Archimedische Schraube
Eine Archimedische Schraube, auch als Schneckenförderer oder Schneckenpumpe ist eine Förderanlage, deren wesentliches Bauteil aus einer Schraube mit ausgeprägten Gewindeflächen besteht, die auch als ?Schnecke? bezeichnet wird. Die Erfindung wird Archimedes in der Zeit des dritten Jahrhundert vor Christus zugeschrieben.
Prinzip
Die ?Schnecke? befindet sich in einem eng angepassten Trog oder Rohr und dreht sich dort um ihre Achse. Flüssigkeiten oder Schüttgüter, die sich am Beginn (dem unteren Ende der Schraube) befinden, werden durch die rotierenden Spindelflächen in Achsrichtung vorwärts geschoben. Damit kann vor allem Wasser entgegen der Schwerkraft gefördert werden.
Durch die Schwerkraft und durch die Reibung des Transportgutes an den Trogwänden wird eine Drehung des Gutes mit der Schnecke verhindert. Ist bei einem hohen Füllgrad die Reibung an der Wand klein, so rotiert das Gut nur quer zur Schneckenachse als Walze am Anfang der Schnecke und wird nicht transportiert. Beim Senkrechttransport muss deshalb durch Fliehkraft Wandreibung erzeugt werden, dazu sind Drehzahlen von 250-400 min-1 erforderlich. Eine maximale Förderung wird erreicht, wenn die Reibung an der Förderschnecke klein ist gegenüber der Reibung an der Trogwand. Schneckenförderer zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus, haben aber andererseits einen begrenzten Transportwegbereich.
Ausführungen
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Bauarten der Schnecke
Ursprünglich wurden die Schnecken gefertigt, indem man einen Holzkern in mehreren Lagen schraubenförmig mit flexiblen Ruten umwickelte und diese verpichte.
Im modernen Ausführungen aus Metall wird das Schneckengewinde für kleine Ausführungen aus dem Vollmaterial (etwa aus einem Rundstahlstück) gedreht oder als Gießteil angefertigt, wie es häufig bei Haushalts-Fleischwölfen zu sehen ist. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit eine Welle aus Rundstahl zu nehmen und an diese das gebogene Flach oder Bandstähle anzuschweißen. Die Dimensionen und Formen werden dabei speziell für ihre Einsatzbedingungen im Prozess ausgelegt. Für Standardanwendungen existieren zahlreiche konfektionierte Lösungen. Für große Anlagen wird das Schneckengewinde mit der Antriebswelle verschweißt. Eine Vollblattschnecke besteht entweder aus einer fortlaufenden aus Blechbahn oder aus einzelnen Schneckenflügelsegmenten, welche stumpf miteinander verschweißt sind. Es kommen auch ?Paddelschnecken? vor, die nicht fortlaufend aneinandergefügte Schraubensegmente haben. Das ?Bandgewinde? ist durch Stege mit der Schneckenwelle verschweißt, zwischen Gewinde und Welle verbleibt dabei ein freier Raum.
Als Antriebswellen werden bei größeren Anlagen Rohre eingesetzt, weil sie bei gleicher Festigkeit ein wesentlich geringeres Gewicht als Vollwellen haben. Von den Anwendern wird zunehmend Wert auf eine sichere und möglichst wartungsfreie Abdichtung der Wellendurchtritte gelegt. Hier haben sich Abdichtungssysteme mit integrierter Lagerung bewährt. Die Abdichtung erfolgt durch Dichtlippen aus modifizierten PTFE. Die Lauffläche der Wellenschutzhülse ist mit einer Beschichtung versehen und hat im Bereich der Dichtlippen eine Oberflächenhärte von mindestens 70 HRC. Durch die integrierte, großzügig dimensionierte Lagerung, dem großen Lagerabstand, sowie der dickwandigen Verschleißhülse, wird ein exakter Rundlauf und eine hohe Steifigkeit der Welle erreicht. Damit werden lange Dichtungszeiten ermöglicht und die Kontaminationsgefahr reduziert.
Förderanlagen können auch als flexible (biegsame) Schnecken ausgeführt werden. Bei flexiblen Schnecken wird auf die Welle verzichtet (seelenlose Schnecke bzw. Spirale). Der umhüllende Trog bzw. das Rohr können auch entfallen, wenn die Schraubenwendel nicht als Förderfläche sondern als gewendelter Trog ausgeführt ist.
Bei Extrudern und Fleischwölfen ist die Geometrie der Schraubenlinie so angelegt, dass der Querschnitt sich zum Ausgang hin verengt. Damit werden hohe Drücke erzeugt, um plastisches oder zähes Fördergut durch Formschablonen oder in Gussformen hinein zu pressen.
Trogformen
Bei einer Ausführung aus gebogenen Blechen in Trog-Form werden zur Versteifung der Trogwand die Enden seitlich abgekantet. In zweckmäßigen Abständen werden Trogfüße angebracht. Bei Schüttgütern mit starker Verschleißwirkung kann in den Trog ein auswechselbares Schleißblech eingelegt werden. Um den Verschleiß zu mindern und gleichzeitig die Reibung an der Trogwand zu erhöhen, hat sich der auch der Einbau von Flacheisen-Leisten längs zur Förderrichtung bewährt. Im Betrieb bildet sich dabei zwischen den Leisten ein Schüttgutbelag.
Ausführungen mit vollständig geschlossenem Rohrtrog haben eingeschränkte Möglichkeiten zur Inspektion und Reinigung des im Innenraums. Diese Bauform wird hauptsächlich bei Abzugsschnecken und bei ansteigenden Schneckenförderern gewählt.
Der Schneckentrog mit Doppelmantel wird verwendet, um das Schüttgut während des Fördervorganges zu kühlen oder zu erhitzen. Dazu wird das Kühl- oder Heizmedium durch die Zwischenräume geleitet. Der Mantel ist dicht verschweißt und mit entsprechenden Zu- und Ablaufstutzen versehen. Zusätzlich können durch entsprechende Gestaltung Zusatzstoffe, wie etwa Färbemittel, in die Grundkomponente mit eingemischt werden.
Eine fallweise verwendete Trogabdeckung besteht meist aus flachen Deckel-Segmenten, welche auf dem umgekanteten Trogrand und ggf. auf Trog-Querstegen aufliegen. Zur Erhöhung der Staubdichtigkeit sind zwischen Deckel und Trog Dichtungen eingelegt.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, zusätzliche Verfahrensschritte, wie Mischen, Heizen, Kühlen und Trocknen zu integrieren. Die Förderrichtung ist abhängig von der Gewindeart (Rechts- oder Linksgewinde) und der Drehrichtung der Schneckenwelle. So kann beispielsweise bei einer Kombination von Rechts- und Linksgewinde auf einer Schneckenwelle, von zwei außenliegenden Einläufen auf einen mittigen Auslauf gefördert werden.
Antrieb und Leistungen
Früher wurden archimedische Schrauben durch eine Windmühle oder durch Muskelkraft angetrieben. Vor einigen hundert Jahren wurde das Prinzip wiederentdeckt und vor allem in Holland zur Polderentwässerung eingesetzt. Dies ist der Grund dafür, dass die Windmühle ein Wahrzeichen der Niederlande geworden ist, und die meisten Schneckenhersteller aus den Niederlanden stammen. Heute erfolgt der Antrieb meist mit Verbrennungsmotoren oder mit Getriebemotoren in Fuß-, Flansch- oder Aufsteckbauform. Der Antrieb kann ? abhängig von der vorgegebenen Einbausituation - wahlweise an der Ein- oder an der Auslaufseite angebaut werden. Wichtig ist, dass das Festlager der Wellenlagerung an der Antriebsseite vorgesehen wird.
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Die nebenstehende Abbildung zeigt die wesentlichen Hauptabmessungen:
d = Kernrohrdurchmesser
D = Schneckendurchmesser
? = Aufstellwinkel
Ho = konstruktive Förderhöhe
H1 = Wasserspiegeldifferenz oder nutzbare Förderhöhe
H2 = max. Förderhöhe (Staudruckschnecke)
H3 = tatsächlich erforderliche hydraulische Förderhöhe
J = Gangzahl (hier: drei)
L = beschaufelte Länge
S = Steigung
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Zur Kraftübertragung werden sowohl elastische Kupplungen, als auch Kettentriebe eingesetzt. Bei Kettentrieben kann durch die Änderung der Übersetzung die Drehzahl neu eingestellt werden. Oft ist es jedoch wünschenswert, während des Betriebes Anpassungen bei der Schneckendrehzahl vornehmen zu können. In der Vergangenheit wurden dafür mechanische Regelgetriebe verwendet, inzwischen kommen zunehmend Frequenzumformer zum Einsatz.
Wichtig bei der Auslegung einer Schnecke ist der voraussichtliche Füllgrad über die Prozesslänge. Er wird maßgeblich durch die Steigung der Schnecke und die Gangtiefe beeinflusst. Mit größer werdender Steigung nimmt hierbei der Füllgrad immer weiter zu. Die Fördermenge richtet sich nach der Drehzahl, dem Innen- und Außen-Durchmesser,der Steigung, dem Befüllgrad und der Reibung des Mediums an der Schnecke.
Die heutigen Schneckenförderanlagen können bis 5 m Durchmesser und 25 m Länge erreichen, durch den Einsatz von Zwischenlagern aber auch Förderlängen bis zu 60 m realisiert werden. Die maximale Förderleistung ist 12 m³/sek, die maximale Förderhöhe etwa 14 m. Die Schneckenpumpe kann in Extrudern von Kunststoffspritzmaschinen auch _Überdruck erzeugen.
Die empfehlenswerten Fördergeschwindigkeiten sind, entsprechend den unterschiedlichen Schüttgütern, verschieden und liegen üblicherweise unter 0,6 m/s. Während eine zu hohe Geschwindigkeit, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß Richtlinie 94/9/EG (Atex) eventuell bedenklich ist, kann eine niedrige Geschwindigkeit ohne weiteres gewählt werden.
Anwendungen
Je nach Aufgabenstellung und Produkteigenschaften werden einwellige und zweiwellige Schneckensysteme gebaut, letztere vorwiegend zum kontinuierlichen Mischen und zerkleinern von Produktagglomeraten. Die Auswahl der Schüttgüter, welche mit Schneckensystemen gefördert werden können, ist außerordentlich groß. In der Praxis werden damit staubförmige, körnige, halbfeuchte und faserige Stoffe sicher und umweltfreundlich transportiert. Grobstückige sowie gegen Zerkleinerung empfindliche Fördergüter sind dagegen für die Förderung mit Schnecken kaum geeignet. Feste oder zähe Massen werden mit Extrudern in Bäckereibetrieben oder bei Kunststoffspritzmaschinen gefördert.
Die Förderleistungen bewegen sich zwischen wenigen cm³/h bis zu einigen hundert m³/h. Je nach Schüttgut und Aufgabestellung wird die geeignete Gewindebauform gewählt:
* Vollblattschnecke für staubförmige, feinkörnige und nicht backende Schüttgüter
* Bandschnecke für stückige und haftende Schüttgüter
* Paddelschnecke für backende Güter
Schneckenförderer können waagrecht, geneigt und senkrecht angeordnet werden; gekrümmte Förderwege lassen sich mit Spiralförderern realisieren. Durch ihre robuste Ausführung sind sie auch harten Beanspruchungen im Dauerbetrieb gewachsen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise und dem geringen Raumbedarf sind sie besonders gut für schwierige Einbauverhältnisse geeignet.
Image:IMG 1729 Gemaal met schroef van Archimedes bij Kinderdijk.JPG/'>Anlage zur Wasserförderung in den Niederlanden
Image:Flutter-Mühle-Moorsee.jpg|Flutter-Mühle oder Flutter in Ostfriesland zur Entwässerung
Bild:Schneckenkaskade.jpg|Schneckenkaskade in Südeuropa
Bild:Fleischwolf-zerlegt.jpg|Zerlegter Fleischwolf mit Förderschnecke
Die Archimedische Schraube wurde früher, und wird heute noch zur Extrudermaschinen, Zementproduktionsanlagen, Müllförderung in Recyclingcentern, und im Fleischwolf.
Eine Besonderheit stellten Laborextruder dar. Sie werden zwecks flexibler Umrüstung mit modularen aufgebauten Schnecken bestückt, welche aus einzelnen Elementen wie beispielsweise Knetelementen, Zahnmischelementen und Förderelementen bestehen können.
Siehe auch
• Schneckengetriebe
*Ebene]_
•_
Weblinks
*http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/a/archimedesschraube.htm
*http://www.gartenschau-plochingen.de/archimed.htm_Archimedische_Schraube_auf_dem_Gartenschaugelände_Plochingen_[[Image:ArchimedischeSchraube_BUGA_Plochingen.JPG/'>thumb|Archimedische_Schraube_auf_dem_Gartenschaugelände_Plochingen
*http://www.hydro-kosmos.de/anlage/archimed.htm Beschreibung mit diversen Animationen
