projekt energietechnik - th-nuernberg.de · • polymerbasis: (nbr) acrylnitril-butadien-kautschuk...
Post on 13-Dec-2018
220 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Projekt Energietechnik
Thema: Konzeption einer langlebigen Stülpmembran bezüglich Festigkeitsanforderungen, Belastungen, Aufbau und Herstellungsprozessen
Kurztitel: Stümemtion
Hochschule: Technische Hochschule Nürnberg
Fakultät: Maschinenbau und Versorgunstechnik
Bachelorstudiengang: Maschinenbau
Fachrichtung: Energietechnik
Wissenschaftlicher Betreuer: Dr. Prof. Matthias Popp
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de
Gliederung
Seite 2Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de
Projekt Energietechnik
Stand der Technik
Wahl der verwendeten Materialien
Stahlseilfördergurte
2-Komponenten-Kontaktklebstoff (2k-Klebstoff)
Berechnungen
Belastungen
Festigkeitsnachweis Förderband
Festigkeitsnachweis Klebstoff
Anzahl der benötigten Förderbänder
Auswahl der Hersteller
Stahlseilförderband
Klebstoff
Fazit
Materialauswahl
• Hohe Belastungen durch die Größe des Speichers Material mit hohen Festigkeitsanforderungen, bei gleichzeitig hoher Reißfestigkeit und hoher Dehnfähigkeit Infrage kommenden Materialien: Stahl-/metall-/glas und/oder kohlefaserverstärktem, biegeelastischem Gummi, bzw. Kunststoff
• Neuerfindung oder auf bereits bestehende Materialkombinationen zurückgreifen? Förderbänder
• Förderbänder bis max. 3,2 m Breite Fügetechnik
• Kleben verspricht hier das größte Potenzial Zweilagiges, versetztes Verkleben der Förderbänder
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 3
Projekt Energietechnik
Stand der Technik
Stand der Technik
Herstellungsprozess
• Vor Ort
• Parallele Ausrichtung der Membranbänder an Kolbenhülle
• Vorbehandlung der Bänder für den Klebstoff (beidseitig)
• Unter Druck werden die Bänder zusammengepresst mit Hilfe eines beweglichen Anpresssystems
• Umstülpung der Bänder, die sich oberhalb der Kolbenkante befindenMithilfe von Stahlbändern und einer Gewichtsspannvorrichtung
• Abschließend: Wasserdichte und dauerbetriebssichere Befestigung an Kolbenverkleidung
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 4
Projekt Energietechnik
Wahl der verwendeten MaterialienStahlseilfördergurte
Abbildung 1: Vereinfachter Aufbau eines Stahlseilförderband mit a: obereDeckplatte, b: Kautschukkante, c: Haftmischung, d: verzinkten Stahldrähte, e: untere Deckplatte, d: Stahlseildurchmesser, t: Seilteilung(entnommen aus: Fritz Röthemeyer, Franz Sommer, Kautschuk Technologie, 2013, S. 1155)
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 5
Projekt Energietechnik
• Allgemeines:• Festigkeiten zwischen 1000-7500 N/mm²• Ca. 2% Bruchdehnung im Betrieb (niedrige
Spannwege)• Lebensdauer bis zu 20 Jahren• Wiederverwendung der alten Stahlförderbänder
als Boden für Pferdeställe• Polymerbasis: (NBR) Acrylnitril-Butadien-
Kautschuk Gute Hitzebeständigkeit
• Stahlseile: 49-135 Einzeldrähte Wechselbiegebeanspruchung
Wahl der verwendeten MaterialienStahlseilfördergurte• Gurtkonstruktion:
• Gängigste Konstruktionen: 6x9, 7x19
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 6
Abbildung 4: 7x19 Stahlseilkonstruktion
Projekt Energietechnik
Wahl der verwendeten Materialien2-Komponenten-Kontaktklebstoff (2k-Klebstoff)
• Physikalisch-chemisch reagierenden Klebstoffe versprechen höchste Anforderungen an Festigkeit2K-Kontaktklebstoffe anstatt Vulkanisationsklebstoffen
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 7
Bewertungsmatrix KlebeverfahrenBewertungskriterien 2k-Kleben Vulkanisieren
Festigkeiten ++++++ ++++++
Betriebsfestigkeit ++++++ ++++++
Widerstand gegen Umgebungsbedingungen ++++ +++++
Fertigungszeit +++ ++++
Große Flächen +++++ +++
Wertigkeit bei Störung ++++++ ++++
Wertigkeit bei Reparatur ++++++ ++++
Umweltverträglichkeit +++++ +++++
Energieverbrauch ++++++ +++Tabelle 1: Relevanten Auswahlkriterien zur Beurteilung der optimalen Klebvariante
Legende: ++++++ = Note 1, +++++ = Note 2, ++++ = Note 3, +++ = Note 4, ++ = Note 5, + = Note 6
Projekt Energietechnik
BerechnungenBelastungen 1. Allgemeine Abmessungen:
• DZ = 130 m, DK = 126 m, Zh = 430 m, bS = 2 m.
• Auslegung des Speichers auf einen Stadtteil Forchheims mit ca. 15645 Einwohner und einer Versorgung mit Strom für ca. 10 Tage
2. Berechnung der vorliegenden Spannung in der Membran, sowie Dimensionierung
• 𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐹𝐹𝑎𝑎𝑎𝑎𝐴𝐴𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘
= 47155∗106𝑁𝑁13273𝑑𝑑𝑚
= 3552700,97 𝑁𝑁𝑑𝑑𝑚
= 3,55 𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑𝑚
= 3,55 𝑁𝑁𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚
= 35,50 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
• 𝐹𝐹𝑙𝑙𝑙𝑙 = 𝑃𝑃𝑑𝑑𝑑𝑑 ∗ 𝑏𝑏𝑠𝑠2
= 3,55 𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑2 ∗
2𝑑𝑑2
= 3,55 𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 8
Projekt Energietechnik
BerechnungenBelastungen
3. Berechnung der vorliegenden Spannung in der Membran, sowie Dimensionierung
• Festlegung der zulässigen Spannung in der Membran
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑧𝑧𝑙𝑙𝑀𝑀 = 10 𝑁𝑁𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚
ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝐹𝐹𝑙𝑙𝑙𝑙𝜎𝜎𝑙𝑙𝑧𝑧𝑙𝑙𝑧𝑧
=3,55∗1000 𝑁𝑁
𝑚𝑚𝑚𝑚
10 𝑁𝑁𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
= 355 𝑚𝑚𝑚𝑚
• ℎ𝑀𝑀 = ℎ𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 + 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = 32 𝑚𝑚𝑚𝑚 + 3,0𝑚𝑚𝑚𝑚 = 358 𝑚𝑚𝑚𝑚
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 9
Projekt Energietechnik
BerechnungenFestigkeitsnachweis Förderband
4. Berechnung der Mindestbruchkraft (Fbmin) und Festigkeitsnachweis
• 𝐹𝐹𝑏𝑏𝑑𝑑𝑏𝑏𝑏𝑏 = 𝑒𝑒∗𝑅𝑅𝑚𝑚∗𝑘𝑘∗𝑑𝑑2∗𝜋𝜋4
=0,5322∗1770 𝑁𝑁
𝑚𝑚𝑚𝑚2∗0,84∗(10𝑑𝑑𝑑𝑑)2∗𝜋𝜋
4= 62147𝑁𝑁
𝑓𝑓 ≈ 0,5322 Annahme
𝑘𝑘 ≈ 0,84 Annahme
• 𝐹𝐹𝑏𝑏𝑏𝑏𝑒𝑒𝑏𝑏 = 𝐹𝐹𝑏𝑏𝑑𝑑𝑏𝑏𝑏𝑏 ∗ 𝑛𝑛𝑏𝑏 = 62147𝑁𝑁 ∗ 150 = 9,32𝑀𝑀𝑁𝑁
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 10
Projekt Energietechnik
BerechnungenFestigkeitsnachweis Förderband 4. Berechnung der Mindestbruchkraft (Fbmin)
und Festigkeitsnachweis
• 𝜎𝜎𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝐹𝐹𝑎𝑎𝑏𝑏𝑏𝑏𝑠𝑠𝐴𝐴𝑘𝑘𝑠𝑠
= 9,32𝑀𝑀𝑁𝑁5𝑑𝑑𝑚
= 1,86𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑𝑚
= 1,86 𝑁𝑁𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚
• 𝐹𝐹𝐿𝐿𝐿𝐿𝐹𝐹 = 2 ∗ 𝜎𝜎𝐹𝐹𝐹𝐹 ∗𝑏𝑏𝑠𝑠2
= 2 ∗ 1,86𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑2 ∗
2𝑑𝑑2
= 3,72𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑
• Stahlseilförderbänder mit den gegeben Abmessungen halten der Belastung stand
• Um einen höheren Sicherheitsfaktor zu erlangen kann die Anzahl der Stahlseile, sowie der Durchmesser der Stahlseile variiert werden. Ebenso gibt es auf dem Markt Modelle mit Stahlseilen, welche eine Festigkeit von bis zu 3000 𝑁𝑁
𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚aufweisen.
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 11
Projekt Energietechnik
Abbildung 3: Veranschaulichung der Druckkraft auf die Membran
BerechnungenFestigkeitsnachweis Klebstoff
5. Berechnung der Klebstofffestigkeit
• Hauptbeanspruchung: Zugscherbeanspruchung
•τ𝐾𝐾𝐾𝐾𝑆𝑆≥ 𝜏𝜏𝐾𝐾 = 𝐹𝐹𝑙𝑙
𝐴𝐴𝐾𝐾= 8,88𝑀𝑀𝑁𝑁
5𝑑𝑑𝑚= 1,78 𝑀𝑀𝑁𝑁
𝑑𝑑2 = 1,78 𝑁𝑁𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚
mit 𝐹𝐹𝑙𝑙 = 𝐹𝐹𝑙𝑙𝑙𝑙 ∗ 𝑏𝑏𝐹𝐹 = 3,55𝑀𝑀𝑁𝑁𝑑𝑑∗ 2,5𝑚𝑚 = 8,88 𝑀𝑀𝑁𝑁
𝐴𝐴𝐾𝐾 = 𝑏𝑏𝐹𝐹 ∗ 𝑏𝑏𝑆𝑆 = 2,5𝑚𝑚 ∗ 2𝑚𝑚 = 5 𝑚𝑚𝑚
• τ𝑘𝑘𝑏𝑏 ≥ 2 ∗ 1,78 𝑁𝑁𝑑𝑑𝑑𝑑2 = 3,56 𝑁𝑁
𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚
• Somit muss der Kleber aufgrund der gewählten Sicherheit von 2 eine größere Zugspannung als 3,56 𝑁𝑁
𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚aushalten.
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 12
Projekt Energietechnik
BerechnungenAnzahl der benötigten Förderbänder
6. Berechnung der Förderbandanzahl
• Diese erfolgt über eine Gegenüberstellung der entfalteten Förderbänder und eines einzelnen Bandes.
• 𝐴𝐴𝑒𝑒𝑏𝑏𝑏𝑏𝑙𝑙𝑒𝑒𝑙𝑙 = 𝑏𝑏𝑒𝑒𝑏𝑏𝑏𝑏𝑙𝑙𝑒𝑒𝑙𝑙 ∗ 𝑙𝑙𝑀𝑀 = 2,5 𝑚𝑚 ∗ 118,6 𝑚𝑚 = 296,5𝑚𝑚𝑚
• 𝐴𝐴𝑀𝑀 = 34520,7 𝑚𝑚𝑚
• 𝑛𝑛𝐹𝐹𝐹𝐹 = 2 ∗ 𝐴𝐴𝑧𝑧𝐴𝐴𝑏𝑏𝑒𝑒𝑒𝑒𝑙𝑙𝑏𝑏𝑙𝑙
= 34520,7𝑑𝑑2
296,5𝑑𝑑2 ∗ 2 = 232,85 ≈ 233
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 13
Projekt Energietechnik
Auswahl der HerstellerStahlseilförderband
• Infrage kommen alle Hersteller, da diese einer weit aus höheren Belastung stand halten können Aufgrund der zweilagigen Anordnung können günstigere Varianten in Betracht gezogen werden
• Datenblätter sind teilweise unvollständig, daher Anfrage direkt bei Unternehmen
germanBelt®
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 14
Stahlseilfördergurthersteller: germanBelt®Continental Stahlcord® Ambelt®
Typ ST 6300 ST 7100 V St 5400
Mindestbruchkraft [N/mm] 6300 7100 5400
Preis [€/Stk]
Seildurchmesser [mm] 12,8 13,1 11,3
Seilteilung [mm] 20 19 17
Deckplattendicke [mm] 8,5 10 8
Bandbreite [mm] 2400 1200 3200
Stahlseilanzhal 116 184
Seilkonstruktion 7x7, 7x19
Tabelle 2: Vergleich verschiedener Förderbandunternehmen hinsichtlich der wichtigsten Merkmale
Projekt Energietechnik
Auswahl der HerstellerKlebstoff
• Sämtliche Anbieter halten den anfallenden Belastungen stand
BESTklebstoffe®BEST-MA 1044
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 15
Klebstoffhersteller: REMA TIP TOP® REMA TIP TOP® BESTklebstoffe® BESTklebstoffe®Typ CEMENT MC 2000 CEMENT SC 4000 BEST-MA 1044 Quickmix 1104Festigkeiten [N/mm²] 14 17 25 7Topfzeit [h] 2 2 0,03 0,3Belastbar ab [h] 12 ca. 1 24 48spez. Gewicht[g/cm³] 1,6 0,96 Mischung: 0,99 Mischung: 1,15Polymerbasis CR CR Methacrylatesters EpoxidharzViskosität [mPas] 58000 48500 58000 44500Härte 78 Shore DPreis [€/kg] 68,55 75,00
EigenschaftenHohe dyn.
BelastbarkeitHohe dyn.
Belastbarkeit Hochfeste Verbindung Hohe dyn. BelastbarkeitHochfeste
VerbindungHochfeste
Verbindung hoher Viskosität Hochleistungsklebstoffgute Beständigkeit
gegen Wassergute Beständigkeit
gegen Wassergute Beständigkeit
gegen Wassergute Beständigkeit
gegen Wasserexzellente
Haftfestigkeitenexzellente
Haftfestigkeiten schlagzäh
Tabelle 3: Vergleich verschiedener Klebstoffhersteller hinsichtlich der wichtigsten Merkmale
Projekt Energietechnik
Fazit
• Aufgrund der Wirtschaftlichkeit ist es besser auf bereits bestehende Materialien zurückzugreifen Stahlseilfördergurte mit hoher Lebensdauer von bis zu 20 JahrenGurtkonstruktion: 7 x 19 Hersteller: germanBelt® ST6300, Anzahl: 122
Rest können nur Kautschukförderbänder sein
• Die Sparte des Klebens verspricht die besten Voraussetzungen in der Fügetechnik 2K-Kontaktklebstoff der Firma BESTklebstoffe® BEST-MA-1044
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohmwww.th-nuernberg.de Seite 16
Projekt Energietechnik
top related