Technische und energieeffiziente Auslegung

Treffen des DSIV
(Deutscher Schüttgut-Industrie Verband)
06. Oktober 2015 in Aerzen
„Technische und energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Referent: Herr Horst Telschig
Teil 1
in Zusammenarbeit mit
Verfasser: Dipl.-Phys.-Ing. Klaus Schneider
KS-Engineering GmbH &
Ingenieurbüro Klaus Schneider
Hansaring 25/27, 50670 Köln
„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
3
2
Planungsgrundlagen
3
3
Einfluss des Fördergutes auf die Verfahrensauswahl
4
3.1
Unterschiedliche Förderzustände
6
3.2
Strähnenförderung
7
3.3
4
Pfropfenförderung
Geldart-Diagramm
7
11
5
Datenspektrum
13
6
Schüttguteinschleusung
14
6.1
Zellenradschleuse
17
6.2
Druckgefäßförderer
17
6.3
7
Schneckenpumpe
Lufterzeugungsaggregate
20
22
8
Rohrleitungssysteme
25
8.1
9
Rohrleitungen und Einbauten
Separation von Trägergas und Fördergut
25
28
9.1
Filter- und Entstaubungssysteme (Empfänger)
28
9.2
Richtlinie für spezifische Filterflächenbelastungen
31
9.3
Bestimmung der Schwallmengen und Entlastungszeiten
33
9.4
Optimale Steuer-, Mess- und Regeltechnik
36
10
Vergleich Pneumatische und Mechanische Förderung
37
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Treffen des DSIV am 06.10.2015
1
Einleitung
Der Energiebedarf pneumatischer Förderanlagen über große Entfernungen und hohe
Schüttgutdurchsätze ist, verglichen mit der mechanischen Förderung, sehr hoch. Allerdings
steht bei der pneumatischen Förderung nicht immer nur der Schüttguttransport von A nach
B im Vordergrund, sondern es ist auch durchaus möglich, direkt mit der pneumatischen
Förderung verfahrenstechnische Prozesse durchzuführen oder zu verknüpfen.
Beispiele hierzu sind das Einblasen und Verteilen von Sorbentien wie Kalkprodukte oder
Aktivkohle in der Umwelttechnik (Luftreinhaltung) und auch der Transport von Zuschlagstoffen bei der Stahlherstellung, die direkt in das schmelzflüssige Stahlbad aufgegeben
werden müssen.
2
Planungsgrundlagen
Im Folgenden sollen die wichtigsten Planungsgrundlagen für eine energieeffiziente pneumatische Förderung besprochen werden. In jedem Fall muss die Funktion Vorrang vor einem möglichst niedrigen Energiebedarf haben, d.h. Funktion geht vor Energieeffizienz!
Das heißt aber auch, pneumatische Fördervorgänge, die eine verfahrenstechnische Aufgabe zu erfüllen haben, sind nur bedingt für Energieeinsparungszwecke geeignet.
Hier stellt sich nun die Generalfrage: Was heißt „Energieeffizienz“ genau und wie und in
welchen Bereichen kann der Energieeinsatz reduziert werden?
Hier gibt es eine Grundgesamtheit von Werten, die alle auf unterschiedliche Art und
Weise die Energieeffizienz beeinflussen. Die wichtigsten sind:
1.
Richtige Wahl des Förderzustandes, ausgelöst durch das Fördergut selbst. Hier
spricht man im Wesentlichen über Flug-, Strähnen-, Fließ- oder Pfropfen-förderung. Es
gibt zwar noch eine Reihe anderer Bezeichnungen in der Fachliteratur, aber diese stellen
alle keine eindeutigen Förderzustände dar.
2.
Sicherer Transport unter Schonung des Fördergutes und der Förderleitung bei angepassten Geschwindigkeiten für Feststoff und Transportluft.
3.
Aufbau der Förderstrecke zur Minimierung des Druckverlustes unter Vermeidung
unnötiger Umlenkungen und bestmöglicher Streckenführung.
4.
Auswahl eines an die Leistung (erforderliche Luftmenge und max. erforderlichen
Förderdruck) angepassten Verdichters.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
3
Einfluss des Fördergutes auf die Verfahrensauswahl
Das Zustandsdiagramm beschreibt, abhängig von der Luftgeschwindigkeit und mit der
Fördermenge als Parameter, den Zustand innerhalb einer bestimmten Förderanlage mit
einem bestimmten Gut.
 Zustandsdiagramme sind ähnlich, aber nie genau gleich
 Versuche und Messwerte aus Versuchen sind (insbesondere bei unbekannten Fördergütern) wesentlich „auslegungssicherer“ als reine Berechnungen,
da Materialeinflüsse bei diesen Berechnungen nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden können.
3
a
L
S
8 t/h
i
2
Qs
6 t/h
p [bar]
c
4 t/h
d
1
2 t/h
0 t/h
0
5
G
10
15
20
25
vE [m/s]
30
35
Abbildung 1: Zustandsdiagramm für PE-Granulat nach Siegel
a = Pfropfenförderung, i = instationärer Bereich; c = Strähnenförderung, d = Flugförderung,
vE = Gasendgeschwindigkeit; Qs = Fördergut-Massenstrom; p = Druckverlust in der Förderleitung;
Das Zustandsdiagramm zeigt eine Versuchs-Förderanlage mit folgenden Daten:
Fördergut PE-Granulat Rohrdurchmesser:
84 mm
Förderlänge:
119 m
Förderhöhe:
6m
Anzahl der Krümmer:
6
Die Kurve G ist Grenzkurve für reine Gasströmung.
Die Kurve S ist Grenzkurve für die Geschwindigkeit, unterhalb der kein Feststofftransport
mehr möglich ist.
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Die Kurven zwischen S und rechtem Bildrand geben als Parameter die geförderte Gutmenge an.
L ist die Kurve der Lockerungsgeschwindigkeit für den Übergang vom Festbett zur Wirbelschicht.
Zwischen Kurve L und Kurve S ist der Bereich der Wirbelschicht ohne Feststoffaustrag.
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3.1
Unterschiedliche Förderzustände
Abbildung 2: Zustandsdiagramm einer Fließförderung als Spezialfall der pneumatischen Förderung für Fördergüter mit hohem Lufthaltevermögen (meist Geldart-Klassifikation A)
Bei der Fließförderung kann mit höchsten Beladungen ohne Pfropfenbildung gefördert
werden! Das Gas-Feststoffgemisch verhält sich wie ein Kontinuum.
Beispiele für Fließförderung: Zement, Flugasche (siehe Video)
Das folgende Bild zeigt beispielhaft die verschiedenen physikalischen Ursachen der bei der
pneumatischen Förderung auftretenden Druckverluste.
Quelle: Krambrock
Abbildung 3: Vergleich der wichtigsten Zustände bei der pneumatischen Förderung mit
mehr oder weniger angepassten Rohrpost-Kapseln
Im Allgemeinen wird bei Druckgefäßförderungen, d.h. bei etwas höheren Drücken in der
Leitung, die Strähnenförderung bevorzugt. Dies liegt an dem guten Kompromiss zwischen
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Verschleiß bzw. Lebensdauer und Betriebssicherheit. Während bei der Flugförderung ein
erhöhter Verschleiß zu beobachten ist, fährt man bei der Pfropfenförderung oft entlang der
Stabilitätsgrenze. Durch geeignete Maßnahmen muss dann die Betriebssicherheit des Systems sichergestellt werden.
3.2
Strähnenförderung
Die nächste Abbildung zeigt das typische Verhalten bei einsetzender Strähnenförderung.
Fördergut (oben):
Fördergut (unten):
Weizen bei v = 17,4 m/s
Quarzmehl (spezifisch schwerer!)
Instabiler
Bereich
beginnt bei weiterer
Herabsetzung
der Luftgeschwindigkeit (siehe 1. ZuAbbildung
3.1: Strähnenbildung
bei Herabsetzung
der Luftgeschwindigkeit
standsdiagramm).
3.3
Pfropfenförderung
Die Pfropfenförderung stellt hohe Ansprüche an das Material und die Regelbarkeit des
Systems. Pfropfen müssen entweder luftdurchlässig sein und/oder eine bestimmte Pfropfenlänge nicht überschreiten. Manche Materialien (Grobes Monokorn) sind für die Pfropfenförderung sehr gut geeignet, andere (zum Beispiel sandartige Materialien oder Materialien mit einem breiten Kornspektrum) nicht.
Das nächste Bild zeigt die Kräfte- und Druckverteilung an einem luftdurchlässigen Stutzen.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Abbildung 4: Pfropfenförderung eines luftdurchlässigen, grobkörnigen Schüttgutes
Aufgrund der unterschiedlichen Druckverläufe für Verschiebedruck und Durchströmung
tendiert der Pfropfen bei diesem grobkörnigen Monokorn zum Auseinanderreißen.
Der Wirkungsmechanismus ist völlig anders als bei der Flugförderung.
Das Bild oben zeigt die Entstehung eines Schüttgutpfropfens nach Siegel
Kurve a
erforderlicher Druck zur Verschiebung des Pfropfens der Länge lp
und nach
Kurve b
Druckverlauf bei der Pfropfendurchströmung.
psp
antreibendes Druckgefälle
Sehr feine Stoffe, wie zum Beispiel Titandioxid, bilden eine andere, extrem schwierige
Klasse der Pfropfenförderung. Hier wird nämlich der Pfropfen als Ganzes verschoben,
eine Durchlüftung (wie oben gezeigt) ist nicht möglich.
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Quelle: Krambock
Abbildung 5: Einfluss der Pfropfenlänge und der Vorverdichtung auf den Verschiebedruck
Achtung: Unterschiedliches Verhalten von durchlüftbaren und nicht durchlüftbaren Pfropfen!
Das vorige Bild zeigt Verschiebedrücke der Schüttgutstopfen in Abhängigkeit von der
Stopfenlänge und vom Verdichtungsdruck für das Schüttgut Titandioxid, Typ Kronos AD
mit ds<0,001mm mit bereits erfolgten „Vorverdichtungen“ als Parameter.
Abbildung 6: Vergleich Druckverlust (oben)
bei der Pfropfenförderung eines nicht luftdurchlässigen feinen Schüttgutes mit einem
luftdurchlässigen, grobkörnigen Schüttgut.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Abbildung 7: Strömungszustände in langen Förderleitungen
Bei konstanter Beladung werden mehrere „Förderzustände“ nacheinander in der Leitung
durchlaufen, da am Anfang der Leitung die Geschwindigkeiten wesentlich niedriger sind
und zum Leitungsende hin zunehmen. Diese können durch Einführung einer gestaffelten
Leitung weitgehend vermieden werden.
Beispiel:
Δp = 2 bar
Leitungsende:
v = 24 m/s
Leitungsanfang:
v = 8 m/s
Bei sandartigen (grobkörnigen) Materialien (Geldart-Klasse B) muss eine Anfangsgeschwindigkeit von ca. 10 – 12 m/s gegeben sein. Andernfalls kommt es zu unerwünschten
Pfropfenbildungen.
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4
Geldart-Diagramm
Partikeleigenschaften lassen sich im sogenannten Geldart-Diagramm klassifizieren, das in
Abbildung 8 wiedergegeben ist.
Nach Geldart werden Feststoffe für die Fluidisierung und pneumatische Förderung entsprechend ihrer Fluidisierbarkeit (Gashaltevermögen, Gasdurchlässigkeit) in vier Klassen
(A-D) eingeteilt, welche in einem Diagramm durch theoretisch ermittelte Grenzkurven voneinander abgegrenzt sind. Das Diagramm erfasst die wesentlichen Einflussparameter
Partikelgröße und Feststoffdichte des Fördermaterials, indem über dem mittleren Partikeldurchmesser dS50 die Differenz aus Feststoffdichte und Dichte des Fördermediums (bei
der pneumatischen Förderung normalerweise vernachlässigt) aufgetragen ist.
Abbildung 8: Geldart-Diagramm mit Eintragungen der Feststoffdaten [5]
Die durch die in der Realität fließenden Grenzkurven abgegrenzten Bereiche zeichnen
sich durch folgende Eigenschaften aus:
Gruppe B: In dieser Gruppe sind „sandartige“ Fördergüter angesiedelt. Die Gasdurchlässigkeit ist recht groß, entsprechend das Gashaltevermögen niedrig. Die Fördergüter aus
Gruppe B lassen sich relativ leicht fluidisieren, sobald die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit überschritten wird. Das fluidisierte Bett unterliegt geringer Expansion und
fällt nach Unterbrechung der Förderluft unmittelbar zusammen. Bei einer pneumatischen
Förderung können hohe Beladungen (bis 100) mit einer Flug- bis Strähnenförderung realisiert werden.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Im Fall der Untertageförderung können diese Fördergüter (wie auch die der Gruppe C) zur
Pfropfenbildung neigen.
Gruppe D: Die Partikel dieser Gruppe sind groß bzw. von hoher Dichte, die Gasdurchlässigkeit ist sehr groß. Aufgrund der sehr hohen Sinkgeschwindigkeiten dieser Partikel
muss eine hohe Gasgeschwindigkeit angelegt werden, um das Fördergut pneumatisch zu
transportieren. Da Stöße zwischen den Partikeln, die zu einer starken Abbremsung und
damit zu erhöhtem Druckverlust führen, zu vermeiden sind, lassen sich nur geringe Beladungen realisieren. Bei der Förderung bildet sich eine Strähnenförderung aus, die in
Krümmern wegen der hohen Geschwindigkeit starken Verschleiß verursacht.
Gruppe A: Fördermedien dieser Gruppe, die geringe Partikeldurchmesser aufweisen, lassen sich sehr gut fluidisieren. Sie haben eine geringe Gasdurchlässigkeit bei gutem Gashaltevermögen, sodass sich bei Gasgeschwindigkeiten oberhalb der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit ein stabiles, fluidisiertes Bett bildet, welches bei Unterbrechung der
Förderluftzuführung nur langsam zusammenfällt. Aufgrund dieser Eigenschaften kann die
pneumatische Förderung bei relativ geringen Gasgeschwindigkeiten und hohen Beladungen als Dünen- bis Pfropfenförderung erfolgen, ohne dass ein Blockieren des Förderrohrs
zu befürchten ist.
Gruppe C: Partikel dieser Gruppe sind sehr klein und kohäsiv, intrapartikuläre Kräfte
(elektrostatische Kräfte oder Agglomeration aufgrund von Feuchtigkeit) können gegenüber den durch einen Gasstrom aufgeprägten äußeren Kräften überwiegen. Daher lassen
sich solche Fördergüter sehr schlecht fluidisieren. Das Material neigt bei Zufuhr von Förderluft zum Schießen und bildet Pfropfen, die die Förderleitung zukeilen können. Bei Unterbrechung der Förderluftzuführung können sich Brücken ausbilden, die ein Zurückfließen des Materials verhindern. Bei einer pneumatischen Förderung bilden sich feste Anbackungen an den Rohrwänden, welche bis zur Verstopfung anwachsen können. Aus den
genannten Gründen ist eine pneumatische Förderung schwierig. Allerdings lassen sich
die Eigenschaften von Materialien der Gruppe C denen der Gruppe A annähern, indem
eine Fluidisierung mechanisch, z.B. durch Aufprägung einer Schwingung, unterstützt wird.
Weiterhin lassen sich Anbackungen durch den Einsatz von flexiblen Förderrohren aus
Gummi vermeiden.
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5
Datenspektrum (Eingabedaten)
Beigefügtes „Anfrageblatt“ zeigt die Mindestvoraussetzungen, die ein Anfragedatenblatt
für die kontinuierliche pneumatische Förderung enthalten sollte. Dies ist gleichzeitig auch
eine wichtige Planungsgrundlage zur Auslegung einer Förderanlage.
Erstellen eines Datenblattes zur Anfrage einer pneumatischen Förderung:
Das Datenblatt zeigt die Grunddaten, welche zur rechnerischen Auslegung einer Förderanlage gebraucht werden.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
6
Schütteinschleusung (z.B. Sender)
Der Auswahl des richtigen Einschleusorgans kommt bei der pneumatischen Förderung eine
besondere Bedeutung zu. Der Projekteur muss anhand der gewünschten Aufgabenstellung
(nur Transport, kontinuierliche/diskontinuierliche Fahrweise, Druckverhältnissen, Mengen
etc.) entscheiden welches Einschleusorgan für die gewählte Aufgabenstellung sinnvoll ist.
Zuordnung der verschiedenen Einschleusorgane
 Zellenradschleuse
 Druckgefäß
 Schneckenpumpe
 Injektor
Das Fördergut muss zum Transport in die Förderleitung gegen ein höheres Druckniveau
eingeschleust werden (Druckförderung) bzw. am Empfangsort aus einem niedrigeren
Druckniveau ausgeschleust werden. Abhängig von Art und Höhe des Druckniveaus kommen verschiedene Apparate in Frage.
Abbildung 9: Gängige Einschleusorgane für die pneumatische Förderung - a), b) und d) arbeiten
kontinuierlich, c) arbeitet diskontinuierlich
Bei a) und b) strömt während des Betriebes so genannte Leckluft mit dem Druckgefälle
entgegen der Gutaufgabe in die Umgebung.
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Bei c) ist eine statische Abdichtung erforderlich, während bei d) durch dynamische Abdichtung Falschluft angesaugt wird.
Abbildung 10: Druckbereiche für die verschiedenen Einschleusorgane
Abbildung 11: Leistungsbereiche für die verschiedenen Einschleusorgane
Die wichtigsten Vor- und Nachteile der einzelnen Aggregate sind in kurzer Zusammenfassung:
Zellenräder sind die in der Fördertechnik weitaus am häufigsten eingesetzten Einschleusorgane. Obige Angaben reflektieren nicht ganz den heutigen Stand der Technik, da beispielsweise inzwischen Hochdruck-Zellenradschleusen auf dem Markt sind, die bis 3
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
bar oder in Einzelfällen sogar bis 6 bar Überdruck (auch bei stark schleißenden z.B. mineralischen Fördergütern) einsetzbar sind. Begrenzt wird der Einsatz von Zellenradschleusen durch den Verschleiß, da gerade bei hohen Differenzdrücken die Leckluftrate enorm
zunimmt.
Der Einsatz von Injektoren beschränkt sich auf kleinere Fördermengen und spezielle Aufgabenstellungen. Da die Förderung kontinuierlich erfolgt und keine Leckluft auftritt, kann
der Einsatz z.B. bei anbackenden (auskondensierenden) Produkten vorteilhaft sein.
Der Einsatz von Schneckenpumpen bietet vorteilhafte kontinuierliche und hohe Förderleistung für unempfindliche Massenschüttgüter (z.B. im Zementbereich). Der Energieverbrauch ist durch den Schneckenantrieb relativ hoch und die hohen Drehzahlen führen zu
einem nicht unerheblichen Verschleiß. Spezielle neuentwickelte Zellenräder können im
gleichen Leistungsbereich wie Schneckenpumpen eingesetzt werden.
Druckgefäße können vorteilhaft bei hohen Systemdrücken (Kohlevergasung) oder Differenzdrücken (Langstreckenförderung) eingesetzt werden. Doppelstock- oder Parallelgefäße erlauben einen quasi-kontinuierlichen Betrieb.
Nichtmechanische Ventile werden zur Förderung großer Feststoffmengen bei verhältnismäßig kleinen Druckdifferenzen eingesetzt.
Bei Wirbelschichtschleusen erfolgt der Feststoffeintrag aus einer Wirbelschicht. Je nach
Bauart sind unterschiedlich große Leistungen möglich.
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6.1
Zellenradschleuse
Vergleich Zellenrad und Schneckenschleuse wird im Vortrag der Firma KREISEL (Kreisel GmbH & Co. KG) von Herr Dikty erläutert.
6.2
Druckgefäßförderer
Quelle: Mills
Abbildung 12: Druckgefäßförderer
Mindestanforderungen an ein Druckgefäß:
•
Materialeinlauf
•
Fördergaszuführung zum Bespannen und Austragen
•
Förderleitung
•
Entlüftungsleitung
Tatsächliche Ausführung der Druckgefäße wird durch Materialverhalten mitbestimmt.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Quelle: Mills
Quelle: Mills
Abbildung 13: Nach oben austragendes Druckgefäß mit einstellbarer Ober-/Unterluftverteilung
Quell
Quelle: Mills
Abbildung 14: Nach unten austragende Druckgefäße mit unterschiedlicher Ober-/Unterluftverteilung
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Quelle: Mills
Abbildung 15: Doppelstockgefäß zur kontinuierlichen Förderung
Kontinuierliche Förderung mit Druckgefäßen ist nur möglich, wenn entweder ein Schleusgefäß vorgeschaltet ist (Bauhöhe) oder ein zweites Gefäß (Tandem- oder Zwillingsförderung) parallel eingesetzt wird.
Für grobkörniges oder granulatförmiges Fördergut wird normalerweise ein Bodenaustrag
bevorzugt eingesetzt, für feinkörniges, fluidiersierbares Fördergut ist ein nach oben austragendes Gefäß besser geeignet. Hierbei lässt sich nicht nur eine höhere Feststoffmenge
durchsetzen, sondern auch der Feststoffdurchsatz besser regeln.
Abbildung 16: Kennlinienfeld Feststoffdurchsatz (feinkörniges Gut, gleiche Anlagenkonfiguration)
nach oben austragend (links) nach unten austragend (rechts)
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Abbildung 17: Direkter Vergleich der maximalen Förderleistung in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom mit dem Fluidisierungsluftanteil als Parameter
6.3
Schneckenpumpe
Die Schneckenpumpe selbst ist ein seit Jahrzenten bewährtes Einschleusorgan, jedoch
sehr energieintensiv.
Hierüber wird Herr Mario Dikty von Fa. Kreisel in seinem Vortrag detailliert berichten.
Ein Beispiel sei genannt:
Bei einer Kraftwerksanlage wurde zur Förderung von ca. 100 t/h getrockneter feiner
Braunkohle über eine Entfernung von ca. 200 m ein Keramik-Zellenrad der Fa. Coperion
mit einer Antriebsleistung von 5 kW eingesetzt. Die zuvor installierte Schneckenschleuse
hatte eine mechanische Antriebsleistung von 132 kW!
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7
Lufterzeugungsaggregate
Durch die richtige Auswahl der Lufterzeugungsaggregate kann in jedem Fall der Energiebedarf eines pneumatischen Fördersystems reduziert werden.
Die richtige Wahl und Auslegung der Luftversorgung ist von großer Bedeutung für die
Funktion pneumatischer Förderanlagen.
Ca. 50 – 60 % aller Funktionsstörungen an pneumatischen Förderanlagen sind auf mangelhafte Auslegung und Einstellungsfehler bei der Luftversorgung zurückzuführen.
Neben übermäßigem Verschleiß oder ungewollter Pfropfenbildung können auch Anbackungen etc. auf ungenügende Sorgfalt bei der Auslegung zurückgeführt werden.
Die Bedeutung der Luftversorgung für die störungsfreie Funktion der Förderanlagen wird
oftmals unterschätzt.
Lieferung von Luft für eine pneumatische Förderanlage kann erfolgen durch:



Gebläse
Verdichter
vorhandenes Druckluftnetz (keinem bestimmten Lufterzeuger zugeordnet)
Der Begriff „Luftversorgung“ umfasst u.a.:




Luftverdichtendes Organ (Gebläse/Verdichter)
Aufbereitung (Trocknung, evtl. Entölung)
Verschaltung der Komponenten
Rohrleitungsführung bis zum Einschleusorgan
Abbildung 18: Beispiel für Anlagen- und Verdichterkennlinie
Anlagenkennlinie:
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Die Anlagenkennlinie beschreibt die Abhängigkeit vom erforderlichen Vordruck zum LuftVolumenstrom durch die Förderanlage.
Die Beladung (Feststoffanteil) ist dabei Parameter. Aufgrund der Druckverlustbeziehung
folgt die Anlagenkennlinie einem quadratischem Verlauf (siehe nächstes Bild), zumindest
im Bereich der Flugförderung.
Verdichterkennlinie:
Die Verdichterkennlinie beschreibt die erzeugte Druckerhöhung im Verdichter in Abhängigkeit von der durchgesetzten Luftmenge. Die Verdichterkennlinie hat je nach Verdichtertyp unterschiedliche Kurvenformen.
Betriebspunkt:
In obigem Diagramm wird der Schnittpunkt beider Kennlinien als Betriebspunkt bezeichnet; wichtig ist, dass es im interessanten Arbeitsbereich nur einen möglichen Schnittpunkt
gibt, da ansonsten instabile Zustände auftreten können.
Der Verdichter hat die Aufgabe, einen Volumenstrom von einem Eintrittsdruck p1 auf einen höheren Ausgangsdruck p2 zu verdichten; dies erfolgt: kontinuierlich (z.B. Ventilator)
oder diskontinuierlich (z.B. Kolbenkompressor).
Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter gehören zu den diskontinuierlichen Verdichtern; sie werden jedoch meist als quasi-kontinuierlich arbeitend betrachtet.
Anhand der physikalischen Grundlagen für Verdichtung (besser:Zustandsänderung) von
Luft können Folgerungen für Verdichtertypen abgeleitet werden:
Verdichtung von Luft erfolgt polytrop nach folgender Gleichung:
𝑝 ∙ 𝑣 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 = 𝑛 ∙ 𝑅 ∙ 𝑇
Verdichtung mit Temperaturerhöhung:
𝑛−1
1
𝑝2
𝑇2 = 𝑇1 ( )
𝑝1
p = Druck (SI = kg/m2)
v = spez. Volumen (SI = m3/kg)
n = Polytropenexponent, liegt zwischen 0 und unendlich
T = Temperatur (SI = K)
Temperaturerhöhung bedeutet, dass neben Energie zur Druckerhöhung auch thermische
Energie aufgewendet wird.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Der Polytropenexponent kann folgende Werte annehmen:
n = 0 für Isobare Kompression
(Druck = const.)
n = 1 für Isotherme Kompression
(Temperatur = const.)
n = 1,4 für Isentrope Kompression (bei Luft)
(Entropie = const)
n = unendlich für Isochore Kompression
(Volumen = const.)
Abbildung 19: Beispiele für Zustandsänderungen (die isentrope Zustandsänderung ist u. a. als
Spezialfall in der (reversiblen) adiabatischen Zustandsänderung enthalten)
Der Bereich für n in technischen Verdichtern liegt zwischen 1 und etwa 2, abhängig von
der Art des Kreislaufprozesses.
Die theoretische Verdichterleistung berechnet sich zu:
𝑛−1
1
(𝑛 − 1)
𝑝2
𝑃𝑡ℎ = 𝑉1̇ ∙ 𝑝1 ∙
∙ (( )
𝑛
𝑝1
− 1)
𝑉1̇ = 𝐿𝑢𝑓𝑡𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑠𝑡𝑟𝑜𝑚
Die Antriebsleistung ist aufgrund der Temperaturerhöhung um den Wirkungsgrad
 = 0,6...0,8 höher anzusetzen:
𝑃𝑒𝑙 =
𝑃𝑡ℎ
𝜇
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8
8.1
Rohrleitungssysteme
Rohrleitungen und Einbauten
Die meisten Förderleitungen in der pneumatischen Fördertechnik bestehen aus Stahl oder Edelstahl. In der Chemie- und Lebensmittelindustrie wird bevorzugt Edelstahl eingesetzt.
Bezüglich richtiger Verbindungen etc. sei auf den Vortrag 9 verwiesen. Für anhaftende
Güter (wie z.B. Kalkhydrat) haben sich Gummischläuche bewährt. Auf Bypassleitungen
etc. wurde bereits in Vortrag 3 eingegangen.
Das Verhalten des Feststoffes in pneumatischen Förderleitungen führt zu einigen wichtigen Regeln für die Förderleitungsführung, welche unbedingt beachtet werden müssen.
Regeln für die Förderleitungsführung:
 Förderleitungen sollten grundsätzlich möglichst gradlinig verlegt werden. Ausreichende Beschleunigungsstrecken hinter der Gutaufgabe sind zu berücksichtigen!
 Unnötige Umlenkungen sind zu vermeiden, pneumatische Förderleitungen sind
keine Wasserleitungen!
 Da der Feststoff im Krümmer abgebremst wird (siehe nächste Diagramme), sollte
auf genügend Beschleunigungsweg (ca. 20 -40 x d) auch hinter Krümmern und
am Anfang der Förderleitung geachtet werden.
 Etagen in Förderleitungen sind vermeiden, Fallleitungen möglichst nur am Ende
einer Förderleitung. Sonderlösungen siehe weiter hinten in diesem Vortrag.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
Errechnete Austrittsgeschwindigkeit eines
90o-Krümmers bei verschiedenen Eintrittsgeschwindigkeiten und einem Krümmungsradius
rk = 500 für µR = 0,36
ergeben sich für verschiedene Krümmerlagen:
1
3
4
5
horizontal; 2 horizontal-vertikal aufwärts;
vertikal aufwärts-horizontal;
horizontal-vertikal abwärts;
vertikal abwärts-horizontal durchströmt
Beispiel:
Feststoff tritt mit Ce ca. 13 m/s in den Krümmer ein und verlässt diesen mit Ca ca. 7,5m/s
 Geschwindigkeitsverlust des Feststoffes
von ca. 5,5 m/s oder ca. 42% !!
Abbildung 20: Einfluss der Krümmerlage auf die
Austrittsgeschwindigkeit des Feststoffes
Krümmer aus der Horizontalen in die
Senkrechte :
Errechnete Austrittsgeschwindigkeit eines 90oKrümmers bei verschiedenen Eintrittsgeschwindigkeiten und einem Krümmungsradius rk für µR
= 0,36 bei Umlenkung in horizontaler Ebene
(gestrichelt) und von der Horizontalen in die
Vertikale nach oben (ausgezogen).
Man beachte den starken Einfluss des Krümmungsradius auf die Abbremsung des Fördergutes!
Abbildung 21: Verringerung der Feststoffgeschwindigkeit in
einem Krümmer (Einfluss des Krümmungsradius)
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Abbildung 22 Förderleitung mit Siphon-Ausbildung
Abbildung 23: Förderleitungen mit Etagen
In Förderleitungen mit Etagen (links) verliert der Feststoff so viel an Geschwindigkeit,
dass der Feststoff am Krümmerausgang vollständig zum Erliegen kommen kann. Verstopfungen und/oder starke Pulsationen aufgrund der Wiederbeschleunigung in der Leitung
können die Folge sein.
Förderleitung mit Siphon-Ausbildung (rechts): Fall-Leitungen mit anschließender horizontaler Weiterführung sind möglichst zu vermeiden. Die dargestellte U-Form mit Wiederanstieg sollte grundsätzlich nicht angewendet werden.
Einfache Fall-Leitungen (auch schräg) mit Austritt nach unten sind akzeptabel.
Abbildung 24: Druckverlust in Abhängigkeit der Leitungssteigung
Bei steigender Förderleitung unter Winkeln < 90° muss im Bereich von ca. 45 - 90° mit
höheren Zusatzdruckverlusten aufgrund rücklaufender Teilchen gerechnet werden. Bei
manchen Stoffen (breite Kornverteilung) sollte der Bereich 10o – 60o nicht benutzt werden, da grobes Material lawinenartig zurückrollen könnte.
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„Energieeffiziente Auslegung pneumatischer Förderanlagen zum Transport von Schüttgütern“
9
9.1
Separation von Trägergas und Fördergut
Filter- und Entstaubungssysteme (Empfànger)
Falls die Separation von Gas- und Feststoff gewünscht bzw. erforderlich ist (z.B. im Silo),
wird zunächst vorabgeschieden, danach erfolgt die Abtrennung des Feingutes. Als Vorabscheider werden Zyklone oder das Silo selbst eingesetzt.
Schlauch- und/oder Patronenfilter dienen der Rückhaltung von Feinstaub und sind daher
gesetzlich vorgeschrieben, die Grenzwerte für zulässige Emissionen unterliegen z.B. Der
TA-Luft (zwischen <2 und 20 mg/Nm3) und werden durch den Gesetzgeber ständig angepasst.
Bei der Auslegung der Schlauch- oder Patronenfilter müssen Temperaturen und Feinheit
der Stäube berücksichtigt werden. Dies wird in der spezifischen Filterflächenbelastung berücksichtigt, welche weiter unten behandelt wird.
Quelle: Siegel
Abbildung 25: Bild links: Fördergutabscheidung im Silo
Bild rechts: Kontinuierliche Gutabscheidung im Filterabscheider
a Silo; b Förderleitung; c Bunkeraufsatzfilter;
a Förderleitung; b Filterabscheider;
d Absaugventilator; e Überdruckklappe; c Zellenradschleuse; d Filter;
f Füllstandsmelder;
Die Installation eines 90°-Bogens als Siloeintritt stellt eine gute Lösung dar. Hier ist kein
zusätzlicher Zyklon erforderlich, das Silo selbst wirkt als Schwerkraftabscheider.
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Ebenfalls positiv ist die Anbringung eines Saugventilators hinter Filter, so dass im Silo
ständig Unterdruck herrscht. Staubaustritt aus eventuellen Undichtigkeiten am Silo wird so
sicher verhindert.
Die rechte Darstellung oben zeigt eine typische Anordnung für den Saugbetrieb. Negativ
ist hier, dass bei feinen Stäuben / hohen Unterdrücken Leckluft über die Zellenradschleuse gezogen werden kann und so ein geregelter Entleervorgang nicht gewährleistet
ist.
Abbildung 26: Entmischungserscheinungen bei der Silobefüllung
Ähnliche Erscheinungen sind eigentlich bei jedem Befüllvorgang, auch bei mittiger Befüllung von oben zu beobachten. Grobes Material rollt immer zu den begrenzenden Wänden
und führt zu Entmischungserscheinungen im Silo.
Abbildung 27: Zyklonabscheider als Empfangsstation
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Bei Verwendung von Zyklonen ist darauf zu achten, dass die Abscheidung im Wesentlichen durch die Tauchrohrgröße bzw. die Geschwindigkeit im Tauchrohr bestimmt wird.
Auch der Materialaustritt muss genau ausgelegt werden (Chinesenhut), damit die Rotationsströmung nicht bereits abgeschiedenes Material erneut aufwirbelt.
Quelle: Siegel
Abbildung 28: Druckluftabgereinigtes Schlauchfilter am Ende einer pneumatischen Förderanlage
a
Förderleitung mit tangentialem Eintritt
d
Membranventil
b
Filterschlauch
c
Injektordüse
e
Druckluftspeicher
f
Magnetventil
g
Steuergerät
h
Reinluftstutzen
i
Fördergutaustritt
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9.2
Richtlinie für spezifische Filterflächenbelastungen für INTENSIV-JetSchlauchfilter in der Zementindustrie
Anwendung
Staubart
Temperatur
°C
Filterflächenbelastung
m³/m²h
Rohmaterial (Aufbereitung,
Transport, Siebung und Lagerung)
Kalkstein,
Mergel, Ton
< 30
140 – 160
Mahltrocknung (Trockenanlagen für Rohmaterial und
Kohle)
Rohmehl,
Staubkohle
70-120
60-90
90-110
70-90
Transport, Lagerung und Aufgabe von Rohmehl und
Staubkohle
Rohmehl,
Staubkohle
< 50
< 50
110 -130
100 -120
Klinkerkühler
Klinker
< 130 mit vorgeschaltetem
Luftkühler
90 -110
Transport, Lagerung und Aufgabe von Klinker
Klinker
< 70
100 – 120
Zementmühlen
ohne Mahlhilfe
mit Mahlhilfe
Zement Blaine
cm²/g
2500-4000
4000-6000
70-110
80-100
60-80
Transport und Lagerung
von Zement
Zement
< 70
110 – 140
Packanlagen und Verladeanlagen für Losezement
Zement
< 50
120 -150
Filterflächenbelastung für filternde Abscheider
Eine genaue theoretische Vorausberechnung der möglichen Filterflächenbelastung aufgrund physikalischer Grundlagen ist nur schwierig möglich.
Nachfolgend werden für verschiedene Filtersysteme und Anwendungsfälle die möglichen
Filterflächenbelastungswerte als Richtwerte angegeben, die auf Erfahrung von einer Vielzahl von Anlagen beruhen.
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Obige Tabelle zeigt übliche Filterflächenbelastungen für JET-Schlauchfilter, die in der Zementindustrie zum Einsatz kommen.
Die nachfolgende Tabelle (7.5) zeigt spez. Filterflächenbelastungen für viele Staubarten,
Korngrößen und Einsatzbedingungen für Jet-Schlauchfilter der Bauart.
Quelle: Infastaub
INTENSIV-JET Schlauchfilter mit 2-Stufen Coanda-Injektor-Abreinigung
Die abgegebenen Werte sind Richtwerte und basieren auf einem mittleren Druckverlust
über das Filtermedium von ca. 800-1200 Pa.
Für abweichende Schlauchlängen und Rohgasstaubbeladungen sind die angegebenen
Faktoren a) und b) mit der Filterbelastung zu multiplizieren.
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9.3
Bestimmung der Schwallmengen und Entlastungszeiten bei pneumatischen Druckförderanlagen
Bei pneumatischen Förderanlagen treten bei der Entlastung von Förderbehältern erhöhte
Abluftmengen (sog. Schwallmengen) auf, die besonders für die Auslegung der nachgeschalteten Abluftfilter wichtig sind.
Die Bestimmung des max. Volumenstromes und der Entlastungszeit erfolgt vereinfacht
nach den folgenden Beziehungen (gültig für Luft mit t = 20oC und p = 1 bar abs.): [1]
3
𝑚
̇
𝑉𝑚𝑎𝑥
= 𝐶 ∙ 5,25 ∙ 𝑝0 ∙ 105 ∙ 𝐴 [ ]
ℎ
(1)
für pC > 1,89 bar abs.
𝑡𝐸 =
0,0063 ∙ 𝑉𝐾 ∙ ln 𝑝0
𝐶∙𝐴
(2)
̇
𝑉𝑚𝑎𝑥
=
max. Volumenstrom in m3/h (Schwallmenge)
C
=
nach Abbildung 1
l
=
Förderleitungslänge in m
d
=
lichter Förderleitungsdurchmesser in m
tE
=
Entlastungszeit in s
A
=
π/4 x d2 = lichter Rohrquerschnitt in m2
po
=
abs. Druck im Förderbehälter in bar
Vk
=
Förderbehälterinhalt in m3
Beispiel 1:
𝑉̇𝐹
=
600 m3/h Fördervolumenstrom C
l
=
30 m
d
=
0,1 m
VK
=
10 m3
po
=
2 bar abs
Auslegung:
l/d
=
300
C
=
0,48
̇
𝑉𝑚𝑎𝑥
=
0,48 x 5,25 x 2 x 105 x 0,12 x π/4 = 3960 m3/h
𝑡𝐸 =
0,0063 ∙ 10 ∙ 𝑙𝑛2 ∙ 4
= 11,6 𝑠
0,48 ∙ 0,12 ∙ 𝜋
Da die Entlastungszeit mit t = 11,6 s relativ kurz ist, kann die Filterflächenbelastung der
Abluftfilter für den max. Volumenstrom etwa das 2-fache der normalen Filterflächenbelastung betragen.
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Abbildung 29: Koeffizient C als Funktion von l/d
Beispiel 2 (wie 1, aber größeres Silofahrzeug und höherer Entladedruck):
Bei einer Silofahrzeugentladung mit einem Kesselvolumen von 50 m3 und einem Kesseldruck von 2,5 bar abs. verändern sich die Werte wie folgt:
̇
𝑉𝑚𝑎𝑥
= 4950 m3/h
𝑡𝐸 =
0,0063 ∙ 50 ∙ 𝑙𝑛2,5 ∙ 4
= 76,6 𝑠
0,48 ∙ 0,12 ∙ 𝜋
Die Entlastungszeit mit dem um 1000 m3/h höheren Volumenstrom beträgt jetzt 77 s oder
ca. 1,3 min und ist damit wesentlich größer als im ersten Beispiel.
Beispiel 3: (wie 1, aber kürzere Leitung)
Problematisch kann es natürlich auch sein, wenn die Leitung wesentlich kürzer ist (z.B.
nur 15 m statt wie im ersten Beispiel 30 m, weil z.B. das Silo entsprechend kleiner, d.h.
niedriger ist. Dann steigt der Koeffizient C von 0,48 auf ca. 0,62 an und die Entlastungṡ
zeit t verringert sich von 76,6 s auf ca. 60 s. Der max. Volumenstrom 𝑉𝑚𝑎𝑥
steigt entspre3
3
chend von 3960 m /h auf ca. 5115 m /h.
Insgesamt verschlechtert sich somit die Situation dramatisch.
Text zu Beispielen finden sich nicht in der ppt-Datei (nur
die Diagramme Abb. 30+31 werden dargestellt)
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Abbildung 30: Diagramm zur Ermittlung der Entlastungszeiten für unterschiedliche Fahrzeuggrößen
Abbildung 31: Beispiel eines Druckverlaufes vor Filter mit Endschwall bei der pneumatischen Entleerung von 2 LkW über eine 450 m senkrechte Schachtleitung. Material: Flugasche
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9.4
Optimale Steuer-, Mess- und Regeltechnik
Selbstverständlich muß die eingesetzte Meß- und Regeltechnik dem neuesten Stand der
Technik entsprechen.
Heutzutage sind Sensoren als Meßwertgeber sehr preiswert geworden und man kann daher den sequentiellen Ablauf beispielsweise bei der Entleerung von Druckgefäßen einfacher und präziser steuern.
So läßt sich beispielsweise am zeitlichen Verlauf des Differenzdruckes in der Förderleitung die Massendurchsatz und die Konstanz der Förderung ablesen.
Abbildung 32: Signale und deren Konstanz bei der pneumatischen Druckgefäßförderung
von Kohlenstaub.
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10 Vergleich „Pneumatische Förderung“ und „Mechanische Förderung“
Die Hauptvorteile der pneumatischen Förderung sind zum einen deren Flexibilität und zum
anderen die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens.
Bezüglich der Punkte Durchsatz, Länge des Förderweges, Energieeffizienz und Fördergut-auswahl ist die mechanische Förderung (z.B. Gurtförderer) allerdings nicht zu schlagen.
Eigenschaften
Energiebedarf
Förderweg
Umbauter Raum längs des
Förderweges
Gutaufgabe
Gutbeanspruchung
Anlagenverschleiß
Größe Teilchendurchmesser
Hohe Feststoffdichte
Andere Guteigenschaften
Aufwand für Antrieb
Aufwand für Förderweg
Vermischung bei Sortenwechsel
Staubfreie Förderung
Gefahr einer Staubexplosion
Hohe Temperatur
Schallemission
pneumatische Förderung
hoch durch Gutreibung und -beschleunigung
flexibel in allen Richtungen, jedoch nicht
beliebig:  Regeln beachten! (wirtschaftlich bis ca. 2 km) (4 – 5 kg/kg Luft)
Sehr gering, umfasst im Wesentlichen nur
die Rohrleitung und deren Abhängung
(Rohrbrückenverlegung)
einfach bei Saug- , aufwendiger bei Druckförderung
hoch bei Flugförderung, geringer bei
Dichtstromförderung
relativ gering bei kleinen und weichen Teilchen hoch bei harten und großen Teilchen
begrenzt, max. ca. 60 –100 mm für leichtes Gut
Energiebedarf steigt an
Verstopfungsgefahr
groß (Gebläse, Schraubenverdichter, Luftaufbereitung)
gering (Rohr, Halterung, Krümmer evtl.
Verschleißschutz)
vermeidbar (meist genügt Freiblasen, ansonsten müssen Bauteile gereinigt werden)
durch Abluftfilter
mechanische Förderung
gering
häufig nur gerade Wege möglich, große Kurvenradien notwendig! Steigung begrenzt, Senkrechtförderer. Förderwege bis 20 km
Bandgerüst ist wesentlich größer und höher, müssen doch Rollenstühle, Aufgabeeinheiten etc. aufgebaut werden
meist nur mit Vordosierung
gering, Teilchen können aber z.B. Gurt beschädigen
gering, aber Probleme bei unzureichender Gurtabreinigung und Verschleiß an Abstreifern
bei Bandförderung bis ca. 1/3 Bandbreite
keine Relevanz
geringe Relevanz, evtl. Einfluss auf Gurtreinigung
relativ gering (Getriebemotor, bei großen Förderwegen mehrere Antriebe))
groß (Stahlbau, Bandgerüst, Rollenstationen, Gurt)
besondere Reinigungsvorrichtungen erforderlich
(unter Umständen komplette Nassreinigung erforderlich)
Aspirationsanlage an jeder Übergabestelle erforderlich
vermeidbar durch Förderung unter Schutz- schlecht beherrschbar, insbesondere an Übergagas
bestellen
möglich bei Saug- oder Injektor-Förderung möglich mit Trogkettenförderer
am Gebläse, seltener an Förderleitung
geringer bei Gummigurt, jedoch aufgrund der grö(nur bei harten und großen Partikeln)
ßeren Abmessungen höherer Schalleistungspegel,
Quietschen von Rollen
Tabelle: Vergleich der pneumatischen Förderung mit der mechanischen Stetigförderung
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