Der Wunsch nach einer Erweiterung des Produktprogramms bei den kontinuierlich austragenden Filtrationszentrifugen war es, der die Mitarbeiter der KMPT AG in den Hochregalen des Technikums nach den Einzelteilen suchen ließ, welche den faszinierenden Versuchsapparat bildeten, der einst eine völlig neuartige Technologie unter den Zentrifugen darstellte. Als Ergänzung zur seit langem erhältlichen Krauss-Maffei-Schubzentrifuge war das Team auf der Suche nach einem Apparat, der den heutigen Marktanforderungen gerecht wird und zusätzliche Vorteile gegenüber den bestehenden Lösungen bietet. Aufgrund der langen Unternehmenstradition lag es auf der Hand, neben dem ständigen Blick nach vorne auch in der eigenen Vergangenheit zu suchen. Die Entwicklungsabteilung erinnerte sich an eine bereits vorhandene, aber weitestgehend in Vergessenheit geratene Technologie – die Taumelzentrifuge. Die Funktion der bei Krauss-Maffei erfundenen und patentierten Taumelzentrifuge basiert auf zwei Prinzipien: Zum einen auf der rotierenden Trommel, die für die Hauptaufgabe, das Entfeuchten eines Fest-Flüssig-Gemisches zuständig ist. Zum anderen auf einer der Rotation überlagerten Taumelbewegung, welche für den kontinuierlichen Transport des gebildeten Feststoffkuchens sorgt.
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Der konstruktive Aufbau ist in der Abbildung rechts zu sehen. Die Suspension (1) fließt in den Zulauftrichter (4), wird von dem Beschleuniger (5) nahezu auf Umfangsgeschwindigkeit gebracht und fällt als Kuchen (6) im Siebkorb an. Das Filtrat (2) wird im oberen Teil des Maschinengehäuses aufgefangen und durch den Filtratkanal (7 und 8) abgeleitet, der Feststoff (3) an einer Schürze (9) abgebremst und durch den Ausfalltrichter (10) aus der Zentrifuge ausgebracht. Die Taumel- oder auch Präzessionsbewegung kann man sehr leicht an einem Spielzeugkreisel beobachten. Sobald dessen Rotationsachse bei hoher Drehzahl eine Störung von außen erfährt, beginnt der Kreisel durch eine kontinuierliche Richtungsänderung der Drehachse zu taumeln. Der Effekt, der beim Kreisel durch einmalige Störung von außen erzeugt wird, muss in der Zentrifuge konstruktiv dauerhaft erzwungen werden. Dazu ist um die Kernwelle, die eigentliche Rotationsachse, eine Hohlwelle installiert, die einen leicht geneigten Taumelkopf trägt. Der Siebkorb, welcher aus einem Spaltsieb und einer Unterkonstruktion besteht, ist an der Kernwelle befestigt. Der Siebkorb selbst, in den das Fest-Flüssig-Gemisch von oben eingetragen wird, ist konisch geformt. Der Konuswinkel ist jedoch zu klein, als dass das Produkt von selbst zu rutschen beginnen würde (wie zum Beispiel bei der Gleitzentrifuge). Wären nun Kern- und Hohlwellendrehzahl identisch, hätte eine beliebige Stelle des Siebkorbs stets die gleiche Neigung gegen die Rotationsachse; es fände kein Transport statt. Da aber Kern- und Hohlwelle mit leichter Differenzdrehzahl rotieren, ist der Fliehkraft im Siebkorb eine oszillierende Neigungsänderung überlagert. Dieses zeitweise „Wegkippen“ der Siebunterlage erzeugt einen Transportimpuls, der gleichmäßig am Umfang umläuft. Stellt man sich die konische Trommel als zweidimensionale Abwicklung vor, so liegt der Kuchen als geschlossene Schicht auf der Siebunterlage. Sobald der umlaufende Transportimpuls einsetzt, beginnt der Kuchen sich wellenförmig jeweils um einige Zentimeter nach vorne zu bewegen. Es ist also nie der ganze Kuchen, der sich als Block bewegt, wie zum Beispiel bei der Schub- oder Siebschneckenzentrifuge, sondern immer nur ein Segment. Somit sind es in der Regel drei Parameter, die bei der Taumelzentrifuge über den Kuchentransport entscheiden:
Die Kombination dieser drei Parameter bestimmt damit die Länge des Transportwegs, die Transportfrequenz und letzten Endes die Verweilzeit des Produktes in der Trommel. Die Herausforderung hierbei ist, das Zusammenspiel dieser Parameter so festzulegen, dass der Transportimpuls hoch genug ist, die Haftreibung zwischen Kuchen und Siebunterlage zu überwinden, aber kurz genug ist, dass das beschleunigte Kuchensegment innerhalb eines Durchlaufens des Transportzyklus auch wieder zum Stillstand kommt. Andernfalls würde der Kuchen entweder gar nicht transportiert werden oder ohne Unterbrechung durch die Trommel durchrutschen.
Widerstand gegen den Zwang
Bei der Konstruktion der Maschine muss außerdem bedacht werden, dass die Zentrifuge stets versucht, der erzwungenen Taumelbewegung entgegenzuwirken und die tatsächliche Rotationsachse der senkrechten Wellenrotationsachse anzunähern – ein aufrichtendes Moment entsteht. Bei genauer Abstimmung aller Betriebsparameter kann das auftretende Kreiselmoment jedoch sehr klein gehalten werden. Da die theoretische Berechnung all dieser Zusammenhänge nur der erste Schritt in der Auslegung einer Produktionsmaschine sein kann, wird derzeit die Versuchs-Taumelzentrifuge der KMPT AG wieder instand gesetzt und modernisiert. Die Erfassung von Daten beim Testen verschiedener Produkte stellt den nächsten wichtigen Schritt dar. Ein Großteil der etwa 100 in den Markt verkauften Maschinen von KMPT ist bereits über 30 Jahre alt. Die Hauptanwendungsgebiete sind schnell filtrierende, grobkörnige Produkte wie Sand, Meersalz, Eisenerz, Rohphosphate und vor allem Carnallit, in dem wegen seiner sehr speziellen Produkteigenschaften die Taumelzentrifuge ihr bisher größtes Einsatzgebiet findet. In den 80er Jahren wurden verschiedenste Produkte auf der Versuchszentrifuge getestet, so zum Beispiel Feinwaschkohle, Glaubersalz, Kali oder Petersilie.
Die Vorteile der Taumelzentrifuge zeigen sich vor allem im Vergleich mit anderen kontinuierlich austragenden Filtrationszentrifugen: So ist kein mechanisches Werkzeug erforderlich, das den Kuchentransport im Siebkorb beziehungsweise der Trommel erzwingt. Wo beispielsweise bei der Siebschneckenzentrifuge die Transportschnecke eine hohe Belastung hinsichtlich Verschleiß und Kornbruch für das Partikel darstellt, gibt es bei der Taumelzentrifuge nur das Gleiten über die Siebauflage. Vor allem bei grobkristallinen, teilweise fragil gewachsenen Partikeln ist eine kornschonende Entfeuchtung möglich, wie sie auf der Siebschneckenzentrifuge nicht erreichbar ist. Zwar kommen sowohl die Gleit- als auch die Schwingzentrifuge ebenfalls ohne Transportschnecke aus, allerdings ist bei diesen der c-Wert, also das mögliche Vielfache der Erdbeschleunigung sehr begrenzt, was letztendlich die erzielbare Restfeuchte des ausgetragenen Produkts stark einschränkt. Während zum Beispiel die Schwingzentrifuge auf etwa 120g limitiert ist, erreicht die mittlere Baugröße der Taumelzentrifugen Bereiche bis knapp 400g, die kleineren Maschinen sogar 500 bis 800g. Die größten Maschinen, wie zum Beispiel die KTZ 100 mit 1000mm Siebkorbdurchmesser am Austrag sind derzeit noch auf einen c-Wert von etwa 250g limitiert. Eine konstruktive Verstärkung bis auf 350g ist hier bereits in der Theorie durchgeführt. Beim direkten Vergleich mit der Schwingzentrifuge in einer deutschen Kohleaufbereitungsanlage erreichte die Taumelzentrifuge bei gleichem Korbdurchmesser eine Restfeuchte, die um 30 Prozent niedriger lag. Eine Kuchenwaschung, wie sie bei vielen Produkten erforderlich ist, lässt sich in der Taumelzentrifuge gut durchführen. Über eine rotierende Ringtasse, die eine Waschdüse speist, welche am Taumelkopf montiert ist, kann man sehr genau festlegen, in welchem Transportzyklusschritt – Beschleunigen, Rutschen, Abbremsen, Stillstand – die Produktwaschung erfolgen soll. Da der Kuchen dabei gerade beim Beschleunigen in axialer Richtung aufgebrochen wird, sobald das segmentweise Rutschen beginnt, bietet sich diese Stelle zur gezielten Kuchenwäsche an.
Separat angetriebene Wellen machen flexibel
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die flexible Einstellung der Maschine während des Betriebs. Man kann die Maschine mit nur einem Motor ausstatten und die Differenzdrehzahl über eine Keilriemenscheibe mit zwei verschiedenen Durchmessern erreichen. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, über zwei Motoren beide Wellen separat anzutreiben (siehe Abbildung oben). Dadurch lässt sich die Differenzdrehzahl – und damit der Transportimpuls - während des Betriebes verändern, sodass man auf schwankende Zulaufbedingungen reagieren kann. Beispielsweise ließe sich die Verweilzeit verlängern, wenn sich die Feststoffkonzentration im Zulauf verringert.
Ein nicht zu unterschätzender Nutzen liegt auch in der Einfachheit des Apparates. Durch das Weglassen des Transportwerkzeugs beziehungsweise der Schwingmechanik ergibt sich eine simple, störungsunanfällige Konstruktion, die sowohl in der Handhabung als auch in der Wartung sehr betreiberfreundlich ist. Außer dem Schmieren der Lager und den üblichen Maschinenrevisionen gibt es kaum Handlungsbedarf. Nicht zu verachten ist in der heutiger Zeit auch der Energieverbrauch einer Maschine. Dadurch, dass keine weiteren Bauteile außer dem Siebkorb angetrieben werden müssen, erfolgt der Produkttransport bereits durch die Rotation. In Süddeutschland steht beispielsweise eine Taumelzentrifuge, die pro Stunde 85 Tonnen Flusskies mit einem 15kW Motor entwässert. Abschließend ist die kompakte Taumelzentrifuge durch die geringe Aufstellfläche und das niedrige Betriebsgewicht gut geeignet, auch in bestehende Anlagen eingebracht zu werden. Im Technikum der KMPT AG können Versuche und deren Auswertung durchgeführt werden. Nach erfolgreicher Analyse sprechen die Versuchsingenieure eine verfahrenstechnische Empfehlung aus. Auf dieser Basis orderte ein sowjetischer Kunde in den 70er Jahren beim Vertrieb der KMPT AG zwei besoffene Fässer – er meinte natürlich die Taumelzentrifugen.
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