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Messservice: Fließfähikeit von Pulvern und Schüttgütern

Schüttgutuntersuchungen zur Auslegung von SiloS, Schüttgutbehälter

Abhängig vom spezifischen Gewicht eines Schüttgutes steigt der Druck in einem Silo mit steigender Tiefe an. Anders als bei einer (idealen) Flüssigkeit nimmt die Schüttgutdichte mit steigendem Druck zu. Für die Siloberechnung wird die Schüttgutdichte bei verschiedenen Belastungen ermittelt [DE].

 

Horizontallastverhältniss - Spannungsverteilung im Schüttgut

Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit, wird durch die innere Reibung des Schüttgutes, der vertikale Druck nicht vollständig auch in horizontaler Richtung mobilisiert. Die Druckverhältnis in horizontaler und vertikaler Richtung wird über das sogenannte Horizontallastverhältnis (λ) dargestellt und kann über den effektiven Reibungswinkel (φe) bei verschiedenen Spannungen hergeleitet werden. Bei der Messung des Fließortes [YL] werden daher neben dem inneren Reibungswinkel, der effektive Reibungswinkel, als auch die, für die Berechnung des kritischen Auslaufdurchmessers eines Silos notwendige, Druckfestigkeit (σc) bestimmt.

 

Da das Schüttgut, an unterschiedlichen Orten im Silo, unterschiedlichen Spannungen ausgesetzt ist, wird der Fließort bei mehreren Referenzspannungen σr gemessen, um über die resultierenden Funktionen die Parameter zur Siloberechnung zur Verfügung zu haben. Daher sollten Fließorte immer an mindestens drei unterschiedlichen Referenzspannungen im Bereich der zu erwartenden Lasten gemessen werden.

 

Durch die resultierende Kraft auf die Silowände wirkt in Verbindung mit dem Wandreibungskoeffizienten (μ) eine Stützkraft, die dem Druckanstieg entgegenwirkt. Oftmals wird der Wandreibungsbeiwert auch durch den Wandreibungswinkel φx bzw. φw und ggf. die Adhäsion angegeben. Bei der Wandreibungsmessung [WF] wird der Wandreibungskoeffizient bei unterschiedlichen Belastungen gemessen.

 

Siloberechnung zur technologischen AuslegungAbhängig von der Geometrie des Silos (Querschnittsfläche, Winkel der Wände, etc.), können diese Einflussgrößen sich gegenseitig unterschiedlich stark beeinflussen und bestimmen somit gemeinsam den Druck an den verschiedenen Punkten und Richtungen beim Lagern von Schüttgütern. Zur Siloberechnung müssen die Größen, effektiver Reibungswinkel, Durckfestigkeit, Wandreibungswinkel und Schüttdichte für jeden Spannungszustand im Silo bekakannt sein.

 

Die Wände eines Silos müssen so ausgelegt sein, dass sie zusätzlich zur Konstruktion der Druck- und Scherbelastungen durch das Schüttgut standhalten. Bei Querschnittsveränderungen und insbesondere im Übergangsbereich zwischen Siloschaft und -trichter entstehen Spannungsspitzen, die unbedingt beachtet werden müssen. Bei Erstbefüllung / Füllzustand (aktiver Spannungszustand), entstehen durch den geringeren Einfluss der Wandreibung höhere vertikale Drücke auf Konstruktion und Austragsgerät als nach einem Materialabzug, wenn das Schüttgut einen Entleerungszustand (passiven Spannungszustand) annimmt.


Bei zu großem effektiven Reibungswinkel und/oder zu großer Wandreibung bzw. zu flacher Trichterneigung kommt es zu Kernfluss und ggf. zu Schachtbildung im Silo. Je nach Austragssituation kann diese auch exzentrisch auftreten und so problematische Spannungen auf die Silokonstruktion und weitere technologische Probleme versursachen. (siehe "Siloauslegung für Massenfluss").

 

Nicht alle Austragsgeräte wie Vibrationsböden, Schneckenförderer sind in der Lage freifließende oder fluidisierte Schüttgüter aufzuhalten. Gerade bei Erstbefüllung oder wenn ein Mindestfüllstand und die damit notwendige Verweilzeit zum Entlüften des Schüttgutes nicht ausreichend ist, kann es zum durchschießen des Materials aus dem Austrag kommen. Je nach Austragsgerät ist auch manchmal ein kohäsives Schüttgut von Vorteil, welches damit auch eine eine höhere Druckfestigkeit und Neigung zur Brückenbildung aufweist. Auch muss sichergestellt sein, dass das Austragsgerät oberhalb der natürlichen Brücke im Trichter eingebaut ist um Auslauf zu gewährleisten. (siehe auch "Brückenbildung im Silo")

 

Alle notwendigen physikalischen Schüttgutparameter zur Berechnungen von Silos können wir Ihnen durch Messung der Schüttguteigenschaften liefern. Fließeigenschaften, Wandreibunskoefizienten bzw. Schüttgutdichen bei Belastung durch Erfahrungswerte oder Stofftabellen zu benutzen, sind keine verlässlichen Vorgaben für die technologische Auslegung und beinhalten ein hohes Versagungspotential. Schon kleinere Unterschiede in der Zusammensetzung, Partikelform und -größe, Oberflächenstruktur, Feuchtigkeit oder anderer mechanischen und interpartikuläre Eigenschaften können das Verhalten des Schüttgutes stark beeinflussen. Nur wenn man die Schüttgutdaten und Streuung seines spezifischen Materials kennt, kann man Probleme erkennen und verhindern. Auch die Normung nach DIN 1055-6 bzw DIN EN 1991-4 schreibt vor, dass wenn möglich Schüttgutdaten durch Messungen zu bestimmen sind. Nur auf Grundlage von geeigneten Schüttgutuntersuchungen, können diese verlässlichen Kenndaten ermittelt werden.

 

SiloberechnungEntsprechend der durchgeführten Messungen und zur einfachen und sicheren Weiterverarbeitung der Daten, sind die für weiterführende Berechnungen häufig genutzten Auswertungen automatisch abrufbar. Auch ein Berechnungstool zur Abschätzung der Spannungen und Fließeigenschaften im Silo, ist nach den gängigen Berechnungsmethoden für rotationssymmetrische, axialsymmetrische und konische Masseflusssilos vorhanden. Verschiedene Siloformen, -dimensionen können vorgegeben, automatisch berechnet und verglichen werden.

 

 

Typisches Beispiel einer Messreihe zur SiLOBERECHNUNG

Schüttgutparameter sind meist keine Konstanten, sondern Funktionen und müssen daher bei verschiedenen Spannungszuständen gemessen werden. Für die Siloberechnung benötigt man mindestens drei Messungen des Fließortes, eine Wandreibungsmessung und eine Dichtemessung bei unterschiedlichen Konsolidierungsspannungen.

  • mindestens 3 Messungen des Fließortes [YL]
    bei 3 unterschiedlichen Konsolidierungsspannungen σr und 5 Abscherpunkten
    zur Bestimmung des effektiven Reibungswinkels (zur Herleitung des Horizontallastverhältnisses) und der Funktion der Druckfestigkeit.
  • mindestens 1 Messung des Wandfließortes [WF]
    über den Bereich der zu erwarteten Spannungen auf min. 5 Normalspannungen verteilt,
    zur Bestimmung des Wandreibungskoeffizienten bzw. Wandreibungswinkels
  • mindestens 1 Messung der Schüttgutdichte [DE]
    über den Bereich der zu erwarteten Spannungen bei min. 5 Normalspannungen,
    zur Bestimmung der Dichte bei unterschiedlichen Belastungen.

Messungen zur Siloberechnung

Ergänzend:

  • Messung der Zeitverfestigung beim Fließort [YLT]
  • Messung der Zeitverfestigung der Wandreibung [WFT]
  • Messung der Veränderung der Wandreibung im Prozess [WFC]
  • Bestimmung der Schüttgutfeuchte [MO]

Zur Bestimmung, des in die Siloberechnung nach DIN EN 1991-4 bzw. DIN 1055-6 notwendigen Streukoeffizienten  aK, aμ, aγ, führen wir immer Doppelbestimmungen der Messungen durch.

 

 

Schüttgutanalyse Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Messwerte Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Silogeometrie Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Berechnungsgrundlagen Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Spannungen im Siloschaft Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Silotrichter Füllzustand Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Massenfluss oder Kernfluss Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Silotrichter Entleerungszustand Berechnung der Spannungen im Silo DIN 1055-6, EN 1991-4 - Brückenbildung