Schachtbildung im Silo: Schachtdurchmesser und Füllhöhe
Bei Kernfluss fließt nur ein Kanal über dem Auslauf, das Schüttgut an den Wänden bleibt in Ruhe. Ist dieses ruhende Schüttgut fest genug, läuft der Kanal leer und bleibt als stabiler Schacht stehen – der Austrag stoppt, obwohl das Silo noch gefüllt ist.
Aus der gemessenen Fließfunktion berechnen wir den möglichen Schachtdurchmesser und die maximale Füllhöhe, bis zu der sich kein stabiler Schacht bildet.
Entstehung eines stabilen Schachts
Voraussetzung ist Kernfluss: Trichterneigung und Wandreibung liegen außerhalb des Massenfluss-Kriteriums. Das ruhende Schüttgut wird durch die Last darüber verfestigt – je größer die Füllhöhe, desto höher die Verfestigungsspannung und desto fester das Schüttgut. Kann es die Spannungen am Rand des Fließkanals tragen, bleibt der Kanal nach dem Leerlaufen offen.
Begünstigende Faktoren
- Kernfluss durch flache Trichter oder hohe Wandreibung
- Kohäsives Schüttgut mit hoher Druckfestigkeit, geringe Fließfähigkeit ffc
- Große Füllhöhe im Verhältnis zum Schaftdurchmesser
- Kleiner aktiver Austragsquerschnitt
- Zeitverfestigung des ruhenden Schüttguts bei langer Lagerung
Folgen im Betrieb
- Austrag stoppt, ein großer Teil des Inhalts bleibt im Silo
- Nutzbares Silovolumen deutlich kleiner als geplant
- Lange Verweilzeiten, Alterung und Anbackungen im ruhenden Schüttgut
- Beim Einsturz der Schachtwände Stoßlasten und unkontrolliert ausfließendes, belüftetes Schüttgut
Berechnung von Schachtdurchmesser und maximaler Füllhöhe
Möglicher Schachtdurchmesser
Der mögliche Schachtdurchmesser bS,min ist die Breite, die ein Kanal im ruhenden Schüttgut gerade noch stabil haben kann. Er folgt aus der Druckfestigkeit σc bei der Verfestigungsspannung im ruhenden Bereich, dem Winkel der inneren Reibung φi und der Schüttgutdichte ρb:
bS,min = G(φi) · σc(σ1) / (ρb · g)
Ist der Schaftdurchmesser dc mindestens so groß wie bS,min, kann sich kein stabiler Schacht halten.
Verfahren und Füllhöhe
Die Verfestigungsspannung im ruhenden Schüttgut wächst mit der Füllhöhe und strebt wie der Silodruck einem Grenzwert zu. Daraus ergibt sich die maximale Füllhöhe hmax, bis zu der bS,min kleiner als dc bleibt.
Im Berechnungstool wird bS,min nach mehreren Verfahren ausgewertet – über die Vertikaldruckberechnung mit der maximalen Verfestigungsspannung, über die Anisotropie mit der Horizontalspannung sowie nach Arnold, McLean, Roberts & Enstad. Zusätzlich wird der Mindestschaftdurchmesser Dmin gegen einen Schüttgutpfropfen infolge lokaler Wandimperfektionen berechnet.
Messungen zur Bewertung der Schachtbildung
Die Fließfunktion wird bis zu den Verfestigungsspannungen gemessen, die im ruhenden Schüttgut Ihres Silos auftreten.
| Messung | Kennwerte | Verwendung |
|---|---|---|
| Fließort | Fließfunktion σc(σ1), Winkel der inneren Reibung φi, effektiver Reibungswinkel φe, Horizontallastverhältnis K | möglicher Schachtdurchmesser bS,min, Spannungen im Schaft |
| Kompressionsdichte | Dichtefunktion ρb(σ) | Schüttgutdichte im ruhenden Bereich |
| Wandreibung | Wandreibungskoeffizient μ, Wandreibungswinkel φw | Massen- oder Kernfluss, Spannungen im Schaft |
| Zeitverfestigung | Zeitfließfunktion σc,t(σ1) (optional) | Schachtbildung nach Lagerzeit in Ruhe |
Maßnahmen gegen Schachtbildung
Die wirksamste Maßnahme ist Massenfluss – ohne ruhende Zone kein Schacht. Wo ein Umbau nicht möglich ist, helfen Füllhöhe, Austrag und Betrieb.
- MassenflussSteilerer Trichter oder Wandmaterial mit geringerer Wandreibung, sodass das gesamte Schüttgut fließt.
- FüllhöheFüllhöhe auf hmax begrenzen bzw. Schaftdurchmesser so wählen, dass dc ≥ bS,min.
- AustragAustraggerät, das einen großen Teil des Querschnitts aktiviert, statt nur einen zentralen Kanal abzuziehen.
- SchüttgutAnpassung von Feuchte, Korngröße oder Fließhilfsmitteln – die Wirkung lässt sich durch vergleichende Messungen belegen.
- BetriebLagerzeit in Ruhe begrenzen, wenn das Schüttgut zur Zeitverfestigung neigt.
Häufige Fragen zur Schachtbildung
- Wann tritt Schachtbildung auf?
- Nur bei Kernfluss. Dort bleibt das Schüttgut an den Wänden in Ruhe und verfestigt sich unter der Last darüber. Im Massenfluss ist das gesamte Schüttgut in Bewegung, eine ruhende Zone und damit ein stabiler Schacht können sich nicht bilden.
- Was unterscheidet Schachtbildung von Brückenbildung?
- Eine Brücke ist ein Gewölbe über dem Trichterauslauf, ein Schacht ein senkrechter, leer gelaufener Kanal im ruhenden Schüttgut des Schafts. Beide werden aus der Fließfunktion berechnet, sind aber getrennte Kriterien: ein ausreichender Auslauf gegen Brücken verhindert keinen Schacht.
- Was bedeutet die maximale Füllhöhe?
- Mit der Füllhöhe steigt die Verfestigungsspannung im ruhenden Schüttgut und damit seine Druckfestigkeit. Bis zur maximalen Füllhöhe bleibt der mögliche Schachtdurchmesser kleiner als der Schaftdurchmesser dc, sodass sich kein stabiler Schacht halten kann.
- Welche Messungen werden benötigt?
- Fließorte bei mindestens drei Konsolidierungsspannungen für Fließfunktion, Winkel der inneren Reibung φi und effektiven Reibungswinkel φe, die Kompressionsdichte, das Horizontallastverhältnis K für die Spannungen im Schaft und die Wandreibung für das Kriterium Massen- oder Kernfluss. Für längere Lagerzeiten kommt die Zeitverfestigung hinzu.
Schachtbildung vor dem Bau ausschließen
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