![]() Fenomenen in silo'sFenomenen in silo's, bulkgoedeigenschappen, metingen, ontwerpen, praktijkcases
Ons eerste document beschreef het vakgebied van de bulktechnologie, met daarin een definitie van stortgoed, ofwel bulk solids,
een beschrijving van eigenschappen, meetmethoden, en de basis van het silo-ontwerp. I N H O U D
Drukopbouw in de silo
Productbeschadiging door normaal-, schuif- en impactkrachten
Productbreuk; Berekening silodruk; Mogelijkheden tot drukverlaging, wandwrijving, slankheid silo, Alternatieve mogelijkheden Tussenwanden voor drukverlaging in siloBeperken van de druk in een opslagsilo vanwege breuk van veevoederkorrels
Breuk van veevoederpellets; Vaststellen maximale druk; Mogelijke oplossingen; Het inbouwen van tussenwanden, aandachtspunten Drukverlaging met behulp van tussenconussenVermijden van schokken in silo's met melkpoeder
Problematische verlading door schokkende silo's; Stick-slip gedrag melkpoeders; Ontwerp van tussenconussen; Tussenconussen in de praktijk; Voorspelbaarheid van de drukverlaging Drukopbouw in de siloProductbeschadiging door normaal-, schuif- en impactkrachten
Toenemende capaciteiten of kortere doorlooptijden vereisen soms grotere grondstofvoorraden.
Voor bedrijven die hun grondstoffen in silo's opslaan betekent dit een investering in hogere of bredere silo's.
In sommige gevallen leidt dit echter tot problemen. In een grotere silo ondervindt het bulkgoed namelijk een grotere druk.
Hierdoor veranderen de eigenschappen, en meestal niet ten goede. Productbeschadiging
In een productieproces waarin deeltjes worden gemaakt, bijvoorbeeld veevoederbrokjes, is het
niet te vermijden dat een deel van deze producten al weer tijdens het vervolg van
het proces kapot gaat. Behalve dat dit tot productieverlies en waardevermindering van
het product leidt, kan het ook de processen zelf nadelig beïnvloeden.
ProductbreukBij de opslag in een silo ondergaat het product erin normaalkrachten en schuifkrachten, en eventueel impactkrachten bij het vullen van de silo. De normaal- en impactkrachten kunnen tot breuk of fragmentatie van de deeltjes leiden. De schuifkrachten veroorzaken meer een beschadiging van het oppervlak door het ontstaan van scheurtjes of het uitbreken van kleine stukjes. Gevolgen kunnen zijn:
De beschadigingen die kunnen optreden door impact tijdens het vullen van de silo blijven hier verder buiten beschouwing. Valhoogtes beperken via het aanbrengen van geschikte valbrekers in de silo, vermindert die problemen. Schokkende silo
Het schokken van een silo kan verschillende oorzaken hebben. Een bekende is het optreden van slip/stick.
Als gevolg van een variërende wandwrijving kunnen tijdelijke bruggen ontstaan, die bij het instorten zware schokken kunnen veroorzaken.
Een andere oorzaak voor schokken is het verstevigings- of ontluchtingsgedrag van het product in combinatie met de silogeometrie.
Ook de omslag van massa- naar kernstroming in de silo, onregelmatige uitstroom door bijvoorbeeld een asymmetrische opening
of een slecht functionerend uitdraagmechanisme kan schokken doen ontstaan. Berekening silodruk![]()
De druk die optreedt in silo’s beschrijven we met de Janssen-formules. Hoewel deze methode niet exact de werkelijk optredende druk zal weergeven, vormt
de uitkomst wel een goede indicatie van het drukverloop en van de factoren die de druk bepalen.
Voor het vergelijken van drukniveaus is dat geen bezwaar omdat de drukken steeds met dezelfde relatieve onnauwkeurigheid worden berekend.
Uit de verticale druk kan de horizontale druk (sigmaH) worden berekend door vermenigvuldiging met de drukverhouding (lambda of K). De horizontale druk is in de cilinder hetzelfde is als de wanddruk, de druk loodrecht op de wand (sigmaH = sigmaW = K * sigmaZ). De schuifspanning aan de wand is de wanddruk vermenigvuldigd met de wandwrijvingscoëfficiënt (tau_W = sigmaW * mu_W). Invloeden op silodruk
Het drukverloop is dus afhankelijk van de wandwrijving, maar ook van de verhouding tussen oppervlakte en omtrek van de silo.
Men kan hieruit afleiden dat een hoge druk kan ontstaan in relatief hoge of brede silo's en in silo's met een lage wandwrijving.
Dit laatste kan zijn oorzaak vinden in het afzetten van vet op wand, dat komt nogal eens voor bij silo's met veevoeders, bijvoorbeeld sojaschroot.
De norm Deel 6 van de DIN 1055 wijst op dit fenomeen. Mogelijkheden tot drukverlagingVan de factoren die volgens de Janssenformules de druk bepalen, zijn de bulkdichtheid en de drukverhouding niet of nauwelijks te wijzigen. Verlaging van de vulhoogte is triviaal, deze laten we buiten beschouwing. Blijven over de wandwrijving en de verhouding oppervlak/omtrek.
In de gevallen waar hoge drukken ongewenste gevolgen hebben, zal men streven naar een drukverlaging.
In de praktijk worden diverse methoden gebruikt, die bijna allemaal de wand(wrijving) beinvloeden.
Opties voor drukverlaging in silo'sEen aantal mogelijkheden voor drukverlaging zijn:
1) Plaatsen van ringenHet plaatsen van ringen in het vertikale deel van de silo is constructief eenvoudig. De juiste dimensionering is echter moeilijk. Een te forse ring kan (plaatselijk) aanleiding geven tot kernstroming, omdat product op de ringen blijft staan. Bij bederfelijk product is dit een probleem. 2) Aanbrengen van stroken gaasEen verwante methode is het aanbrengen van stroken gaas in de cilinder. Deze stroken worden meestal aan de onderrand bevestigd. Hierbij gelden dezelfde nadelen als bij de ringen. Een bijkomend nadeel is de constructie zelf. Door de hoge belastingen kan het gaas zelf scheuren, of in zijn geheel van de wand worden getrokken. 3) Plaatsen van tussenwanden
De formule van Janssen is een functie van de verhouding oppervlak en omtrek van de cilinder. Verlaging van deze verhouding zal,
net als verhoging van de wandwrijving, leiden tot een verlaging van de silodruk.
De verhouding oppervlak en omtrek in een silo is in feite niets anders dan het opslagvolume van de cilinder
ten opzichte van de hoeveelheid silowand waarmee het stortgoed in aanraking komt.
![]()
Bij bestaande silo's is het een mogelijkheid om het wandoppervlak te vergroten door het inbouwen van één of meerdere tussenwanden.
Dit verkleint de diameter en vergroot het wandoppervlak. Het effect van deze maatregel is goed te berekenen.
Het aanbrengen van tussenwanden heeft als bijkomend voordeel dat er verschillende soorten producten kunnen worden opgeslagen.
Nadelen liggen vooral op het constructieve vlak. De wand moet solide worden uitgevoerd en de silo moet vaak worden verstevigd op de bevestigingspunten.
Dit leidt tot dure constructies. Een nadeel met betrekking tot de stroming is dat de opening excentrisch komt te liggen.
Zie de situatie met veevoederpellets voor een uitwerking van tussenwanden in de praktijk. 4) De wandwrijving verhogen
Verhoging van de wandwrijvingscoëfficiënt leidt tot een forse en nagenoeg lineaire verlaging van de silodruk onderin de cilinder.
Bovenin de silo is de invloed kleiner omdat de druk nu wat sneller wordt opgebouwd. Een voorbeeld van deze drukverlaging is gegeven
in de figuur, waar de opbouw van de druk is weergegeven voor een vulniveau tot 10 meter, voor een silo met diameter van drie meter,
een bulkdichtheid van 1000 kg/m3 en een drukverhouding van K=0.4.
Het komt er in het gegeven voorbeeld op neer dat bij de ruwere wand pas bij circa tien meter vulhoogte dezelfde druk wordt bereikt
als bij de gladde wand na circa vier meter. Ook de waarde van de wanddruk neemt in dezelfde verhouding af.
De mogelijkheid om de silodruk te verlagen door toename van de wandwrijving, is in de praktijk helaas tamelijk beperkt.
Veelal vereist dat een of andere coating of bekleding die de vereiste wrijvingsverhoging oplevert, geschikt is voor
het betreffende product én nog voldoende slijtvast is bovendien.
![]() 5) Inbouwen van insertsInserts zijn stromingsobstructies. Ze kunnen worden gevormd door schuine platen, kegels, trechtertjes, kettingen, horizontale staven, etc. Vanuit de praktijk is bekend dat ze een grote drukafname veroorzaken. Het grootste voordeel van inserts is dat ze vaak relatief klein kunnen zijn. Hier ligt echter ook het grootste nadeel: het is niet te voorspellen hoe groot de drukafname en daarmee de belasting op de insert zal zijn. Ook de invloed op het stromingspatroon is slecht voorspelbaar. Er kunnen stromingsproblemen ontstaan, of kan het product op hoogte blijven hangen (hang-ups). Het weer op gang brengen van vastgelopen stroming kan dan, juist door de ingebouwde constructies, erg lastig zijn. Het inbouwen van één of meer zogenaamde tussenconussen in de cilinder is dan een beter alternatief. ![]() 6) Gebruik van tussenconussen
Bij tussenconussen treedt hetzelfde effect op als bij de eigenlijke conus of trechter van de silo.
De druk in het stortgoed neemt af, terwijl de belasting op de wand toeneemt.
De drukafname en de constructieve belasting zijn goed voorspelbaar. Zie de figuur, waarin het drukprofiel in een cilinder met een tussenconus is weergegeven.
Omdat de drukafname bovenin de trechter het grootst is hebben tussenconussen van beperkte hoogte al een aanzienlijke drukverlaging tot gevolg.
In de praktijk blijkt dat een tussenconus die slechts 3% van de diameter van de cilinder van de wand steekt, de druk al ongeveer tot de helft terug kan brengen.
Zie de volgende hoofdstukken voor enkele praktijkcases met betrekking tot drukverlaging. Tussenwanden voor drukverlaging in siloBeperken van de druk in een opslagsilo vanwege breuk van veevoederkorrelsIn de bovenstaande bijdrage bespraken we enkele theoretische mogelijkheden om drukken in opslagsilo’s te verlagen. Dit om schade aan het opslagproduct, bijvoorbeeld het breken van korrels, of het samenplakken van een poeder te beperken. In dit artikel komt twee praktijkvoorbeelden aan bod. Veevoederpellets in grote silo'sIn een veevoederbedrijf worden veevoederpellets geproduceerd, Die worden vervolgens gedroogd en opgeslagen voor ze in bulk of afgezakt naar de klant worden vervoerd. De opslag vond in het verleden plaats in relatief kleine opslagsilo’s. Door uitbreiding van de productie worden er nu grotere silo’s gebruikt. Dit had als een nadeel dat er een aanzienlijk grotere beschadiging van de pellets optrad. Omdat het type stroming in de grote en de kleine silo’s gelijk was, in beide gevallen massastroming, werd geconcludeerd dat de oorzaak van de toegenomen beschadiging lag aan de hogere druk silo’s. De vraag is dan natuurlijk: is daar wat aan te doen? Uitgangssituatie en mogelijke oplossingenDe eerder gebruikte kleine silocellen waren rechthoekig, met een doorsnede van 1.5 x 1 m, en een hoogte van 8 m. De uitstroomtrechter was voldoende steil voor massastroming.
De pellets hadden met de volgende eigenschappen: wandwrijving tenopzichte van de cilinderwand (mu_w) = 0.48; stortgewicht (gamma) = 8 kN/m3.
![]() De nieuwe silocellen waren eveneens rechthoekig, maar nu met een doorsnede van 2.0 x 2.8 m, en een hoogte van 10 m. Ook in deze silo's trad massastroming op. De in deze cellen optredende verticale druk bij volledig gevulde silo bedroegt: sigma_z = 23.4 kN/m2, dus bijna tweemaal zo hoog als eerst. Omdat er teveel korrels braken, moest de druk dus worden verlaagd. De hoge druk bleek voornamelijk te worden veroorzaakt door de grotere doorsnede. Bij een vulhoogte van 2.3 m was de druk namelijk al hoger dan bij een vulhoogte van 8 m in de oude silo. Minder hoog vullen van de silo daarmee geen optie, en sowieso onwenselijk vanwege het grote ongebruikte volume. Het inbouwen van tussenwandenIn eerste instantie is gekeken of door het inbouwen van tussenwanden de druk voldoende kon worden verlaagd, en hoe hoog deze wanden zouden moeten worden. De eerste situatie die onderzocht werd is de inbouw van één wand, die de cel in twee gelijke delen verdeelt (zie figuur, optie B). Dit levert al een behoorlijke reductie van de drukken in de silo, omdat de grootte van druk overeenkomt met de verhouding van oppervlak gedeeld door omtrek. Toch bleek voor de huidige cel de drukafname niet voldoende. ![]()
Daarom is de inbouw van twee onderling loodrechte tussenwanden onderzocht. In het geval dat deze wand even hoog gemaakt zou worden als de silo,
zou de druk ruim onder de toelaatbare druk komen te liggen (zie figuur, drukverloop A). Dit betekent dat de tussenwanden minder hoog hoeven te zijn als de silo.
Met een aangepaste versie van de Janssen-formule kan worden berekend hoe hoog de wand zou moeten zijn om onderaan de silo precies op de gewenste druk uit te komen.
In dit specifieke geval bleken tussenwanden met een hoogte van 8 m voldoende. Aandachtspunten bij tussenwandenOver de toepassing van tussenwanden voor verlaging van de silodrukken zijn nog de volgende opmerkingen van belang:
Het inbouwen van tussenconussen
De silodrukken nemen in het verticale deel van boven naar onder steeds verder toe.
In de trechter nemen de drukken weer af; de trechterwanden dragen erg veel van het totale gewicht.
Vooral het bovenste deel van de trechter neemt veel druk op.
Dit effect kan gebruikt worden door één of meer trechters met beperkte hoogte in te bouwen op verschillende hoogte in de cilinder.
Praktische verificatieOm te controleren of de gekozen methode voor het verlagen van de druk ook werkelijk in de praktijk tot een kleinere productbeschadiging zou leiden, zijn wat tests uitgevoerd. In een van de nieuwe cellen zijn twee onderling loodrechte tussenwanden met een hoogte van 7.5 m aangebracht. Deze aangepaste cel en de ernaast gelegen ongewijzigde cel zijn vervolgens om en om met lagen pellets gevuld. Zodanig dat in beide cellen een vergelijkbaar product was opgeslagen. Tijdens het vullen zijn uit de vulstroom een aantal monsters genomen. Na het vullen zijn beide silocellen geleegd waarbij op vaste tijdstippen monsters uit de productstroom zijn getrokken. Van al deze monsters is door tellen en meten de gemiddelde lengte van de pellets bepaald als vergelijkingsmaatstaf
voor het optreden van de mate van productbeschadiging.
De gemiddelde lengte van het materiaal vóór de silo was 16.8 mm.
Na opslag in de silocel zonder tussenwanden was deze lengte teruggelopen tot circa 12.5 mm.
Bij de cel met tussenwanden was de lengte verminderd tot ca 14.4 mm.
Hoewel er dus, zoals ook verwacht, nog steeds beschadiging van het product optreedt,
is door het inbouwen van de tussenwanden wel een aanzienlijke verbetering opgetreden.
Drukverlaging met behulp van tussenconussenVermijden van schokken in silo's met melkpoederProblematische verlading
Bij een bedrijf waar melkpoeder wordt verladen in bulkwagens, had men de gereedproductsilo's verhoogd voor een grotere inhoud.
Probleem na deze ingreep was echter dat de silo's nu zodanig schokten bij het leegstromen, dat de weging werd verstoord.
Soms traden nl. dermate grote schokken op dat de silo tonnen lichter leek te zijn. De verlading werd dan door de software stilgelegd, alsof het doelgewicht bereikt was.
Opnieuw opstarten kostte veel tijd. Om de gewenste hoeveelheid in de bulkauto te krijgen, moest "erg voorzichtig" verladen worden, hetgeen ook veel extra tijd kostte.
Schokkende silo's
Na een literatuuronderzoek bleek dat het schokken van een silo verschillende oorzaken kan hebben.
Een bekende is het optreden van slip/stick (zie kader). Ook als gevolg van een variërende wandwrijving kunnen tijdelijke bruggen ontstaan,
die bij het instorten zware schokken kunnen veroorzaken.
Een andere oorzaak voor schokken is het verstevigings- of ontluchtingsgedrag van het product in combinatie met de silogeometrie.
Ook de omslag van massa- naar kernstroming in de silo, onregelmatige uitstroom door bijvoorbeeld een asymmetrische opening
of een slecht functionerend uitdraagmechanisme kan schokken doen ontstaan.
Stick-slip gedrag
Van melkpoeders en weipoeders is bekend dat ze stick-slip-gedrag vertonen.
Men spreekt van stick-slip wanneer een product een duidelijk verschillende statische en dynamische wandwrijving heeft.
Bij het meten van de wandwrijving van melkpoeder komt dit duidelijk naar voren.
Wanneer het monster stil staat is de wandwrijving hoog (stick).
Komt het eenmaal in beweging, dan wordt de wrijving lager zodat het monster snel verschuift (slip).
Het product komt dan weer tot stilstand en het effect herhaalt zich. Het inbouwen van tussenconussenIn een silo nemen de drukken in het verticale deel van boven naar onder steeds verder toe. In de trechter nemen de drukken weer af; de trechterwanden dragen nu veel van het totale gewicht. In de praktijk is te ervaren: wanneer de uitstroomopening erg klein is, is de druk ook erg laag: het product is met de hand tegen te houden, zelfs als er een 'kolom' van 10 meter product in de silo staat. ![]() De drukafname is het grootst bovenin de trechter. Daar maakt de oplossing met tussenconussen dankbaar gebruik van. Zie figuur hierboven. Door een tussenconus met een hoogte van slechts 25 cm kan de verticale druk al een factor 2 worden verkleind. Ontwerp van tussenconussen
De goede werking van tussenconussen staat of valt met het ontwerp.
Hierbij zijn de belangrijkste aspechten het bepalen van de toegestane druk, en het meten van de wandwrijving en inwendige wrijving.
Tussenconussen in de praktijk![]()
In de situatie met melkpoeder kon één tussenconus de druk voldoende verlagen, maar dan moest deze tamelijk hoog worden, ten opzichte van toepassing
van twee or meer conussen. Bovendien: hoe minder tussenconussen (voor hetzelfde maximale drukniveau), des te hoger de drukafname en daarmee de plaatselijke belasting.
Voorspelbaarheid van de drukverlaging
Het vermijden van hoge druk op het product is vooral van belang bij producten die schokken van de silo kunnen veroorzaken.
Een bekende aanwijzer daarvan is stick-slip-gedrag, hetgeen bijvoorbeeld bij melkpoeders en weipoeders optreedt.
Ook bij breekbare korrels, zoals bij geperste of geëxtrudeerde pellets, moet de druk beperkt blijven, om breuk te voorkomen.
Bij plakkende en hakerige producten is een hogere druk nadelig omdat problemen verergeren, vaak meer dan verhoudingsgewijs.
Ook bij grote massastroomsilo's of silo's met asymmetrische stroming moet men ten zeerste bedacht zijn op de nadelige effecten van een hoge druk.
|