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Eine neuartige numerische Methode zur Optimierung und Intensivierung der Blasfolienkühlung

Janas, Marius

Der Blasfolienextrusionsprozess ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von dünnwandigen Foli-enprodukten. Hierbei wird der Extrusionsprozess maßgeblich durch die bereitzustellende Kühlung des Extrudats limitiert. D.h., eine Leistungssteigerung bzw. Durchsatzerhöhung kann einzig durch die In-tensivierung des Wärmetransportes realisiert werden. Neben der experimentellen, iterativen Methode zur Optimierung der Ausstoßleistung stellt die Prozesssimulation ein geeignetes Werkzeug dar, um den Kunststoffverarbeitungsprozess numerische abzubilden. Somit können Potentiale zur Intensivierung des Wärmeaustausches im Vorfeld einer experimentellen Erprobung identifiziert werden. Das Ziel dieser Arbeit stellt die Erarbeitung einer neuartigen Herangehensweise zur Intensivierung des abzuführenden Wärmestromes bei der Blasfolienextrusion dar. In diesem Kontext wird auf einen ganzheitlichen Modellansatz zurückgegriffen. Das Prozessmodell ermöglicht erstmalig die realitätsnahe Vorhersage bzw. Simulation der dynamischen Wechselwirkungen zwischen der Kühlluft und dem daraus resultierenden Wärmetransport auf den Ausbildungsprozess einer Schlauchfoliengestalt. Dem-nach kann eine physikalisch korrekte Bestimmung der Blasfolienkontur unter variierenden Abkühlbe-dingungen respektive für unterschiedliche konventionelle oder auch andersartig arbeitende Kühlluft-führungssysteme erfolgen. Das Simulationsmodell basiert zum einen auf einen rheologischen Model-lansatz zur Beschreibung der Folienkontur und zum anderen auf einer numerischen Strömungsanalyse. Somit kann die Abkühlhistorie der Folie unter Berücksichtigung der realen Verstreckvorgänge in der Schlauchbildungszone und umgekehrt bestimmt werden. Dieser ganzheitliche Modellansatz stellt die Grundlage der hier erarbeiteten computergestützten Herangehensweise zur Optimierung und Auslegung von effizienten Kühlluftführungssystemen dar. Zur Implementierung des Prozessmodells in den neuartigen rechnergestützten Optimierungsprozess waren Anpassungen sowie Erweiterungen der Simulationsprozedur und des rheologischen Material-modells erforderlich. Infolgedessen wurde eine vollständige Automatisierung des Simulationsablaufes realisiert. Diese Erweiterung erlaubt eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Simulationsdau-er. Zudem konnte ein Abbruchkriterium eingeführt werden, dass das Auffinden eines quasistationären Betriebsverhaltens erleichtert und somit anhand definierter Randbedingungen die Simulation beendet. Um eine Steigerung der Abbildungsgüte des Verstreckverhaltens für ein breiteres Materialspektrum zu realisieren, erfolgte eine gezielte Anpassung des modifizierten, rheologischen Materialmodells nach Phan-Thien und Tanner. Dazu wurde der Materialansatz, um die richtungsabhängige Relaxationszeit erweitert. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Anpassung der anisotropen Materialei-genschaften – Viskosität und Relaxationszeit – keinen Anspruch auf eine physikalisch korrekte Mate-rialmodellerweiterung des rheologischen Stoffgesetzes erhebt. Vielmehr stellt diese Modifikation eine ingenieurwissenschaftliche, praktikable Herangehensweise dar, die das Ziel verfolgt, eine realistische, numerische Abbildung der Folienkontur zu bestimmen. Neben der Simulation von Monofolien wird in dieser Arbeit eine grundsätzliche Methode vorgestellt, die es ermöglicht einen coextrudierten Mehrschichtverbund numerisch abzubilden. Dazu erfolgt die Überführung des gesamten Folienverbundes auf eine einzelne Folienschicht bzw. Monofolie. Folglich kann eine signifikante Reduzierung der Modellkomplexität erzielt werden. Der Vergleich der simulier-ten Folienkonturverläufe mit experimentell erfassten Daten zeigt, dass das Prozessmodell in der Lage ist diese Betriebspunkte zufriedenstellend vorherzusagen. Einen wesentlichen Beitrag dieser guten Ab-bildungsfähigkeit des Simulationsmodells ist auf eine zuvor erarbeitete prozessangepasste Kalibrie-rungsmethode der erforderlichen Materialdaten zurückzuführen. Die Folienkontur stellt hierbei das Ergebnis aller einflussnehmenden Größen dar. Neben den von außen angreifenden Kräften und Drü-cken sind dies insbesondere die spezifischen rheologischen Materialeigenschaften des eingesetzten Kunststoffes bzw. des Kunststoffverbundes. Demzufolge erlaubt der numerische Abgleich der expe-rimentell erfassten Betriebspunkte die Kalibrierung des Modells. Zusätzlich werden in Abhängigkeit des zu simulierenden Materialverhaltens die korrekten Dehnbeanspruchungen in Extrusionsrichtung für einen Referenzzustand benötigt, um eine hinreichende Allgemeingültigkeit zu erzielen. Am Beispiel einer PE-LD Monofolie konnte gezeigt werden, dass sich die kalibrierten Materialparame-ter eines Einfachlippenkühlluftführungssystems zur geometrischen Optimierung eines Gegenstrom-kühlringes eignen. Das Prozessmodell ist in der Lage die phänomenologisch realistischen Wechselwir-kungen der Blasfolienkontur auf eine veränderte Kühlluftanströmung vorherzusagen. So führt die ge-zielte Ausbildung des Venturi-Effektes zu einer lokalen Aufweitung und Zwangsführung bzw. Kalib-rierung der Schlauchfolie. Dagegen kann die Blasengestalt infolge eines zu hohen Druckes auf der Folienoberfläche örtlich eingeschnürt werden. Zur Bewertung der Simulationsergebnisse wurden die berechneten Frostlinienhöhen herangezogen. Ab dieser materialspezifischen Erstarrungsgrenze ist die Foliengestalt bzw. -kontur geometrisch fixiert und der Folienradius ändert sich in erster Näherung nicht mehr. Darüber hinaus erfolgte die Auswertung des höhenabhängigen, maximalen Druckimpulses auf der Folie, wodurch eine Aussage über die Prozess- und Blasenstabilität getroffen werden konnte. Zu-sätzlich zur realitätsnahen, rechnergestützten Abbildung der Folienkontur ermöglicht die numerische Strömungsanalyse die Identifikation von Optimierungspotentialen durch die Visualisierung der Kühl-luftströmung und der Wärmeaustauschprozesse. Demnach können geometrische Änderungen der Kühlluftführung visuell analysiert und bewertet werden. Mit Hilfe dieser rechnergestützten Optimie-rungsmethode konnte in der vorliegenden Arbeit ein Gegenstromkühlluftführungssystem für die Blas-folienanlage des Institutes für Produkt Engineering erfolgreich ausgelegt werden. Dabei zeigte die ex-perimentelle Erprobung bzw. Validierung des Systems eine sehr gute Übereinstimmung mit den zuvor simulierten Betriebspunkten. Gleichzeitig wurde deutlich, dass diese numerische Optimierungsmethode einen zeitintensiven Prozess darstellt und für eine industrielle Entwicklung bzw. Auslegung von neuen Kühlluftführungssystemen nur bedingt geeignet ist. Um den Simulationsaufwand in diesem Zusammenhang zu reduzieren und die praxisorientierte Einsetzbarkeit einer rechnergestützten Kühlsystemoptimierung zu forcieren, wurde eine numerische Vorauslegung erarbeitet. Das Prognosemodell ist in der Lage eine geeignete Kühlluft-führungskonfiguration und einstellung für die nachfolgende computergestützte, detaillierte Analyse zu identifizieren. Im Gegensatz zum Prozessmodell bestimmt das Prognosemodell die abzuführenden Wärmemengen mit Hilfe eines analytischen Berechnungsansatzes. Die Folienkontur wird dabei anhand eines idealisierten Modellansatzes bestimmt. Zur Simulation der Wärmetransportvorgänge verzichtet das Prognosemodell auf die exakte geometrische Abbildung des Kühlluftführungssystems. Es werden lediglich die Position und Intensität der Kühlluftfreistrahlen auf die Folienoberfläche, die für einen effektiven Wärmeaustausch verantwortlich sind, variiert bzw. optimiert. Somit ist eine schnelle und gezielte Identifikation einer idealen Kühlluftführungskonfiguration möglich. Darüber hinaus kenn-zeichnet das Prognoseergebnis den Initialisierungszustand für die nachfolgende Prozesssimulation. Neben der virtuellen Bewertung und Analyse von konventionellen Kühlluftführungssystemen stellt das Prognosemodell Potentiale zur Erarbeitung völlig neuartiger Kühlluftführungssysteme zur Intensi-vierung des Wärmetransportes bereit. Infolgedessen ist es gelungen ein alternatives Kühlluftführungs-system mit Hilfe des rechnergestützten Vorauslegungswerkzeuges zu entwickeln. Im Gegensatz zu einem konventionellen Kühlluftführungssystem wird das Kühlmedium nicht tangential an den Folien-schlauch geführt. Vielmehr erfolgt eine gleichmäßige und intensive Kühlung der Folie über die gesam-te Schlauchbildungszone mittels mehrerer Prallstrahlen. Im Vergleich zu einem konventionellen Ein-fachlippenkühlring ermöglicht das neuartige Kühlluftführungssystem einen bis zu vierfach höheren lokalen Wärmeübergangskoeffizienten. Die experimentelle Verifikation bestätigte die zuvor erarbeite-ten, theoretischen Ansätze und Vorteile des neuartigen Kühlluftführungssystems. Neben einer deutli-chen Steigerung der Ausstoßleistung bei gleichzeitiger Reduzierung des erforderlichen Kühlluftvolu-menstromes konnten Potentiale zur Wärmerückgewinnung identifiziert werden. Zudem erlaubt die Einhausung der Schlauchbildungszone eine gezielte Absaugung der warmen und mit Monomeren be-ladenen Luft. Infolgedessen wird die Verunreinigung der Produktionsumgebung minimiert und somit die Produktqualität verbessert. Abschließend ist festzuhalten, dass das Prognose- und das Prozessmodell für eine computergestützte Auslegung und Optimierung von konventionellen sowie neuartigen Kühlluftführungssystemen erfolg-reich eingesetzt werden konnte. Diese rechnergestützte Auslegungs- und Optimierungsmethode stellt somit einen alternativen Ansatz zur Leistungssteigerung der Schlauchfolienherstellung in der industriel-len Entwicklungsumgebung dar. Darüber hinaus ist die Modellbildung des Blasfolienextrusionsprozes-ses aktuell in der Lage eine Vielzahl von eigenschaftsbestimmenden Vorgängen realitätsnah zu be-schreiben und vorherzusagen. Die logische Schlussfolgerung für weiterführende Forschungsanstren-gungen stellt somit die Implementierung einer Produktqualitäts- und Folieneigenschaftsprognose in den Schlauchfoliensimulationsprozess dar.

The blown film extrusion process enables a cost-effective production of thin film products. Here, the extrusion process is significantly limited by the cooling of the extrudate. An increase in performance or throughput can only be achieved by the intensification of the heat transport. Besides the experi-mental iterative methods to optimize the extrusion output, the process simulation enables an approach to describe the plastic processing, in a numerical manner. Thus, potentials can be identified for the intensification of the heat exchange in advance of an experimental testing. The objective of this thesis is the development of a novel method to intensify the heat flow for the blown film extrusion process. Therefore, a holistic modeling approach is needed. The process model allows for the first time a realistic prediction and simulation of the dynamic interactions between the cooling air and the resulting heat transport on the formation process of a tubular film. Hence, a physi-cal accurate determination of the bubble shape is possible for conventional as well as for novel cool-ing guiding systems. The simulation model is based on two models. On the one hand, there is the con-tour calculation model and on the other hand, there is a CFD-analysis to compute the flow phenomena and heat exchange. Consequently, the correct film temperature can be determined by considering the real deformation process in the tube formation zone and vice versa. This holistic process model sets the framework for the numerical approach, which is developed in this work, to optimize and design new efficient cooling systems for the blown film extrusion process. For the implementation of the process model in the novel computer-aided optimization method, adap-tations and enhancements of the simulation procedure as well as of the rheological material model were required. Thus, a complete automation of the simulation sequence has been realized. This en-hancement allows a significant reduction in the required simulation time. Moreover, a termination cri-terion is introduced that figures out a quasi-stationary blown film behavior and thus it is able to end the simulation using defined boundary conditions. In order to increase the simulation quality of the tubular film deformation process for a wider range of materials, a specific adaptation of the modified rheological material model to Phan-Thien and Tanner has to be done. For this purpose, the direction-dependent relaxation time was added to the material approach. In this context, it should be noted that the adaptation of the anisotropic material properties – viscosity and relaxation time – does not claim to be a physically accurate material model enhancement of the rheological constitutive equations. Rather, this modification is an engineering, practical approach that aims to determine a realistic numerical de-scription of the bubble shape. In addition to the simulation of mono films, a basic approach is presented in this work, which makes it possible to simulate a coextruded multilayer film. Therefore, the complete multilayer film structure is transferred into a single layer film. Thus, a significant reduction of the model complexity is achieved. The comparison of the simulated film contour curves with experimental data shows that the process model is able to predict these operating points in a satisfactory manner. A major contribution for the good simulation quality is the process-adapted calibration method of the required material data. In this context, the bubble shape is the result of all influential process parameters. In addition to the applied external forces and pressure loads, these are in particular the specific rheological properties of the plastic material. Accordingly, the numerical comparison of the experimental detected film curves al-lows the calibration of the process model. Additionally, the correct elongation behavior of the used polymer material is needed. Therefore, the film velocity in the extrusion direction of a reference con-dition is experimentally detected, in order to achieve sufficient generality. The example of a LDPE mono film shows that the calibrated material parameters for a single lip cool-ing system can be used for a geometrical optimization of a counter flow cooling device. The process model is able to predict the phenomenological realistic interactions of the bubble shape to changing cooling conditions. Thus, the Venturi-effect leads to a local expansion and forced operation or calibra-tion of the tubular film. In contrast, a high pressure load on the film surface above ambient condition enables a local necking of the blown film contour. To evaluate the simulation results, the calculated frost line heights were used. From this material specific solidification boundary, the film shape is ge-ometrically fixed and in the first approximation the film radius does not change anymore. In addition, the process stability was estimated. Therefore, the height-dependent maximum pressure momentum on the film surface is analyzed. Besides the numerical contour calculation, the CFD-simulation allows to identify optimization potentials by visualizing the cooling airflow and the heat transfer behavior. Hence, geometrical changings of the cooling guiding systems can be visually studied and evaluated. With the help of these here developed numerical methods, a counter flow cooling system for the blown film line of the Institute for Product Engineering was successfully designed. The experimental testing and validation of the system shows a very good accordance with the previously simulated op-erating points. The optimization procedure of the counter flow cooling system points out that this numerical method is a time-consuming process. Hence, it is suitable to only a limited extent for industrial development and design of new cooling systems. In order to reduce the simulation effort and to force the practical applicability of a computer-based cooling system optimization, a numerical preliminary design was developed. The prediction model is able to identify suitable cooling configurations and settings for the subsequent in-depth analysis using the process model. In contrast to the process model, the prediction model determines the heat to be dissipated by means of an analytical calculation approach. The film contour is computed using an idealized model. To simulate the heat transport processes, the prediction model disclaims the exact geometric form of the cooling system. Therefore, the precise position and intensity of the cooling air jets are needed, which are responsible for an effective heat exchange. By changing the position and intensity of the jets, the cooling configuration can be optimized. As a result, a rapid and specific identification of an ideal cooling air configuration is possible. In addition, the pre-diction result indicates the initialization for the subsequent process simulation. Besides the virtual assessment and analysis of conventional cooling systems, the prediction model provides potentials for the development of completely new cooling methods willing to intensify the heat transfer. Hence, an alternative cooling device was numerically developed. In contrast to a con-ventional system, the cooling airflow is not guided tangentially to the film neck using this novel sys-tem. Rather, there is a uniform and intensive cooling of the film over the whole tube formation zone by means of multiple impinging jets. In comparison to a conventional single lip cooling ring, the new concept improves the local heat transfer coefficient up to four times. The experimental verification confirmed the previously developed theoretical approaches and benefits of the new cooling system. Besides a significant increase in the production output while reducing the required cooling air volume flow, potentials could be identified for heat recovery. In addition, the housing of the tube formation zone allows a selective extraction of the monomer loaded air. Consequently, the contamination of the manufacturing environment is minimized, thereby improving the product quality. Finally, it should be noted that the prediction and the process model could be used successfully to design and optimize conventional and novel blown film cooling systems. This numerical design and optimization method represents an alternative approach to increase the performance of the tubular film production in the industrial development. In addition, the modeling of the blown film extrusion pro-cess is currently capable to compute a wide range of property-determining values in a realistic manner. The logical conclusion for further research efforts is the implementation of a product quality and film property prediction in the blown film simulation process.

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Janas, Marius: Eine neuartige numerische Methode zur Optimierung und Intensivierung der Blasfolienkühlung. 2015.

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