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Analyse und Optimierung von Einschneckenextrudern mit schnelldrehenden Schnecken

Gorczyca, Paul

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.

In the focus of this dissertation stands the experimental and theoretical investigation of the operating performance of mixing elements in single-screw extruders with high rotating screws. For processing ranges in areas of high-speed, the technical adjustment of the whole extrusion line is needed. With high revolution speeds, other demands for the drive or heating/cooling system are defined. In addition, other criteria are required for the screw design. High-speed extruder screws need longer feeding and melting section and work without dynamic mixing elements. Mixers could not be adapted up to now to the process requirements. Nevertheless, with regard on bigger material bandwidth and screws with smaller diameters dynamic mixers are unavoidable. For this reason, the focus of this work is to analyze and optimize the metering section of single screw extruders with high rotating screws. The investigation focuses on widespread polyolefin and a screw diameter of 35 mm. The size of the screw results from the in practice often required throughput range from about 200 to 300 kg/h. For the experiments mixing elements are chosen, which differ greatly because of their designs and the operating performance. The investigated mixing elements run at speeds of up to 1000 rpm and throughputs of up to 325 kg/h. The experimental analysis includes the evaluation of pressure, melt temperature and material homogeneity, depending on the screw speed, the specific flow rate and back pressure. In the experimental investigation the influence of the different mixing geometries are visible. Thus, besides the reference screw also the N-Mixer shows partially pressure-building behavior. The TMR and the cross-hole mixer could only be operated on the loss-of-pressure conditions. Increasing the screw speed, the TMR shows the highest temperature development. At the temperature development, the N-Mixer is partly due to the low level of the reference screw. The material homogeneity improves with increasing screw speed for all analyzed systems. Beside the evaluation of typical processing parameters, like pressure and melt temperature a new method for the practical investigation of the thermal homogeneity is presented. The comparison with various temperature measuring techniques shows the enormous benefits of this procedure. This is especially interesting with regard on the investigation aims. In this work influence on the thermal and material homogeneity are discussed and the correlation between these two dimensions are worked out. The experimental investigation is supported by three-dimensional, non-isothermal and non-newtonian CFD-Simulations. Furthermore, numerous influences on the calculation quality are discussed, including software-internal settings, as well as material parameters and thermal boundary conditions. Considering the fact that thermal boundary conditions are not available, the thermodynamic behavior can be partly estimated or determined iteratively. Are the required variables known, the system behavior can be calculated very accurately. The simulations are validated with the help of the experimentally ascertained data (pressure and temperature) and show good agreement. From the simulation results, different mixing criteria are derived and discussed. These system variables such as residence time, shear and tensile stress are evaluated along the path lines. With the exception of the higher values of TMR mixer, with all other mixers are no sig-nificant differences found in the residence time characteristics. From all experimental and theoretical investigations, some interesting approaches result for the design of screws for high rotating screw extruders. Here, for example, the N-mixer has a high development potential. Other concepts, such as the cross-hole mixers, are also feasible for high-speed applications; in this case, however, certain procedural limitations are considered. Beside the calculation of the mixing elements, some geometrical variations of the reference screw are examined. By use of simulations, for high-speed ranges basic interrelations between the screw flight deep and pitch and the processing behavior are investigated. For applications with high rotating screws, especially the variants with a greater pitch (1.3 D) are important. At higher screw speeds these design shows a high pressure-building effect and average temperature rise.

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Gorczyca, Paul: Analyse und Optimierung von Einschneckenextrudern mit schnelldrehenden Schnecken. 2012.

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