Table Of ContentH. Buhrke
H.J. Kecke
H. Richter
Strömungsf6rderer
Aus dem Programm
Grundlagen und Anwendungen----------....
der Ingenieurwissenschaften
Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch,
von M. Jischa
Führer durch die Strömungslehre,
von L. Prandtl u.a.
Strömungsförderer,
von H. Buhrke, H. J. Kecke und H. Richter
Grundlagen der Fördertechnik,
von H. Pfeifer
Theorie und Praxis der Vakuumtechnik,
von M. Wutz, H. Adam und W. Walcher
Strömung nicht-newtonscher Medien,
von F. Ebert
Notes on Numerical Fluid Mechanics,
Monographien zu Problemen der Strömungsmechanik
Vieweg-------------------------~
Herbert Buhrke
Hans Joachim Kecke
Hansjürgen Richter
Strömungsförderer
Hydraulischer und pneumatischer
Transport in Rohrleitungen
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig I Wiesbaden
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Buhrke, Herbert:
Strömungsförderer : hydraul. u. pneumat. Transport in
Rohrleitungen I Herbert Buhrke ; Hans Joachim Kecke;
Hansjürgen Richter. - Braunschweig ; Wiesbaden: Vieweg, 1989
ISBN-13: 978-3-528-03040-7 e-ISBN-13: 978-3-322-87219-7
DOI: 10.1007/978-3-322-87219-7
NE: Kecke, Hans Joachim: ; Richter, Hansjürgen:
© VEB Verlag Technik, Berlin, 1989
Lizenzausgabe mit Genehmigung de~ \'EB Verlag Technik Berlin
für Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH Braunschweig
Gesamtherstellung: Druckhaus Freiheit Halle
Lektor: Dipl.-Ing. Ingrid Schubert
Umschlagentwurf: Petcr Neitzke
ISBN-13: 978-3-528-03040-7
Vorwort
Die technische Entwicklung hat - bedingt durch die Arbeitsteilung sowie den örtlichen Wider
spruch zwischen Aufkommen und Bedarf - mit den Be-und Verarbeitungsprozessen Trans
portverfahren hervorgebracht, deren Anwendungsgebiete sich in Abhängigkeit vom Wirk
prinzip sowie von den Vorzügen und Nachteilen des jeweiligen Verfahrens mehr oder weniger
stark ausgeweitet haben.
Vielfältige Möglichkeiten bietet die technische Nutzung der Zweiphasenströmung. Wie der
Rohrleitungstransport von Flüssigkeiten und Gasen, findet auch der hydraulische und pneu
matische Transport in allen Bereichen der Volkswirtschaft breite Nutzung. Es gibt eine Reihe
bewährter Standardlösungen; dazu gehören der Saugbagger und der pneumatische Schiffsent
lader genauso wie z. B. die hydraulische und pneumatische Entaschung. Wegen des einfachen
Aufbaus sind solche Strömungsförderer für die betriebliche Rationalisierung besonders geeig
net. Anwender gehen so immer wieder zur eigenen Rationalisierung über. Dem steht aber
eine verhältnismäßig komplizierte Dimensionierung derartiger Anlagen gegenüber. Neben
geeigneten Berechnungsmethoden fehlen vor allem ausreichende Erfahrungen. Das große In
teresse an den von den Technischen Universitäten Magdeburg und Dresden in der Vergangen
heit angebotenen Weiterbildungslehrgängen zum hydraulischen bzw. pneumatischen Trans
port sowie die große Anzahl von Konsultiltionswünschen an beiden Einrichtungen machen
den breiten Einsatz und den großen Bedarf an Berechnungshinweisen und Betriebserfahrun
gen deutlich.
Diesen praktischen Erfordernissen Rechnung tragend, kann nunmehr - dank Förderung des
Anliegens durch den langjährigen Inhaber des Lehrstuhls für Fördertechnik an der Techni
schen Universität Dresden, Herrn Prof. em. Dr.-Ing. habil. Martin Scheffler-die seit langem
erwartete zusammenfassende Darstellung vorgelegt werden.
Mit diesem Buch sollen Hersteller wie Anwender gleichermaßen in die Lage versetzt werden,
beim Einsatz pneumatischer und hydraulischer Rohrleitungsförderer zu beachtende Restrik
tionen in gebührendem Umfang zu erkennen und vor allem neue Anlagen richtig zu dimensio
nieren.
Dabei sei bedacht, daß die theoretischen Grundlagen des technisch so einfachen Rohrlei
tungstransports vier Teilgebiete der Physik in sich vereinigen, wovon jedes für sich einen
Komplex spezieller Fragestellungen enthält. Schon die Strömungsmechanik, Wirbelschicht
technik, Schüttgutmechanik und Festkörperreibung für sich betrachtet, bieten ausreichend
Material für umfangreiche Erläuterungen zu theoretischen und technischen Problemen im
Rahmen eines geschlossenen Werkes. Es war nicht einfach, ein ausgewogenes Verhältnis die
ser Spezialgebiete im vorliegenden Buch zu finden. Im Vordergrund steht das Bemühen der
Autoren, dem Leser ausreichende und eindeutige Unterlagen in die Hand zu geben, die ihm
Typenauswahl und Einsatzentscheidung erleichtern sowie die selbständige Anlagendimensio
nierung gestatten. Wir hoffen, diesem Anliegen gerecht geworden zu sein, und sind für Hin
weise zur Vervollkommnung unseres Buches stets dankbar.
Die Autoren
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung...................... 11
1.1. Anwendungsbedingungen für den Gemischtransport . 11
1.2. Besonderheiten beim Gemischtransport 12
1.3. Einsatzgebiete und Transportgüter ......... . 13
1.3.1. Hydraulischer Transport ........ . 13
1.3.2. Pneumatischer Transport . . . . . . . . . 15
1.4. Klassifizierung und grundsätzliche Anlagengestaltung 16
1.4.1. Hydraulische Transportanlagen . 16
1.4.2. Pneumatische Transportanlagen 20
1.5. Ökonomische Aspekte 20
2. Gmndlagen . . . . . . 23
2.1. Eigenschaften der Transportgüter 23
2.1.1. Kennzeichnung im Hinblick auf den Rohrleitungstransport 23
2.1.2. Korngrößencharakterisierung . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3. Dichte und Lückenvolumen . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.4. Sink-und Schwebegeschwindigkeit des Einzelkorns . 28
2.1.5. Sinkgeschwindigkeit von Körnerkollektiven 32
2.1.6. Schüttgutbewegung . . . . 33
2.2. Einphasenströmung ........ . 35
2.2.1. Grundlegende Gleichungen 36
2.2.1.1. Bewegungsgleichung ... 36
2.2.1.2. Energiegleichung . . . . . 39
2.2.1.3. Massenerhaltung, Kontinuitätsgleichung 40
2.2.1.4. Zustandsgleichung 40
2.2.2. Laminare Rohrströmung ... 40
2.2.2.1. Newtonsche Flüssigkeiten . . . 41
2.2.2.2. Nichtnewtonsche Flüssigkeiten 41
2.2.3. Turbulente Rohrströmung 46
2.2.3.1. Ausgebildete turbulente Strömung 47
2.2.3.2. Inkompressible Rohrströmung 50
2.2.3.3. Kompressible Rohrströmung 55
2.2.3.4. Rohreinbauten 63
2.2.4. Stoffwerte . . . . . . . . . . 69
2.3. Zweiphasenströmung ......... . 71
2.3.1. Kennzeichnung, Definitionen 73
2.3.2. Bewegungsverhältnisse beim Zweiphasensystem 75
2.3.3. Klassifizierung nach dem Bewegungsverhalten 77
2.3.4. Transport grobdisperser Mischungen 80
2.3.5. Transport von Suspensionen 85
2.3.6. Transport polydisperser Systeme 90
2.3.7. Verschleiß .. 93
2.4. Ähnlichkeit ...... . 97
3. Hydraulischer Transport 99
3.1. Berechnungsgrundlagen 99
3.1.1. Transport homogener und pseudohomogener Gemische 100
8 Inhaltsverzeichnis
3.1.1.1. Gemischkennzeichnung und Transporteigenschaften 100
3.1.1.2. Messung des Fließverhaltens - Meßtechnik und Auswertung 102
3.1.1.3. Fließeigenschaften einiger Suspensionen ..... 108
3.1.1.4. Homogene Suspensionen mit heterogenem Anteil 112
3.1.2. Transport heterogener Gemische 113
3.1.2.1. Spezifika der Gemischbewegung 114
3.1.2.1.1. Horizontale Rohrleitung 115
3.1.2.1.2. Vertikale Rohrleitung. . . . . . 121
3.1.2.1.3. Rohrleitungsbögen ....... 125
3.1.2.2. Kritische Geschwindigkeit . . . . 127
3.1.2.2.1. Horizontale und geneigte Rohrleitung 127
3.1.2.2.2. Vertikale Rohrleitung. . . . . . . . . 136
3.1.2.2.3. Rohrleitungsbögen und andere Rohrleitungselemente 137
3.1.2.2.4. Einfluß von Feinanteilen im Haufwerk 137
3.1.2.3. Reibungsdruckverlust . . 138
3.1.2.3.1. Horizontale Rohrleitung 139
3.1.2.3.2. Rohrleitungsbögen ... 148
3.1.2.3.3. Vertikale Rohrleitung. . 153
3.1.2.3.4. Rohrleitungsbauten . . . 156
3.1.2.3.5. Einfluß von Feinanteilen im Haufwerk auf den Druckverlust 157
3.1.2.3.6. Zusammenfassung der Berechnungsgleichungen für die horizontale
Rohrleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.1.2.4. Geodätische Druckdifferenz ......... 160
3.1.3. Druckstoß bei Gemischströmung . . . . . . . 161
3.2. Ausrüstungen - Beschreibung, Arbeitsweise, Kennlinien 163
3.2.1. Gemischherstellung . . . . . . . . . . . . . . 163
3.2.1.1. Ausrüstungen zum Suspendieren und Mischen 164
3.2.1.1.1. Rührmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.2.1.1.2. Lokale Suspendierung mittels Flüssigkeitsstrahl . 168
3.2.1.2. Zerkleinerungsmaschinen . . . . . . 171
3.2.1.3. Eindicker . . . . . . . . . . . . . . 177
3.2.2. Feststoff-oder Gemischeinbringung . 182
3.2.2.1. Saugköpfe . . . . . 182
3.2.2.2. Schleusen..... 186
3.2.3. Energieeinbringung 189
3.2.3.1. Kreiselpumpen .. 190
3.2.3.2. Gemischkreiselpumpen 193
3.2.3.2.1. Kennlinienbeeinflussung bei homogenen Gemischen 195
3.2.3.2.2. Kennlinienbeeinflussung bei heterogenen Gemischen. 196
3.2.3.2.3. Ansaugverhalten ....... 198
3.2.3.2.4. Verschleiß von Kreiselpumpen . 200
3.2.3.3. Gemischverdrängerpumpen... 203
3.2.3.4. Ejektoren............ 205
3.2.4. Rohre und Rohrleitungselemente 211
3.2.4.1. Rohre.............. 211
3.2.4.1.1. Verschleiß von Rohren - Berechnungsansatz 211
3.2.4.2. Rohrleitungsarmaturen . . . . . . . . . . . 215
3.2.4.3. Sonstige Rohrleitungselemente . . . . . . . 219
3.2.5. Zusammenwirken von Pumpe und Rohrleitung 220
3.2.5.1. Energieeinbringung mit Reinwasserpumpen, Verbundbetrieb 221
3.2.5.2. Gemischpumpenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.2.5.3. Spezielle Probleme bei In-und Außerbetriebnahme 224
3.2.5.3.1. Horizontale Rohrleitungsanlage . . . . . . . . . . 225
3.2.5.3.2. Vertikale Rohrleitungsanlage . . . . . . . . . . . 227
3.2.5.4. Instabile Betriebszustände und ihre Beherrschung 228
Inhaltsverzeichnis 9
3.2.5.5. Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . 231
3.2.6. Feststoffabscheidung und Deponie . . 234
3.2.6.1. Ausrüstungen zur Feststoffabscheidung 234
3.2.6.1.1. Siebe 234
3.2.6.1.2. Hydrozyklone . . . . . . 235
3.2.6.1.3. Zentrifugen . . . . . . . 236
3.2.6.2. Absetzbecken - Deponie 238
3.2.6.2.1. Berechnungsgrundwerte 239
3.2.6.2.2. Standfestigkeit von Böschungen 242
3.2.6.2.3. Wasserhaushalt im Sickerbereich 244
3.2.6.2.4. Gemischeinleitung und Feststoffabscheidung 244
3.2.7. Betriebsmeßtechnik und Automatisierung 245
3.2.7.1. Druckmessung 248
3.2.7.2. Volumenstrommessung . . . . . . . . . 248
3.2.7.3. Konzentrationsmessung . . . . . . . . . 255
3.2.7.4. Messung der kritischen Geschwindigkeit 257
3.2.7.5. Verschleißfortschrittsmessung . . . . . . 258
3.3. Auslegungs-und Bewertungsalgorithmus für hydraulische Förderanlagen 259
3.3.1. Analyse der Auslegungsbedingungen . . . . . . . . . 260
3.3.2. Zuordnung von CT und dRzul . • . . • • • • • • • • . • • 261
3.3.3. Bestimmung der Kostenelemente und Kostenoptimum . 262
3.4. Beispiele technischer Lösungen für hydraulische Transportanlagen 264
4. Pneumatischer Transport . . . . . . . 267
4.1. Berechnungsgrundlagen . . . . . . . 267
4.1.1. Modelle der Gutbewegung 267
4.1.2. Modifizierte Reibungszahl 277
4.1.3. Gutgeschwindigkeit 281
4.1.4. Druckabfall . . 284
4.1.5. Förderzustände.. 290
4.1.6. Einsatzbereiche . . 293
4.1.7. Spezifischer Energiebedarf 298
4.1.8. Volkswirtschaftliche Gesamtkosten 302
4.1.9. Geschichtliches.. 304
4.2. Ausrüstungen......... 308
4.2.1. Prinzipieller Aufbau 308
4.2.2. Gasstromerzeuger . 313
4.2.3. Gutaufgabevorrichtungen 315
4.2.4. Rohrleitungen und Rohrleitungselemente . 323
4.2.5. Gutabscheidevorrichtungen . . . . . . . . 326
4.3. Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 330
4.3.1. Vereinfachte Neuauslegung pneumatischer Dünnstromförderer 331
4.3.2. Neuauslegung pneumatischer Dünnstromförderer 334
4.3.3. Nachrechnung pneumatischer Dünnstromförderer 336
4.3.4. Dichtstrom-und Mischstromförderer 337
4.3.5. Kapseltransport . . . . . . . 339
4.4. Beispiele ausgeführter Anlagen ........ 342
4.4.1. Pneumatische Schiffsentlader . . . . 342
4.4.2. Pneumatische Druckförderer in der chemischen Industrie 345
4.4.3. Großrohrpost 346
Literaturverzeichnis . . . . 348
Formelzeichenverzeichnis . 362
Sachwörterverzeichnis 365
1. Einleitung
Der Rohrleitungstransport flüssiger wie gasförmiger Medien hat Tradition und Aktualität,
Rolle und Bedeutung dieser Transportart bedürfen keiner näheren Erläuterung. Eine nicht
weniger wichtige Rolle spielt auch die Förderung von Flüssigkeit-Feststoff- oder Gas-Fest
stoff-Gemischen durch Rohrleitungen bzw. Rohrleitungssysteme. Folgende Vorteile kenn
zeichnen diese Transportarten und bilden eine wichtige Grundlage für den ökonomischen
Einsatz im kontinuierlichen Produktionsprozeß und im Umschlagbetrieb:
1. einfacher, raumsparender und anpassungsfähiger Aufbau,
2. hohe Arbeitsproduktivität und gute Automatisierbarkeit,
3. äußerst geringe Umweltbelastung,
4. kontinuierliche Gutströme mit guter Regelbarkeit sowie
5. einfache Förderstromverzweigungen.
Elemente dieser Vorteile wurden bereits vor mehreren tausend Jahren mit der Anwendung
von Bambusrohren für Wasserleitungen erkannt und genutzt. Mit der industriellen Revolu
tion, vornehmlich in den letzten hundert Jahren, ist ein sprunghafter Anstieg der Rohrlei
tungsförderung zu verzeichnen. Mit dem wachsenden Bedarf an kontinuierlich bereitzustel
lenden fließfähigen Medien bei gleichzeitig zunehmender territorialer Konzentration, Ver
flechtung und Arbeitsteilung der Industrie hat sich der Rohrleitungstransport zum unverzicht
baren Bestandteil moderner Technologien, der Volkswirtschaften insgesamt entwickelt. Häu
fig bildet er die zweckmäßige Alternative für Förder-oder Versorgungsaufgaben. Diese Ent
wicklung ist geknüpft an ein wachsendes technisches Niveau der Ausrüstungen bei gleichzeiti
ger Erweiterung des Sortiments und der beherrschbaren Parameter. Pumpen und Verdichter
oder Gebläse, Rohre, Armaturen und alle anderen notwendigen Rohrleitungselemente kön
nen heute für fast alle Anforderungen bereitgestellt werden.
Mit der Vervollkommnung des Rohrleitungstransports einphasiger Medien entstand das Be
dürfnis, dessen Vorteile auch für die Förderung von Schüttgütern (Feststoffen) zu nutzen. Be
reits Mitte des 19. bzw. zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die ersten pneumatischen und
hydraulischen Transportanlagen betrieben. Die aktuelle Situation kennzeichnet ein breites
Feld von Anwendungsfällen, das ständig erweitert wird. Das betrifft sowohl das Spektrum der
geförderten Güter als auch die Transportentfernungen und Transportmengen. Der pneumati
sche Transport wird wegen der Expansion des Gases nur für kurze Entfernungen eingesetzt,
während der hydraulische Transport sowohl für kurze Transportstrecken als auch bei Entfer
nungen bis zu mehreren hundert Kilometern angewendet wird. Die Verwendung von Kapseln
in hydraulischen Transportleitungen ist möglich. Mit pneumatischem Kapseltransport sind bei
Verwendung von Fahrwerken wegen des stark reduzierten Bewegungswiderstands Entfer
nungen von mehreren Kilometern erreichbar.
Förderanlagen nach dem Lufthebeverfahren werden für die Aufwärtsförderung angewendet
[1.5.]. Bei der Feststofförderung strömt ein Dreiphasensystem im vertikalen Rohr.
1.1. Anwendungsbedingungen für den Gemischtransport
Grundvoraussetzung zur Anwendung flüssiger oder gasförmiger Fluide als Trägermedium für
Feststoffe ist die gerichtete Wirkung ausreichend großer Strömungskräfte, durch die entweder
fließfähige Gemische hergestellt werden oder die in der Lage sind, die Verschiebwiderstände
der festen Phase bei unterschiedlichen Bewegungsformen zu überwinden. Die dazu notwendi-
12 1. Einleitung
gen Parameter müssen im technisch und ökonomisch sinnvollen Arbeitsbereich der erforderli
chen Ausrüstungen liegen. Ein wesentliches Kennzeichen für den Gemischtransport von Fest
Flüssig-oder Fest-Gasförmig-Systemen ist in den meisten Fällen der Dichteunterschied zwi
schen den Phasen. Der Feststoff hat in der Regel die größere Dichte, die bei hydraulischem
Transport höchstens eine Größenordnung über der des Fluids (eM/gF < 10') liegt. Beim pneu
matischen Transport werden Dichteverhältnisse von eMleF = 8 ·10 erreicht; diese sind dann
auch für die erforderlichen relativ hohen Fluidgeschwindigkeiten zum Transport und damit
für den hohen Energ~ebedarf im Vergleich zur hydraulischen Förderung verantwortlich. Des
weiteren ist die Existenz einer Minimalgeschwindigkeit zur Sicherung eines stabilen Trans
portvorganges die Folge der Dichteunterschiede. Diese Geschwindigkeit wird als kritische
Geschwindigkeit Vkrit bezeichnet, deren Unterschreitung stationäre Ablagerungen im Rohr
nach sich zieht.
Beim hydraulischen Transport verkleinert sich Vkrit mit abnehmender Teilchengröße , während
beim pneumatischen Transport im Bereich der Flugförderung mehr die Gutkonzentration
bzw. der Gutdurchsatz diesen Grenzwert bestimmt, so daß bei vergleichbaren Verhältnissen,
unabhängig von der Korngröße, annähernd gleiche Mindestgeschwindigkeiten erforderlich
sind. Im Bereich der pneumatischen Dichtstromförderung gelten zum hydraulischen Trans
port analoge Aussagen.
Die Kennlinie der Rohrleitung und auch der Gemischpumpen sind abhängig von der Feststoff
konzentration. Die Dichteunterschiede eMleF sind in erster Linie dafür verantwortlich. In der
Regel kann die Feststoffkonzentration über die Zeit nur in einem anlagenspezifischen
Schwankungsbereich gewährleistet werden. Deshalb ist, im Gegensatz zu dem bei der Förde
rung reiner Fluide einstellbaren Arbeitspunkt, eine Arbeitslinie bzw. ein Arbeitsfeld mit ent
sprechendem Schwankungsbereich des Gemischvolumenstroms für den Betriebszustand
kennzeichnend. In den Fällen, wo sich die Fließeigenschaften sowohl in bezug auf Vkrit als auch
hinsichtlich der für den Transport notwendigen Strömungskräfte, die den Druckverlust be
stimmen, mit der Verringerung der Feststoffabmessungen verbessern, bedeutet die techni
sche Nutzung dieser Vorteile ggf. eine sehr aufwendige Vorbereitung des Gutes. Gleichzeitig
wachsen die Aufwendungen sowohl ausrüstungsseitig als auch energetisch für die Feststoff
Fluid-Trennung nach dem Transport, was besonders bei der hydraulischen Förderung der Fall
ist.
Besonderer Beachtung bedürfen ferner die Anwendungsbedingungen aus der Wechselwir
kung der Phasen untereinander, mit den Ausrüstungen und mit der Umwelt:
- Es muß die Verträglichkeit des Feststoffs mit dem Fluid gewährleistet sein. Chemische Re
aktionen (z. B. Zementieren beim hydraulischen Transport) oder physikalische Wirkungen
(z. B. elektrostatische Aufladung bei pneumatischem Transport) können nur in solchem
Umfang zugelassen werden, daß die Stabilität des Transportgangs bei den geforderten Para
metern und die Sicherheit der Anlage gewährleistet bleiben. Eine Löslichkeit ist beim
hydraulischen Transport nicht unbedingt ein Hindernis. So wird z. B. beim Kalitransport
gesättigte Lauge verwendet.
- Ein auftretender Abrieb bis hin zur Zerkleinerung der Feststoffteilchen darf sowohl für den
Transportvorgang selbst als auch für die nachfolgenden Prozeßstufen nicht zu wesentlichen
Erschwernissen führen.
- Mit der Lösung des Transportproblems dürfen keine negativen Wirkungen auf die Umwelt
entstehen, was beispielsweise durch Wasser-oder Luftverschmutzung gegeben sein könnte.
1.2. Besonderheiten beim Gemischtransport
Die eingangs genannten Vorteile des Rohrleitungstransports gelten generell auch für den Ge
mischtransport. Zusätzlich müssen die Spezifika der Zweisphasensysteme beachtet werden,
die den Einsatzbereich abgrenzen. Solche Besonderheiten können sich beim Vergleich mit
anderen Transportverfahren als Nachteil darstellen. Es muß so darauf aufmerksam gemacht
