Austragverhalten von Schüttgütern aus einem Silo

1    Einleitung
Silos werden seit Jahrhunderten für die Lagerung von Schüttgütern eingesetzt. Dabei ist es nicht nur wichtig, dass sich in einem Silo eine geforderte Menge an Schüttgut lagern lässt, sondern auch, dass es zum erforderlichen Zeitpunkt aus dem Silo entleert werden kann. Je nach Beschaffenheit des Schüttguts können Art und Weise der Entleerung aus dem Silo eine zentrale Rolle spielen. Des Weiteren wird beispielsweise als Fließprofil meistens Massenfluss gefordert, insbesondere wenn das Schüttgut alterungsempfindlich ist oder zur Zeitverfestigung neigt. Unter Massenfluss versteht man den Zustand, bei dem beim Entleeren die gesamte Silofüllung in Bewegung gerät und somit keine toten Zonen entstehen. Um die problemlose Entleerung eines Schüttguts aus einem Silo sicherzustellen, ist eine verfahrenstechnische Siloauslegung notwendig und gehört heutzutage zum Stand der Technik. Dabei wird unter Berücksichtigung der Schüttguteigenschaften die optimale Silogeometrie für die Erzielung von Massenfluss ermittelt. Eine zent­rale Bedeutung bei der Siloauslegung spielen die auftretenden Schüttgutspannungen. Mit diesen Spannungen in Silos befasst man sich seit Janssen [1], also nunmehr seit über hundert Jahren. Janssen betrachtete 1895 die Spannungen im Siloschaft. Später folgten zahlreiche Arbeiten, die den Spannungsverlauf im Trichter berücksichtigen. Am bekanntesten sind die Arbeiten von Jenike [2–3] und Schwedes [4]. Die Berechnungsmethode von Jenike, das so genannte Jenike-Verfahren, ist heute ein zent­raler Baustein bei einer verfahrenstechnischen Siloauslegung.

In der Praxis kommt es häufig vor, dass die im Rahmen einer Siloauslegung ermittelte Silogeometrie, zum Beispiel aufgrund baulicher Gegebenheiten in einem bestehenden Gebäude oder aus Kostengründen nicht realisiert werden kann. Oft soll ein bereits vorhandenes Silo für ein anderes Schüttgut weiter genutzt werden. Sind verfahrenstechnisch für ein Silo Probleme beim Schüttgutaustrag zu erwarten, so sind geeignete Maßnahmen zu ergreifen, die den Schüttgutfluss im Silo positiv beeinflussen. In der Regel werden Austraggeräte eingesetzt. Neben ihrer Hauptaufgabe des Schüttgutabzugs zeichnen sie sich dadurch aus, dass sie den Schüttgutfluss in und aus einem Silo unterstützen bzw. anregen. Dabei sollen Austraggeräte eine kontrollierte und gegebenenfalls dosierte Entnahme des Schüttguts sicherstellen. In der Praxis häufig anzutreffende Austraggeräte sind Gurtförderer, Plattenbandförderer, Trogkettenförderer, Schwingrinnen, Zellenradschleusen und Schneckenförderer. Mit Ausnahme der Zellenradschleusen sind die oben genannten Austraggeräte grundsätzlich auch dafür geeignet, Schüttgut aus einem rechteckigen, länglichen Silo auszutragen. Gurtförderer, Plattenbandförderer und Trogkettenförderer sind dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Linearförderer handelt. Das heißt, der Gurt, die Plattenzellen oder die Kette bewegen sich linear und, relativ zum Silo, über die gesamte Auslauföffnung in Austragrichtung. Der gleichmäßige Austrag des Schüttguts über den gesamten Auslaufquerschnitt kann nur beschränkt sichergestellt werden und erfordert Anpassungen der Silogeometrie [5]. Schneckenförderer in Form von Siloabzugschnecken genießen den Vorteil, abgesehen davon, dass es sich um einfache, kostengünstige und geschlossene Geräte handelt, dass der Schüttgutaustrag durch Rotation erzielt wird. Im Gegensatz zu den Linearförderern, bei denen ein Gurtabschnitt, ein Kettensegment mit Mitnehmern oder eine Plattenzelle von hinten bis vorne die gesamte Auslauföffnung durchlaufen, verbleiben die Schneckenflügel bzw. Segmente relativ zur Förderrichtung immer an der gleichen Stelle innerhalb der Auslauföffnung. Damit kann die Schneckengeometrie so optimal eingestellt werden, dass theoretisch über der gesamten Auslauföffnung ein Schüttgutaustrag erfolgt.

Es gilt als allgemein bekannt, dass in unterschiedlich schnell fließenden Bereichen des Schüttguts unterschiedliche Spannungen auftreten [4–8]. Zieht ein Austraggerät ungleichmäßig Schüttgut ab, entstehen folglich Bereiche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und damit auch unterschiedlichen Spannungen. Selbst bei einem gleichmäßigen Schüttgutabzug treten aufgrund der Schüttgutreibung beim Einsatz eines Austraggerätes wie beispielsweise Siloabzugschnecken höhere Spannungen an der vorderen, stirnseitigen Austragseite auf. Bislang wurden diese durch das Austraggerät verursachten Spannungserhöhungen weder quantitativ noch qualitativ untersucht. Die Kenntnis dieser Spannungserhöhungen kann jedoch von signifikanter Bedeutung sein, wenn Schüttgüter gelagert und ausgetragen werden sollen, die zur Verfestigung neigen. Auch wenn aufgrund der Silogeometrie im Auslaufbereich nur geringe Spannungen auftreten würden, können durch das Austraggerät gegebenenfalls kritische Spannungserhöhungen erreicht und überschritten werden und somit unzulässige Schüttgutverfestigungen bzw. Schüttgutflussprobleme auslösen. Austraggerät und Silo beeinflussen sich gegenseitig und sind voneinander abhängig. Zum einen beeinflusst das Austraggerät den Schüttgutfluss und die auftretenden Spannungen im Silo, zum anderen beeinflussen die Spannungen im Silo wiederum das Austraggerät, z.  B. hinsichtlich der erforderlichen Antriebsleistung. Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden die Zusammenhänge zwischen den auftretenden Wandnormalspannungen und dem Austragverhalten von Siloabzugschnecken in einem Silo aufgezeigt.

2    Grundlagen
Bild 1 verdeutlicht anschaulich die unterschiedlichen Druck- bzw. Spannungsverläufe von Schüttgütern und Flüssigkeiten. In einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter bildet die Flüssigkeit eine waagerechte Oberfläche (Bild 1a). Der Flüssigkeitsdruck steigt mit zunehmender Tiefe linear und damit hydrostatisch an (Bild 1c). Bei einem mit Schüttgut gefüllten Behälter bildet sich, eine zentrische Befüllung angenommen, ein Schüttgutkegel (Bild 1b). Dies liegt daran, dass ein Schüttgut bereits in Ruhe Schubspannungen übertragen kann. Mit zunehmender Tiefe nimmt die Behälterwand einen Teil des Gewichtes der Schüttgutsäule auf. Dementsprechend strebt der Druck in einem Schüttgut mit zunehmender Tiefe einem Maximal- und Grenzwert zu.

Die häufigsten Probleme beim Lagern und Fließen von Schüttgut in einem Silo sind Brückenbildung, Schachtbildung und Entmischung (Bild 2). Bei der Brückenbildung bildet sich oberhalb der Auslauföffnung ein stabiles Schüttgutgewölbe, welches den weiteren Schüttgutausfluss verhindert (Bild 2a). Bei der Schachtbildung fließt nur das Schüttgut aus, das sich unmittelbar oberhalb der Auslauföffnung befindet. Dadurch entsteht ein vertikaler Schacht (Bild 2b). Eine Entmischung nach Partikelgröße, Partikelform oder Partikeldichte ist beim Füllen eines Silos möglich (Bild 2c). Am gravierendsten sind Entmischungen bei Schüttgütern mit einer breiten Partikelgrößenverteilung. Dabei sammeln sich bei einer zentralen Befüllung die größeren Partikel in der Peripherie und das Feingut sammelt sich im Zentrum. Betrachtet man die Fließprofile, so unterscheidet man zwischen Massenfluss und Kernfluss (Bild 3) [2–6; 8–9]. Massenfluss wird üblicherweise angestrebt, weil dabei während des Ausfließens die gesamte Silofüllung in Bewegung kommt. Im Gegensatz dazu bilden sich bei Kernfluss tote Zonen, das heißt Bereiche, in denen das Schüttgut zunächst in Ruhe verbleibt (Bild 3b) und erst bei vollständiger Entleerung in Bewegung gerät. Wegen der toten Zonen ergeben sich bei Kernflusssilos sehr breite Verweilzeitverteilungen.

Nach der Befüllung eines leeren Silos ergibt sich ein Spannungsverlauf gemäß Bild 4. Diesen Spannungszustand (Bild 4a) bezeichnet man auch als aktiven Spannungszustand oder Füllzustand. Im Siloschaft nimmt die Spannung mit zunehmendem Abstand zur Schüttgutoberfläche nach unten hin zu und strebt dabei einen Maximalwert an. Der Übergang zum Trichter verursacht eine Unstetigkeitsstelle für die dargestellte Wandnormalspannung w In Abhängigkeit von der Geometrie kann im Trichter die Spannung weiter ansteigen oder abnehmen. Markantes Merkmal für den Füllzustand ist, dass die größte Hauptspannung 1 in der Siloachse in die vertikale Richtung nach unten zeigt. Die eingezeichneten Kurven sind Trajektorien der größten Hauptspannung 1.

Sobald das Schüttgut erstmalig aus dem Silo abgezogen wird, schlägt der aktive Spannungszustand im Trichter vom Auslauf ausgehend in den passiven Spannungszustand um (Bild 4b). Ausgehend von der Trichterspitze, breitet sich im konvergenten Trichter das radiale Spannungsfeld nach oben hin bis zum Übergang zum vertikalen Siloschaft aus (Bild 4c). Im vertikalen Siloschaft bleibt das aktive Spannungsfeld auch bei fortschreitendem Schüttgutabzug erhalten. Wird der Schüttgutabzug unterbrochen, so bleibt der gesamte Spannungszustand ebenso erhalten.

Kennzeichnend für das passive Spannungsfeld ist, dass die Trajektorien der größten Hauptspannung 1 in der Siloachse horizontal verlaufen. Der so genannte „switch“ bildet sich am Übergang vom passiven zum aktiven Spannungsfeld aus und bezeichnet die Spannungsspitze, welche die Übergangsstelle vom aktiven zum passiven Spannungsfeld markiert (Bild 4 b–d). Gründe für die Spannungsspitzen folgen aus dem Kräftegleichgewicht zwischen dem Gewicht der gesamten Schüttgutfüllung und den vertikalen Komponenten von Wandnormal- und Wandschubspannungen [5]. Bilden sich in einem Silo beim Ausfließen tote Zonen (Kernfluss), Bild 4d, tritt an der Stelle, an der die tote Zone auf die Silowand trifft, ebenfalls eine Spannungsspitze auf. Dies liegt darin begründet, dass sich, wie auch bei einem Trichter, innerhalb der toten Zone ein konvergenter Schüttgutfluss ausbildet. Da die Grenzlinie zwischen Ruhe (tote Zonen) und Bewegung nicht analytisch bestimmt werden kann, sind auch die genauen Positionen von Spannungsspitzen bei Kernflusssilos im Vorfeld nicht bekannt. Es müssen daher bei der statischen Dimensionierung der Silowände im gesamten Siloschaft mögliche Spannungsspitzen berücksichtigt werden.

Für den Austrag von Schüttgut aus einem Silo stehen eine Vielzahl von unterschiedlichen Austragorganen zur Verfügung [5-6; 9-16]. Die richtige Dimensionierung von Austragorganen muss stets für den größten Belastungsfall erfolgen. Dieser tritt bei der größten wirkenden Vertikalspannung auf. Wie bereits oben erläutert, ist die Vertikalspannung im Füllzustand (aktiver Spannungszustand) größer als im Entleerungszustand (passiver Spannungszustand). Daher muss ein Austragorgan beim erstmaligen Schüttgutabzug nach dem Füllen eines leeren Silos die verhältnismäßig größte Abzugskraft aufbringen. Nachdem sich im konischen Trichter der passive Spannungszustand eingestellt hat, sinken die Vertikalspannung und damit auch der Kraftbedarf für den weiteren Schüttgutabzug. Die Zusammenhänge sind in Bild 5 dargestellt. Nach Angaben von Schwedes und Schulze [6] sowie nach Messungen von Schulze [5] kann die Vertikalspannung im Füllzustand das Fünf- bis Zehnfache von der Vertikalspannung im Entleerungszustand betragen. Fließt ein Schüttgut außermittig oder unsymmetrisch aus einem
Silo aus, so bezeichnet man dies als exzentrisches Entleeren [6]. Exzentrisches Entleeren bedeutet vor allem eine über den Umfang ungleichmäßige Spannungsverteilung, die bei der ­festigkeitsmäßigen Silodimensionierung unbedingt berücksichtigt werden muss. In der Praxis sind zahlreiche Schäden
an Silos bekannt, die unter anderem auch auf exzentrisches ­Entleeren und die damit verbundene ungleichmäßige und dadurch lokal höhere Beanspruchung eines Silos zurückzuführen sind [17].

3    Versuchsaufbau
Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde das Abzugsverhalten von unterschiedlichen Siloabzugschnecken, insbesondere hinsichtlich folgender Gesichtspunkte, betrachtet:

–    auftretende Fließprofile
–    auftretende Wandnormalspannungen
–    erforderliche Antriebsleistung

Der Aufbau der verwendeten Versuchsanlage ist in Bild 6 dargestellt. Die Anlage bestand aus einem prismatischen Versuchssilo (1), dem Austragsystem (2) und zwei Schneckenförderern (3) und (4), welche das Schüttgut im Kreislauf wieder in den Versuchssilo förderten. Um unzulässige Schwingungen und somit eine negative Beeinflussung der Messungen am Versuchssilo zu vermeiden, waren vor dem Versuchssilo und nach dem Austragsystem flexible Verbindungen eingebaut. Diese entkoppelten das Versuchssilo und das Austragsystem von der übrigen Anlagentechnik. Der prinzipielle Aufbau des Versuchssilos geht aus Bild 7 hervor. Das Silo wurde im unteren Bereich an allen vier Silowänden mit Spannungsmesszellen [18–19] bestückt. Die Anordnung erlaubte die Messung der Wandnormalspannungen in drei Ebenen. Somit konnte die Spannungsverteilung sowohl innerhalb von drei horizontalen Ebenen als auch in mehreren vertikalen Ebenen gemessen werden.
Das verwendete Austragsystem bestand aus zwei Siloabzugschnecken, welche am Boden des Versuchssilos parallel zu­einander angeordnet und über die gesamte Silolänge und -breite mit Schüttgut belastet waren. Aufgrund der charakteristischen Merkmale von Abzugschnecken hinsichtlich dem Abzugs- und Einzugsverhalten wurden für die weiteren Untersuchungen die Schneckengeometrien wie folgt zu Grunde gelegt:

Der Außendurchmesser D wurde konstant belassen, um die grundsätzliche Aktivierung des gesamten Silobodens sicherzustellen und rein konstruktiv bedingte tote Zonen zu vermeiden. Der Wellendurchmesser d wurde ebenfalls konstant belassen. Um das unterschiedliche Abzugsverhalten zu ermitteln und gegenüberstellen zu können, wurden prinzipiell die Schneckengeometrien gemäß Bild 8 gewählt. Während die Schneckengeometrie S1 mit konstanter Flügelsteigung einen Abzug nur aus dem hinteren Bereich erwarten ließ, sollte die gewählte Schneckengeometrie S2, gekennzeichnet durch eine abgestufte Progression, einen gleichmäßigen Abzug über die gesamte Silolänge realisieren.

Für die weiteren Untersuchungen ergaben sich die Versuchsreihen gemäß Tabelle 1. Die aufgeführte Schneckenpaarung bezeichnet, in Förderrichtung gesehen, in der ersten Spalte die linke Abzugschnecke und in der zweiten Spalte die rechte Abzugschnecke. Als Versuchsschüttgut wurde ein frei fließender, feuergetrockneter Quarzsand verwendet. Der verwendete Quarzsand war kohäsionslos und besaß eine nahezu von der Spannung unabhängige Schüttgutdichte. Der effektive Reibungswinkel e wurde mit einem Ringschergerät nach Schulze [20] ermittelt. Der Wandreibungswinkel w wurde mit einem Schergerät nach Jenike gemessen. Als Wandmaterial wurde Plexiglas eingesetzt, aus dem die Silowände gefertigt wurden. Die mittlere Partikelgröße d50 (Medianwert der Q3-Verteilung) wurde mithilfe einer Siebanalyse ermittelt (Bild 9). Das Horizontallastverhältnis  wurde in einem Lambdameter [19] gemessen. Dabei wurde, bei Variation der Vertikalspannung v von 5 bis 78 kPa, ein konstantes Horizontallastverhältnis gemessen. Zusammenfassend sind die Schüttguteigenschaften in Tabelle 2 aufgeführt.