Untersuchungen zum pneumatischen Sortieren von Schüttgütern mittels Freistrahlen

Die Arbeit behandelt ein Sortierverfahren für Schüttgüter, bei dem Einzelpartikel mittels gerichteter Luftstrahlen aus einem Gutstrom entfernt werden. Sortieranlagen, die nach einem derartigen Prinzip arbeiten, sind komplexe mechatronische Systeme. Insbesondere die strömungsmechanischen Vorgänge beim schnellen Schalten der Ventile, beim Auf- und Abbau des Freistrahls und der Wechselwirkungen von Luftstrahl und Sortiergut sind bis heute nur teilweise verstanden. Der Ausblasvorgang wird in der Regel durch Schnellschaltventile realisiert, welche jeweils mit einer Blasdüse verbunden sind. Für eine Vorhersage der Ablenkung, die ein Einzelpartikel beim Ausblasvorgang erfährt, ist eine ganzheitliche Betrachtung der statischen und dynamischen Wirkzusammenhänge von Schaltventil, Blasdüse, Freistrahl und Partikelbewegung erforderlich. Die Untersuchung dieser Wirkzusammenhänge ist Gegenstand der Arbeit. Ziele sind die Identifikation der maßgeblichen technischen und physikalischen Effekte sowie die Erarbeitung analytischer Zusammenhänge zur mathematischen Beschreibung des Ausblasvorgangs. Dazu erfolgt eine Untergliederung von Sortieranlagen in Teilsysteme. Die Arbeit behandelt die Vorgänge in den Teilsystemen „Pneumatisches Sitzventil“, „Freistrahl“ und „Fluid-Partikel-Wechselwirkung“. Für die Untersuchung der Vorgänge im Schaltventil und im Freistrahl kommen sowohl experimentelle Methoden, wie Staudruckmessungen und Strömungsvisualisierungen mittels Laser-Schlierenverfahren als auch die CFD-Simulation als numerische Untersuchungsmethode zum Einsatz. Die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Strahl und Partikel erfolgt mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Ausblasvorgängen von Kugeln, aus denen sich Flugbahnen, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe und schließlich Kräfte auf die Kugeln ermitteln lassen. Aus den ermittelten axialen und radialen Kräften ergeben sich empirische Zusammenhänge für Widerstands- und Auftriebsbeiwerte. Die Ergebnisse finden sich in einem Simulationsmodell zur Berechnung von Ausblasvorgängen auf der Basis konzentrierter Parameter wieder. Das Berechnungsmodell erlaubt es, Ausblasvorgänge von kugelförmigen Einzelpartikeln bei Vorgabe von technischen Anlagenparametern vorauszuberechnen und bietet somit für Anlagenhersteller und Pneumatikhersteller eine erste Möglichkeit der zielgerichteten Vorauslegung von pneumatischen Freistrahl-Sortieranlagen.