Abweiseradsichter dienen zur Trennung von Partikelkollektiven in ein Grobgut und ein Feingut mit Trenngrenzen im niedrigen Mikrometerbereich. Im verwendeten Sichtertyp strömt die Sichtluft in einem Wirbel aufwärts zum Sichtrad, das aus mehreren Schaufeln besteht. Das Aufgabegut wird unterhalb des Sichtrades zugegeben und durch den Luftwirbel zum Sichtrad getragen. Dort werden die Partikel in einem Kräftegleichgewicht aus einwärts gerichteter Schleppkraft der Luft und auswärts gerichteter Zentrifugalkraft nach ihrem aerodynanischen Eigenschaften getrennt. Das Feingut passiert den Zwischenraum zwischen den Schaufeln des Sichtrades und gelangt in die Feingutleitung, wo es schließlich in einem Zyklon aus dem Luftstrom abgetrennt wird. Das Grobgut, das aufgrund der dominierenden Zentrifugalkraft am Sichtrad abgewiesen wird, gelangt zurück in den Sichtraum und baut einen hochturbulenten Pulverspeicher auf, den so genannten Hold-up. Das Abfließen aus dem Hold-up kann nur über den Transport in den Grobgutbehälter erfolgen, wozu die aufwärts gerichtete Sichtluftstrom durchquert werden muss. Dies gelingt erst bei hinreichend hoher Massenbeladung im Hold-up durch die Bildung von Partikelsträhnen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis für die Vorgänge in Abweiseradsichtern zu gewinnen bzw. das Trennverhalten zu erklären. In einer Sensitivitätsanalyse wurde zunächst der Einfluss verschiedener Materialparameter sowie konstruktiver Änderungen am Sichter durchgeführt. Auf dieser Basis konnte der Sichtprozess in vier Unteraspekte aufgeteilt werden: (1.) die Dispergierung des Aufgabegutes, (2.) der Transport des Aufgabegutes zum Sichtrad, (3.) die eigentliche Trennung im Sichtradschaufelzwischenraum und (4.) der Abtransport des Grobgutes. Die langen Zeiträume, die der modifizierte ATP 50 Abweiseradsichter benötigt, um den stationären Zustand zu erreichen, konnte auf den sich bildenden Hold-up zurückgeführt werden. Ein entwickeltes Modell zur Partikelverweilzeit und der zeitabhängigen Hold-up Masse spiegelt die experimentell bestimmten Verweilzeiten gut wider.
Anschließend folgten Experimente mit geringer Massenbeladung, so dass PIV (Particle Image Velocimetry), LDA (Laser Doppler Anemometrie) und Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen durchgeführt werden konnten. Diese zeigten die signifikanten Abweichungen zu üblicherweise angenommenen Fluidströmungsgeschwindigkeiten. Andererseits erfasste diese Messtechnik die Initialgeschwindigkeitsverteilungen des Sichtgutes beim Eintritt in den Sichtradschaufelzwischenraum.
DEM (Discrete Element Method) Simulationen erfassten die Anzahl an Partikel-Partikel Kollisionen und ein theoretisches Modell wurde abgeleitet. Dieses hat das Ziel, die Partikel-Partikel Kollisionen im Sichtradschaufelzwischenraum so stark zu vereinfachen, dass sie nicht mittels eines Supercomputers und spezieller Software berechnet werden müssen, sondern mit einem normalen Computer und Matlab zu erfassen sind. Hier finden die Stoßeigenschaften, wie die Verteilung der Restitutionskoeffizienten oder die Verteilung von Rücksprung- und Impaktionswinkel, Anwendung.
Mittels der Partikelinitialgeschwindigkeitsverteilung, der Partikel-Partikel-Kollisionshäufigkeit sowie der theoretischen Unterteilung in drei Unterfälle und den Stoßparameterverteilungen lässt sich eine Partikeltangentialgeschwindigkeits- und Radiusverteilung berechnen. Zusammen mit der realen Luftströmung, der Berücksichtigung der Partikelform und des spezifischen Widerstandsbeiwertes lässt sich eine kumulative Abweisewahrscheinlichkeit berechnen. Diese spiegelt die experimentell gemessenen Trennkurven für Kalksteinpartikel, gemahlenes Glas, Glaskugeln sowie zwei Leichtfüllstoffe gut wider.Deflector wheel classifiers are used to separate particle collectives in the low micrometer range according to size. The feed material is separated into two fractions, the coarse material and the fine material. The classifying air used for this purpose is drawn in through an eccentrically mounted inlet below the classifier wheel, forms an upward-flowing vortex and is drawn into the fines tube through the rapidly rotating classifier wheel. The feed material is added below the classifier wheel and carried by the air vortex to the classifier wheel, where the particles experience a force equilibrium of inward drag force of the air and outward centrifugal force. In the case of fines, the drag force of the air is greater than the centrifugal force, allowing the particles to enter the interior of the classifier wheel. A cyclone then separates the fine material from the air stream. In the case of coarse material on the other hand, the centrifugal force dominates and the particles are rejected back into the classifying compartment. The coarse material outlet is located below the air inlet and the coarse material must overcome a force equilibrium of gravity and drag force of the air. Only when a hold-up is formed and the mass loading is consequently sufficient, the rejected coarse material can overcome this force equilibrium by forming loose particle clusters and wake effects.
The aim of this work is to gain a better understanding of the processes in deflector wheel classifiers, or rather to explain the separation behavior. In a sensitivity analysis, the influence of various material parameters as well as design changes to the classifier were carried out. On this basis, the classifying process could be divided into four sub-aspects: (1.) the dispersion of the feed material, (2.) the transport of the feed material to the classifier wheel, (3.) the true separation in the space between the classifier wheels, and (4.) the removal of the coarse material. The long times required for the modified ATP 50 deflector wheel classifier to reach steady state could be attributed to the forming hold-up. The accumulating particulate mass is proportional to the cut particle size at the coarse material outlet. A developed model for particle residence V time and time-dependent hold-up mass reflects the experimentally determined residence times very well. Subsequently, the focus is on experiments with low mass loading, so that optics-based measurement devices such as PIV (Particle Image Velocimetry), LDA (Laser Doppler Anemometry) and high-speed camera recordings were usable. These showed the significant deviation from commonly assumed fluid flow velocities and, for example, up to four times higher radial velocities near the trailing classifier blade than expected. On the other hand, this measurement technique captured the initial velocity distributions of the material to classify as it entered the classifier wheel interspace. DEM (Discrete Element Method) simulations captured the number of particle-particle collisions and a theoretical model was derived.
This model aims to simplify the particle-particle collisions in the gap between the classifying wheels to such an extent that they must not be calculated by means of a supercomputer and special software, but by means of a normal computer and Matlab. Here, the impact characteristics, such as the distribution of the restitution coefficients or the rebound minus impaction angle distribution, are applied. The characteristic impact parameters had been measured in the classifier with moving wall for limestone and in a model setup with standing wall for the various materials. Using the particle initial velocity distribution, the particle-particle collision probability, and the theoretical subdivision into the three subcases as well as the impact parameter distributions, a particle tangential velocity and radius distribution can be calculated. Together with the actual airflow, the consideration of the particle shape and the shape and Reynolds number dependent drag coefficient, a cumulative rejection probability can be calculated. This reflects the experimentally measured separation curves for limestone particles, ground glass, glass spheres, and the lightweight fillers Aeropor and Sil-cell very well. For the purpose of scalability, the input parameters for the model are chosen so that they can either be measured quite well or be estimated
