Neue Dekantergeneration mit verbessertem energetischen ...f-s-online.de/Schwerpunktthemen/2012/deutsch/3_2_Neue_Dekanter... · Anteil der Transportleistung des Fest stoffes in der

1. Aufbau eines Dekanters

Auf dem Bild 1 ist ein Dekanter imSchnitt gezeigt. Herzstück des Dekantersist die Trommel mit der Schnecke. DieTrommel ist beidseitig wälzgelagert. Inder Trommel ist wiederum eine Schneckegelagert. Die Schnecke bewegt sich miteiner kleinen Relativdrehzahl zurTrommel und bewirkt so die Förderungdes Feststoffes. Das zu trennende Gemischwird über ein zentrales Rohr in dieSchnecke gegeben. In der Trommel findetdann aufgrund der hohen Zentrifugalkräfteeine Trennung der schweren Partikel vonder fluessigen Phase statt. Die geklärteFlüssigkeit strömt durch den Wendelgangin Richtung Lagernabe. Durch axiale Öff-nungen in der Lagernabe tritt dieFlüssigkeit aus. Der Feststoff wird durchdie Relativbewegung von Schnecke zuTrommel entlang des Konus zu denAustragsöffnungen transportiert. Durchdie Austragsöffnungen wird der Feststoff

abgeworfen. Der Feststoff muss entgegender Fliehkraft der Partikel entlang desKonus geschoben werden. Aufgrund dergroßen Zentrifugalkräfte entstehen da -durch je nach Produkt unterschieldichgroße Drehmomente. Das auftretendeDrehmoment zwischen Schnecke undTrommel wird über ein Getriebe erzeugt.Die benötigte Leistung für die Fest -stoffförderung wird über einen separatenMotor (Sekundärmotor) in das Getriebeeingespeist. Parallel dazu gibt es einenHauptmotor, der über einen Keil riemen -trieb mit dem Rotor verbunden ist. DerHauptmotor dient zur Einspeisung derAbwurfleistung für geklärtes Fluid undseparierten Feststoff. Weiterhin stellt derHauptmotor die Leerlaufleistung bereit.Der mechanische Leistungsbedarf einesDekanters kann in die drei Anteile a) Grundleistungsbedarf des Dekanters

ohne Durchsatz (Leerlaufleistung)b) Abwurfleistung für Fluid und Feststoffc) Förderleistung für den Feststoff durch

die Schnecke aufgespalten werden:Die mechanische Leistung bezeichnet dieLeistung an der Antriebswelle derMotoren. Die elektrische Leistung desDekanters beinhaltet noch die inneren

Energieverluste von Motoren und even-tuell anderer Module in der Steuerung.Besonders zu nennen ist an dieser Stellenoch ein Frequenzumformer, der häufigden Motoren vorgeschaltet ist.

In dem folgenden Bild ist der gesamteelektrische Leistungsbedarf für einenDekanter in Abhängigkeit der Durch -satzleistung dargestellt. Das Diagrammgilt für einen Dekanter mit Trommel -durchmesser 400 mm und einer konstantenDrehzahl von 4300 U/min.

Die Leerlaufleistung ist unabhängig vomDurchsatz immer konstant. Der Leistungs -bedarf für die Abwurfleistung wächst line-ar mit dem Produktdurchsatz an. Ebensodie Förderleistung für den Feststoff in derTrommel. Die elektrischen Verluste neh-men proportional zu der benötigten ge -samten mechanischen Leistung des Haupt-und Sekundärmotors zu.

Exemplarisch ist in Bild 3 die Auf -teilung des Gesamtenergiebedarfes in dieeinzelnen Anteile für einen bestimmtenProduktdurchsatz von 36 m3/h dargestellt.

Aus Bild 3 ist zu erkennen, dass dieAbwurfleistung der geklärten Flüssigkeitmit 45 % den größten Anteil an demgesamten Leistungsbedarf ausmacht. Esfolgt die Leerlaufleistung mit 26 %. Der

Schwerpunktthemen

158 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 26 (2012) Nr. 3

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Neue Dekantergeneration mit verbessertem energetischenWirkungsgrad J. Hermeler, L. Horstkötter, T. Hartmann*

Dekanterzentrifugen werden seit Jahrzehnten in der mechanischen Verfahrenstechnik zur Trennung von Gemischeneingesetzt. Dekanterzentrifugen finden sich heute in einer Vielzahl von Anwendungen der Lebensmittelindustrie undchemischen Industrie. Durch stetige Weiterentwicklung konnte die verfahrenstechnische Leistung der Dekanter stetigerhöht werden. Die Durchsatzleistungen moderner Dekanter betragen je nach Größe zwischen 1 m3/h und 200 m3/h. In den letzten Jahren ist aufgrund gestiegener Kosten und erhöhtem Umweltbewusstsein der Energieverbrauch mehrund mehr in den Fokus der technischen Entwicklung gerückt. In dem vorliegenden Beitrag werden zum einen dieGrundlagen zur Berechnung des Energiebedarfes einer Dekanterzentrifuge erläutert, zum anderen Technologienaufgezeigt, die helfen den Energiebedarf einer Dekanterzentrifuge um bis 30 % zu reduzieren.

Bild 1: Schnittbild eines Dekanters

5 = Zulauf Gemisch6 = Ablauf Fluid7 = Ablauf Feststoff

1 = Hauptmotor2 = Sekundärmotor

3 = Getriebe4 = Trommel mit Schnecke

Bild 2: Leistungsbedarf eines Dekanters in Abhängigkeit vomProduktdurchsatz

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Anteil der Transportleistung des Fest stoffes in der Trommel ist mit7 % Anteil an der gesamten elektrischen Energie eher klein.Ebenso die Abwurfleistung des Feststoffes. Bemerkenswert ist,dass immerhin 13 % des elektrischen Energiebedarfes durchVerluste in Frequenzumformer und Motoren auftreten.

Das obige Beispiel gilt nur für eine bestimmte Produkt -anwendung. Durch eine Änderung der Feststoffkonzentration kannsich die Aufteilung der Leistungsanteile verschieben.

Im Weiteren werden die einzelnen Leistungsanteile analysiertund Möglichkeiten zur Energieeinsparung aufgezeigt.

2. Analyse der Leistungsanteile

Die gesamte mechanische Leistung eines Dekanters lässt sichaus der Summe der folgenden Anteile

(1)berechnen. In der Gleichung (1) bezeichnet PTransport die benötigte

mechanische Leistung für den Feststofftransport in der Trommel.Diese Leistung wird im Regelfall von dem Sekundärmotor bereit-gestellt. Die übrigen Leistungsanteile werden vom Hauptmotorgedeckt. Gemäß der Darstellung in Bild 1 ist der Hauptmotor übereinen Riementrieb mit der Trommel verbunden, während derSekundärmotor seine Leistung über eine Kupplung direkt in dasGetriebe einspeist. Für den Riementrieb wird in Gleichung (1)noch eine zusätzliche Reibleistung aufgrund des Schlupfes sberücksichtigt. Die angetriebene Scheibe hat eine um den Schlupfgeringere Umfangsgeschwindigkeit v als die treibende Scheibe aufder Motorwelle. Der Schlupf s ist definiert als Verhältnis der bei-den Umfangsgeschwindigkeiten

(2).Die Verlustleistung des Riemenantriebes ist direkt proportional

zu dem Schlupf und der vom Motor abgegebenen Leistung.Moderne Keilriemen weisen einen maximalen Schlupf von 3 %auf. Mithin beträgt auch der Leistungsanteil für den Riemenantriebmaximal 3 % und stellt nur einen sehr kleinen Teil des gesamtenLeistungsbedarfes dar. In neueren Entwicklungen ist der Motordirekt auf dem Rotor der Zentrifuge angebracht. Der Motor istdabei in das Getriebe des Dekanter integriert. Durch diese Art vonDirektantrieb werden die Riemen eliminiert, mithin auch derenVerlustleistung in Höhe von circa 3 %. Allerdings benötigt manzum Betrieb eines in den Rotor der Zentrifuge integrierten Motorszwingend einen Frequenzumformer, der wiederum elektrischeVerluste beinhaltet, die ebenfalls bis zu 5 % betragen können.Gegenüber einem System bestehend aus Riemenantrieb undHauptmotor, der direkt am Netz betrieben wird, erzielt man keineEnergieeinsparung mit einem Direktantrieb.

2.1 LeerlaufleistungDie Leerlaufleistung eines Dekanters bezeichnet den

Leistungsbedarf, der ohne Produktdurchsatz anfällt. Die Trommel

ist somit in diesem Betriebsfall leer. Die Leerlaufleistung PLeerlauf

eines Dekanters setzt sich aus den folgenden Bestandteilen zusam-men:Die Reibleistung PLager der Hauptlagerung inklusive Wellen -abdichtungenDie Luftreibung PReibung des rotierenden Rotors mit der umgebenden Luft

Die Reibleistung der Hauptlagerungen PLager setzt sich zusam-men aus der Rollreibung der Wälzkörper im Lager und derReibleistung der Wellendichtringe, die das Lager abdichten. DieReibleistung der Hauptlagerung ist sehr gering gegenüber alleanderen Leistungsanteilen. Die Reibleistung der Hauptlagerungbeträgt weniger als 10 % der gesamten Leerlaufleistung. Auf eineseparate Betrachtung dieser Verlustanteile wird daher an dieserStelle verzichtet. Die Leerlaufleistung eines Dekanters wird imWesentlichen von der Reibung der rotierenden Trommeloberflächemit der umgebenden Luft dominiert. Die Reibleistung lässt sichgemäß folgender Beziehung

(3)berechnen. Gleichung (3) kann mit der Beziehung für das Reib -moment MReibung gemäß

und der Schubspannung τTrommel der umgehenden Luft an der Ober -fläche der Trommel

sowie der Oberfläche der Trommel

weiter umgeformt werden zu

(4)

(4a). Aus Gleichung (4) erkennt man, dass die Leerlaufleistung stark

von der Drehzahl nTrommel und dem Durchmesser DTrommel der Trom -mel abhängt. Beide Parameter sind in der Um fangs geschwindig -keit uTrommel zusammengefasst. Die Leerlaufleistung nimmt mit derdritten Potenz zur Umfangsgeschwindigkeit der Trommel zu. Einedirekte Berechnung der Leerlaufleistung nach Gleichung (4) istwegen der komplexen Abhängigkeit des Rei bungs beiwertes cf vonder Umfangsgeschwindigkeit der Trommel und der Oberflächen -rauhigkeit der Trommel sehr aufwendig. Allerdings kann dieLeerlaufleistung empirisch über eine Leistungsmessung desHauptmotors ermittelt werden. Im folgenden Diagramm sindgemessene Leerlaufleistungen für Dekanter zweier verschiedenerTrommelgrößen dargestellt. Ausgleichs kurven mit einem Poly -nomansatz dritten Grades zeigen eine sehr gute Übereinstimmungmit den Meßwerten und bestätigen die grundsätzlichen Zu sam -

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Bild 3: Aufteilung der gesamten elektrischen Leistung eines Dekanters mitTrommeldurchmesser 400 mm, Drehzahl 4300 U/min, Produktdurchsatz 36 m3/hmit 3 % Feststoffanteil.

Bild 4: Leerlaufleistung eines Dekanters


PHASE SEPARATORS

menhänge nach Gleichung (4). Die Messung zeigt allerdings füreinen um den Faktor 1.6 größeren Dekanter bei gleicherUmfangsgeschwindigkeit uTrommel einen kleineren Anstieg in derLeerlaufleistung als man zunächst nach Gleichung (4) erwartet.Eine Erklärung hierfür kann in dem Reibungsbeiwert cf gefundenwerden. Aufgrund der grösseren Reynoldszahl der Rotorum -strömung und kleineren relativen Rauhigkeit der Oberflächenimmt der Reibungsbeiwert cf für die größeren Dekanter ab.

Als eine interessante Maßnahme zur Reduzierung der Leer -laufleistung sei an dieser Stelle noch der Betrieb der Trommel imVakuum erwähnt. Die Dichte der umgebenden Luft ?Luft beeinflusstnach Gleichung (4) die Leerlaufleistung direkt proportional. Wirdim inneren Gehäuse des Dekanters ein Vakuum erzeugt, so kanndie Reibleistung nahezu komplett eliminiert werden. Allerdings istdie konstruktive Ausführung aufgrund der offenen Abführung desFeststoffes nur über eine aufwendige Zellschleuse im Fest -stoffschacht zu lösen. Über eine Vakuumpumpe muss zudem stän-dig eintretende Luft aus dem System gepumpt werden. Eine solcheFahrweise ist für Dekanter daher nicht bekannt, allerdings fürandere schnelllaufende Maschinen (z.B. Übersetzungsgetriebe fürIndustriegasturbinen zur Stromerzeugung)

2.2 Abwurfleistung

Die Abwurfleistung für den Feststoff und die geklärteFlüssigkeit ist neben der Leerlaufleistung der wesentlicheLeistungsanteil, den der Hauptmotor aufbringen muss. DieAbwurfleistung für die geklärte Flüssigkeit bzw. den Feststoffkann gemäß der Beziehung

(5)mit der spezifischen Arbeit aacc gemäß der Eulerschen Tur binen -gleichung:

(5a)aus den Geschwindigkeiten am Eintritt und Austritt der Trommelberechnet werden. In Gleichung (5a) bezeichnen die Indizes 1 und2 jeweils den Zustand des Fluids am Ein- und Austritt desBilanzraumes. Da der Feststoff und die geklärte Flüssigkeit dieTrommel an unterschiedlichen Orten verlassen, werden dieLeistungen getrennt berechnet. In der folgenden Skizze ist derBilanzraum der Trommel mit den Zuständen für Ein- und Austrittfür die geklärte Flüssigkeit angegeben.

Die Suspension wird am Eintritt 1 im Zentrum der Trommelaufgegeben. Die geklärte Flüssigkeit verlässt den BilanzraumTrommel über axiale Bohrungen in der Lagernabe an der Stelle 2.Der Abwurfdurchmesser der Flüssigkeit wird über ein Wehr einge-stellt. Die Umfangsgeschwindigkeit uTrommel,2 kann somit mit demWehrdurchmesser berechnet werden. Die Geschwindigkeit cu inGleichung (5a) bezeichnet die Geschwindigkeitskomponente desFluids in Umfangsrichtung im stehenden System. Da dieSuspension im Zentrum der Trommel aufgegeben wird, wird derzweite Term in Gleichung 5a zu Null. Am Austritt 2 strömt dasFluid axial aus. Für den stehenden Beobachter rotiert dieFlüssigkeit aber gleichzeitig mit der Geschwindigkeit uTrommel,2.Somit ergibt sich die Geschwindigkeit cu2 zu cu2=u(Trommel,2). Für dieAbwurfleistung der geklärten Fluessigkeit erhält man somit

(6).Analog kann die Abwurfleistung für den Feststoff berechnet

werden. Der Eintritt 1 ist für Feststoff und geklärte Flüssigkeitidentisch. Der Austrittsort des Feststoffes aus der Trommel ist überden Aussendurchmesser der Öffnungen im Trommelmantel auf derFeststoffseite definiert. Unter der Annahme, dass der Feststoff reinradial aus den Öffnungen der Trommel austritt, ergibt sich analogzu Gleichung (6) die Abwurfleistung für den Feststoff

(7)Gemäß Gleichung (6) und (7) steigt sie Abwurfleistung von

Fluid und Feststoff linear mit dem Produktdurchsatz. Die Drehzahl

Bild 5: Bilanzgrenzen für Abwurfleistung geklärte Flüssigkeit.

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Austritt 2

Eintritt


des Dekanters geht über die Umfangsgeschwindigkeit der Trom -mel quadratisch in die Abwurfleistung ein. Die Abwurfleistungkann aus der Geometrie der Trommel und den Prozeßparameterndirekt berechnet werden. Eine Korrelation mit Messdaten wie beider Leerlaufleistung ist nicht notwendig.

Aus der Gleichung (6) und (7) kann man Ansätze zur Reduktionder Abwurfleistung ableiten. Die Abwurfleistung wird umso gerin-ger, je kleiner die Umfangsgeschwindigkeit an den Abwurfstellender Trommel ausgeführt wird. Die Umfangsgeschwindigkeit amWehr und Feststoffaustrag kann durch eine Reduktion derDrehzahl vermindert werden. Allerdings verringert sich gleichzei-tig die Klärfläche und somit die verfahrenstechnische Leistung desDekanters. Eine Verkleinerung des Wehrdurchmesser bzw. desFeststoffaustrags-durchmesser reduziert ebenfalls die Um fangs -geschwindigkeit, hat aber keinen negativen Einfluss auf die Klär -leistung eines Dekanters. Die anzustrebende Verkleinerung derDurchmesser ist konstruktiv begrenzt. Zudem sind die beidenAbwurfdurchmesser für Feststoff und Fluid miteinander gekop-pelt. Anhand eines Schnittbildes einer Dekantertrommel werdendie Zusammenhänge erläutert (Abb. 6).

In der rotierenden Trommel bildet sich ein Flüssigkeitsring mitder Höhe H2. Die Höhe H2 wird auch als Teichtiefe bezeichnet. DieTeichtiefe des Flüssigkeitsringes wird über den Wehr durchmesserD2 eingestellt. Dabei muss beachtet werden, dass D2 inAbhängigkeit von dem Feststoffaustragsdurchmesser DFA auf derlinken Seite gewählt wird. Um einen Überlauf des Fluids auf derFeststoffseite zu vermeiden, muss der Wehrdurchmesser D2 in derRegel größer als der Feststoffdurchmesser DFA gewählt werden.Dies gilt vor allem für inkompressible Feststoffe (z.B. Kristalle),bei denen eine Haufwerksentwässerung am Ende des Konus nahedem Feststoffaustrag stattfindet. Für kompressible Schlämme wirdhäufig eine Fahrweise mit hydraulischer Förderunterstützunggefällt. Dann ist der Wehrdurchmesser D2 kleiner als der Fest -stoffaustrag und im Konus wird ein Feststoffverschluß erzeugt. Inbeiden Fällen ist die Verkleinerung der Abwurfdurchmesser an denFeststoffaustrag gekoppelt. Ziel der Konstruktion modernerDekanterzentrifugen ist die Verkleinerung des Feststoff austrags -durchmessers in Relation zum Trommelinnendurchmesser. Moder -ne Dekanterzentrifugen weisen ein Verhältnis DFA/DTrommel<0.5 auf.Gegenüber älteren Konstruktionen konnte dieses Verhältnis umüber 10% verkleinert werden. Da die Abwurfdurchmesser quadra-tisch in die Leistungsberechnung eingehen, resultiert aus derVerringerung der Abwurfdurchmesser um 10 % eine Reduktion derAbwurfleistung um 20 %.

In Gleichung (6) und (7) haben wir vorausgesetzt, dass das Fluidaxial bzw. radial aus der Trommel austritt, somit wird dieGeschwindigkeitskomponente cu2=uTrommel,2. Wie man aus Glei -chung (5) erkennt, wäre aber eine Verringerung der Abwurfleistungmöglich, wenn cu2 verkleinert wird. Lenkt man die geklärteFlüssigkeit am Austritt des Wehres entgegen der Drehrichtung um,wie in Bild 7 dargestellt, so treibt die Impulskraft des Fluids dieTrommel an.

Zur Umlenkung des Fluids benötigt man speziell geformteWehrplatten, sogenannte Energy Jets. Die Geschwindigkeit cu2

ergibt sich zu

(8)In Gleichung (8) bezeichnet wD2 die Geschwindigkeit des

Fluids an der Abströmkante der Energy Jets im rotierendenSystem, d.h. relativ zur Trommelrotation. In Gleichung (8) wirdangenommen, dass die Strömung am Austritt der Energy Jets reintangential gerichtet ist. Die Geschwindigkeit wD2 hängt von derTrommeldrehzahl und vom Volumenstrom der geklärtenFlüssigkeit sowie Anzahl und Größe der Wehrplatten ab. Sie kannnur unwesentlich konstruktiv beeinflusst werden. Setzt manGleichung (8) in Gleichung (5) ein, so erhält man die Beziehung

(9)für die nun reduzierte Abwurfleistung. Aus Vergleich von

Gleichung (6) und (9) kann man ableiten, dass die Abwurfleistungum den Betrag

(9a)kleiner ist als die Abwurfleistung mit Standardwehrplatten. Aus

Vergleichsmessungen wurde ermittelt, dass die Einsparung anAbwurfleistung durch Einsatz der Energy Jets ca. 20 % gegenübereinem konventionellen Wehr beträgt. Da die Abwurfleistung dergeklärten Flüssigkeit häufig 50 % des gesamten Energiebedarfsdarstellt, ergibt sich durch die Energy Jets eine Reduzierung derGesamtleistung um 10 %.

2.3 Förderleistung der Schnecke

Durch die Schnecke wird der Feststoff in einer Dekanter -trommel zum Feststoffaustrag gefördert. Der Feststoff sammeltsich an der Trommelinnenwand und bildet eine Produktmatte. DerFeststoff drückt aufgrund der Fliehkraft auf den Trommelmantel.In Verbindung mit der Relativbewegung von Feststoff zuTrommelmantel bildet sich ein Reibmoment. Dieses Reibmomentliegt zwischen Trommel und Schnecke an. Die Förderleistung fürden Feststoff in der Trommel kann aus dem Moment der SchneckeMTransport und der Relativdrehung aus der Differenzdrehzahl ωdiff

gemäss der Beziehung

(10)berechnet werden. Das Fördermoment und die Differenzdrehzahlfür die Schnecke wird über ein Getriebe erzeugt, wie in Bild 8 dar-gestellt.

Der Hauptmotor treibt über Riemen die Trommel an. DerSekundärmotor ist mit der Eingangswelle des Getriebes verbun-den. Nur der Sekundärmotor speist in dem gezeigten Beispiel inBild 8 Leistung für die Förderung des Feststoffes in das Getriebeein. Durch das Getriebe wird zum einen das Drehmoment desSekundärmotors verstärkt, zum anderen die Differenzdrehzahlzwischen Trommel und Schnecke erzeugt. Innerhalb des Getriebesentstehen bei der Umwandlung von Drehmoment und Drehzahlzusätzliche Verluste. Der Unterschied zwischen der eingespeistenLeistung an der Eingangswelle des Getriebes zu der abgegebenenLeistung kann über den Wirkungsgrad ηGetriebe beschrieben werden.Die einspeiste mechanische Leistung am Getriebe ergibt sich so zu

(11)

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Bild 6: Schnitt durch Dekantertrommel

Bild 7: Vergleich konventionelles Wehr mit Energy Jets


Schwerpunktthemen

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Bild 9: Summierantrieb in zwei BetriebsweisenBild 8: Antrieb eines Dekanters mit Hauptmotor,Sekundärmotor und Getriebe

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Der Wirkungsgrad eines modernen Dekantergetriebes liegt zwi-schen 85 %-95 %. Hauptverlustquellen sind die Walkarbeit vondem Öl zwischen den Verzahnungen eines Getriebes. Die Förder -leistung des Feststoffes in der Trommel trägt mit ca. 10 % in derRegel eher untergeordnet zum gesamten Leistungsbedarf bei. FürAnwendungen mit hohen Differenzdrehzahlen (> 40 U/min) oderhohem Feststoffanteil (>20 %) kann der Anteil an der Gesamt -leistung jedoch weit über die 10 % ansteigen.

In Bild 8 ist ein regulärer Differentialantrieb gezeigt. EineWeiterentwicklung des Differentialantriebes stellt der Summa tion -Drive dar. Der SummationDrive zeichnet sich dadurch aus, dassein Getriebe für verschiedene Differenzdrehzahlbereiche einge-setzt werden kann. Weiterhin wird nur Leistung ins System einge-speist, ohne Leistung in irgendeiner Form zu zirkulieren. In Bild 9ist der SummationDrive dargestellt.

Auf der linken Seite von Bild 9 ist der SummationDrive für denunteren Differenzdrehzahlbereich 1-25 U/min dargestellt. Die inroter Farbe dargestellte Hohlwelle am Eingang des Getriebes wirdin diesem Fall über einen Halter fixiert. Die gesamte Leistung fürdie Förderung des Feststoffes wird über den Sekundärmotor bereit-gestellt. Durch eine Ansteuerung des Sekundärmotors über einenFrequenzumformer kann der Motor in seiner Drehzahl variiertwerden, und so verschiedene Differenzdrehzahlen im Bereich 1 bis25 U/min eingestellt werden. Wird eine höhere Differenzdrehzahlbenötigt, so wird nun die Hohlwelle über einen Riemen vomHauptmotor angetrieben, wie rechts in Bild 9 dargestellt. DerDifferenzdrehzahlbereich verschiebt sich nun zu 25-50 U/min.Verdoppelt sich die Differenzdrehzahl, so muss auch bei gleichemDrehmoment gemäß Gleichung (11) die Leistung verdoppelt wer-den. Die zusätzliche Leistung für die höhere Differenzdrehzahl


wird beim SummationDrive vom Haupt -motor beigesteuert. Der Hauptmotor über-nimmt den Leistungsanteil für die Grund -differenzdrehzahl (im obigen Beispiel25 U/min). Der Sekundärmotor liefert dieRegelleistung für das Überstreichen desIntervalls von 25-50 U/min. Wird eine an -dere Paarung der Riemen scheiben durch -messer für den Antrieb der Hohl welle ge -wählt, erhält man einen weiteren Be reichfür die Differenzdrehzahl 50-70 U/min.Aufgrund der neuartigen Summation derLeistungen von Sekundärmotor und Haupt -motor wurde der Antrieb Summa tionDrivebenannt. Mit dem SummationDrive kön-nen mit einem Getriebe Differenz dreh -zahlen von 1 bis 70 U/min gefahren wer-den. Die Intervalle betragen jeweils~25 U/min. Je nach Übersetzung derRiemen scheiben zum Antrieb der Hohl -welle können die Bereiche festgelegt wer-den. Derzeit werden drei Bereiche ange -boten 1-25 U/min, 25-50 U/min und 50-70 U/min.

2.4 Drehzahleinfluß

In den Kapiteln 2.1 bis 2.3 wurde einphysikalisches Modell erarbeitet, mit demder mechanische Leistungsbedarf einesDekanters berechnet werden kann. Somitkann bei Kenntnis der Prozeßparameter(Produktsurchsatz, Feststoff konzen tra -tion,..) der Leistungsbedarf des Dekantersvorausberechnet werden und die Motor -

größe optimal für die jeweilige An wen -dung ausgewählt werden. Die Leistungeines Dekanter wird neben der Geometriestark durch die Drehzahl bzw. Trommel -geschwindigkeit und Durchsatz beein-flusst. In Bild 2 ist bereits dargestellt wiedie Leistung für eine feste Drehzahl mitdem Durchsatz linear ansteigt. Ergänzendwird in Bild 10 die Änderung der Leistungin Abhängigkeit der Drehzahl für einenfesten Durchsatz von 36 m3/h dargestellt.

Der Leistungsbedarf eines Dekanterssteigt mit der Trommelgeschwindigkeitnach einem Polynom dritten Grades an. Indem Beispiel aus Bild 10 hat die Ab wurf -leistung, die quadratisch mit der Trom -melgeschwindigkeit ansteigt den dominie-renden Effekt. Zur Energiere du zie rungsollte man eine niedrige Trommel ge -schwin digkeit anstreben, allerdings hängtder Klärdurchsatz ebenfalls quadratischvon der Trommelgeschwindigkeit ab.Aufgrund dieses Zielkonfliktes, muss eineReduktion der Trommeldrehzahl an denjeweiligen Prozeß individuell angepasstwerden.

In dem vorherigen Kapitel wurde der mechanische Leistungsbedarf einesDekan ters betrachtet. Diese Leistung wirdvom Sekundär- und Hauptmotor zurVerfügung gestellt. Der Sekundärmotorwird zur Verstellung der Differenzdrehzahlin der Regel mit einem Frequenzumrichterbetrieben. Auch der Hauptmotor moderner

Dekanter wird über einen Frequenz um -richter angefahren, damit Standardmotoreingesetzt werden kann. Zudem erlaubtder Frequenzumrichter die Anpassung derTrommeldrehzahl an die jeweiligen Be -dürf nisse des Separierprozesses.

Die elektrische Leistung eines Motorskann mithilfe des Wirkungsgrades aus dermechanischen Leistung gemäß

(12)berechnet werden. In Dekantern werden

in der Regel Drehstrom-Asynchronmotoreingesetzt. Die Wirkungsgrade für Asyn -chron motor sind gemäss der Norm IEC/EN60034-30 in verschiedene Klassen ein-geteilt. In Bild 11 sind die Wirkungs grad -klassen für 4-polige Asynchronmotor dar-gestellt.

Insgesamt gibt es drei EffiziensklassenIE1 bis IE3 für die Wirkungsgrade. Nochbis 2010 bildete die Effiziensklasse IE1den Standard. Durch gesetzliche Rege -lungen sind heute aber in vielen Ländernur noch Motoren mit einer Effiziens -klasse IE2 oder besser zugelassen. GEAWestfalia Separator setzt nach Möglich -keit nur noch Motoren der EffiziensklasseIE2 oder IE3 ein. Durch den Übergang vonIE1- auf IE2-Motoren erreicht man vorallem bei Motoren kleinerer Leistung bis10 kW eine Steigerung des Wirkungs -grades um bis zu 10 %. Für einen Motormittlerer Größe mit 45kW Leistung

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Bild 10: Leistungsbedarf in Abhängigkeit der Trommelgeschwindigkeit;Volumenstrom konstant 36m3/h; Feststoffkonzentration 3%-Vol.

Bild 11: Wirkungsgradklassen von 50Hz-Asynchronmotoren

Bild 12: Anfahren Hauptmotor mit Frequenzumrichter Sekundärmotor Bild 13: spezifischer Energiebedarf eines Dekanters


beträgt der Anstieg allerdings nur einenProzentpunkt von 92 % auf 93 %. ImVergleich zu den anderen zuvor genanntenMaßnahmen, stellt der Einsatz von IE2-Motoren für Dekanter in der Regel nureinen kleinen Beitrag zur Leistungs re -duzierung dar.

Ein Wirkungsgrad von 93 % für einenMotor mit 45 kW bedeutet im Umkehr -schluss eine Verlustleistung von 7 %.Aller dings gilt dies nur bei Netzbetrieb derMotoren. Wird der Motor über einenFrequenzumrichter angesteuert, ergebensich weitere elektrische Verluste aufgrundder Leistungsumwandlung im Frequenz -umrichter in Höhe von circa 5 %. In derRegel wird der Frequenzumformer jedochnur zum Starten der Zentrifuge benötigt.Könnte man den Motor im stationärenBetrieb wieder direkt am Netz betreiben,spart man die 5 % zusätzlichen Verlustedurch den Frequenzumformer ein. Einebesondere Art des Anfahrens einesDekanters bietet GEA Westfalia Separatorfür die neuen CF-Dekanter. Wie in Bild 12gezeigt ist, kann man den Frequenz um -richter des Sekundärmotors zum Anfahrendes Hauptmotors benutzen. Hat derHauptmotor seine Nenndrehzahl erreicht,wird auf Netzbetrieb geschaltet. DerFrequenzumrichter wird dann auf denSekundärmotor gelegt und dient nun zurRegelung der Differenzdrehzahl.

Das Besondere an dieser Art der Fahr -weise ist, dass der Frequenzum former desSekundärmotors zwei Aufgaben über-nimmt. Er startet zum einen den Dekanter,zum anderen dient er später bei stationä-rem Betrieb zur Regelung der Differenz -drehzahl über den Sekundärmotor. Manspart also einen Frequenzumformer in derSteuerung ein.

3. spezifischer Energieverbrauch

Für die Berechnung der Betriebskosteneines Dekanters sind sehr häufig die spezi-fischen Energiekosten pro verarbeitetemKubikmeter Produkt relevant. Der spezifi-sche Energiebedarf wird auch sehr häufigals Kennwert für den Vergleich verschie-dener Dekanter benutzt. Allerdings gibt esfür die Betrachtung des Energiebedarfeskeine festen Regelwerke. So wird zum Teilmechanische Leistung und elektrischeLeistung gleichgesetzt. Ebenso ist beiEinsatz von Flockungshilfsmittel zu klä-ren, ob der spezifische Energiebedarf nurauf den Produktstrom oder auf die Summevon Produktstrom und Flockungs hilfs -mittel bezogen ist. Im Folgenden wird füreinen Dekanter der CF-Baureihe erläutert,wie der spezifische Energiebedarf ermit -telt wird.

In Bild 13 ist der gemessene elektrischeEnergiebedarf für einen Dekanter der CF-Baureihe als Funktion des hydraulischen

Durchflusses dargestellt. Der hydraulischeDurchfluss beinhaltet alle Zugaben zu demProduktstrom wie Verdünnungswasseroder Flockungshilfsmittel. Das Diagrammzeigt zwei Kurven. Die Fläche zwischenden beiden Kurven gibt den Anteil derFörder leistung an. Drehmoment undDifferenz drehzahl sind während desBetriebes schwankende Parameter, somitmuss hier ein Korridor angegeben werden.Die untere Kurve stellt den Fall dar, dasskeine Förderleistung der Schnecke anfällt.Die obere Kurve gibt den Fall wieder, dassdie Förderleistung 100 % des Sekundär -motors beträgt. Die maximale Leistungwird nur bei der Kombination 100 %Drehmoment vom Getriebe plus maxima-ler Differenzdrehzahl erreicht. Dieser Fallist eher selten. 80 % der Anwendungenwerden bei mittlerer Differenzdrehzahlund mittlerem Drehmoment betrieben.Gemäß Gleichung 11 beträgt in diesemFall die Förderleistung nur 25 % der maxi-malen Leistung. Man bewegt sich alsoimmer eher im Viertel des Korridors fürdie Förderleistung. Die Kurven in Bild 13gelten nur für eine Trommeldrehzahl undeine Wehreinstellung. Wird der Wehr -durchmesser verändert, verändert sichauch der Energiebedarf. Die elektrischeLeistung ist für Netzbetrieb des Haupt -motors angegeben. Wird während des sta-tionären Betriebes der Hauptmotor übereinen Frequenzumformer angesteuert, somuss man die abgelesenen Werte noch-mals um 5 % wegen der Energieverlustedes Frequenzumformers erhöhen. Derspezifische Energiebedarf nimmt mitzunehmendem Produktdurchsatz immerweiter ab, da ja die fixe Leerlaufleistungauf einen größeren Volumenstrom bezogenwird. Der spezifische Energiebedarf nähertsich mit steigendem Produktdurchsatzasymptotisch der spezifischen Abwurf -leistung an.

Wie man Bild 13 entnehmen kann,erzielt man in dem vorliegenden Beispiel beimaximalem Klärdurchsatz von 45 m3/heinen spezifischen Energie ver brauch von0,7 kWh/m3. Durch den Einsatz vonEnergy Jets verringert sich der spezifischeEner gie bedarf um weitere 10 % auf dann0,63 kWh/m3. Gegenüber älteren Dekan -ter typen wird so mit der neuen CF-Baureihe in Summe eine Einsparung desspezifischen Leistungsbedarfes um 30 %erzielt.

4. Zusammenfassung

Der vorliegende Artikel beschreibt dieLeistungsanteile, die bei Betrieb einesDekanters auftreten. Anhand der neuenCF-Dekanterserie wird gezeigt, welcheneuen Innovationen zur Reduzierung desLeistungsbedarfes eingeführt werden.Dazu zählt zum einen Tiefteichausführung

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der Trommel, weiterhin ein neuer AntriebSummationDrive, sowie Energy Jets oderoptimiertes Anfahren des Dekanters. InSumme konnten die Energiebedarfewesentlich reduziert werden. Anhandeines Beispieles wird gezeigt, dass derspezifische Energieverbrauch eines De -kan ters auf 0,63 kWh/m3 gesenkt werdenkonnte.

Formelzeichen:

a = spezifische ArbeitA = Oberflächecf = Reibungsbeiwert Luft zu drehender

Trommelc = Strömungsgeschwindigkeit im

AbsolutsystemD = DurchmesserH = Teichtiefek = Konstante zur Anpassung

Trommeloberfläche·m = Massenstrom

M = Drehmoment

n = DrehzahlP = LeistungQ = VolumenstromL = Länges = Schlupfu = Umfangsgeschwindigkeitv = Geschwindigkeitw = Strömungsgeschwindigkeit im

Relativsystem der Trommelω = Drehfrequenzρ = Dichte Fluidτ = Schubspannung rotierende Strömung

zu Oberfläche Dekanter

1. Einleitung

Im Teil 1 der Beitragsserie /1/ wurdendie störende Substanzen in den Roh -wässern zur Umkehrosmose und ihrenegative Wirkung näher beschrieben. ImTeil 2 /2/ wurden typische Anforderungen,die an die Aufarbeitung des Rohwassersgestellt werden, behandelt. Dabei wurdeauch erwähnt, dass die Anforderungenvom Membranmaterial und der Modul -konstruktion beeinflusst werden. Trotzeiner Filtration des Rohwassers in natür-lichen Bodenschichten oder künstlichenSandbetten bei der Wasserentnahme, isteine weitere Aufarbeitung meist notwen-dig. Dabei müssen standortspezifischeGegebenheiten, die insbesondere die Roh -wasserinhaltsstoffe betreffen, berücksich-tigt werden. Die darauf abgestimmten Ver -fahren der Rohwasservorbehandlung be -ein flussen wiederum auch die Mem bran -

auswahl und die geplanten Maß nah menzur Membranreinigung.

Ziel der Vorbehandlung bzw. desPretreatments ist, das Rohwasser derart indie Stufe der Umkehrosmose zu leiten,dass die Anlage entsprechend der Planungwirtschaftlich betrieben werden kann. Umdieses zu erreichen stehen unterschiedli-che Verfahren zur Rohwasserreinigungund/oder Konditionierung zur Verfügung,die im Folgenden beschrieben werden.Dabei kann zwischen vorwiegen physika-lisch und vorwiegend chemisch wirkendenBehandlungsmethoden unterscheiden wer-

den. Die eigentliche Vorbehandlung ist einkomplexer Prozess, der meist mehrereAufbereitungsschritte umfasst.

2. Der Prozess zur Vorbe -handlung von RohwasserAbb. 1 zeigt beispielhaft einen typi-

schen Aufbereitungsprozess zur Vorbe -handlung von Meerwasser für die Um -kehrosmose. Ein solch aufwändigesPre treatment ist vor allem dann notwen-dig, wenn das Wasser aus offenen Ent -nahmesystemen bezogen wird. Dem grobvorfiltrierten Wasser werden im dargestell-

Schwerpunktthemen


Die Vorbehandlung von Rohwasser zur UmkehrosmoseTeil 3: Verfahren zur chemischen und physikalischen VorbehandlungK. Gebhard, K. Nikolaus, S. Ripperger*

Die Umkehrosmose ist heute das bevorzugte Verfahren zur Trinkwassergewinnung aus Brack- und Meerwasser. In vielenLändern der Erde werden solche Anlagen betrieben und ihre Zahl wird weiter steigen. Im ersten Teil dieser Serie /1/wurde beschrieben, dass störende Wasserinhaltsstoffe im Zulauf einer Umkehrosmoseanlage ein Scaling oder Foulingverursachen können und den Betreib und die Wirtschaftlichkeit einer Anlage entscheidend beeinflussen. Daher ist eineAufarbeitung der Zulaufs (ein Pretreatment) von entscheidender Bedeutung. Im zweiten Teil /2/ wurden verschiedeneSysteme zur Wasserentnahme vorgestellt, die teilweise bereits mit einer Filtration des Wassers und damit einem Pre -treat ment verbunden sind. In vorliegenden dritten Teil der Serie werden die eigentlichen chemischen und physikalischenVerfahren zur Wasservorbehandlung beschrieben.

* Dipl.-Wirtsch.-Ing. Katrin Gebhard Dipl.-Ing. Kai Nikolaus Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger

Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikTU KaiserslauternTel.: 0631-205-2121www.uni-kl.de/mvt

Abb. 1: Konventionelle Wasseraufbereitung vor der Einspeisung in eine RO-Anlage


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