Analyse und Optimierung von Einschneckenextrudern mit schnelldrehenden Schnecken

Duisburg, Essen (2011), IV, 166 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Arbeiten befassen sich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung des Betriebsverhaltens von Scher- und Mischteilen bei einem Extrudersystem mit schnelldrehenden Schnecken. Für Betriebsbandbreiten in Bereichen der Hochgeschwindigkeitsextrusion ist die verfahrenstechnische Anpassung der gesamten Extrudereinheit notwendig. Mit hohen Drehzahlen werden z. B. spezielle Anforderungen an das Antriebs- oder Heiz-/Kühlsystem definiert. Ebenso stehen bei der Auslegung der Schnecke anderweitige Kriterien im Vordergrund. Schnecken, die in High-Speed-Anlagen eingesetzt werden, besitzen längere Einzugs- und Aufschmelzzonen und arbeiten gegenwertig ohne dynamische Mischelemente. Diese konnten bisher nicht an die Prozessgegebenheiten in hohen Drehzahlbereichen angepasst werden. Im Hinblick auf größere Materialbandbreiten und Schnecken mit kleineren Durchmessern sind jedoch dynamische Mischer in der Austragszone unumgänglich. Aus diesem Grund stehen im Fokus dieser Arbeit die Analyse und Optimierung der Austragszone von Einschneckenextrudern mit schnelldrehenden Schnecken. Die Untersuchung konzentriert sich auf weitverbreitete Polyolefintypen und einen Schneckendurchmesser von 35 mm. Die Größe der Schnecke resultiert aus dem in der Praxis häufig geforderten Durchsatzspektrum von etwa 200 bis 300 kg/h. Hierbei wird die Schmelzeaustragszone entkoppelt von dem Einzug und der Plastifizierzone betrachtet. Für die Untersuchungen werden Mischteile ausgesucht, die sich aufgrund ihrer Bauformen stark im Betriebsverhalten voneinander unterscheiden. Als Referenz dient eine eingängige Schnecke ohne zusätzliche Mischelemente. Die untersuchten Scher- und Mischteile werden mit Drehzahlen von bis zu 1000 U/min und Durchsätzen von bis zu 325 kg/h betrieben. Die experimentelle Analyse beinhaltet die Auswertung des Druckes, der Schmelzetemperatur und der stofflichen Homogenität in Abhängigkeit von der Drehzahl, des spezifischen Durchsatzes und des Gegendruckes. Hierbei werden die enormen Einflüsse der unterschiedlichen Mischergeometrien sichtbar. So zeigt neben der Referenzschnecke auch der N-Mischer teilweise druckaufbauendes Verhalten auf. Der TMR- und der Kreuzlochmischer dagegen konnten ausschließlich als Druckverbraucher betrieben werden. Der TMR zeigt mit steigender Drehzahl die höchste Temperaturentwicklung auf. Der N-Mischer liegt bei der Temperaturentwicklung teilweise auf dem niedrigen Niveau der Referenzschnecke. Die stoffliche Homogenität wird mit steigender Drehzahl bei allen vorgestellten Systemen verbessert. Zusätzlich wird bei der experimentellen Untersuchung eine Methode zur ganzheitlichen Beurteilung der thermischen Homogenität des Extrudates vorgestellt, die auf der Infrarotthermometrie basiert. Diese ist mit Hinblick auf die Untersuchungsziele besonders interessant. Der Vergleich mit unterschiedlichen Temperatur-Messmethoden zeigt dabei die enormen Vorteile dieses Verfahrens. Anhand der neuartigen Analysemöglichkeit werden die Einflüsse von Verfahrensparametern (wie Gegendruck oder spezifischer Massedurchsatz) auf die thermische Homogenität diskutiert. Aufbauend auf dieser Auswertemethode konnte erstmalig ein qualitativer Zusammenhang zwischen der stofflichen und thermischen Homogenität hergestellt werden. Die experimentelle Untersuchung wird durch dreidimensionale, nicht-isotherme und nicht-newtonsche CFD-Simulationen unterstützt. Dabei werden bei allen Mischern eine hohe Netzqualität und somit auch eine Berechnungsrobustheit erreicht. In einer Parameteranalyse werden zahlreiche Einflüsse auf die Berechnungsqualität erörtert. Hierzu gehören sowohl softwareinterne Einstellungen als auch Materialparameter und thermische Randbedingungen. Da die letzteren teilweise nicht zur Verfügung stehen, muss das thermodynamische Verhalten teils abgeschätzt oder iterativ ermittelt werden. Sind die erforderlichen Größen bekannt, kann das Systemverhalten sehr genau berechnet werden. Die durchgeführten Simulationen werden anhand der experimentell ermittelten Größen (Druck und Temperatur) validiert und zeigen sehr gute Übereinstimmungen. Für die Auswertung der stofflichen Homogenität anhand der Simulationsergebnisse werden einige Kriterien vorgestellt und analysiert. Dazu werden Systemgrößen wie Verweilzeiten oder Schub- und Dehnspannungen entlang von Bahnlinien ausgewertet. Bis auf die höheren Werte des TMR-Mischers werden bei allen anderen Mischern keine signifikanten Unterschiede in der Verweilzeitcharakteristik festgestellt. Die Gegenüberstellung der lokalen Spannungsmaxima zeigt bei allen Mischern für höhere Drehzahlen stark ansteigende Werte, die sich teilweise negativ auf die Eigenschaften des Endproduktes auswirken können. Werden alle experimentellen und theoretischen Ergebnisse zusammengefasst, so ergeben sich einige interessante Ansätze für die Auslegung von Extrudern mit schnelldrehenden Schnecken. Hier bietet z. B. der N-Mischer hohes Entwicklungspotenzial. Andere Konzepte, wie der Kreuzlochmischer sind zwar ebenfalls für Hochgeschwindigkeitsanwendungen denkbar, hierbei sollten jedoch einige verfahrenstechnische Einschränkungen berücksichtigt werden. Neben der Berechnung der Scher- und Mischteile werden für die untersuchte Referenz-Schneckengeometrie einige geometrisch abgeänderte Varianten untersucht. Anhand der Simulationen werden grundsätzliche Abhängigkeiten der Drehzahl auf das Betriebsverhalten bei unterschiedlichen Gangtiefen und Gangsteigungen vorgestellt. Hierbei sind für Anwendungen mit schnelldrehenden Schnecken vor allem die Varianten mit größerer Gangsteigung (1,3D) von Bedeutung. Diese zeigen mit steigenden Drehzahlen eine hohe druckaufbauende Wirkung bei durchschnittlichem Temperaturanstieg.