Konstruktion Verfahrenstechnischer Maschinen: Bei Besonderen Mechanischen, Thermischen Oder Chemischen Belastungen

ISBN-13: 9783642640230 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 642 str.

P. Dietz

Opis

Ein breit gefacherter Uberblick uber das Spezialgebiet Konstruktionen fur verfahrenstechnische Prozesse und Maschinen wird in diesem Buch zusammengestellt. Dabei stehen die praktischen Anwendungen im Vordergrund. Das Buch liefert zahlreiche Auslegungsformeln und Diagramme, mit denen der Anwender aus Industrie und Forschung neue Prozesse und Maschinen auslegen kann. Desweiteren bietet das Buch vielschichtige Anregungen fur den Entwickler. Die Beitrage enthalten tabellarische Ubersichten, der Text wird durch zahlreiche Abbildungen illustriert. Grundlage fur das Buch bilden Auswertungen der Konstruktionsprozesse und der Anwendungsprobleme, die in langjahriger Arbeit an der TU Clausthal zusammengetragen wurden. Damit liegt dieses Fachwissen erstmalig in dieser Form gesammelt und bewertet vor."

Spis treści

Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen — eine Einführung in die Arbeitsgebiete des Sonderforschungsbereichs.- 1 Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen.- 1.1 Konstruktionssystematik für die integrierte Prozess- und Maschinenentwicklung in der Verfahrenstechnik.- 1.1.1 Entwicklungsprozesse in Maschinenbau und Verfahrenstechnik.- 1.1.2 Vorgehensweise zum Entwickeln verfahrenstechnischer Maschinen.- 1.1.2.1 Planungsphase.- 1.1.2.2 Konzeptionsphase.- 1.1.2.3 Entwurfsphase.- 1.1.2.4 Ausarbeitungsphase.- 1.1.3 Anwendung der Methodik bei der Entwicklung verfahrenstechnischer Maschinen.- 1.1.3.1 Beispiel 1: Entwicklung eines Hochgeschwindigkeits-Winds ichters.- 1.1.3.2 Beispiel 2: Entwicklung eines Reaktionsverdichters für das Recycling von Kunststoffen.- 1.1.3.3 Beispiel 3: Entwicklung einer Reaktionsmühle.- 1.1.4 Zusammenfassung.- 1.2 Behandlung von Anforderungen in der Entwicklung verfahrenstechnischer Prozesse, Maschinen und Anlagen.- 1.2.1 Die Bedeutung von Anforderungen in technischen Aufgabenstellungen.- 1.2.2 Bewertung der gegenwärtigen Anforderungsbehandlung.- 1.2.3 Aufbau einer Anforderungsstruktur.- 1.2.4 Die Erfassung von Anforderungen.- 1.2.4.1 Anforderungen durch den Auftraggeber.- 1.2.4.2 Anforderungen des eigenen Unternehmens.- 1.2.4.3 Anforderungen der Umgebung.- 1.2.4.4 Allgemeine Ansprüche an die Erfassung von Anforderungen.- 1.2.5 Die Aufbereitung von Anforderungen.- 1.2.6 Die Bereitstellung von Anforderungen.- 1.2.7 Zusammenfassung.- 1.3 Sicherheitstechnik in der Verfahrenstechnik.- 1.3.1 Einleitung.- 1.3.2 Notwendigkeit der Fehler- und Störfallprävention in der Verfahrenstechnik.- 1.3.3 Sicherheitsanalytische Methoden in der Verfahrenstechnik.- 1.3.3.1 Checklistenanalysen.- 1.3.3.2 HAZOP-Studie (PAAG-Verfahren).- 1.3.3.3 Matrixdarstellung der Wechselwirkungen.- 1.3.3.4 Ausfalleffektanalyse (FMEA).- 1.3.3.5 Ereignisablaufanalyse.- 1.3.3.6 Fehlerbaumanalyse.- 1.3.3.7 Entscheidungstabellentechnik.- 1.3.3.8 KOMB-Analyse.- 1.3.4 Einsatz der vorgestellten Sicherheitsanalysen in der Maschinen- und Anlagenentwicklung.- 1.3.4.1 Bewertung der Sicherheitsanalysen.- 1.3.4.2 Entwicklungsbegleitende Sicherheitskonzepte.- 1.3.4.3 Erkenntnisse aus der Untersuchung der sicherheitsanalytischen Methoden.- 1.3.5 Die wissensbasierte Sicherheitsanalyse (WISI).- 1.3.5.1 Funktions-Anforderungs-Struktur.- 1.3.5.2 Zuordnung der Verfahren, Anlagen und Komponenten.- 1.3.5.3 Kontrolle und präventive Ermittlung von Störungen.- 1.3.5.4 Gewichten von Störungen, Ursachen und Auswirkungen.- 1.3.5.5 Durchführung präventiver Sicherheitsanalysen.- 1.3.5.6 Ma?nahmen gegen Ursachen und Auswirkungen von Störungen.- 1.3.6 Verbesserung der Analysegenauigkeit der Sicherheitsanalyse durch Einsatz von Methoden künstlicher Intelligenz.- 1.3.7 Zusammenfassung.- 2 Belastungen, Dynamik, Akustik.- 2.1 Besonderheiten in Belastung und Beanspruchung verfahrenstechnischer Maschinen.- 2.2 Beanspruchung von Komponenten verfahrenstechnischer Maschinen und Möglichkeiten der Beeinflussung.- 2.2.1 Einleitung.- 2.2.2 Untersuchte verfahrenstechnische Maschinen.- 2.2.2.1 Allgemeines.- 2.2.2.2 Gutbett-Walzenmühlen.- 2.2.2.3 Shredder.- 2.2.3 Betriebsmessungen und Analyse der Beanspruchungen.- 2.2.3.1 Allgemeines.- 2.2.3.2 Beanspruchungen im Antriebsstrang der Gutbett-Walzenmühle.- 2.2.3.3 Beanspruchungen im Antriebsstrang des Shredders.- 2.2.4 Antriebs- und regelungstechnische Maßnahmen zur Lastkollektivminimierung und Energieeinsparung.- 2.2.4.1 Elektrisch-mechanisches Antriebssystem / Stand der Technik.- 2.2.4.2 Drehzahlelastische Antriebe zur Lastkollektivminimierung.- 2.2.4.3 Ergebnisse.- 2.2.5 Lastannahmen für Komponenten.- 2.2.6 Danksagung.- 2.3 Konstruktive Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsrotoren, Einsätzen und Verbindungen in verfahrenstechnischen Maschinen.- 2.3.1 Einleitung.- 2.3.2 Gestaltung eines Hochgeschwindigkeits-Windsichters.- 2.3.2.1 Aufgabenstellung und Stand der Technik, Konzeptfindung.- 2.3.2.2 Aufbau eines Abweiseradsichterrotors.- 2.3.2.3 Grundlagen zur Berechnung und Gestaltung der Sichterelemente nach Abb. 6.- 2.3.2.4 Dynamische Analyse.- 2.3.2.5 Anmerkungen zum Verschlei? in Faserverbundwerkstoffen.- 2.3.3 Gestaltung von Rotoren für Prallmühlen.- 2.3.3.1 Aufgabenstellung und Stand der Technik.- 2.3.3.2 Festigkeitsbetrachtungen zum Istzustand von Feinprallmühlen.- 2.3.3.3 Mahlrotoren für hohe Umfangsgeschwindigkeiten.- 2.3.4 Zusammenfassung.- 2.4 Aspekte zur dynamischen Auslegung und Optimierung von Laborzentrifugen.- 2.4.1 Einleitung.- 2.4.2 Grundlegender Aufbau von Laborzentrifugen.- 2.4.3 Das dynamische Verhalten des Rotorsystems.- 2.4.4 Evolutionärer Algorithmus zur Mehrzieloptimierung einer Zentrifugenkonstruktion.- 2.4.5 Zusammenfassung.- 2.5 Lärmminderungmaßnahmen an schnelllaufenden Prallzerkleinerungsmaschinen.- 2.5.1 Aufgabe und Schallsituation von Prallmühlen.- 2.5.2 Schallentstehung bei Prallzerkleinerungsmaschinen.- 2.5.3 Schallausbreitung.- 2.5.4 Schallemission von Prallzerkleinerungsmaschinen.- 2.5.5 Lärmminderungsmaßnahmen.- 2.5.6 Ansatzpunkte für eine lärmarme Mühlenkonstruktion.- 2.5.6.1 Die Lagerung.- 2.5.6.2 Die Mahlgutführung.- 2.5.6.3 Die Einbauten.- 2.5.6.4 Das Gehäuse.- 2.5.7 Abschätzung der Schallemission des Mühlengehäuses.- 2.5.8 Lösungsvorschläge.- 2.5.9 Zusammenfassung.- 3 Verfahrenstechnische Maschinen unter vorwiegend mechanischen Beanspruchungen.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Die Feinsttrennung in Fliehkraft-Gegenstromsichtern bzw. Abweiseradsichtern.- 3.2.1 Einleitung.- 3.2.2 Die Trenngrenze der Fliehkraft-Gegenstromsichter.- 3.2.3 Der Abweiseradsichter.- 3.2.4 Die Dosier- und Dispergiereinheit.- 3.2.5 Ergebnisse.- 3.2.6 Zusammenfassung.- 3.3 Die Feinstzerkleinerung in einer zweistufigen Rotorprallmühle.- 3.3.1 Einleitung.- 3.3.2 Der Aufbau der zweistufigen Rotorprallmühle.- 3.3.3 Enge Verteilung der Prallgeschwindigkeiten.- 3.3.4 Hohe Relativ-/Prallgeschwindigkeiten und kurze Flugwege.- 3.3.5 Hohe Aufprallwahrscheinlichkeit auf den stationären und bewegten umströmten Prallelementen.- 3.3.6 Ergebnisse.- 3.3.7 Zusammenfassung.- 3.4 Untersuchungen zur Zerkleinerung von Kunststoffen in einer Schneidmühle und einem Pendelschlagwerk.- 3.4.1 Einleitung.- 3.4.2 Grundlagen des Schneidvorganges.- 3.4.3 Schneidmühlen.- 3.4.4 Pendelschlagwerk.- 3.4.5 Ergebnisse.- 3.4.6 Zusammenfassung.- 4 Verfahrenstechnische Maschinen unter vorwiegend thermischen, chemischen und abrasiven Beanspruchungen.- 4.1 Entwicklung keramischer Ventilatoren für die Umwälzung heißer Gase bis 1350 °C.- 4.1.1 Heißgasförderung in der Verfahrenstechnik.- 4.1.2 Konstruktive Probleme bei der Entwicklung eines Heißgasventilators.- 4.1.2.1 Keramische Werkstoffe: fertigungsgerechte Gestaltung.- 4.1.2.2 Modulare Lösungsansätze.- 4.1.2.3 Monolithische Konstruktion für Ventilatorrad und Antrieb.- 4.1.2.4 Belastung und Lebensdauer.- 4.1.3 Förderverhalten (strömungstechnische Untersuchungen).- 4.1.3.1 Versuchsanlagen.- 4.1.3.2 Ergebnisse der strömungstechnischen Untersuchungen.- 4.1.4 Dauerversuche (Versuche mit Paddelrädern).- 4.1.5 Zusammenfassung.- 4.2 Reaktionsmühle.- 4.2.1 Bedeutung und Besonderheiten von Feststoffreaktionen.- 4.2.2 Aktivierung von Feststoffen.- 4.2.3 Entwicklungsstand und Perspektiven.- 4.2.4 Simultane Reaktion und Mahlung.- 4.2.5 Technisch interessante Modellreaktionen.- 4.2.6 Methodische Vorgehensweise.- 4.2.6.1 Synthese von Chlorsilanen.- 4.2.6.2 Erzeugung von Grignardverbindungen.- 4.2.7 Anforderungen an Werkstoffe, Konstruktion und Betrieb.- 4.2.8 Reaktionstechnische Voruntersuchungen.- 4.2.8.1 Grignardsynthese.- 4.2.9 Entwicklung von Schwingmühlen.- 4.2.9.1 Stand der Technik, Aufgabenstellung.- 4.2.9.2 Entwicklung eines diskontinuierlichen Schwingmühlenprüfstandes.- 4.2.10 Untersuchungen zu den verfahrenstechnischen Eigenschaften der Schwingmühle.- 4.2.10.1 Kalorimetrische Untersuchungen zum Leistungseintrag bei der Mahlung.- 4.2.10.2 Bewegungsformen der Füllung.- 4.2.10.3 Modellierung der Bewegungsformen.- 4.2.10.4 Untersuchungen zur Zerkleinerung.- 4.2.11 Reaktives Mahlen.- 4.2.11.1 Hydrochlorierung von Ferrosilizium.- 4.2.11.2 Umsetzung von Magnesium zu Grignardverbindungen.- 4.2.12 Schlussfolgerung und Ausblick.- 4.3 Kreislaufreaktor.- 4.3.1 Bedeutung von Kreislaufreaktoren.- 4.3.2 Entwicklungsstand.- 4.3.3 Modellreaktionen.- 4.3.4 Versuchsstand.- 4.3.5 Anforderungsliste.- 4.3.6 Konstruktionssystematische Untersuchungen.- 4.3.6.1 Funktionsstruktur.- 4.3.6.2 Lösungsfindung für die Teilsysteme „Stoff mit Energie verknüpfen“, „ Gasumwälzung“, „Gasrückführung“ und Lösungskombinationen.- 4.3.6.3 Methodische Lösungsfindung für die Baureihenentwicklung.- 4.3.6.4 Nomogramm zur Ähnlichkeit.- 4.3.6.5 Umsetzung des Nomogramms in eine schematische Baureihe.- 4.3.7 Bau der Reaktoren.- 4.3.7.1 Liter-Reaktor.- 4.3.7.2 10-Liter-Reaktor.- 4.3.8 Untersuchungen zur Gasumwälzung bei Raumtemperatur.- 4.3.9 Reaktionstechnische Bewertungen.- 4.3.9.1 Dichtigkeitspriifungen.- 4.3.9.2 Strömungsverhältnisse.- 4.3.9.3 Chemische Umsetzungen im 1L-Kreislaufreaktor.- 4.4 Polymermodifizierung in einer Schwingmühle.- 4.4.1 Einleitung.- 4.4.2 Reaktor.- 4.4.3 Mechanochemischer Polymerabbau.- 4.4.3.1 Kontrollierter mechanischer Molmassenabbau.- 4.4.3.2 Abbauversuche mit Polyethylen.- 4.4.4 Mechanochemische Polymersynthese.- 4.4.4.1 Pfropf- und Blockcopolymerbildung.- 4.4.4.2 Rheologische Messungen.- 4.4.5 Zusammenfassung.- 4.5 Trockene Entschwefelung von Abgasen im Niedertemperaturbereich.- 4.5.1 Einleitung und Problemstellung.- 4.5.2 Modellreaktion.- 4.5.3 Anlagenentwicklung.- 4.5.3.1 Systematik der Anlagenentwicklung.- 4.5.3.2 Festlegung der Anforderungen an Anlagenkomponenten.- 4.5.3.3 Konstruktionssystematik.- 4.5.4 Konstruktion.- 4.5.4.1 Beschreibung der Versuchsanlage.- 4.5.4.2 Entwicklung des Injektors.- 4.5.4.3 Entwicklung des Gas-Feststoffabscheiders.- 4.5.4.4 Kreisprozessentwicklung.- 4.5.4.5 Anwendung einer entwicklungsbegleitenden Sicherheitsanalyse.- 4.5.5 Betrieb.- 4.5.5.1 Experimentelle Untersuchungen des Entschwefelungsprozesses.- 4.5.5.2 Betrieb Injektor.- 4.5.5.3 Betrieb Filterkammer.- 4.5.6 Schlussfolgerungen.- 4.6 Ultraschallreaktoren.- 4.6.1 Verfahrenstechnische Aufgabenstellung.- 4.6.1.1 Ultraschallausbreitung und Wirkung.- 4.6.1.2 Technische Grignardreaktionen.- 4.6.1.3 Mechanochemisch aktivierte Reaktionen.- 4.6.2 Reaktor- und Verfahrensentwicklung.- 4.6.2.1 Entwicklung der Anforderungsliste.- 4.6.3 Werkstoffe für Ultraschallreaktoren.- 4.6.3.1 Akustische Kavitation und Kavitationswiderstand.- 4.6.3.2 Sonotrodenwerkstoffe.- 4.6.3.3 Reaktorwandwerkstoffe.- 4.6.4 Experimentelle Untersuchungen im Konusreaktor.- 4.6.4.1 Grignardreaktionen mit Magnesium.- 4.6.4.2 Grignardreaktionen mit Magnesium-Calcium.- 4.6.5 Scale-up und Ausblick.- 4.7 Reaktionsverdichter.- 4.7.1 Verfahrenstechnische Aufgabenstellung, Kunststoffrecycling.- 4.7.2 Abbau von Polymeren in überkritischem Wasser.- 4.7.3 Versuche im Batchreaktor.- 4.7.4 Versuche im Semibatchreaktor.- 4.7.5 Verfahrenstechnische Anforderungen.- 4.7.6 Entwicklung des kontinuierlich arbeitenden Reaktionsverdichters zum Abbau von Kunststoffen durch den Einsatz überkritischen Wassers.- 4.7.6.1 Aufgabenstellung und Anforderungsliste.- 4.7.6.2 Konstruktive Umsetzung der Prozessanforderungen.- 4.8 Werkstofftechnik für Reaktionsverdichter.- 4.8.1 Werkstofftechnische Aufgabenstellung.- 4.8.2 Charakterisierung des Beanspruchungskollektivs der Modellreaktion.- 4.8.3 Anforderungen an einen Prüfstand.- 4.8.4 Prüfstandkonzept.- 4.8.4.1 Kolbenprüfstand.- 4.8.4.2 Stempelprüfstand.- 4.8.4.3 Rührautoklave.- 4.8.4.4 Bewertung der Lösungskonzepte.- 4.8.5 Versuchsbedingungen.- 4.8.6 Schlussfolgerung.- 5 Werkstoff- und Fertigungstechnik.- 5.1 Auftragschweißen von Verschleißschutzschichten mit definierter Gefügemorphologie.- 5.1.1 Problemstellung und Einleitung.- 5.1.2 Schichtverbundbauweise.- 5.1.3 Beschichtungsverfahren.- 5.1.4 Werkstoffe zum Hartauftragschweißen.- 5.1.5 Gefügeaufbau und Werkstoffeigenschaften.- 5.1.6 Das System Kobalt-Chrom-Kohlenstoff.- 5.1.7 Untersuchungen eutektischer Kobaltbasishartlegierungen.- 5.1.8 Auftragschweißen von Schutzschichten mit ausgerichteter Hartstoffeinlagerung.- 5.1.9 PHP-Hartauftragschweißen einer eutektisch erstarrenden Kobalthartlegierung.- 5.2 Metall-Keramik-Verbindungen durch Diffusionsschweißen für den Einsatz in verfahrenstechnischen Maschinen.- 5.2.1 Einleitung.- 5.2.2 Fügen von Metall-Keramik-Verbunden.- 5.2.3 Diffusionsschweißen.- 5.2.3.1 Schweißen mit einer Dusionsschweißanlage.- 5.2.3.2 Gasdruckdiffusionsschweißen.- 5.2.4 Werkstoffauswahl für die Diffusionsschweißversuche.- 5.2.4.1 Keramische Werkstoffe.- 5.2.4.2 Metallische Grundwerkstoffe.- 5.2.4.3 Zwischenschichten und Zwischenschichtsysteme.- 5.2.5 Diffusionsschweißungen.- 5.2.5.1 Direktschweißungen zwischen Keramik und Metallen.- 5.2.5.2 Diffusionsschweißungen mit Zwischenschichten und -systemen.- 5.2.6 Mechanische Eigenschaften der Diffusionsschweißungen.- 5.2.7 Schlussfolgerung.- 5.3 Untersuchungen der Temperaturwechselbeständigkeit insbesondere von keramischen Werkstoffen als Grundlage für den Hochtemperaturmaschinenbau („Temperaturwechselbeanspruchung“).- 5.3.1 Einleitung und Problemstellung.- 5.3.2 Theoretische Grundlagen zur Berechnung der thermoinduzierten Spannungen.- 5.3.3 Einflussfaktoren auf die kritische Abkühlgeschwindigkeit.- 5.4 Hochtemperaturoxidationsschutz von C/C-Werkstoffen auf Mullitbasis.- 5.4.1 Vorbemerkungen.- 5.4.2 PLD-Schutzschichten.- 5.4.3 Sol-Gel-Schutzschichten.- 5.4.4 Schlussfolgerungen.- 5.4.5 Danksagung.- 5.5 Hartbearbeitung von Industriekeramik.- 5.5.1 Einleitung.- 5.5.2 Ultraschallschwingläppen.- 5.5.3 Werkstoffe und Abtrennleistung.- 5.5.4 Oberflächentopographie und Rauheit.- 5.5.5 Bauteilfestigkeit.- 5.5.6 Zusammenfassung.- Veröffentlichungen, Vorträge und Dissertationen des Sonderforschungsbereichs 180.

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Ein breit gefächerter Überblick über das Spezialgebiet, Konstruktionen für verfahrenstechnische Prozesse und Maschinen werden in diesem Buch zusammengestellt. Dabei stehen die praktischen Anwendungen im Vordergrund. Das Buch liefert zahlreiche Auslegungsformeln und Diagramme, mit denen der Anwender aus Industrie und Forschung neue Prozesse und Maschinen auslegen kann. Desweiteren bietet das Buch vielschichtige Anregungen für den Entwickler. Die Beiträge enthalten tabellarische Übersichten, der Text wird durch zahlreiche Abbildungen illustriert. Grundlage für das Buch bilden Auswertungen der Konstruktionsprozesse und der Anwendungsprobleme, die in langjähriger Arbeit an der TU Clausthal zusammengetragen wurden. Damit liegt dieses Fachwissen erstmalig in dieser Form gesammelt und bewertet vor.