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Untersuchung von Temperierprozessen und Ermittlung von Wärmerückgewinnungspotentialen im Bereich der Zylindertemperierung von Kunststoffextrudern

Ketteler, Christoph

Die Extrusion stellt eines der wichtigsten Verfahren zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen und Elastomeren dar. Im Fokus der Entwicklungen stehen die Durchsatzsteigerung von Hochleistungsmaschinen und gleichzeitig die Realisierbarkeit von breiten Einsatzspektren in Bezug auf Materialien und Betriebspunkte. Aufgrund von politischen Rahmenbedingen, die ambitionierte Klima- und Effizienzziele vorgeben sowie den energiewirtschaftlichen Entwicklungen, die zu stetig steigenden Energiekosten führen, nimmt die Bedeutung der Berücksichtigung einer Steigerung der Energieeffizienz in den Entwicklungen innerhalb der kunststoffverarbeitenden Industrie stetig zu. Bereits in der Vergangenheit wurden weitgehende Fortschritte im Bereich der Optimierung von Anlagenkomponenten erzielt. Neben den Entwicklungen im Bereich der Extruderbauformen, hat sich besonders der Einsatz von energieeffizienter Antriebstechnik positiv auf die Prozesseffizienz ausgewirkt, da der Großteil der eingebrachten Energie durch die Dissipation von Antriebsenergie zugeführt wird. Die Optimierungspotentiale in diesem Bereich sind jedoch limitiert und wurden bereits weitgehend ausgeschöpft. Aus diesem Grund ergeben sich besonders im Bereich der Nutzung von im Prozess anfallender Abwärme Ansatzpunkte, um die Energieeffizienz weiter zu erhöhen. Entlang des Extrusionsprozesses treten unterschiedliche Wärmeströme auf, die bisher nur unzureichend genutzt werden. Im Bereich der Produktkühlung, in dem die größten Wärmeströme abgeführt werden, existieren bereits Ansätze, die abgeführte Wärme beispielsweise für die Granulatvorwärmung oder betriebsinterne Wärmesenken zu nutzen. Eine anderweitige Nutzung wird jedoch erschwert, weil die Wärmeströme in diesem Bereich auf vergleichsweise geringem Temperaturniveau vorliegen. Da besonders bei hohen Anlagendurchsätzen auch im heißen Teil des Extrusionsprozesses signifikante Abwärmeströme auftreten, die bisher in der Regel ungenutzt an die Umgebung abgeführt werden, ist eine Betrachtung der möglichen Nutzungspotentiale dieser Wärmeströme zielführend. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf den in der Praxis eingesetzten Lösungen im Bereich der Zylindertemperierung basierendes Temperiersystem entwickelt, das eine erweiterte Prozessanalyse im Betrieb sowie die Evaluation einer prozessinternen Nutzung von anfallender überschüssiger Prozesswärme ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde ein entsprechendes Extrusionssystem, basierend auf einem flüssigtemperierten Einschneckenextruder ausgelegt und im Labormaßstab aufgebaut. Der mit einer Barriereschnecke betriebene Nutbuchsenextruder verfügt über einen modifizierten Zylinder, der mit integrierten Temperierkanälen ausgestattet ist. Diese Kanäle sind in Form von vier identischen Temperierzonen entlang des Plastifizierzylinders eingebracht und ermöglichen eine von herkömmlichen Heiz-/ Kühlkombinationen abweichende Temperierung mittels Wärmeträgeröl. Das zugehörige Temperiersystem stellt vier separate Temperierkreisläufe zur Verfügung, die für die einzelnen Zylinderzonen eine voneinander unabhängige Definition von Vorlauftemperaturen ermöglichen. Durch die vorhandene Messtechnik lassen sich die im Bereich der Temperierkanäle ausgetauschten Wärmeströme für alle Zonen erfassen. Die Bündelung von Abwärme in einem Medium auf hohem Temperaturniveau erlaubt eine Übertragung und Nutzung der aufgenommenen Energie. Da für die Beheizung und die Kühlung des Prozesses das gleiche Medium zum Einsatz kommt, wird eine Wärmerückgewinnung innerhalb des Prozesses grundsätzlich vereinfacht. Die Umsetzung der prozessinternen Übertragung von Wärme zwischen einzelnen Zylinderzonen wird durch die Entwicklung eines entsprechenden ventilgesteuerten Aufbaus zur Wärmeübertragung ermöglicht. Jeweils zwei Zonen lassen sich hiermit über einen Wärmeübertrager thermisch koppeln und mit Hilfe eines Stellventils gezielt entsprechend der vorliegenden Temperaturniveaus Wärme zwischen den Zonen übertragen. Die mit dem Laborsystem durchgeführten Versuche sowie die anhand der vorliegenden Komponenten durchgeführten numerischen Strömungssimulationen geben einen Einblick in die sich einstellenden thermischen Austauschprozesse zwischen Zylinder und Prozess und erlauben Rückschlüsse auf die Einflüsse der Temperaturführung. In Abhängigkeit von zu definierenden Randbedingungen, wie zum Beispiel einer maximalen Schmelzetemperatur, lassen sich Anpassungen der Temperaturführung vornehmen, die zu einer Vermeidung unnötiger Kühl- und Heizvorgänge beitragen. Die Bestimmung der in den Temperierkanälen der einzelnen Zylinderzonen übertragenen Wärmeströme erlaubt, unter Berücksichtigung der vorliegenden Temperaturniveaus, außerdem eine Bewertung der potentiellen Nutzbarkeit von anfallenden Abwärmeströmen. Die Möglichkeit einer direkten Wärmerückgewinnung im Bereich des Plastifizierzylinders kann mit den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche nur bedingt bestätigt werden. Die auftretenden Wärmeströme werden durch die Prozessparameter sowie die verarbeiteten Materialien signifikant beeinflusst. Es treten zwar entsprechende Wärmeströme auf, aufgrund der vorliegenden Temperaturniveaus ist eine Übertragung innerhalb des betrachteten Prozesses jedoch nur in geringem Maße möglich. Der Ansatz der direkten Wärmerückgewinnung lässt sich allerdings auf beliebige Anlagen übertragen, sodass eine Anwendung auf anderen Einschneckenmaschinen, im Bereich von Compoundierprozessen auf Doppelschneckenextrudern oder zur Verknüpfung mehrerer Anlagen möglich ist. Bei der Betrachtung einer Produktionsumgebung, in der mehrere Prozesse parallel ablaufen und verschiedene Materialen bei unterschiedlichen Prozessbedingungen verarbeitet werden, ergibt sich daher nichtsdestotrotz das Potential einer integrierten Temperierung verschiedener Extrusionslinien. Durch den Einsatz zentraler Heiz- und Kühlkreisläufe sowie einer individuell definierbaren Kopplung geeigneter Wärmequellen und -senken untereinander lässt sich der Gesamtenergieeintrag in ein solches System reduzieren. Die Verwendung globaler Kreisläufe erleichtert außerdem die weitere Nutzung von Abwärme, die nicht innerhalb der Anlagen verwertet werden kann. Denkbar ist hier beispielsweise die Nutzung zur Warmwasserversorgung innerhalb des Betriebes. Bei einer unvermeidbaren zusätzlichen Rückkühlung kann hier aufgrund von hohen verfügbaren Temperaurniveaus außerdem auf Freikühler zurückgegriffen werden, die eine energie- und kostensparende Abführung von Wärme ohne die unerwünschte Aufheizung der Produktionsumgebung ermöglichen.

Extrusion is one of the most common technologies for the processing of thermoplastics and elastomers. The focus of the developments is the increase in throughput of high-performance machines and, at the same time, the realizability of broad application spectra with regard to materials and operating points. Due to political framework conditions that provide ambitious climate and efficiency targets as well as energy economic developments that lead to steadily rising energy costs, the importance of taking into account an increase in energy efficiency in the developments within the plastics processing industry is steadily increasing. Extensive progress has already been made in the area of optimization of plant components in the past. In addition to developments in the area of extruder design principles, the use of energy-efficient drive technology has also had a positive effect on the efficiency of the process, since the majority of the energy input is supplied by the dissipation of drive energy. However, the optimization potentials in this area are largely exhausted, so that the utilization of waste heat generated in the process represents a promising approach to increase the energy efficiency. Alongside the extrusion process, different heat flows occur, which are so far only inadequately reused. In the area of product cooling, in which the largest heat flows are dissipated, there are already attempts to reuse the discharged energy. Granulate preheating or the supply of in-house heat sinks represent examples of this. However, another use is more difficult because the heat flows in this region are available at a comparatively low temperature level. Particularly in the case of high machine throughputs, significant waste heat flows occur in the hot part of the extrusion process. Because theses heat flows are so far generally discharged to the environment unused, the consideration of the potential utilization of this energy appears to be promising. In scope of this work, a system based on the existing procedures in the field of cylinder temperature control was developed, which allows for an extended process analysis during operation as well as the evaluation of process internal use of excess process heat. For this purpose, a corresponding extrusion system, based on a liquid temperature controlled single-screw extruder, was designed and built in laboratory scale. The grooved-barrel extruder is operated with a barrier screw and has a modified cylinder, which is equipped with integrated temperature control ducts. These channels are positioned along the plasticizing cylinder in the form of four identical tempering zones and allow temperature control by means of heat transfer oil which differs from conventional electrical heating and cooling approaches. The associated temperature control system provides four separate temperature control circuits, which allow an independent definition of flow temperatures for the individual cylinder zones. Because of the implemented measuring technology, the heat flows exchanged in the area of the temperature control channels can be recorded for all zones. The bundling of waste heat in a medium at a high temperature level allows a transfer and utilization of the absorbed energy. Since the same medium is used for the heating and cooling of the process, heat recovery within the process is basically simplified. The implementation of the internal heat transfer between individual cylinder zones is made possible by the development of a corresponding valve-controlled heat transfer system. Two zones can be thermally coupled by a heat exchanger and heat can be transferred between the zones in a targeted manner according to the present temperature levels by means of a control valve. The experiments carried out with the laboratory system as well as the numerical flow simulations carried out with the help of the available components provide an insight into the thermal exchange processes between the cylinder and the process. In addition, conclusions about the influence of temperature control can be drawn. Depending on the boundary conditions to be defined, such as a maximum melt temperature, it is possible to make adjustments to the temperature control, which help to avoid unnecessary cooling and heating processes. The determination of the heat flows transmitted in the temperature control channels of the individual cylinder zones also permits an assessment of the potential usability of the waste heat taking into account the temperature levels that are present. The possibility of a direct heat recovery in the area of the plasticizing cylinder can only be confirmed to a limited extend by the experiments carried out in the course of this work. The occurring heat flows are significantly influenced by the process parameters as well as the processed materials. Although corresponding heat flows occur, due to the present temperature levels, transmission within the examined process is only possible to a small extend. However, the approach can be transferred to any other plant so that an application is possible on other single-screw machines, in the area of compounding processes on twin-screw extruders or for linking several plants. When considering a production environment in which several processes run parallel and different materials are processed under different process conditions, the potential for an integrated temperature control of different extrusion lines is obvious. The use of central heating and cooling circuits as well as an adaptable coupling of suitable heat sources and sinks to one another reduces the overall energy input into such a system. The use of global circuits also facilitates the further use of waste heat which cannot be utilized within the plants. Here, for example, the use of hot water supply within the plant is conceivable. In the case of an unavoidable additional recooling, a free-cooling system using outside air can also be applied here due to the high available temperature levels, which allow an energy- and cost-saving removal of heat without the undesirable heating of the production environment.

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Ketteler, Christoph: Untersuchung von Temperierprozessen und Ermittlung von Wärmerückgewinnungspotentialen im Bereich der Zylindertemperierung von Kunststoffextrudern. 2017.

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