Projekt Energietechnik - th-nuernberg.de · • Polymerbasis: (NBR) Acrylnitril-Butadien-Kautschuk Gute Hitzebeständigkeit ... Auslegung des Speichers auf einen Stadtteil Forchheims

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


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

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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



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)



• 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


Abbildung 4: 7x19 Stahlseilkonstruktion


Wahl der verwendeten Materialien2-Komponenten-Kontaktklebstoff (2k-Klebstoff)

• Physikalisch-chemisch reagierenden Klebstoffe versprechen höchste Anforderungen an Festigkeit2K-Kontaktklebstoffe anstatt Vulkanisationsklebstoffen


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


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



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



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



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.



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.



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



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®


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


Auswahl der HerstellerKlebstoff

• Sämtliche Anbieter halten den anfallenden Belastungen stand

BESTklebstoffe®BEST-MA 1044


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 Wasserexzellente

Haftfestigkeitenexzellente

Haftfestigkeiten schlagzäh

Tabelle 3: Vergleich verschiedener Klebstoffhersteller hinsichtlich der wichtigsten Merkmale


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



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