Berechnung der Granulatförderung in genuteten Einzugsbuchsen unter Berücksichtigung der veränderten Förderbedingungen in schnelllaufenden Einschneckenextrudern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem abgeschlossenen Forschungsprojekt wurde die Feststoffförderung von Kunststoffen bei hohen Drehzahlen in genuteten Einschneckenextrudern experimentell untersucht und der jeweilige Massedurchsatz als Funktion der Drehzahl mit analytischen Modellen mathematisch beschrieben. Insgesamt wurden neun verschiedene Kunststoffschüttgüter ausgewählt und umfassend bezüglich ihrer Granulateigenschaften charakterisiert. Die dabei genutzten Polyolefine unterschieden sich dabei bezüglich ihrer Reibeigenschaften signifikant von dem ebenfalls genutzten Polyamid und Polystyrol. Um außerdem den Geometrieeinfluss des Granulats berücksichtigen zu können, wurden verschiedene Granulatformen untersucht. Auch die Einzugszonengeometrie des Extruders wurde variiert, wobei zwei verschiedene Schneckengeometrien mit unterschiedlicher Gangtiefe sowie vier verschiedene Zylindergeometrien zum Einsatz kamen. Eine Zylindergeometrie war ein glatter Referenzzylinder, ein Zylinder besaß Axialnuten und zwei Zylinder besaßen Wendelnuten mit unterschiedlicher Nutanzahl und -tiefe. Zusätzlich wurden transparente Polymethylmethacrylat-Zylinder genutzt, um die Feststofffördermechanismen optisch beobachten zu können. Ein entwickeltes Gegendruckelement ermöglichte weiterhin das Aufbringen eines Gegendrucks am Versuchsstand (< 80 bar). Prinzipiell zeigten kleine, sphärische Kunststoffschüttgüter ein vorteilhaftes Rieselverhalten. Dies äußerte sich darin, dass der Massedurchsatz lange linear mit der Drehzahl anstieg. Für das pulverförmige PE konnte so z. B. ein vollständig gefüllter Schneckenkanal bis zu Drehzahlen von 1.000 min-1 im glatten Zylinder optisch beobachtet werden. Bei niedrigen Drehzahlen zeigte sich, dass die Massedurchsatzberechnung mit Hilfe eines klassischen, linear analytischen Ansatzes gut für wendelgenutete Systeme geeignet ist. Im Falle des axialgenuteten Systems überschätze dieser Berechnungsansatz hingegen deutlich die experimentell ermittelten Werte. Dies lässt sich damit erklären, dass im wendelgenuteten Fall die getroffenen Annahmen einer Mutter-Schraube-Förderung bei niedrigen Drehzahlen (bis ca. 300 min-1) nahezu perfekt erfüllt wurden. Dabei zeigte sich für das genutzte PE-Pulver ein reibschlüssiger Fördermechanismus in den Nuten aufgrund von innerer Reibung. Für die zylindrischen und linsenförmigen Kunststoffe wurde ein Zwangsfördermechanismus beobachtet, wobei die rotierende Schneckenflanke eine Feststoffförderung in den Nuten erzwang. Darüber hinaus wurde für diese Fälle sowohl in den Nuten als auch im vollständig gefüllten Schneckenkanal eine Blockströmung beobachtet. Dabei entsprach der Feststoffförderwinkel dem Nutwinkel für das gesamte Feststoffbett. Im Gegensatz dazu wurde für den axialgenuteten Zylinder beobachtet, dass die Annahmen einer Mutter-Schraube-Förderung quasi nie erfüllt sind. Dies führte zu der beschriebenen Abweichung zwischen dem berechneten und dem experimentell ermittelten Massedurchsatz. Sowohl die Annahme der Blockströmung als auch die Annahme, dass der Feststoffförderwinkel im Schneckenkanal dem Nutwinkel entspricht, trafen in diesem Fall nicht zu. Für das Mahlgut zeigten sich hingegen sowohl für den axial- als auch wendelnuteten Zylinder bereits bei niedrigen Drehzahlen große Abweichungen zwischen Berechnung und Experiment. Diese Abweichung lässt sich in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die Schüttdichte des Mahlguts im Extruder aufgrund von Kompressions- und Orientierungseffekten deutlich höher ist als die gemessene Schüttdichte, welche für die Berechnungen verwendet wurde. Für Mahlgut sollte daher zukünftig noch die Kompressibilität (Druckabhängigkeit der Schüttdichte) berücksichtigt werden. Bei hohen Drehzahlen konnte das Massedurchsatzverhalten für die verschiedenen Kunststoffe ebenfalls korrekt mit Hilfe eines neuentwickelten analytischen Ansatzes mathematisch approximiert werden, welcher zusätzlich zum linearen Term einen Term begrenzten Wachstums enthielt, um das degressive Verhalten zu beschreiben. Dabei wurden auch beispielsweise die wirkende Gewichtskraft, die drehzahlabhängige Fliehkraft, die Anzahl der Partikel in der Trichteröffnung und das Aspektverhältnis berücksichtigt. Eine universelle Beschreibung rein anhand von physikalisch-basierten Größen gelang jedoch nicht, sodass ein zusätzlicher Korrekturfaktor zur Approximation genutzt wurde. Da es durch die neuen Erkenntnisse im Rahmen des Projekts mittlerweile unwahrscheinlich erscheint, dass die komplexen dynamischen Effekte für verschiedene Systeme allgemeingültig und analytisch rein basierend auf physikalischen Größen beschreiben werden können, sollten nachfolgende Forschungsarbeiten moderne, leistungsstarke numerische Simulationsmethoden nutzen. Es wird davon ausgegangen, dass ein simulativer Ansatz (z. B. mittels DEM) insbesondere die gegenseitig abhängigen Einflussgrößen und die gleichzeitig ablaufenden, räumlich gekoppelten dynamischen Granulat-Interaktionen unter der Trichteröffnung sowie in weiter entfernten Schnecken- und Nutbereichen deutlich besser erfassen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Comparative Analysis of the Solid Conveying of Regrind, Virgin and Powdery Polyolefins in Single-Screw Extrusion. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 6(3), 56.
Johann, Kai S.; Reißing, Adrian & Bonten, Christian
-
Experimental Investigation of the Solid Conveying Behavior of Smooth and Grooved Single-Screw Extruders at High Screw Speeds. Polymers, 14(5), 898.
Johann, Kai S.; Mehlich, Stephan; Laichinger, Marcus & Bonten, Christian
-
Feststoffförderung von genuteten High-Speed-Einschneckenextrudern. In: Tagungsband des 28. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums 2023, ISBN 978-3-9818681-3-5.
Johann, K.S.; Reißing, A. & Bonten, C.
-
Schneller als die Polizei erlaubt. In: Kunststoffe 01/2023, S. 36–39.
Johann, K.S. & Bonten, C.
