Optimierung und Modellierung der geometrischen Gestaltung der Einzugszone bei einem Einschneckenextruder im Hochgeschwindigkeitsbereich
Final Report Abstract
Der Begriff Feststoffförderung beschreibt in der Extrusionstechnik alle Teilprozesse, die mit noch nicht aufgeschmolzenem Material arbeiten. Im Wesentlichen sind diese das Befüllen der Maschine aus dem Trichter und das Weiterfördern des Granulats in Richtung der Aufschmelzzone bei gleichzeitigem Druckaufbau. Bei der mathematischen Beschreibung der Feststoffförderung wird üblicherweise von einer Blockströmung des Granulats im Schneckenkanal ausgegangen. Die Annahme einer Blockströmung ist allerdings nur bei vollgefülltem Schneckenkanal gerechtfertigt. Diese Vollfüllung ist bei hohen Schneckenumfangsgeschwindigkeiten nicht mehr unbedingt gegeben, weil das Granulat nicht hinreichend schnell aus dem Trichter in den Schneckenkanal einrieselt. Zusätzlich ist bei hohen Drehzahlen der Rückimpuls größer, den ein Granulatkorn an der aufsteigenden Schneckenseite in Richtung der Trichteröffnung erfährt. Beide Effekte resultieren in einem nicht mehr linear mit der Drehzahl ansteigendem Durchsatz. In diesem Forschungsprojekt ist das Einrieseln und der drucklose Feststoffförderdurchsatz von Einschneckenextrudern untersucht worden. Dazu sind zunächst Feststoffförderuntersuchungen durchgeführt worden, die das oben beschriebene Abflachen der Durchsatz-Drehzahl-Kurve aufwiesen. Diese Untersuchungen sind mit der Diskrete-Elemente-Software EDEM nachsimuliert worden. Der Vergleich der beiden Untersuchungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung von gemessenen und simulierten Durchsätzen. Das bedeutet, dass die Diskrete-Elemente-Methode sehr gut geeignet ist für die Simulation und Untersuchung von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern. Dies zeigt sich auch bei der Untersuchung der Strömungsverhältnisse im Schneckenkanal und beim Einrieseln: Sowohl in der Simulation als auch in den experimentellen Untersuchungen konnten bekannte Strömungsphänomene, wie die Rückströmung von Granulatkörnern aus dem Schneckenkanal in die Trichteröffnung, nachgestellt werden. Für die in der Praxis verbreiteten rechteckigen Einfüllöffnungen sind in umfangreichen Simulationen für einen 30mm-Modell-Extruder sogenannte Übergangsdrehzahlen detektiert worden. Das sind diejenigen Drehzahlen, ab denen der Durchsatz signifikant von einer linearen Fördercharakteristik abweicht. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Durchsatzes und der Übergangsdrehzahlen von der Trichteröffnungslänge. Die Untersuchungen haben ebenfalls ergeben, dass die bisher vertretene Auffassung, Trichteröffnungslängen >1,5D seien nicht sinnvoll, nicht haltbar ist. Die durchgeführten Simulationen sind um weitere mit größeren Durchmessern und variierten Gangtiefen sowie unterschiedlichen Gangtiefen ergänzt worden. Auf Basis dieser umfangreichen Simulationsdaten ist ein dimensionsloses Modell zur Beschreibung des drucklosen Feststoffförderdurchsatzes in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Schneckendurchmesser, der Gangtiefe und der Trichteröffnungslänge ermittelt worden, das ebenfalls die Modellierung der Übergangsdrehzahl berücksichtigt. Das Modell gilt für Schneckendurchmesser bis 250 mm, Gangtiefen bis 16,9mm, Gangsteigungen zwischen 0,5D und 1,5D, Trichteröffnungslängen bis 3D sowie Schneckenumfangsgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s. Schließlich ist mit Hilfe von DEM-Simulationen eine optimierte Einzugszone für einen schnell drehenden 30 mm-Laborextruder (Maximaldrehzahl 2100 min^-1) entwickelt worden. Dazu sind in den Simulationen die Strömungsverhältnisse beim Einrieseln ausgewertet worden. Auf Basis dieser Ergebnisse ist die Geometrie der Einzugszone angepasst worden. Wichtig war dabei vor allem, die Granulatkörner schon in der Trichteröffnung in Förderrichtung zu lenken und das Rückströmungsphänomen zu minimieren. Die entwickelte Einzugszone zeigt in Simulationen und Messungen ein lineares Feststoffförderverhalten bis zu Drehzahlen von 2100 min^-1. Die konventionellen Feststofffördermodelle sind also in diesem Bereich gültig. Die Untersuchungen zur Validierung der Strömungsverhältnisse wurden im letzten Arbeitsschritt mit Hilfe eines Förderprüfstandes aus PMMA realisiert. Es zeigt sich eine hervorragende Übereinstimmung der Strömungsverhältnisse zwischen Simulation und Experiment.
Publications
- Dimensionless Model of the Solids Throughput of Single-Screw Smooth Barrel Extruders Regarding the Feed Section Parameters. 28th International Conference of the Polymer Processing Society, Conference Proceedings, Pattaya, 2012
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian; Weddige, Robert; Porsch, Alexander
- Effizienz doppelt steigern. Kunststoffe 05/2012, Carl Hanser Verlag, München, S. 72-75
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian; Weddige, Robert; Porsch, Alexander
- Modeling the solids throughput of single-screw smooth barrel extruders as a function of the feed section parameters. International Polymer Processing XXVII (2012) 4
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian; Weddige, Robert; Porsch, Alexander
(See online at https://doi.org/10.3139/217.2588) - Validation of Discrete Element Simulations in the Field of Solids Conveying in Single Screw Extruders. 30th International Conference of the Polymer Processing Society, Conference Proceedings, Cleveland, 2014
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4918405)
