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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Extruder zum Zerkleinern von
Gummi, mit einem zylindrischen Rotor und einem den Rotor umgebenden,
ein Innenprofil aufweisenden Stator, wobei zwischen dem Rotor und
dem Stator ein Ringspalt ausgebildet ist und der Rotor relativ zu
dem Stator koaxial drehbar ist, und zwischen dem Rotor und dem Stator
ein Einzugsbereich mit einer Förderschnecke,
wenigstens ein Zerkleinerungsbereich und ein Entladebereich mit
einer Förderschnecke
vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Zerkleinern von Gummi mit einem Extruder mit einem zylindrischen
Rotor und einem den Rotor umgebenden, ein Innenprofil aufweisenden
Stator, wobei zu zerkleinerndes Material durch einen Ringspalt zwischen Rotor
und Stator mit Hilfe von in einem Einzugsbereich des Extruders und
in einem Entladebereich des Extruders vorgesehenen Förderschnecken
gefördert und
in wenigstens einem zwischen dem Einzugsbereich und dem Entladebereich
vorgesehenen Zerkleinerungsbereich zerkleinert wird.
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Aufgrund
der immensen Produktion von Gummiartikeln sind nachhaltige Entsorgungs- und Wiederaufbereitungskonzepte
für Gummi
zur Verfügung
zu stellen. Gummi ist in seiner fertig vulkanisierten Form sehr
widerstandsfähig
gegen viele bekannte Lösungsmittel,
Laugen und Säuren,
extrem gasdicht und resistent gegen biologischen Abbau. Was in einem
neuen Produkt erwünscht
ist, wird bei der Entsorgung zum Problem. Infolge der irreversiblen Netzwerkstruktur
und der unterschiedlichen Zusammensetzung von Gummiprodukten kann
deren Recycling nicht in gleicher Weise wie das anderer Kunststoffe
erfolgen.
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Dem
stetig steigenden Altgummiaufkommen steht eine relativ geringe Menge
an verwertetem Altgummi gegenüber.
Den weitaus größten Anteil
an der Verwertung dieses Abbauproduktes hat die Verbrennung zur
Energieerzeugung. Angestrebt wird, den Anteil der direkten stofflichen
Verwertung von Altgummi, vor allem in höherwertigen Produkten, bedeutend
zu steigern. Voraussetzung für
hochwertige Produkte ist, dass die Gummiab fälle zu Pulvern mit Korngrößen von
vorzugsweise < 800 μm gemahlen werden,
wobei die Pulverteilchen eine möglichst
große
spezifische Oberfläche
haben sollen.
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Ein
Extruder und ein Verfahren der oben genannten Gattung sind aus der
Druckschrift
WO 03/101696
A1 bekannt. Der bekannte Extruder ist ein Warmmahlextruder,
bei welchem Gummi in dem Extruder starken Scherbeanspruchungen ausgesetzt wird.
Durch die mechanische Beanspruchung des Gummis wird viel Wärme erzeugt,
woraus sich die Bezeichnung Warmmahlen ableitet. Das Warmmahlverfahren
besitzt den Vorteil, dass beim Zermahlen des Gummis eine große zerklüftete Oberfläche bei den
entstehenden Gummipartikeln entsteht, die eine gute Einbindung des
Mahlgutes in eine Matrix gewährleistet.
Bedingt durch das erhebliche Wärmeaufkommen
bei der Gummizerkleinerung besitzt das Warmmahlverfahren jedoch
den Nachteil, dass bei den bekannten Verfahren hohe Durchsatzleistungen mit
einem hohen Verschleiß an
der Zerkleinerungsanlage verbunden sind.
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Der
in der Druckschrift
WO
03/1 01 696 A1 beschriebene Warmmahlextruder ist ein Einschneckenextruder,
der einen Rotor aufweist, der relativ zu einem den Rotor umgebenden
Stator koaxial drehbar ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator
ein Ringspalt ausgebildet ist. Der bekannte Warmmahlextruder untergliedert
sich im Wesentlichen in folgende Bereiche: einen Einzugsbereich
mit einer kernprogressiven Förderschnecke,
einen sich daran anschließenden
Zerkleinerungsbereich und eine Dekompressions- und Entladezone,
in welcher eine zweite Zerkleinerung des Mahlgutes stattfindet.
Bei dem bekannten Extruder werden vorher zerkleinerte Gummischnipsel über eine
Dosiereinrichtung zugeführt
und von den Kämmen
der im Einzugsbereich vorgesehenen Verdichtungsschnecke mitgenommen.
Durch die sich ständig
verringernde Gangtiefe der kernprogressiven Förderschnecke im Einzugsbereich
wird das Granulat verdichtet. Im Einzugsbereich weist der Stator
ein Innenprofil mit Einschnitten auf, die den Gummi durch mechanische
Beanspruchung erwärmen.
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Beim
Heranführen
des Materials an den als Aktivator beschriebenen Zerkleinerungsbereich
des bekannten Extruders zerstört
sich der Gummi unter Einwirkung pulsierender Spannungen bei einer
charakteristischen Temperatur. Es erfolgt eine Gassättigung
der Teilchen mit Abbauprodukten von Plastifizierungsmitteln und
anderen Bestandteilen des Gummis sowie die Ausbildung einer porigen
Struktur.
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Beim Übergang
auf den Aktivator bzw. den Zerkleinerungsbereich des bekannten Extruders durchwärmt sich
der Gummi bis zu einer maximalen Temperatur. Die Abbauprodukte des
Gummis verdampfen dabei extrem und die Sättigung erreicht dabei ein
Maximum.
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Beim Übergang
vom Aktivator auf die sich anschließende Entladeschnecke der Entladezone verringert
sich der Umgebungsdruck stark und der Gasdruck zerreißt die Poren
der feinen Gummiteilchen, so dass eine zweite Zerkleinerung stattfindet. Dabei
kommt es zu einer Abkühlung
des Gummis, welcher mit der Förderschnecke
zum Entladestutzen transportiert wird.
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Bei
dem bekannten Extruder entsteht in dem Übergangsbereich zwischen dem
Einzugsbereich und dem Aktivator der größte Druck. In diesem Übergangsbereich
verringert sich die Gangtiefe der Förderschnecke des Einzugsbereiches
so stark, dass es zu einem Rückstau
des Materials kommt. Da der Durchsatz durch den Aktivator im Vergleich
zu dem Durchsatz des Einzugsbereiches relativ gering ist, beginnt
das Gummimaterial unter hohem Druck mit der Förderschnecke im Gehäuse zu rotieren.
Es entsteht eine Scherbewegung zwischen dem Gummi in den Rillennuten
des Stators und den Schneckenstegen. Durch den hohen Druck und die
Reibung kommt es zu einem erheblichen Verschleiß. Dies hat zur Folge, dass
die Schneckenstege nach etwa 1600 Stunden komplett abgetragen sind,
wohingegen Aktivator und Gehäuse
kaum Verschleißerscheinungen
zeigen.
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Ferner
ist es bei der bekannten Vorrichtung fraglich, ob in dem Übergangsbereich
von dem Aktivator zu der Entladezone, bedingt durch die schlagartige
Entspannung, tatsächlich
eine weitere Feinzerkleinerung durch ein Aufreißen der Gummistruktur, d. h.
eine explosive Dekompression, erfolgt. Da sich bei dem bekannten
Extruder der Gummi nur für
wenige Sekunden im Aktivator befindet, hat das entstehende Gas kaum
eine Möglichkeit,
schnell in die Poren des Gummis zu gelangen und sich dort auszudehnen. Dies
ist nur bei solchen Poren vorstellbar, die bereits durch einen Riss
von außen
zugänglich
sind. Bei einer anschließenden
Dekompression würde
sich jedoch auch dieser Riss ausdehnen und das Gas dadurch entweichen.
So ist es lediglich denkbar, dass allenfalls Risse in der Matrix
entstehen. Dies würde eine
weitere, nachgeschaltete Zerkleinerung notwendig machen, welche
bei dem bekannten Extruder jedoch nicht vorgesehen ist.
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Die
Druckschrift
US 5,217,303
A offenbart einen Extruder zum Zerkleinern von Gummi. Der
Extruder weist einen Rotor und einen den Rotor umgebenden festen
Stator auf. Der Stator besitzt einen Statoreintrittsbereich, einen
Wirkbereich und einen Ausgangsbereich. In dem Wirkbereich besitzt
der Stator Statorelemente mit einem Innenprofil, das Statorextrusionsnuten
aufweist. Die Statorextrusionsnuten verlaufen nicht durchgängig von
dem Statoreintrittsbereich bis in den Statorausgangsbereich des
Extruders, sondern nur innerhalb der Statorelemente des Wirkbereiches.
Die Statorextrusionsnuten sind schräg zur Statorachse ausgerichtet
und jeweils nur durch eine dünne
Wand voneinander getrennt. Bei den Statorextrusionsnuten handelt
es sich um eine Abwandlung des als Maddock-Scherteil bekannten Abschnittes eines
Extruders. Diese Scherteile haben die Funktion, das auf der einen
Seite einlaufende Material über
einen Scherspalt hinweg zu zwingen.
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Die
Druckschrift
DE 27
31 438 C2 beinhaltet einen Gummiextruder mit einem Dorn
und einem darum ausgebildeten Gehäuse, wobei der Extruder einen
Beschickungs- und Kompressionsbereich, einen ersten Mischbereich,
einen zweiten Mischbereich und einen Austragsbereich aufweist. Während das Gehäuse in dem
Beschickungs- und Kompressionsbereich sowie in dem Austragsbereich
kein Innenprofil aufweist, ist in dem ersten Mischbereich und in dem
zweiten Mischbereich ein Gehäuseeinsatz
mit einem Innenprofil vorgesehen. Das Innenprofil ist in einem gezeigten
Ausführungsbeispiel
derart gestaltet, dass der erste Mischbereich einen ersten Abschnitt
mit einer zwanziggängigen
Schnecke und einen zweiten Abschnitt mit einer zehngängigen Schnecke
aufweist, während
in dem zweiten Mischbereich einem Abschnitt mit einer zehngängigen Schnecke
ein Abschnitt mit einer zwanziggängigen Schnecke
in Richtung des Materialdurchgangs des Extruders folgt. Somit wechselt
hier ein Scherbereich den nächsten
in Materialdurchgangsrichtung des Extruders ab.
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Die
Druckschrift
DE 1 142
839 A offenbart eine Vorrichtung zum Homogenisieren fließfähiger Stoffe,
in welcher das Gut nicht nur durchmischt, sondern erforderlichenfalls
auch zerkleinert werden kann. Die Vorrichtung weist einen Dorn auf,
der in einem drehbaren Gehäuse
drehbar angeordnet ist, und besitzt einen unter einer Eintrittsöffnung vorgesehenen
Förderabschnitt,
eine Mischkammer und eine Austrittsöffnung am Ende der Mischkammer.
In der Mischkammer sind in dem Dorn und dem Gehäuse jeweils Nuten ausgebildet,
deren Querschnitte sich in einander entgegengesetztem Sinn in Richtung der
Längsachse
der Mischkammer stetig zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert ändern. Dadurch
wird in jedem der Abschnitte die gesamte Stoffmenge starken Mischwirkungen
ausgesetzt. Wird die Vorrichtung als Brech- oder Knetvorrichtung angewendet,
können
die Nuten in der Mischkammer abgerundete Stege aufweisen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Zerkleinerung von Gummi zur Verfügung zu
stellen, durch welche Gummimehl mit hoher Feinheit und einer hohen
spezifischen Oberfläche
der zerkleinerten Gummipartikel bei einer hohen Effizienz und hohen Lebensdauer
der Elemente der Zerkleinerungsvorrichtung erzeugt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch einen Extruder der oben genannten
Gattung gelöst, bei
welchem das Innenprofil des Stators in dem Zerkleinerungsbereich
sich axial zwischen dem Einzugsbereich und dem Entladebereich erstreckende,
voneinander in Umfangsrichtung beabstandete taschenartige Aussparungen
aufweist, wobei das Innenprofil des Stators zwischen den taschenartigen
Aussparungen Scherbereiche mit schräg zur Längsachse des Stators verlaufenden
Nuten aufweist.
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In
die taschenartigen Aussparungen bzw. Taschen kann das zu zerkleinernde
Gummimaterial beim Übergang
von der Förderschnecke
des Einzugsbereiches zum Zerkleinerungsbereich gepresst werden und
somit der Zerkleinerung auch radial zugeführt werden. Das unter Druck
stehende Gummimaterial in den taschenartigen Aussparungen drückt dabei
radial auf den Zerkleinerungsbereich des Rotors, den Aktivator.
Durch die Taschen wird zumindest abschnittsweise verhindert, dass
das Gummimaterial lediglich zwischen Rotor und Stator rotiert. Entsprechend
herrscht eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Rotor und
dem Gummi in den taschenartigen Aussparungen. Hierdurch kann die Effizienz
der Zerkleinerung des Gummis in dem Zerkleinerungsbereich gesteigert
werden. Zudem bewirken die Taschen, in welche relativ schnell eine
große Menge
Material gedrückt
werden kann, eine Verhinderung eines Materialstaus am Übergang
zwischen der Förderschnecke
des Einzugsbereiches und des Zerkleinerungsbereiches, so dass die
Schneckenstege der Förderschnecke
in diesem Bereich einem geringeren Verschleiß unterliegen. Darüber hinaus kann
durch das Vorsehen der Taschen der Materialdurchsatz in dem Zerkleinerungsbereich
und damit die Effizienz der Zerkleinerungsvorrichtung erhöht werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die taschenartigen Aussparungen
eine in Richtung eines Materialdurchgangs durch den Extruder kontinuierlich
abnehmende Tiefe auf. Hierdurch wird innerhalb des Zerkleinerungsbereiches
in Richtung des Materialdurchgangs der Druck in den Taschen verstärkt und
kontinuier lich Material aus den Taschen in den Ringspalt zwischen Rotor
und Stator im Zerkleinerungsbereich zur Zerkleinerung des Gummis
abgegeben.
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Vorzugsweise
wird die Tiefe der taschenartigen Aussparungen nicht kleiner als
3 mm. Auf diese Weise behalten die taschenartigen Aussparungen in dem
gesamten Zerkleinerungsbereich ihre Stützwirkung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
nimmt die Tiefe der taschenartigen Aussparungen auf Null ab. Somit wird
das Material am Ende des Zerkleinerungsbereiches lediglich durch
den engen Ringspalt gepresst und damit besonders gut zerkleinert.
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In
den Scherbereichen kann ein Ringspalt geringer Dicke zwischen dem
Stator und dem Rotor ausgebildet werden, in welchem eine Feinzerkleinerung
des Gummis erfolgt. Durch die Nuten in den Scherbereichen kann das
Material gut zwischen dem Rotor und dem Stator transportiert werden.
Darüber hinaus
können
durch die Nuten der Scherbereiche Bruchstücke von Gummi abgerissen werden,
wodurch eine effektive Zerkleinerung erfolgt.
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In
einem besonders bevorzugten Beispiel der Erfindung schließen die
Scherbereiche mit dem Rotor einen Ringspalt von 1 mm Breite ein.
Durch diesen geringen Spalt kann der Gummi hier auf größte Feinheit
zerkleinert werden.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Scherbereiche
wenige Nuten mit einer hohen Steigung aufweisen, wobei die Nuten
relativ zu den Kanten der taschenartigen Aussparungen des Stators
einen spitzen Winkel ausbilden. Die Nuten bewirken einen verhältnismäßig langsamen
Materialtransport zwischen Stator und Rotor in dem Zerkleinerungsbereich
und darüber
hinaus eine Zerkleinerungswirkung auf den Gummi aus.
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In
einer günstigen
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung fluchtet der Außendurchmesser des
Zerkleinerungsbereiches des Rotors mit dem Kerndurchmesser der Förder schnecke
des Einzugsbereiches. Damit wird der Übergang des Gummis von dem
Einzugsbereich in die taschenartigen Aussparungen des Stators begünstigt.
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In
einem weiteren vorteilhaften Beispiel der vorliegenden Erfindung
weist der Rotor im Zerkleinerungsbereich eine Vielzahl von Nuten
auf, die eine solche Steigung aufweisen, dass sie die Kanten der taschenartigen
Aussparungen des Stators in einem spitzen Winkel schneiden. Durch
die Vielzahl von Nuten kann eine effektive Zerkleinerung des Gummis erreicht
werden, wobei die Nuten aufgrund ihrer hohen Steigung ihre Förderwirkung
behalten. Weiterhin bietet die große Steigung den Vorteil, dass
eine große
Zahl von Nuten am Umfang des Rotors im Zerkleinerungsbereich angeordnet
werden kann.
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Es
hat sich als besonders günstig
herausgestellt, wenn die Nuten im Grund eine Rundung aufweisen.
Diese dient einem kontinuierlichen Austausch von Zerkleinerungsgut
mit den taschenartigen Aussparungen des Stators.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung ist die Förderschnecke des Einzugsbereiches
kernprogressiv ausgebildet. Die Kernprogressivität der Förderschnecke unterstützt die
bereits im Einzugsbereich stattfindende Zerkleinerung des Gummis
durch die kontinuierliche Abnahme der Gangtiefe der Förderschnecke.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist die Förderschnecke des Einzugsbereiches
3-gängig
ausgebildet. Durch den im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlichen
Schneckensteg wird ein zusätzliches
Zerkleinerungsorgan geschaffen, um die Zerkleinerungsleistung im
Einzugsbereich zu erhöhen.
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Entsprechend
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beträgt
die Steigung der Schneckenstege der Förderschnecke des Einzugsbereiches
300 mm. Eine solch hohe Steigung hat ein geringeres Druckaufbauvermögen der Förderschnecke
zur Folge. Damit kann der Druck in der Übergangszone zwischen dem Einzugsbereich und
dem Zerkleinerungsbereich, und damit auch der Verschleiß, reduziert
werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung weisen die Schneckenstege
der Förderschnecke
des Einzugsbereiches eine Breite von 30 mm auf. Hierdurch wird ein
höherer
Verschleißvorrat
geschaffen.
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Es
hat sich ferner als besonders günstig
erwiesen, wenn die Förderschnecke
im Entladebereich kerndegressiv ausgebildet ist. Der abnehmende Kerndurchmesser
der Förderschnecke
im Entladebereich dient dazu, ein Agglomerieren des Mahlgutes, insbesondere
in einem zwischen dem Zerkleinerungsbereich und dem Entladebereich
aus fertigungstechnischen Gründen
entstehenden Ringspalt, zu verhindern bzw. so gering wie möglich zu
halten.
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Vorzugsweise
wird die Steigung der Schneckenstege der Förderschnecke im Entladebereich und
die Steigung der Nuten in dem Innenprofil des Stators in dem Entladebereich
so gewählt,
dass sich ein Materialdurchsatz von 400 kg/h bis 600 kg/h einstellt.
Somit kann eine Förderleistung
eingestellt werden, die klein genug ist, um den Gummi lange genug in
dem Zerkleinerungsbereich zurückzuhalten,
aber groß genug
ist, um einen akzeptablen Durchsatz durch den Extruder zu gewährleisten.
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Es
ist ganz besonders von Vorteil, wenn der Extruder ein Warmmahlextruder
ist. Im Vergleich zu Kaltmahlverfahren, bei welchen Gummi, beispielsweise
mit Hilfe von Stickstoff, unter seine Glasübergangstemperatur abgekühlt wird
und sich relativ einfach durch Prall oder Schlag zerkleinern lässt, wobei jedoch
glatte Bruchflächen
mit einer geringen spezifischen Oberfläche der zerkleinerten Gummipartikel entstehen,
können
bei dem vorgeschlagenen Warmmahlextruder zerkleinerte Gummipartikel
mit einer großen,
zerklüfteten
Oberfläche
erzeugt werden, die eine gute Einbindung des Mahlgutes in die Matrix
eines neuen Materials gewährleisten.
Zusätzlich
zu den erzielbaren idealen Eigenschaften des herstellbaren Gummimehls
hat der erfindungsgemäße Warmmahlextruder
aufgrund seiner spezifischen Bauweise den Vorteil, dass er eine
erhöhte
Durchsatzleistung bei verringertem Verschleiß aufweist.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung weisen der Rotor
und/oder der Stator eine Hülsenform
auf. Eine Statorhülse
kann besonders günstig
um den im Wesentlichen zylindrischen Rotor und die Förderschnecken
angeordnet werden, so dass sich eine einfache Konstruktion ergibt.
Werden Rotor und/oder Stator in Hülsenform gebaut, kann zudem
eine materialsparende Konstruktion zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird ferner verfahrensseitig durch ein Verfahren
der oben genannten Gattung gelöst,
wobei das Material beim Durchgang durch den Zerkleinerungsbereich
wenigstens teilweise in in dem Innenprofil des Stators ausgebildete,
sich axial zwischen dem Einzugsbereich und dem Entladebereich erstreckende,
voneinander in Umfangsrichtung beabstandete taschenartige Aussparungen
gepresst wird und das Material durch die Rotation des Rotors in
zwischen den taschenartigen Aussparungen vorgesehene Scherbereiche
mit schräg
zur Längsachse
des Stators vorgesehenen Nuten transportiert wird.
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Somit
wird erfindungsgemäß über den
Zerkleinerungsbereich hinweg das Gummi in die taschenartigen Aussparungen
des Stators gepresst. Der unter Druck stehende Gummi drückt dabei
radial auf den Zerkleinerungsbereich des Rotors. Es herrscht eine
hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Rotor und dem Gummi in
den taschenartigen Aussparungen. Durch die taschenartigen Aussparungen
kommt es beim Übergang
zwischen dem Einzugsbereich und dem Zerkleinerungsbereich nicht
zu einem Aufstau von Material und damit stark erhöhten Drücken. Entsprechend
kann ein Verschleiß in
diesem Übergangsbereich
minimiert werden. Zudem sorgen die taschenartigen Aussparungen in
dem Stator für
einen effektiven Materialtransport durch den Zerkleinerungsbereich,
welcher einen hohen Materialdurchsatz für den Extruder ermöglicht.
Aus den taschenartigen Aussparungen kann dem eigentlichen Zerkleinerungsbereich
in dem Ringspalt zwischen Stator und Rotor kontinuierlich Material
zugeführt werden,
so dass dort eine zuverlässige
Feinzerkleinerung erfolgen kann. Im Ergebnis kann ein hoch effektives
Feinzerkleinerungsverfahren für
Gummi zur Verfügung
gestellt werden, bei welchem darüber
hinaus die Zerkleinerungsvorrichtung einem verringerten Verschleiß unterliegt.
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Erfindungsgemäß wird der
Durchsatz der gesamten Extrudereinrichtung vom Fördervermögen der Förderschnecke im Entladebereich
bestimmt. Da dieses geringer als das des Einzugsbereiches ist, kommt
es bereits im Einzugsbereich zu einem Rückstau von Material. Dabei
geht der Förderwinkel
stark zurück
und das Material beginnt mit dem Rotor zu rotieren. Entsprechend
kommt es durch die Scherbeanspruchung zwischen den Schneckenstegen
der Förderschnecke
des Einzugsbereiches und dem Innenprofil des Stators zu einer ersten
Zerkleinerung in dem Einzugsbereich.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung liegt zwischen dem Rotor und den Scherbereichen ein Ringspalt von
1 mm Breite vor, wobei das Material in den Scherbereichen feinzerkleinert
wird. Durch den geringen Ringspalt zwischen Rotor und Stator in
den Scherbereichen kommt es dort zu einer Feinzerkleinerung des
Materials, wobei den Scherbereichen durch die Relativbewegung zwischen
Rotor und Stator kontinuierlich Material aus den taschenartigen Aussparungen
in dem Innenprofil des Stators zugeführt wird. Durch die Nuten auf
den Scherbereichen erfolgt einerseits eine Transportwirkung für das Material,
während
die Nuten andererseits zur Zerkleinerung des Materials beitragen.
Da in dem Zerkleinerungsbereich der Rotor ebenfalls ein Nuten aufweisendes
Außenprofil
besitzt, treffen die Kanten der Nuten des Rotors mit hoher Geschwindigkeit
die Körner
des Gummimaterials in den taschenartigen Aussparungen, wobei es
durch die viskoelastischen Eigenschaften des Gummis zu einer Versteifung
an der Auftreffstelle kommt. Dabei reißen die Nuten des Rotors Bruchstücke vom
Gummi ab bzw. nehmen ganze Körner
mit. Daraufhin gelangt das Material in den Nuten des Rotors anschließend wieder
in die Bereiche zwischen den taschenartigen Aussparungen des Stators.
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Es
ist besonders von Vorteil, wenn sich die Geschwindigkeit des Materialdurchgangs
stückweise oder
kontinuierlich vom Einzugsbereich, über den Zerkleinerungsbereich
bis zum Entladebereich des Extruders verringert. Somit wird erfindungsgemäß, im Gegensatz
zu dem in der Druckschrift
WO 03/101696 A1 beschriebenen Verfahren,
auf eine Druckentspannung nach dem Zerkleinerungsbereich verzichtet.
Auf diese Weise kann die Zerkleinerung bis in den Entladebereich
des Extruders fortgesetzt werden, wodurch effektiv die Zerkleinerungszone verlängert und
damit die Zerkleinerungswirkung des erfindungsgemäßen Extruders
erhöht
wird.
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In
einer günstigen
Weiterbildung der Erfindung wird die Verweildauer des Materials
in dem Zerkleinerungsbereich durch die Gestaltung und die Geschwindigkeit
der Förderschnecke
in dem Entladebereich bestimmt. Somit kann die Feinheit des zerkleinerten
Gummimaterials als auch die Förderleistung des
erfindungsgemäßen Extruders
gezielt beeinflusst werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Eigenschaften
werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei
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1 schematisch
ein Beispiel für
einen Rotor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 schematisch
ein Beispiel für
einen Stator gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 schematisch
das Außenprofil
des Rotors aus 1 neben dem Innenprofil des
Stators aus 2 zeigt;
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4 ein
Beispiel für
eine Rotorhülse
in einer Perspektivdarstellung zeigt;
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5 ein
Beispiel eines Einzugsbereiches und eines Zerkleinerungsbereiches
einer Statorhülse in
einer geschnittenen Perspektivdarstellung zeigt;
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6 einen
Ausschnitt des Einzugsbereiches einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Extruders
zeigt, an welchem zu zerkleinerndes Gummimaterial in einen Ringspalt
zwischen Stator und Rotor eingebracht wird;
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7 einen
Ausschnitt einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders
in einem Zerkleinerungsbereich zeigt;
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8 einen
Ausschnitt einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders
in einem Entladebereich zeigt; und
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9 schematisch
die Vorgehensweise bei der Ermittlung einer benötigten Steigung der Rillennuten
im Innenprofil des Stators im Entladebereich einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders
zeigt.
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1 zeigt
schematisch ein Beispiel eines Rotors 1 einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders.
Der Rotor 1 ist im Wesentlichen zylindrisch und vorzugsweise,
wie in 4 dargestellt, in Hülsenform ausgebildet.
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Um
den Rotor 1 ist ein beispielsweise in 2 und 5 dargestellter
Stator 2 vorgesehen. Der Stator 2 weist beispielsweise,
wie in 5 dargestellt, eine Hülsenform auf, kann in anderen
Ausführungsvarianten
der Erfindung jedoch auch in einer anderen Form als Gehäuse um den
Rotor 1, innen konzentrisch zu dem Rotor 1 ausgebildet
sein.
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3 zeigt
schematisch die Relativanordnung des Rotors 1 aus 1 zu
dem Stator 2 aus 2, wobei
sich sowohl der Rotor 1 als auch der Stator 2 in
einen Einzugsbereich 11, einen Zerkleinerungsbereich 12 und
einen Entladebereich 13 untergliedern.
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Der
den Rotor 1 und den Stator 2 aufweisende erfindungsgemäße Extruder
ist ein Warmmahlextruder. In dem Warmmahlextruder erfolgt keine
Kühlung
des Gummis unter seine Glasübergangstemperatur,
wie beim Kaltmahlverfahren. Stattdessen basiert das Zerkleinerungsverfahren
des Warmmahlextruders im Wesentlichen darauf, dass der Gummi in dem
Extruder starken Scherbeanspruchungen zwischen dem Rotor 1 und
dem Stator 2 ausgesetzt wird. Durch die mechanische Beanspruchung
des Gummis wird zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 eine
hohe Wärmemenge
erzeugt. Bei der Zerkleinerung des Gummis entsteht eine große, zerklüftete Oberfläche der
zerkleinerten Gummipartikel, die eine unmittelbare Rückführung der
zerkleinerten Gummipartikel in Produkte hoher Qualität und Beanspruchung
ermöglicht.
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Der
Rotor 1 weist in dem Einzugsbereich 11 zunächst eine
Förderschnecke 3 auf.
In dem gezeigten Beispiel ist die Förderschnecke 3 kernprogressiv ausgebildet,
d. h., die Förderschnecke
verringert ihre Gangtiefe in Richtung des durch den Pfeil A gekennzeichneten
Materialdurchgangs durch den Extruder.
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Die
Förderschnecke
3 ist
in dem gezeigten Beispiel 3-gängig
ausgebildet, d. h. die Förderschnecke
3 weist
drei unabhängig
voneinander verlaufende Schneckenstege
31,
32,
33 auf.
Während
in dem Extruder, der in der Druckschrift
WO 03/101696 A1 beschrieben
ist, nur zwei Schneckenstege verwendet werden, wird in dem erfindungsgemäßen Extru der durch
den zusätzlichen
Schneckensteg ein zusätzliches
Zerkleinerungsorgan geschaffen, um die Zerkleinerungsleistung in
dem Einzugsbereich
11 zu erhöhen.
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Die
Steigung der Schneckenstege
31,
32,
33 beträgt in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel 300
mm. Diese Steigung hat ein zu dem in der Druckschrift
WO 03/101696 A1 beschriebenen
Extruder verringertes Druckaufbauvermögen der Förderschnecke
3 zur
Folge. Damit kann der Druck, insbesondere in der Übergangszone
zwischen dem Einzugsbereich
11 und dem Zerkleinerungsbereich
12, und
damit auch der Verschleiß in
dieser Übergangszone,
reduziert werden.
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Im
Vergleich zu dem Extruder der Druckschrift
WO 03/101696 A1 , dessen
Förderschnecke im
Einzugsbereich Schneckenstege von 18 mm Breite aufweist, weist die
Förderschnecke
3 des
Extruders der vorliegenden Erfindung in dem Einzugsbereich
11 Schneckenstege
mit einer Breite von 30 mm auf, wodurch ein höherer Verschleißvorrat
geschaffen wird.
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Der
Stator 2 weist zunächst
in dem Einzugsbereich 11 eine Einzugstasche 20 mit
einer Länge von
etwa 200 mm auf. In dem sich anschließenden Bereich des Einzugsbereiches 11 weist
der Stator 2 ein Innenprofil mit einer Reihe Rillennuten 21 mit Halbkreisform
und einem Durchmesser von 7 mm auf. Die Rillennuten 21 dienen
der Erhöhung
des Reibwertes an der Zylinderwand des Stators 2. Sie verbessern
dadurch Stofftransport und Druckaufbau. Somit kann der Umstand ausgenutzt
werden, dass der Reibwert im Polymer selbst, d. h. der innere Reibwert,
in aller Regel größer ist
als der zwischen Polymer und Statorinnenoberfläche, d. h. der äußere Reibwert.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der innen profilierte Bereich des Einzugsbereiches 11 des
Stators 2 etwa 200 mm lang und weist linkssteigende 8-gängige Nuten
sowie rechtssteigende 4-gängige
Nuten mit einer Steigung von jeweils 180 mm auf. In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
sowohl die Ganganzahl als auch der Wert für die Steigung von den genannten
Werten abweichen.
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Im
Anschluss an den Einzugsbereich 11 geht sowohl der Rotor 1 als
auch der Stator 2 in den Zerkleinerungsbereich 12 über, wobei
die Profilierung des Rotors 1 in dem Zerkleinerungsbereich 12 die
Innenprofilierung des Stators 2 in dem Zerkleinerungsbereich 12 jeweils
in den Übergangsbereichen
zu dem Einzugsbereich 11 sowie dem Entladebereich 13 überlappt.
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Der
Außendurchmesser
D des Rotors 1 in dem Zerkleinerungsbereich 12 fluchtet
mit dem Kerndurchmesser d der Förderschnecke 3 in
dem Einzugsbereich 11 des Rotors 1. Damit wird
der Übergang
des Gummis von dem Einzugsbereich 11 in die in dem Innenprofil
des Stators 2 in dem Zerkleinerungsbereich 12 vorgesehenen
taschenartigen Aussparungen 22 begünstigt. Weiter besitzt der
Rotor 1 in dem Zerkleinerungsbereich 12 eine Vielzahl rechtssteigender
Nuten 41, die im Grund mit einer Rundung in einem Rotationskörper 4 ausgebildet sind.
Die Nuten 41 dienen der Zerkleinerung und Förderung
des Gummis durch den Extruder.
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In
dem gezeigten Beispiel weisen die Nuten 41 eine Steigung
von 1500 mm auf. Dadurch schneiden sie die Kanten 23 der
taschenartigen Aussparungen 22 in dem Stator 2 in
einem möglichst
spitzen Winkel, wobei sie trotzdem eine Förderwirkung behalten. Weiterhin
bietet die große
Steigung den Vorteil, dass eine große Zahl von Nuten 41 am
Umfang des Rotationskörpers 4 des
Rotors 1 angeordnet werden kann. Die Zerkleinerungs- und
damit auch die Antriebsleistung kann damit in einem weiten Bereich variiert
werden. In dem gezeigten Beispiel besitzt der Zerkleinerungsbereich 12 des
Rotors 1 vierzig Nuten 41 mit einer Breite von
jeweils 10 mm. Die Rundung im Grund der Nuten 41 dient
einem kontinuierlichen Austausch von Zerkleinerungsgut mit den taschenartigen
Aussparungen 22 des Stators 2.
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Im
Hinblick auf 2 weist der Zerkleinerungsbereich 12 des
Stators 2 in seinem Innenprofil die taschenartigen Aussparungen 22 auf,
die sich axial zwischen dem Einzugsbereich 11 und dem Entladebereich 13,
voneinander in Umfangsrichtung des Stators 2 beabstandet
erstrecken. In die taschenartigen Aussparungen 22 wird
der Gummi, der aus dem Einzugsbereich 11 kommt, gepresst
und dem Zerkleinerungsorgan bzw. dem Rotor 1 dadurch nicht
mehr ausschließlich
axial, sondern auch radial zugeführt. Dies
geschieht dabei über
die gesamte Ausdehnung der taschenartigen Aussparungen 22.
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In
dem gezeigten Beispiel besitzen die taschenartigen Aussparungen 22 eine
kontinuierlich abnehmende Tiefe, die jedoch nicht kleiner als 3
mm wird, um ihre Stützwirkung
zu behalten. Mit ihnen wird verhindert, dass der Gummi im Stator 2 rotieren kann.
Dies hat eine Maximierung der Relativgeschwindigkeit zwischen Gummi
und Rotor 1 zur Folge.
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Zwischen
den taschenartigen Aussparungen 22 weist der Stator 2 Scherbereiche 24 auf,
die mit dem Rotor 1 einen Ringspalt 6 einschließen, der
hier eine Breite von etwa 1 mm aufweist. Die Scherbereiche 24 besitzen
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
jeweils drei rechtssteigende Nuten 25 mit großer Steigung.
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An
den Zerkleinerungsbereich 12 schließt sich sowohl bei dem Rotor 1 als
auch bei dem Stator 2 der Entladebereich 13 an.
Wie in 2 gezeigt, schließt sich an den Zerkleinerungsbereich 12 des Stators 2 zunächst ein
Ringspalt 26 an, der jedoch lediglich als Auslauf für den Drehmeißel bei
der Herstellung des Extruders dient. Da sich das Material in dem
Ringspalt 26 staut, ehe es nach außen gefördert wird, soll der Ringspalt 26 so
gering wie möglich
gehalten werden. Dadurch soll eine Agglomeration der Gummipartikel
vermieden werden.
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Direkt
im Anschluss an den Ringspalt 26 weist der Entladebereich 13 des
Rotors 1 eine Förderschnecke 5 auf.
Die Förderschnecke 5 ist
kerndegressiv ausgebildet. Der sich hierdurch vergrößernde Zwischenwindungsraum
bei der Förderschnecke 5 dient
ebenfalls einer Verhinderung einer Agglomeration von Gummipartikeln
in dem Spalt 26.
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Im
Folgenden wird anhand der 6 bis 8 an
einem konkreten Ausführungsbeispiel
die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Extruders näher erläutert.
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6 zeigt
einen Ausschnitt einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders
in dem Einzugsbereich 11. In dem Einzugsbereich 11 wird das
vorzerkleinerte Gummi dem Extruder an Punkt 1 mittels einer
Dosiervorrichtung über
die Einzugstasche 20 in den Stator 2 zugeführt und
von den Schneckenstegen 31, 32, 33 der
Förderschnecke 3 des
Rotors 1 mitgenommen.
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Der
Durchsatz des gesamten Extruders wird von dem Fördervermögen der in 6 nicht
dargestellten Förderschnecke 5 im
Entladebereich 13 bestimmt. Dieses ist wesentlich geringer
als das der Förderschnecke 3 des
Einzugsbereiches 11, weshalb es in dem Einzugsbereich 11 zu
einem Rückstau des
Materials kommt. Dabei geht der Förderwin kel stark zurück und das
Material beginnt mit dem Rotor 1 zu rotieren. Durch die
Scherbeanspruchung zwischen den Schneckenstegen 31, 32, 33 und
den Rillennuten 21 in dem Einzugsbereich 11 des
Stators 2 kommt es zu einer ersten Zerkleinerung. Die Kernprogressivität der Förderschnecke 3 unterstützt die Zerkleinerung
dabei durch die kontinuierliche Abnahme der Gangtiefe.
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Der
Einzugsbereich 11 in 6 endet
an Punkt 2. Hier geht der Gummi von der Förderschnecke 3 in
die taschenartigen Aussparungen 22 des Zerkleinerungsbereichs 12 über. Der
Gummi aus den Rillennuten 21 gelangt zunächst in
den Ringspalt 6 zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 und
von dort ebenfalls in die taschenartigen Aussparungen 22.
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7 zeigt
einen Ausschnitt einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders
mit dem Zerkleinerungsbereich 12. In dem Zerkleinerungsbereich 12 befindet
sich der Rotationskörper 4, d.
h. der Aktivator, fluchtend zum Kerndurchmesser d der Förderschnecke 3,
die in 6 dargestellt ist. Über diesen hinweg wird das
Gummi in die taschenartigen Aussparungen 22 des Stators 2 gepresst. Das
unter Druck stehende Gummi drückt
dabei radial auf den Rotor 1. Es herrscht eine hohe Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Rotor 1 und dem Gummi in den taschenartigen
Aussparungen 22. Treffen die Kanten der Nuten 41 in
dem Rotationskörper 4 des
Rotors 1 mit hoher Geschwindigkeit auf ein Korn in den
taschenartigen Aussparungen 22, kommt es durch die viskoelastischen
Eigenschaften des Gummis zu einer Versteifung des Korns. In den
Scherbereichen 24 bildet der Rotor 1 mit dem Stator 2 einen Ringspalt 6 mit
einer Breite von etwa 1 mm. Durch diesen geringen Spalt 6 kann
der Gummi hier auf die größte Feinheit
zerkleinert werden.
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Diese
Vorgänge
wiederholen sich solange, bis das Material den Zerkleinerungsbereich 12 wieder
verlässt.
Die Verweildauer in dem Zerkleinerungsbereich 12 kann dabei
durch die Gestaltung der Förderschnecke 5 in
dem Entladebereich 13 gezielt angepasst werden.
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8 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Extruders
mit dem Entladebereich 13. Der Entladebereich 13 befördert das
Mahlgut nach außen
und kühlt
es dabei. Um ein Agglomerieren des Mahlgutes zu verhindern, ist
die Förderschnecke 5 in
dem Entladebereich 13 kerndegressiv, d. h. mit abnehmenden
Kern durchmesser, gestaltet. Die Steigung der Schneckenstege 51, 52, 53 der
Förderschnecke 5 und
der Rillennuten 27 des Stators 2 in dem Entladebereich 13 ist
dabei so gewählt,
dass sich ein Durchsatz von etwa 400 kg/h bis etwa 600 kg/h bei
einer Drehzahl von 60 min–1 einstellt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Extruder
wird die Förderleistung
des Entladebereiches 13 so angepasst, dass das Mahlgut
lange genug in dem Zerkleinerungsbereich 12 verweilt, um
eine ausreichende Zerkleinerung zu erfahren. Die Förderschnecke 5 des
Entladebereichs 13 soll deshalb so gestaltet sein, dass
sie eine Förderleistung
besitzt, die es ermöglicht,
das Gummimaterial lange genug in dem Zerkleinerungsbereich 12 zurückzuhalten,
aber groß genug
ist, um einen akzeptablen Durchsatz durch den Extruder zu gewährleisten.
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Im
Folgenden wird anhand eines Beispiels der benötigte Vorschub in dieser Zone,
ausgehend von einem Durchsatz von 500 kg/h berechnet.
- Dichte:
- Massedurchsatz: Mh=
500 kgh
- Packungsdichte (geschätzt): PD := 0,8
- bei Massedurchsatz benötigter
Volumendurchsatz:
- Verhältnis
Ringspalt/Schneckensteg: v := 23
- mittlerer Durchmesser Schnecke: dm := 440 mm
- Ringspalt: RS := 3 mm
- Querschnittsfläche: A := π·dm·RS·v A =
2764,602 mm2
- Vorschub:
-
Damit
beträgt
der notwendige Vorschub etwa 70 mm/s.
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Die
Förderschnecke 5 besitzt
in dem aufgeführten
Beispiel eine Steigung von 150 mm. Das entspricht einem Steigungswinkel
von 6,2°.
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9 zeigt
schematisch eine mögliche
Vorgehensweise bei einer Ermittlung der benötigten Steigung der Rillennuten 27 in
dem Entladebereich 13 des Stators 2, um einen
Vorschub von 70 mm/s bei 60 U/min zu erhalten. Der gemäß 9 hergeleitete
Steigungswinkel der Rillennuten 27 beträgt 5,6°, was einer Steigung von 140
mm entspricht.
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Der
erfindungsgemäße Extruder
hat insbesondere durch die spezielle Ausgestaltung der taschenartigen
Aussparungen 22 in dem Zerkleinerungsbereich 12 und
durch die kontinuierlich von dem Einzugsbereich 11, über den
Zerkleinerungsbereich 12 bis hin zu dem Entladebereich 13 vorgesehene steigende
Verdichtung eine Reihe von Vorteilen gegenüber den aus dem Stand der Technik
bekannten Extrudervorrichtungen. Die Relativgeschwindigkeit zwischen
dem Zerkleinerungsorgan und dem Mahlgut kann durch das Vorsehen
der taschenartigen Aussparungen 22 erhöht werden und dadurch eine stärkere Versteifung
des zu zerkleinernden Gummimaterials erreicht werden. Zerkleinerungsleistung und
Durchsatz des erfindungsgemäßen Extruders können getrennt
voneinander angepasst werden. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Extruder
einen reduzierten Verschleiß durch
einen geringeren Druckaufbau und die radiale Zuführung des Mahlgutes in dem
Zerkleinerungsbereich 12 zu dem Zerkleinerungsorgan auf.
