Investigations to the influence of material and grain shape on the dissipation in the solids conveying of single-screw extruders
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens war es, neue Erkenntnisse im Bereich der dissipierten Leistung der Feststoffförderzone aufzuzeigen und in eine Modellierung zu überführen. Die Motivation, konventionelle Leistungsmodelle im Bereich der Feststoffförderung zu überarbeiten, ist sicherlich auch eine Folge des hohen Potentials seitens der massiv gesteigerten Computerperformance in Kombination mit numerischen 3D Simulationen. So hat sich die im Speziellen für Feststofffördervorgänge eingesetzte Diskrete-Elemente- Methode in den letzten Jahren fest etabliert. Das Verfahren ermöglicht die Erfassung einzelner Partikelbewegungen im realitätsnahen Extrusionsumfeld und bietet so gegenüber den konventionellen analytischen Modellen eine deutlich höhere Auflösung. Denn diese gehen vereinfacht von einer sich im Feststoffförderprozess ausbildenden Blockströmung aus, bei der die Granulate als kompaktierter Feststoffblock vorliegen. Folglich werden u.a. Teilfüllungseffekte, Relativbewegungen im Feststoffblock usw. vernachlässigt. Der Einfluss der Granulatform und der Materialkennwerte sowie weiterer Prozessparameter ist untersucht und mathematisch erfasst worden. Dazu sind zahlreiche Simulationen durchgeführt und durch experimentelle Daten validiert worden. Vorab wurden dazu material- und granulatspezifische Parameter detektiert bei denen ein Einfluss auf die Dissipation vermutet wird. Hierzu sind ein Polyamid (PA) und ein Polyethylen (HDPE) im Kalt- und Heißabschlagverfahren hergestellt und anschließend umfangreich charakterisiert worden. Das Ziel bestand darin, eine hohe Abbildungsgüte in der Simulation zu generieren sowie die Randgrößen des auszuwählenden Versuchplans auszuloten. Als Vorbereitung für die Simulation sind so ebenfalls die verschiedenen Granulate durch Kombinationen diverser Sphären derart angenähert worden, dass sich reale und simulierte Granulate hinsichtlich der definierten Kennwerte entsprechen. Die so gefundenen Einflussgrößen sind anschließend mit Hilfe einer Dimensionsanalyse betrachtet worden, mit dem Ziel, den Versuchsplan zu reduzieren und die mathematische Handhabung zu vereinfachen. Die Auswertung der Dissipation in der Simulation wurde über zwei Methoden geprüft, wobei sich die Beschreibung mit Hilfe der Antriebsleistung als zielführende herausstellte. Mit Blick auf die Einflussgrößen zeigen vor allem Drehzahl, Schneckendurchmesser, Gegendruck und Reibwert einen signifikanten Einfluss auf die Antriebsleistung. Der Partikelform kommt hingegen nur eine untergeordnete Rolle zu. Zwar reduzieren zylindrische Partikel gegenüber runden den Energieeintrag, jedoch nicht in dem erwarteten Umfang. Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit ist zudem die spezifische Antriebsleistung ausgewertet worden. Hier zeigt sich, dass sich die durchsatzsteigernden Einflussfaktoren wie Drehzahl, Schneckendurchmesser und Gangtiefe senkend auf die spezifische Antriebsleistung auswirken. Der durchsatzsteigernde Effekt ist demnach dominanter als der sich hierzu erkaufte Zuwachs in der Antriebsleistung. Aus Sicht der Feststoffförderung ist daher eine Durchsatzsteigerung basierend auf diesen Größen zu empfehlen. Gegendruck, Reibwert und Partikelgröße wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Feststoffförderzone aus, da sie zunehmend den Durchsatz und/oder die Antriebsleistung negativ beeinflussen. Die Partikelform spielt bei der spezifischen Antriebsleistung auch nur eine untergeordnete Rolle. Die aufgeführten Effekte sind so schließlich in ein Regressionsmodell überführt und experimentellen Untersuchungen gegenübergestellt worden. Dazu ist ein eigens zu diesem Zweck konzipierter Feststoffförderprüfstand verwendet worden. Dieser erlaubt es, Feststoffförderschnecken mit unterschiedlichen Granulaten bei variierenden Drehzahlen und Gegendrücken zu beschicken. Für die 6 untersuchten Materialien zeigt sich eine insgesamt gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment. Es kann ebenfalls gezeigt werden, dass zylindrische Partikel weniger Antriebsleistung erfordern als runde Partikel. Dies führt dazu, dass Zylinderpartikel weniger erwärmt werden, was im Umkehrschluss auch auf ein verschlechtertes Aufschmelzverhalten schließen lässt. Dies deckt sich mit den aus der Praxis bekannten Bemühungen, Universalschnecken für zylindrisches Material flacher auszulegen.
Publications
- Investigation of the influence of material and pellet shape on the dissipation in the solids conveying zone of single-screw extruders based on the Discrete Element Method (DEM), Conference Proceedings 32th PPS-Conference, Lyon, 2016
Schöppner, V.; Trippe, J.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5016742) - Modeling of the Dissipation in the Solid Conveying Section in Single Screw Extruders, Conference Proceedings 34th PPS-Conference, Taipei, 2018
Schöppner, V.; Trippe, J.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5088294)
