TY - THES

T1 - Berechnung der Einzugszone und der Aufschmelzzone eines konisch gleichlaufenden Doppelschneckenextruders

AU - Münzer, Martin Herbert

N1 - gesperrt bis 16-08-2016

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Extruder sind wichtige Verarbeitungsmaschinen in der Kunststoffindustrie. Meist werden sie zum Aufschmelzen von festen Kunststoffgranulaten eingesetzt. Die Kunststoffschmelze wird in angeschlossenen Formgebungsprozessen weiterverarbeitet. Je nach Formgebungswerkzeug sind dabei unterschiedlichste Prozessparameter wie Schmelzetemperatur, Massedurchsatz oder Druck einzuhalten. Gleichläufige Doppelschneckenextruder mit kämmenden Schnecken haben sich aufgrund ihres Selbstreinigungseffekts zu wichtigen Aufbereitungsmaschinen entwickelt. Die Firma M-A-S Maschinen- und Anlagenbau Schulz GmbH entwickelt und produziert konische gleichläufige Doppelschneckenextruder mit dicht-kämmenden Schnecken. Aufgrund der konischen Form und der daraus resultierenden großen Geometrien am Anfang der Schnecke kann auch Material verarbeitet werden, das in ungünstiger Form, wie zum Beispiel Flakes, vorliegt. Des Weiteren können auch bei Materialien mit geringer Schüttdichte hohe Massedurchsätze erzielt werden. Durch die kleiner werdenden Geometrien am Ende der Schnecke ist bei kürzerer Baulänge das Druckaufbauvermögen erhöht. Durch die mathematische Beschreibung der physikalischen Vorgänge im Extruder ist es möglich, gezielte Verbesserungen und Anpassungen der Extrudergeometrie vorzunehmen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Feststoffförderzone und der Aufschmelzzone des konisch gleichläufigen Doppelschneckenextruders; dabei wird vom Rinnenmodell ausgegangen. Die Beschreibung der Geometrie erfolgt durch elementweise Berechnung in Axialrichtung, wobei für jedes Element parallele Verhältnisse angenommen werden. Die Berechnung des maximal förderbaren Massestroms erfolgt für das Erdmenger-Profil, das Schubflankenprofil und das doppelte Schubflankenprofil. Dabei wird eine Korrektur der Schüttdichte und der maximalen Feststoffbettbreite durchgeführt. Bei der Berechnung des Aufschmelzverlaufs wird von einem modifizierten Tadmor-Modell ausgegangen, welches eine ortsabhängige Schmelzefilmdicke berücksichtigt. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass die Viskosität der Schmelze dem Potenzgesetz folgt. Für die Temperaturverschiebung wird ein Exponentialansatz verwendet. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein VBA-Programm zur Berechnung des maximalen Durchsatzes der Feststoffförderzone und der Aufschmelzlänge sowie der Schmelzetemperatur am Ende des Aufschmelzvorgangs. Es wurde festgestellt, dass bei steigender Zylindertemperatur die Aufschmelzlänge ansteigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei steigender Zylindertemperatur die Dicke des Schmelzefilms zunimmt während die Viskosität der Schmelze abnimmt, was eine Verringerung des Dissipationsanteils am Aufschmelzvorgang zur Folge hat. Wie die Berechnungen zeigen, ist die maximale Förderleistung des doppelten Schubflankenprofils am größten, gefolgt vom Schubflankenprofil. Das Erdmengerprofil hat die geringste Förderleistung.

AB - Extruder sind wichtige Verarbeitungsmaschinen in der Kunststoffindustrie. Meist werden sie zum Aufschmelzen von festen Kunststoffgranulaten eingesetzt. Die Kunststoffschmelze wird in angeschlossenen Formgebungsprozessen weiterverarbeitet. Je nach Formgebungswerkzeug sind dabei unterschiedlichste Prozessparameter wie Schmelzetemperatur, Massedurchsatz oder Druck einzuhalten. Gleichläufige Doppelschneckenextruder mit kämmenden Schnecken haben sich aufgrund ihres Selbstreinigungseffekts zu wichtigen Aufbereitungsmaschinen entwickelt. Die Firma M-A-S Maschinen- und Anlagenbau Schulz GmbH entwickelt und produziert konische gleichläufige Doppelschneckenextruder mit dicht-kämmenden Schnecken. Aufgrund der konischen Form und der daraus resultierenden großen Geometrien am Anfang der Schnecke kann auch Material verarbeitet werden, das in ungünstiger Form, wie zum Beispiel Flakes, vorliegt. Des Weiteren können auch bei Materialien mit geringer Schüttdichte hohe Massedurchsätze erzielt werden. Durch die kleiner werdenden Geometrien am Ende der Schnecke ist bei kürzerer Baulänge das Druckaufbauvermögen erhöht. Durch die mathematische Beschreibung der physikalischen Vorgänge im Extruder ist es möglich, gezielte Verbesserungen und Anpassungen der Extrudergeometrie vorzunehmen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Feststoffförderzone und der Aufschmelzzone des konisch gleichläufigen Doppelschneckenextruders; dabei wird vom Rinnenmodell ausgegangen. Die Beschreibung der Geometrie erfolgt durch elementweise Berechnung in Axialrichtung, wobei für jedes Element parallele Verhältnisse angenommen werden. Die Berechnung des maximal förderbaren Massestroms erfolgt für das Erdmenger-Profil, das Schubflankenprofil und das doppelte Schubflankenprofil. Dabei wird eine Korrektur der Schüttdichte und der maximalen Feststoffbettbreite durchgeführt. Bei der Berechnung des Aufschmelzverlaufs wird von einem modifizierten Tadmor-Modell ausgegangen, welches eine ortsabhängige Schmelzefilmdicke berücksichtigt. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass die Viskosität der Schmelze dem Potenzgesetz folgt. Für die Temperaturverschiebung wird ein Exponentialansatz verwendet. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein VBA-Programm zur Berechnung des maximalen Durchsatzes der Feststoffförderzone und der Aufschmelzlänge sowie der Schmelzetemperatur am Ende des Aufschmelzvorgangs. Es wurde festgestellt, dass bei steigender Zylindertemperatur die Aufschmelzlänge ansteigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei steigender Zylindertemperatur die Dicke des Schmelzefilms zunimmt während die Viskosität der Schmelze abnimmt, was eine Verringerung des Dissipationsanteils am Aufschmelzvorgang zur Folge hat. Wie die Berechnungen zeigen, ist die maximale Förderleistung des doppelten Schubflankenprofils am größten, gefolgt vom Schubflankenprofil. Das Erdmengerprofil hat die geringste Förderleistung.

KW - konischer

KW - doppelschneckenextruder

KW - feststoffförderzone

KW - aufschmelzzone

KW - conical

KW - twin-screw extruder

KW - feeding zone

KW - melting zone

M3 - Masterarbeit

ER -