Tokio http://www.springer.de/engine/
P. Dietz (Hrsg.)
Konstruktion
verfahrenstechnischer
Maschinen
bei besonderen mechanischen, thermischen
oder chemischen Belastungen
Springer
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Peter Dietz
Technische Universitat Clausthal
38678 Clausthal-Zellerfeld
Ergebnisse des Sonderforschungsbereichs 180
an der Technischen UniversiHit Clausthal
ISBN -13:978-3-642-64023-0 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen / mit Beitr. von Kurt
Leschonski ... Hrsg.: Peter Dietz. - Berlin; Heidelberg; New York;
Barcelona; Hongkong ; London; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio:
Springer, 2000
(vDI-Buch)
ISBN -13:978-3-642-64023-0 e-ISBN-13 :978-3-642-59551-6
DOl: 10.10071978-3-642-59551-6
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Softcover reprint of the hardcover I st edition 2001
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Satz: Autorendaten, Computer to plate
SPIN: 10772316 68/3020 Gedruckt auf saurefreiem Papier -5 4 3 2 1 0
Vorwort des Herausgebers
Das vorliegende Buch beschreibt die Ergebnisse einer iiber zw6lf Jahre dauernden
interfakultativen Forschungsarbeit zur gleichzeitigen Entwicklung verfahrenstech
nischer Prozesse und ihrer Maschinen. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft
sei an dieser Stelle fUr die groBziigige Unterstiitzung des Sonderforschungsbe
reichs 180 "Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen bei besonderen me
chanischen, thermischen oder chemischen Belastungen" gedankt.
Die Erkenntnisse aus diesen Forschungsarbeiten, ihre Diskussion in der Of
fentlichkeit und das rege Interesse besonders der Industrie zeigen, dass hier wich
tige Grundlagenfragen im Grenzbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
aufgegriffen wurden, die neue Prozesse und Anlagen zur Folge haben, dass aber
auch neue Erkenntnisse zum allgemeinen Entwicklungsprozess technischer Pro
dukte in der interfakultativen Zusammenarbeit entstanden. Es war immer faszinie
rend zu erfahren, wie unterschiedlich die Entwickler verschiedener Wissen
schaftsdisziplinen an die Bewaltigung einer technischen Aufgabe herangehen. Es
hat sich gezeigt, dass das Erkennen und Bewaltigen grundlagenorientierter Pro
bleme die kooperative Forschungstatigkeit von Wissenschaftlern mehrerer Diszi
plinen iiber die eigenen Fachbereiche hinaus fordert, dass aus dieser Zusammen
arbeit aber auch eigene Impulse und auBergew6hnliche Ideen erwachsen k6nnen.
Nicht zuletzt haben diese Forschungsarbeiten eine Auswirkung auf die universita
re Lehre im Sinne einer mindestens in der Technischen Universitat Clausthal ein
gefUhrten Systemkompetenz als integralen Bestandteil des Ingenieurstudiums.
Das Buch stellt einen Teil der Forschungsergebnisse in einer Zusammenstel
lung dar, die den in der Praxis tatigen Prozess- und Anlagenentwickler zur Fin
dung neuer Ideen anregen solI und ihm die dazu notwendigen methodischen und
rechnerischen Grundlagen liefert. Neben objekt- und prozessbezogenen Ab
schnitten enthalt es daher auch allgemeine Kapitel zur Methodik der Maschinen-,
Prozess-und Werkstoffentwicklung.
Der Dank an dieser Stelle gilt natiirlich allen Autoren, die an diesem Projekt
mitgearbeitet haben, und dariiber hinaus allen Mitarbeitern, die sich wahrend der
vergangenen zw6lf Jahre urn die Erarbeitung grundlagenbezogener Forschungser
gebnisse bemiiht haben. Besonderer Dank gilt dem Redaktionsteam und hier spe
ziell den Herren Dipl.-Ing. GroBe und Dipl.-Ing. Birkholz, die in nimmermiider
Kleinarbeit die Beitrage von den Kollegen eingefordert, eingesammelt, korrigiert
und in die richtige Form gebracht haben. Nicht zuletzt gilt mein Dank dem Sprin
ger-Verlag fUr die wertvolle Unterstiitzung und Sorgfalt bei der Drucklegung
dieses Buches.
Clausthal, im Mai 2000 Peter Dietz
In haltsverzeichn is
Autorenverzeichnis ........................................... XVII
Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen - eine Einfiihrung
in die Arbeitsgebiete des Sonderforschungsbereichs ............... .
P. Dietz
1 Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen ............... 9
1.1 Konstruktionssystematik fur die integrierte Prozess-
und Maschinenentwicklung in der Verfahrenstechnik ......... 10
P. Dietz
1.1.1 Entwicklungsprozesse in Maschinenbau und
Verfahrenstechnik ............................... 10
1.1.2 Vorgehensweise zum Entwickeln verfahrenstechnischer
Maschinen ..................................... 11
1.1.2.1 Planungsphase .......................... 14
1.1.2.2 Konzeptionsphase ........................ 16
1.1.2.3 Entwurftphase .......................... 18
1.1.2.4 Ausarbeitungsphase ...................... 20
1.1.3 Anwendung der Methodik bei der Entwicklung
verfahrenstechnischer Maschinen ................... 20
1.1.3.1 Beispiel 1: Entwicklung eines
Hochgeschwindigkeits-Windsichters ......... 20
1.1.3.2 Beispiel 2: Entwicklung eines Reaktions-
verdichters for das Recycling von Kunststoffen . 24
1.1.3.3 Beispiel 3: Entwicklung einer Reaktionsmilhle . 26
1.1.4 Zusammenfassung .............................. 27
1.2 Behandlung von Anforderungen in der Entwicklung
verfahrenstechnischer Prozesse, Maschinen und Anlagen . . . . 29
P. Dietz, P.J. Kruse
1.2.1 Die Bedeutung von Anforderungen in technischen
Aufgabenstellungen ............................. 29
1.2.2 Bewertung der gegenwartigen Anforderungsbehand1ung 33
1.2.3 Aufbau einer Anforderungsstruktur ................. 35
1.2.4 Die Erfassung von Anforderungen .................. 39
VIII Inhaltsverzeichnis
1.2.4.1 Anforderungen durch den Auftraggeber ...... 39
1.2.4.2 Anforderungen des eigenen Unternehmens . . . 41
1.2.4.3 Anforderungen der Umgebung ............. 42
1.2.4.4 Allgemeine Anspriiche an die Erfassung
von Anforderungen ....................... 42
1.2.5 Die Auibereitung von Anforderungen ............... 44
1.2.6 Die Bereitstellung von Anforderungen ............... 45
1.2.7 Zusammenfassung .............................. 47
1.3 Sicherheitstechnik in der Verfahrenstechnik ................. 48
P. Dietz, N Beisheim, S. Bonig
1.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 48
1.3.2 Notwendigkeit der Fehler-und Storfallprlivention
in der Verfahrenstechnik .......................... 48
1.3.3 Sicherheitsanalytische Methoden in der Verfahrens-
technik ........................................ 50
1.3.3.1 Checklistenanalysen ...................... 51
1.3.3.2 HAZOP-Studie (PAAG-Verfahren) ........... 52
1.3.3.3 Matrixdarstellung der Wechselwirkungen ..... 53
1.3.3.4 Ausfalleffektanalyse (FMEA) ............... 54
1.3.3.5 Ereignisablaufanalyse .................... 55
1.3.3.6 Fe hlerbaumanalyse ...................... 56
1.3.3.7 Entscheidungstabellentechnik .............. 56
1.3.3.8 KOMB-Analyse .......................... 57
1.3.4 Einsatz der vorgestellten Sicherheitsanalysen
in der Maschinen- und Anlagenentwicklung .......... 60
1.3.4.1 Bewertung der Sicherheitsanalysen .......... 60
1.3.4.2 Entwicklungsbegleitende Sicherheitskonzepte .. 62
1.3.4.3 Erkenntnisse aus der Untersuchung der
sicherheitsanalytischen Methoden ........... 64
1.3.5 Die wissensbasierte Sicherheitsanalyse (WISI) ........ 64
1.3.5.1 Funktions-Anforderungs-Struktur ........... 65
1.3.5.2 Zuordnung der Verfahren, Anlagen
und Komponenten ........................ 68
1.3.5.3 Kontrolle und priiventive Ermittlung
von Storungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.3.5.4 Gewichten von Storungen, Ursachen
und Auswirkungen ....................... 70
1.3.5.5 Durchfiihrung priiventiver Sicherheitsanalysen . 71
1.3.5.6 MaJ3nahmen gegen Ursachen
und Auswirkungen von StOrungen ........... 72
1.3.6 Verbesserung der Analysegenauigkeit der
Sicherheitsanalyse durch Einsatz von Methoden
kiinstlicher Intelligenz ........................... 73
1.3.7 Zusammenfassung .............................. 75
Inhaltsverzeichnis IX
2 Belastungen, Dynamik, Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.1 Besonderheiten in Belastung und Beanspruchung
verfahrenstechnischer Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
P. Dietz
2.2 Beanspruchung von Komponenten verfahrenstechnischer
Maschinen und Moglichkeiten der Beeinflussung . . . . . . . . . . .. 83
H.-P. Beck, H. Zenner, C. Sourkounis, F. Peter
2.2.1 Einleitung .................................... . 83
2.2.2 Untersuchte verfahrenstechnische Maschinen ........ . 84
2.2.2.1 Allgemeines ............................ . 84
2.2.2.2 Gutbeft-Walzenmiihlen ................... . 85
2.2.2.3 Shredder .............................. . 86
2.2.3 Betriebsmessungen und Analyse der Beanspruchungen . 87
2.2.3.1 Allgemeines ............................ . 87
2.2.3.2 Beanspruchungen im Antriebsstrang
der Gutbett-Walzenmiihle ................. . 88
2.2.3.3 Beanspruchungen im Antriebsstrang
des Shredders .......................... . 91
2.2.4 Antriebs-und regelungstechnische MaBnahmen
zur Lastkollektivminimierung und Energieeinsparung .. 99
2.2.4.1 Elektrisch-mechanisches Antriebssystem /
Stand der Technik ....................... . 99
2.2.4.2 Drehzahlelastische Antriebe
zur Lastkollektivminimierung . . . . . . . . . . . . . .. 112
2.2.4.3 Ergebnisse............................. 117
2.2.5 Lastannahmen fUr Komponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120
2.2.6 Danksagung................................... 121
2.3 Konstruktive Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsrotoren, Ein
satzen und Verbindungen in verfahrenstechnischen Maschinen .. 124
P. Dietz
2.3.1 Einleitung..................................... 124
2.3.2 Gestaltung eines Hochgeschwindigkeits-Windsichters .. 124
2.3.2.1 Aufgabenstellung und Stand der Technik,
Konzeptjindung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 124
2.3.2.2 Aufbau eines Abweiseradsichterrotors . . . . . . .. 125
2.3.2.3 Grundlagen zur Berechnung und Gestaltung
der Sichterelemente nach Abb. 6 ........... , 131
2.3.2.4 Dynamische Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
2.3.2.5 Anmerkungen zum Verschleif3
in Faserverbundwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . .. 150
2.3.3 Gestaltung von Rotoren fUr Prallmiihlen . . . . . . . . . . . .. 151
2.3.3.1 Aufgabenstellung und Stand der Technik ...... 151
X Inhaltsverzeichnis
2.3.3.2 Festigkeitsbetrachtungen zum /stzustand
von Feinprallmuhlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 153
2.3.3.3 Mahlrotorenfor hohe Umfangs-
geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
2.3.4 Zusammenfassung.............................. 167
2.4 Aspekte zur dynamischen Auslegung und Optimierung
von Laborzentrifugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 5
D. Behr, J. Dobras, X Feng, J. Strackeljan
2.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
2.4.2 Grundlegender Aufbau von Laborzentrifugen . . . . . . . .. 175
2.4.3 Das dynamische Verhalten des Rotorsystems . . . . . . . .. 177
2.4.4 Evolutionarer Algorithmus zur Mehrzieloptimierung
einer Zentrifugenkonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184
2.4.5 Zusammenfassung.............................. 187
2.5 LarmminderungmaBnahmen an schnelllaufenden
Prallzerkleinerungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
H. -J. Barth, P. Wiersch
2.5.1 Aufgabe und Schallsituation von Prallmlihlen . . . . . . . .. 190
2.5.2 Schallentstehung bei Prallzerkleinerungsmaschinen . . .. 191
2.5.3 Schallausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 192
2.5.4 Schallemission von Prallzerkleinerungsmaschinen . . . .. 193
2.5.5 LiirmminderungsmaBnahmen...................... 197
2.5.6 Ansatzpunkte fur eine larmarme Mlihlenkonstruktion . .. 199
2.5.6.1 Die Lagerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 199
2.5.6.2 Die Mahlgutfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
2.5.6.3 Die Einbauten ........................... 201
2.5.6.4 Das Gehiiuse ............................ 202
2.5.7 Abschatzung der Schallemission des Mlihlengehauses .. 204
2.5.8 L6sungsvorschlage.............................. 207
2.5.9 Zusammenfassung.............................. 209
3 Verfahrenstechnische Maschinen unter vorwiegend
mechanischen Beanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 211
K. Leschonski
3.1 Einleitung........................................... 211
3.2 Die Feinsttrennung in Fliehkraft-Gegenstromsichtem
bzw. Abweiseradsichtem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 213
3.2.1 Einleitung ..................................... 213
3.2.2 Die Trenngrenze der Fliehkraft-Gegenstromsichter ..... 214
3.2.3 Der Abweiseradsichter ........................... 217
3.2.4 Die Dosier-und Dispergiereinheit . . . . . . . . . . . . . . . . .. 219
3.2.5 Ergebnisse..................................... 219
3.2.6 Zusammenfassung.............................. 225
Inhaltsverzeichnis Xl
3.3 Die Feinstzerkleinerung in einer zweistufigen Rotorprallmiihle. 227
3.3.1 Einleitung..................................... 227
3.3.2 Der Autbau der zweistufigen Rotorprallmiihle . . . . . . .. 228
3.3.3 Enge Verteilung der PraJlgeschwindigkeiten .......... 229
3.3.4 Rohe Relativ-/Prallgeschwindigkeiten
und kurze Flugwege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 230
3.3.5 Rohe Aufprallwahrscheinlichkeit auf den stationaren
und bewegten umstromten Prallelementen . . . . . . . . . . .. 234
3.3.6 Ergebnisse..................................... 235
3.3.7 Zusammenfassung .............................. 239
3.4 Untersuchungen zur Zerkleinerung von Kunststoffen
in einer Schneidmiihle und einem Pendelschlagwerk . . . . . . . . .. 240
3.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
3.4.2 Grundlagen des Schneidvorganges . . . . . . . . . . . . . . . . .. 241
3.4.3 Schneidmiihlen................................. 243
3.4.4 Pendelschlagwerk............................... 248
3.4.5 Ergebnisse..................................... 249
3.4.6 Zusammenfassung.............................. 253
4 Verfahrenstechnische Maschinen unter vorwiegend thermischen,
chemischen und abrasiven Beanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . .. 255
4.1 Entwicklung keramischer Ventilatoren flir die Umwalzung
heiBer Gase bis 1350 DC ................................ 255
H. -J. Barth, R. Scholz
4.1.1 ReiBgasforderung in der Verfahrenstechnik ........... 255
4.1.2 Konstruktive Probleme bei der Entwicklung
eines Reil3gasventilators .......................... 256
4.1.2.1 Keramische Werkstoffe: fertigungsgerechte
Gestaltung .............................. 256
4.1.2.2 Modulare Losungsansiitze ................. 256
4.1.2.3 Monolithische Konstruktion fur Ventilatorrad
und Antrieb ............................. 257
4.1.2.4 Belastung und Lebensdauer ................ 261
4.1.3 F orderverhalten ( stromungstechnische Untersuchungen) 263
4.1.3.1 Versuchsanlagen ......................... 266
4.1.3.2 Ergebnisse der stromungstechnischen
Untersuchungen ......................... 268
4.1.4 Dauerversuche (Versuche mit Paddelradem) .......... 275
4.1.5 Zusammenfassung .............................. 277