Ab wann gilt ein Schüttgut als staubförmig?

DIN EN 1991-4 bezeichnet ein Material als staubförmiges Schüttgut, wenn seine mittlere Partikelgröße kleiner als 0,05 mm ist. Für solche Schüttgüter ist Fluidisierung anzunehmen, wenn die Schüttgutoberfläche beim Befüllen schneller als 10 m/h ansteigt.

Muss das Silo für beide Fälle bemessen werden?

Ja. Homogenisierungssilos mit fluidisiertem Schüttgut und Silos mit großer Einfüllgeschwindigkeit sind nach 5.5.1(2)P für den fluidisierten und den nicht fluidisierten Zustand zu bemessen. Maßgebend ist jeweils der größere Wert.

Warum sind die Lasten im fluidisierten Zustand höher?

Im fluidisierten Zustand trägt die Wand über Reibung keinen Lastanteil ab. Die Horizontallast wächst mit 0,8 · γ linear wie in einer Flüssigkeit, während sie im nicht fluidisierten Zustand mit K · γ beginnt und einem Grenzwert zustrebt. Die fluidisierte Horizontallast ist deshalb über die ganze Höhe größer, der Unterschied wächst mit der Tiefe.

Wie lange braucht ein Schüttgut zum Entlüften?

Das hängt stark vom Schüttgut ab. Auf Anfrage messen wir die Entlüftungszeit in einem durchströmten Rohr mit porösem Boden: Die Probe wird mit Luft aufgelockert, anschließend wird die Zeit bis zum Absetzen bestimmt.

Welche Messungen werden benötigt?

Für die Lasten die Schüttgutwichte γ aus Schütt- und Kompressionsdichte, für den nicht fluidisierten Vergleichsfall alle Kennwerte nach DIN EN 1991-4. Die Siebanalyse zeigt den Feinanteil; Fließort und Wandreibung bewerten Brücken- und Schachtbildung und das Fließprofil, die beim Austrag zur Fluidisierung führen können.

Technologische Siloauslegung

Fluidisierung im Silo: Lasten und Austrag

Ein Schüttgut ist fluidisiert, wenn das Gewicht der Partikel ganz oder teilweise von Luft getragen wird. Es verhält sich dann ähnlich wie eine Flüssigkeit: Die Horizontallast auf die Silowand steigt mit der Tiefe stärker an, und beim Austrag kann das Schüttgut unkontrolliert ausfließen. Die häufigsten Ursachen sind das Befüllen, bei dem sich das Schüttgut mit Luft durchmischt, und einbrechende Schächte in Silos ohne Massenfluss.

Für Silos, in denen Fluidisierung nicht ausgeschlossen werden kann, berechnen wir die Horizontallasten nach DIN EN 1991-4 im fluidisierten und im nicht fluidisierten Zustand.

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Links: Frisch eingefülltes Schüttgut ist oben am stärksten belüftet und entlüftet nach unten. Rechts: Horizontallast auf die Silowand – nicht fluidisiert (die Wandreibung trägt mit) und fluidisiert nach DIN EN 1991-4 (wie eine Flüssigkeit, für die Bemessung über die ganze Höhe angesetzt). Die Fläche dazwischen ist die Mehrlast durch Fluidisierung; sie wächst mit der Tiefe.

DIN EN 1991-4

Wann Fluidisierung bei der Bemessung anzusetzen ist

Die Norm betrachtet staubförmige Schüttgüter mit einer mittleren Partikelgröße kleiner als 0,05 mm. Fluidisierung ist anzunehmen, wenn die Schüttgutoberfläche beim Befüllen schneller als 10 m/h ansteigt, und in Homogenisierungssilos im Umlaufbetrieb. Solche Silos sind für den fluidisierten und den nicht fluidisierten Zustand zu bemessen.

DIN EN 1991-4:2010-12

„In Silos zur Lagerung von staubförmigem Schüttgut […] sollte davon ausgegangen werden, dass das gespeicherte Schüttgut fluidisieren kann, falls die Geschwindigkeit der ansteigenden Schüttgutoberfläche 10 m/h übersteigt.“
Abschnitt 5.5.2 (1)

„Wenn immer Zweifel über ein mögliches Fluidisieren des Schüttgutes bestehen, wird das Hinzuziehen von entsprechend spezialisierten Gutachtern (z. B. aus der Schüttgutmechanik) empfohlen.“
Abschnitt 5.5.2, Anmerkung

Berechnung

Horizontallasten bei fluidisiertem Schüttgut

Fluidisierter Zustand

Die Horizontallast wird hydrostatisch mit der fluidisierten Wichte γ₁ berechnet – ohne Wandreibung und ohne Horizontallastverhältnis:

p_h = γ₁ · z (Gl. 5.99)

γ₁ = 0,8 · γ (Gl. 5.100)

Im Trichter gilt dieselbe Beziehung ohne Ansatz von Wandreibungslasten (6.5).

Vergleich mit dem nicht fluidisierten Zustand

Im nicht fluidisierten Zustand trägt die Wand über den Wandreibungskoeffizienten μ einen Teil der Last ab; die Horizontallast beginnt mit der Steigung K · γ und strebt mit der Tiefe einem Grenzwert zu. Die fluidisierte Last steigt dagegen mit 0,8 · γ linear weiter. Für die Horizontallast ist der fluidisierte Fall deshalb über die ganze Höhe maßgebend, der Unterschied wächst mit der Tiefe.

Der nicht fluidisierte Fall bleibt trotzdem erforderlich: Im fluidisierten Zustand wird keine Wandreibung angesetzt, die Wandreibungslasten ergeben sich nur aus dem nicht fluidisierten Zustand.

Das Berechnungstool stellt beide Fälle über die Tiefe gegenüber und weist den maßgebenden Wert aus. Für den nicht fluidisierten Fall werden die regulären Füll- und Entleerungslasten aus den gemessenen Kennwerten verwendet.

Ursachen

Hauptursachen: Befüllen und einbrechende Schächte

In der Praxis entsteht Fluidisierung vor allem an zwei Stellen: beim Befüllen, wenn sich das Schüttgut mit Luft durchmischt, und beim Einbrechen von Schächten in Silos, die nicht auf Massenfluss ausgelegt sind.

Befüllen

Pneumatische Befüllung und freier Fall bringen Luft in das Schüttgut
Feine Schüttgüter entlüften nur langsam
Je schneller befüllt wird, desto weniger Zeit bleibt zum Entlüften – die Norm setzt die Grenze bei 10 m/h Anstieg der Schüttgutoberfläche
Austrag kurz nach dem Befüllen mit noch belüftetem Material

Einbrechende Schächte

Im Kernfluss bleibt ein stabiler Schacht stehen
Beim Einbruch stürzt Schüttgut in den Kanal und nimmt dabei Luft auf
Ähnlich beim Einsturz einer Brücke und beim freien Fall im Fließkanal
Ursache ist eine Auslegung ohne Massenfluss

Folgen

Unkontrolliertes Ausfließen („Schießen“) durch Austraggerät und Absperrorgan
Schwankender, nicht dosierbarer Massenstrom
Staubentwicklung
Erhöhte Lasten auf Silowand und Austraggerät

Messungen

Messungen bei fluidisierbaren Schüttgütern

Messung	Kennwerte	Verwendung
Schütt- und Kompressionsdichte	Schüttdichte ρ_b0 nach EN ISO 60, Dichtefunktion ρ_b(σ)	Schüttgutwichte γ und fluidisierte Wichte γ₁
Siebanalyse	Partikelgrößenverteilung nach DIN 66165, Feinanteil < 63 µm	Anteil feiner Partikel
Fließort	alle Kennwerte nach DIN EN 1991-4, Fließfunktion	nicht fluidisierter Lastfall, Brücken- und Schachtbildung
Wandreibung	Wandreibungskoeffizient μ	nicht fluidisierter Lastfall, Massen- oder Kernfluss
Entlüftungsverhalten	Entlüftungszeit im durchströmten Rohr mit porösem Boden + auf Anfrage	Zeit, die frisch eingefülltes Schüttgut zum Entlüften braucht

Maßnahmen

Maßnahmen gegen Fluidisierung

BefüllungFüllgeschwindigkeit begrenzen, damit die Schüttgutoberfläche langsamer als 10 m/h ansteigt.
MassenflussAuslegung auf Massenfluss: keine Schächte, die einbrechen können, kein freier Fall im Fließkanal.
VerweilzeitFrisch eingefülltem Material Zeit zum Entlüften geben, bevor es ausgetragen wird; Entlüftung des Silos vorsehen.
AustragDosierendes Austraggerät oder Absperrorgan, das auch fluidisiertes Material zurückhält; Belüftung nur kontrolliert einsetzen.
BemessungSilo für den fluidisierten und den nicht fluidisierten Zustand bemessen, wenn Fluidisierung nicht auszuschließen ist.

Häufige Fragen

Häufige Fragen zur Fluidisierung

Ab wann gilt ein Schüttgut als staubförmig?: DIN EN 1991-4 bezeichnet ein Material als staubförmiges Schüttgut, wenn seine mittlere Partikelgröße kleiner als 0,05 mm ist. Für solche Schüttgüter ist Fluidisierung anzunehmen, wenn die Schüttgutoberfläche beim Befüllen schneller als 10 m/h ansteigt.
Muss das Silo für beide Fälle bemessen werden?: Ja. Homogenisierungssilos mit fluidisiertem Schüttgut und Silos mit großer Einfüllgeschwindigkeit sind nach 5.5.1(2)P für den fluidisierten und den nicht fluidisierten Zustand zu bemessen. Maßgebend ist jeweils der größere Wert.
Warum sind die Lasten im fluidisierten Zustand höher?: Im fluidisierten Zustand trägt die Wand über Reibung keinen Lastanteil ab. Die Horizontallast wächst mit 0,8 · γ linear wie in einer Flüssigkeit, während sie im nicht fluidisierten Zustand mit K · γ beginnt und einem Grenzwert zustrebt. Die fluidisierte Horizontallast ist deshalb über die ganze Höhe größer, der Unterschied wächst mit der Tiefe.
Wie lange braucht ein Schüttgut zum Entlüften?: Das hängt stark vom Schüttgut ab. Auf Anfrage messen wir die Entlüftungszeit in einem durchströmten Rohr mit porösem Boden: Die Probe wird mit Luft aufgelockert, anschließend wird die Zeit bis zum Absetzen bestimmt.
Welche Messungen werden benötigt?: Für die Lasten die Schüttgutwichte γ aus Schütt- und Kompressionsdichte, für den nicht fluidisierten Vergleichsfall alle Kennwerte nach DIN EN 1991-4. Die Siebanalyse zeigt den Feinanteil; Fließort und Wandreibung bewerten Brücken- und Schachtbildung und das Fließprofil, die beim Austrag zur Fluidisierung führen können.

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Schüttgutwichte und alle Kennwerte nach DIN EN 1991-4
Horizontallasten fluidisiert und nicht fluidisiert
Brücken- und Schachtbildung als Ursache beim Austrag

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