Schneckenförderer
Die Archimedische Schraube in der modernen Verfahrenstechnik
HEUREKA! (Ich hab´s gefunden!) rief Archimedes begeistert aus, sprang aus dem Wasserbecken und lief splitterfasernackt nach Hause. Er hatte gerade beim Eintauchen in das Bad entdeckt, dass das Volumen seines Körpers der ausfließenden Wassermenge entsprach.
Das Archimedische Prinzip war jedoch nur eine Erkenntnis der unzähligen Arbeiten und Forschungen dieses genialen Wissenschaftlers. Der Überlieferung nach soll Archimedes während eines Aufenthaltes in Ägypten eine Art Schraubenpumpe zum Heben von Wasser erfunden haben. Bei dieser Archimedischen Schraube handelt es sich um eine im Zylinder liegende Schraube, die gedreht wird. Das untere Ende liegt im Wasser und durch das Drehen der Spirale wird das Wasser auf ein höheres Niveau befördert. Diese mit Muskelkraft betriebenen Geräte wurden in der Antike zur Bewässerung von Feldern und zur Entwässerung von Bergwerksbetrieben eingesetzt. Seit dem frühen 15. Jahrhundert nutzen die Niederländer zur Landgewinnung Windmühlen, um Archimedische Schrauben zum Wasserheben anzutreiben. Diese Technik der Landgewinnung breitete sich dann von den Niederlanden über Deutschland bis nach Polen aus.
Allgemeines
Je nach Aufgabenstellung und Produkteigenschaften werden einwellige und zweiwellige Schneckensysteme gebaut, letztere vorwiegend zum kontinuierlichen Mischen und zerkleinern von Produktagglomeraten. Schneckenförderer können waagrecht, geneigt und senkrecht angeordnet werden; gekrümmte Förderwege lassen sich mit Spiralförderern realisieren. Durch ihre robuste Ausführung sind sie auch harten Beanspruchungen im Dauerbetrieb gewachsen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und den geringen Querschnitten sind sie besonders gut für schwierige Einbauverhältnisse geeignet. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, zusätzliche Verfahrensschritte, wie Mischen, Heizen, Kühlen und Trocknen zu integrieren. Die Förderrichtung ist abhängig von der Gewindeart (Rechts- oder Linksgewinde) und der Drehrichtung der Schneckenwelle. So kann beispielsweise bei einer Kombination von Rechts- und Linksgewinde auf einer Schneckenwelle, von zwei außenliegenden Einläufen auf einen mittigen Auslauf gefördert werden.
In der Regel reichen die Förderlängen bis zu 6 m. Durch den Einsatz von Zwischenlagern können aber auch Förderlängen bis zu 60 m realisiert werden. Die empfehlenswerten Fördergeschwindigkeiten sind, entsprechend den unterschiedlichen Schüttgütern, verschieden und liegen üblicherweise unter 0,6 m/s. Während eine zu hohe Geschwindigkeit, beispielsweise beim Einsatz in explosions¬gefährdeten Bereichen (Richtlinie 94/9/EG) eventuell bedenklich ist, kann eine niedrige Geschwindigkeit ohne weiteres gewählt werden.
Die Auswahl der Schüttgüter, welche mit Schneckensystemen gefördert werden können, ist außerordentlich groß. In der Praxis werden damit staubförmige, körnige, halbfeuchte und faserige Stoffe sicher und umweltfreundlich transportiert. Klebrige, stark backende, grobstückige sowie gegen Zerkleinerung empfindliche Fördergüter sind dagegen für die Förderung mit Schnecken kaum geeignet. Die Förderleistungen bewegen sich zwischen wenigen cm³/h bis zu einigen hundert m³/h.
Schneckenförderer zeichnen sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus. Die Kraftübertragung auf das zu fördernde Schüttgut erfolgt durch eine umlaufende Schnecke, von der es vorwärts geschoben wird. Durch die Schwerkraft und durch die Reibung des Schüttgutes an den Trogwänden wird eine Drehung des Gutes mit der Schecke verhindert. Ist bei einem hohen Füllgrad die Reibung an der Wand sehr klein, so rotiert das Gut nur in der Schnecke (Walzenbildung) und wird nicht transportiert. Beim Senkrechttransport muss deshalb durch Fliehkraft Wandreibung erzeugt werden, dazu sind Drehzahlen von 250 – 400 min –1 erforderlich. Eine maximale Förderung wird erreicht, wenn die Reibung an der Förderschnecke sehr klein ist gegenüber der Reibung an der Trogwand.
Aufbau der Schneckenförderer
Die wesentlichen Konstruktionselemente eines Schneckenförderers sind:
- Schneckentrog
- Trogabdeckung (bei muldenförmigem Schneckentrog)
- Ein- und Auslauf
- Schneckengewinde
- Schneckenwelle, mit Antriebswelle und Endlagerwelle
- Abdichtung der Schneckenwelle
- Lagerung der Schneckenwelle
- Wellenkupplung oder Kettentrieb
- Antrieb
Der muldenförmige Schneckentrog ist zur Versteifung der Trogwand oben seitlich abgekantet. In zweckmäßigen Abständen wird der Trog durch Trogfüße abgestützt. Bei stark schleißenden Schüttgütern kann in den Trog ein auswechselbares Schleißblech eingelegt werden. Um den Verschleiß zu mindern und gleichzeitig die Reibung an der Trogwand zu erhöhen, hat sich der auch Einbau von Flacheisen-Leisten bewährt. Diese sind in Förderrichtung angeordnet, damit sich zwischen den Leisten ein Schüttgut-Belag bilden kann.
Der Rohrtrog ist ein vollständig geschlossener Schneckentrog mit rundem Querschnitt. Die Möglichkeiten zur Inspektion und Reinigung des im Innenraum sind daher eingeschränkt. Diese Trogform wird hauptsächlich bei Abzugsschnecken und bei ansteigenden Scheckenförderern gewählt.
Der Schneckentrog mit Doppelmantel wird verwendet, um das Schüttgut während des Fördervorganges zu kühlen oder zu erhitzen. Dazu wird das Kühl- oder Heizmedium durch die Zwischenräume geleitet. Der Mantel ist dicht verschweißt und mit entsprechenden Zu- und Ablaufstutzen versehen.
Die Trogabdeckung besteht meist aus flachen Deckel-Segmenten, welche auf dem umgekanteten Trogrand und ggf. auf Trog-Querstegen aufliegen. Zur Erhöhung der Staubdichtigkeit sind zwischen Deckel und Trog Dichtungen eingelegt. Bei frei fließenden Schüttgütern, in ansteigend angeordneten Schneckenförderern, kann sich annähernd eine horizontale Produktoberfläche einstellen. In diesem Fall wird die Trogabdeckung mit Verdränger¬körpern ausgestattet. Dadurch entsteht ein runder Querschnitt, welcher ein zurückfließen des Produktes zuverlässig verhindert.
Das Schneckengewinde wird mit der Schneckenwelle verschweißt. Eine Vollblattschnecke besteht entweder aus einem fortlaufenden Stahlgewinde oder aus einzelnen Schneckenflügelsegmenten, welche stumpf miteinander verschweißt sind. Das Bandgewinde ist durch Stege mit der Schneckenwelle verschweißt. So entsteht zwischen Gewinde und Welle ein freier Raum. Die Paddelschnecke besteht aus Segmenten, welche einzeln auf die Welle aufgeschweißt sind.
Je nach Schüttgut und Aufgabestellung wird die geeignete Gewinde-Bauform gewählt:
- Vollblattschnecke für staubförmige, feinkörnige und nicht backende Schüttgüter
- Bandschnecke für stückige und haftende Schüttgüter
- Paddelschnecke für backende Güter
Als Schneckenwellen werden üblicherweise Rohre eingesetzt, weil sie bei gleicher Festigkeit ein wesentlich geringeres Gewicht als Vollwellen haben. An beiden Enden sind die Lagerzapfen eingeschweißt.
Von den Anwendern wird zunehmend Wert auf eine sichere und möglichst wartungsfreie Abdichtung der Wellendurchtritte gelegt. Hier haben sich Abdichtungssysteme mit integrierter Lagerung bewährt. Die Abdichtung erfolgt durch Dichtlippen aus modifizierten PTFE. Die Lauffläche der Wellenschutzhülse ist mit einer Beschichtung versehen und hat im Bereich der Dichtlippen eine Oberflächenhärte von mindestens 70 HRC. Durch die integrierte, großzügig dimensionierte Lagerung, dem großen Lagerabstand, sowie der dickwandigen Verschleißhülse, wird ein exakter Rundlauf und eine hohe Steifigkeit der Welle erreicht. Damit werden lange Dichtungszeiten ermöglicht und die Kotaminationsgefahr reduziert.
Zum Antrieb werden überwiegend Getriebemotoren in Fuß-, Flansch- oder Aufsteckbauform verwendet. Der Antrieb kann –abhängig von der vorgegebenen Einbausituation- wahlweise an der Ein- oder an der Auslaufseite angebaut werden. Wichtig ist, dass das Festlager der Wellenlagerung an der Antriebsseite vorgesehen wird. Zur Kraftübertragung werden sowohl elastische Kupplungen, als auch Kettentriebe eingesetzt. Bei Kettentrieben kann durch die Änderung der Übersetzung die Drehzahl neu eingestellt werden. Oft ist es jedoch wünschenswert, während des Betriebes Anpassungen bei der Schneckendrehzahl vornehmen zu können. In der Vergangenheit wurden dafür mechanische Regelgetriebe verwendet, heute kommen zunehmend Frequenz¬umformer zum Einsatz.
Zusammenfassung
Seit der Erfindung der archimedischen Schraube wurde das Prinzip des Schneckenförderers von kreativen Ingenieuren und Anwendern über viele Jahrhunderte hinweg ständig weiterentwickelt. Ob stationär oder mobil, waagrecht, senkrecht oder geneigt, einwellig oder mehrwellig, mit Heizung oder Kühlung, zum fördern oder dosieren, als robustes Gerät für den Dauereinsatz oder als hochglanzpoliertes, GMP-gerechtes Dosiergerät: es gibt kaum einen Stetigförderer, der sich mit seiner Vielseitigkeit messen kann.
Und was würde der Meister selbst zu dieser Entwicklung sagen? Möglicherweise kein begeistertes „Heureka“, aber ein leises, anerkennendes Lächeln wäre es ihm vermutlich wert.