DE102010064412B4

DE102010064412B4 - Verfahren zur Aufrechterhaltung des von einem Extrudat an ein Fluid abgegebenen Wärmestromes

Info

Publication number: DE102010064412B4
Application number: DE102010064412.9A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dohmann
Original assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Current assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2031-01-01
Also published as: DE102010064412A1

Abstract

Verfahren zur Aufrechterhaltung des von einem Extrudat (10) an ein Fluid abgegebenen Wärmestromes in einer Extrusionslinie, die über eine Vielzahl von Einstellgrößen gesteuert und/oder geregelt wird, vorzugsweise einer Rohrextrusionslinie, wobei das Fluid durch das Innere des Extrudates (10) von einer Fluideintrittsstelle (15) bis zu einer Fluidaustrittsstelle (16) mittels eines Sauggerätes (13) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer gleichen Zone mindestens die Parameter Fluidtemperatur (T), Fluiddruck (p) und Volumenstrom, nachdem das Fluid durch das Innere des Extrudates gefördert wurde, erfasst oder ermittelt werden und b) mit diesen Parametern der vorhandene Wärmestrom berechnet und als Kerngröße bestimmt wird, die ein Optimum für die vom Extrudat (10) an das Fluid abgegebenen Wärmeströme beinhaltet, c) die Parameter nach Verfahrensschritt a) kontinuierlich erfasst werden und der Wärmestrom erneut berechnet wird, d) der erneut berechnete Wärmestrom mit der gemäß Schritt b) bestimmten Kerngröße verglichen wird und e) beim Auftreten von Abweichungen Einstellgrößen der Extrusionslinie verändert werden, bis der erneut berechnete Wärmestrom wieder ein Optimum für die vom Extrudat (10) an das Fluid abgegebenen Wärmeströme beinhaltet, wobei die erforderlichen Veränderungen in Abhängigkeit von der Abweichung in der Steuerung hinterlegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung des von einem Extrudat an ein Fluid abgegebenen Wärmestromes in einer Extrusionslinie die über eine Vielzahl von Einstellgrößen gesteuert und/oder geregelt wird, vorzugsweise einer Rohrextrusionslinie, wobei das Fluid durch das Innere des Extrudates von einer Fluideintrittsstelle bis zu einer Fluidaustrittsstelle mittels eines Sauggerätes gefördert wird.
Aus dem Stand der Technik sind Möglichkeiten der Rohrinnenkühlung bekannt. So schlägt beispielsweise die DE 694 03 693 T2 vor, die Innenwandung des Rohres mit einem Sprühnebel zu versehen und dadurch eine Verdampfung der Flüssigkeit an der Innenwandung des Rohres und damit eine Kühlung zu erreichen. Derartige Kühlungen haben sich jedoch nicht als praktisch erwiesen, da der heiße Wasserdampf in Extrusionsrichtung mitgeführt wird und so zwar in der Kalibrierung das Abkühlen des Rohres unterstützt, aber dann am Ende der Extrusionslinie, beispielsweise im Bereich der Säge, das Rohr auf einer Temperatur hält, so dass dieses zwar formstabil, jedoch für den Trennprozess zu weich ist. Durch die Kondensatbildung an der Rohrinnenwand ergeben sich schlechte Innenoberflächen und das entstehende Wasser unten im Rohr hat zusätzlich einen negativen Einfluss auf die Rundheit des Rohres. Auch ist der Abtransport des Wassers problematisch.
Die DE 10 2008 047 209 A1 schlägt vor entgegen der Extrusionsrichtung Luft durch das Innere des extrudierten Rohres bis durch das Werkzeug hindurch zu saugen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Extrusionslinie anzubieten bei der die Kühlleistung konstant gehalten werden kann.
Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer gleichen Zone mindestens die Parameter Fluidtemperatur, Fluiddruck und Volumenstrom, nachdem das Fluid durch das Innere des Extrudates gefördert wurde, erfasst oder ermittelt werden und b) mit diesen Parametern der vorhandene Wärmestrom berechnet und als Kerngröße bestimmt wird, die ein Optimum für die vom Extrudat an das Fluid abgegebenen Wärmeströme beinhaltet, c) die Parameter nach Verfahrensschritt a) kontinuierlich erfasst werden und der Wärmestrom erneut berechnet wird, d) der erneut berechnete Wärmestrom mit der gemäß Schritt b) bestimmten Kerngröße verglichen wird und e) beim Auftreten von Abweichungen Einstellgrößen der Extrusionslinie verändert werden, bis der erneut berechnete Wärmestrom wieder ein Optimum für die vom Extrudat (10) an das Fluid abgegebenen Wärmeströme beinhaltet, wobei die erforderlichen Veränderungen in Abhängigkeit von der Abweichung in der Steuerung hinterlegt sind.
Durch die Aufnahme der Parameter in einer gleichen Zone, es werden also alle Parameter mit weitgehend gleichen Zustandsbedingungen aufgenommen, ist sichergestellt, dass die aufgenommenen Größen auch thermodynamisch dem gleichen Zustand zugeordnet werden können. Insbesondere bei der Druck und Volumenstrommessung ist darauf zu achten, dass sie bei laminarer Strömung erfolgt, da bei turbulenter Strömung Messfehler auftreten. Methoden zur Messung sind allgemein bekannt, so kann z.B. mittels des Prandtl`schen-Staurohrs in Verbindung mit den Bernoullischen Energiegleichungen und den weiteren thermodynamischen Gleichungen, wie Kreisprozesse, pvT-Gleichungen, Enthalpie und Entropie etc. der an dieser Stelle vorherrschende Wärmestrom ermittelt werden.
Wird die Extrusionslinie, wovon bei den vorgenannten Verfahrensschritten ausgegangen wird, bereits im optimalen Bereich betrieben, kann dieser ermittelte Wärmestrom als Basis für ein Optimum der vom Extrudat an das Fluid abgegebenen Wärmeströme angesehen werden womit die bestmögliche Kühlung des Extrudates erreichbar ist. Diese Werte können als Kerngröße für spätere Vergleiche bestimmt werden.
Durch eine fortwährende Ermittlung obiger Parameter, kann somit permanent der Wärmestrom überwacht werden. Unter der Vorraussetzung, dass an der Extrusionslinie keine Einstellgrößen verändert wurden, ist davon auszugehen, dass eine Änderung des Wärmestromes auf sonstige Einflüsse zurückzuführen ist. Hierbei wird z. B. an eine Veränderung der Außentemperatur gedacht. Ist die angesaugte Luft z.B. durch Sonneneinstrahlung erwärmt worden, stimmen die ursprünglichen Ausgangsparameter für einen optimalen Prozess der Linie nicht mehr. Durch das vorgeschlagen Verfahren wird solchen Einflüssen Rechnung getragen. So kann beispielsweise durch Erhöhung der Drehzahl des Ventilators die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die durch das Innere des Rohres geleitet wird, erhöht werden, wodurch der Luftaustausch schneller vonstatten geht, was wiederum die Kühlung des Extrudates begünstigt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Aufrechterhaltung des gewünschten Wärmestromes der erforderliche Volumenstrom anhand einer hinterlegten Kennlinie des Sauggerätes in Abhängigkeit der ermittelten Parameter bestimmt wird. Dafür ist jedoch erforderlich, dass die aufgenommen Parameter in unmittelbarer Nähe, also benachbart zum Sauggerät, aufgenommen werden. Damit wird sichergestellt, dass die aufgenommen Parameter in direkter Beziehung zum Sauggerät stehen und folglich Rückschlüsse in Verbindung mit diesem gezogen werden können. Denn bekanntlich ist ein Volumenstrom von der Temperatur und Druck abhängig, würde die Messung zu weit weg vom Sauggerät erfolgen, stünde sie nicht im Zusammenhang mit dem über die Kennlinie ermittelten Volumenstrom des Sauggerätes und wäre für das beschriebene Verfahren wertlos.
Jedem Sauggerät, ob Ventilator, Seitenkanalgebläse oder Kolbenverdichter usw. sind Kennlinien zugeordnet, die die gegenseitige Abhängigkeit von Volumenstrom zu Druckerhöhung und Temperaturveränderungen darstellen. Jedes Sauggerät, egal ob es nun wortsinngemäß saugt oder bläst, muss gegen einen Strömungwiderstand arbeiten und erzeugt somit einen Über- oder Unterdruck. Sein Volumenstrom wird dadurch beeinflusst. Je nachdem welcher Druck und/oder welche Temperatur vorherrschen, sind diese Kennlinien unterschiedlich, auch spielt die Bauart des Gerätes eine Rolle. Derartige Kennlinien sind für die in der Extrusionslinie eingesetzten Sauggeräte in der Anlagensteuerung hinterlegt. Es ist somit nun möglich mit der vorherrschenden Temperatur bzw. dem vorherrschenden Druck in Verbindung mit der Drehzahl und/oder der Stromaufnahme des Sauggerätes auf den vorherrschenden Volumenstrom zu kommen, da mit den ermittelten Größen bei gleichem Zustand eindeutige eine Kennlinie des Sauggerätes bestimmt werden kann. Sollte eine Zustandsgröße zwischen zwei Kennlinien liegen, kann das System durch Iteration oder sonstigen geeigneten Verfahren zu einem genäherten idealen Volumenstrom gelangen und diesen für die weitere Berechnung heranziehen. Anhand dieser Daten kann nach mathematischen Grundsätzen (thermodynamische Gleichungen) immer der momentane Wärmestrom ermittelt werden.
Sofern man die Eingangstemperatur des Luftstromes ermittelt und damit die Temperaturdifferenz, also das ΔT kennt, kann auch die Wärmemenge Q bestimmt werden die dem Extrudat entzogen wird, da ja die spezifische Wärmekapazität und die Dichte des eingesetzten Fluids bekannt sind. In Folge dessen kann dann sogar die Kühlleistung bestimmt werden.
Wie weiter oben bereits erwähnt, wird vorgeschlagen bei auftretenden Abweichungen im Wärmestrom zunächst den Volumenstrom des Fluids durch das Innere des Extrudates zu verändern. Es können aber natürlich auch weitere Einstellgrößen der Extrusionslinie, wie die Kühltemperatur im Kühl- und/oder Vakuumtank und/oder die Extruderdrehzahl aber auch der Massestrom des Kunststoffes verändert werden.
Eine weitere Alternative ist es, einen bereits in die Extrusionslinie eingebundenen Kühltank in den Prozess zu integrieren oder umgekehrt aus dem Prozess zu nehmen. Es kann also durch das vorgeschlagene Verfahren ein oder mehrere Kühltanks mit mehr oder weniger Kühlung beaufschlagt werden.
Alle Veränderungen an den Einstellgrößen der Extrusionslinie, die durch die Feststellung einer Abweichung der kontinuierlichen Messungen und Berechnungen zu der einmal bestimmten Kerngröße vorgenommen werden, basieren auf Erfahrungswerte die
Es ist vorgesehen, dass das Fluid entgegen der Extrusionsrichtung gefördert wird, es ist aber auch denkbar dies in Extrusionsrichtung zu tun oder mittels einer Einblaslanze zunächst in das Innere des Rohres zu blasen und an der gleichen Stelle (Einblasstelle) wieder abzusaugen.
Als Fluid wird in erster Linie Luft zum Einsatz kommen, es sind aber auch andere zur Kühlung geeignete Medien wie Wasser oder Halogenkohlenwasserstoffe oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe denkbar, wobei natürlich beim Einsatz solcher Stoffe die Umweltverträglichkeiten zu berücksichtigen sind.
Das vorgeschlagene Verfahren ist somit geeignet, Veränderungen im Kühlverhalten während der Extrusion festzustellen und sofort darauf zu reagieren. Soweit möglich, verändert es automatisch Einstellgrößen, um das Optimum, den Basiswärmestrom, wieder zu erreichen oder es werden Signale angezeigt (optisch, akustisch), die Bedienpersonal auf das Auftreten der Veränderung aufmerksam machen.
In den Zeichnungen ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
1 zeigt eine Extrusionslinie in der Seitenansicht,
2 die Extrusionslinie in der Draufsicht,
3 ein vergrößerter Ausschnitt der 2 und
4 eine schematische Darstellung der Wärmeströme.
In der 1 ist schematisch eine Extrusionslinie dargestellt mit der ein Extrudat 10 erzeugt wird, hier beispielhaft ein Rohr. Sie umfasst einen Extruder 1 mit einer Materialaufgabe 3, ein sich in Extrusionsrichtung 17 anschließendes Werkzeug 5, einen Vakuumtank 6, einen Kühltank 7, einen Abzug 8 und eine Trennvorrichtung 9.
Ein Fluidstrom 11, hier beispielhaft ein Luftstrom, erstreckt sich entlang der Extrusionsachse 2 im Inneren des Rohres 10 von der Fluideintrittsstelle 15 zur Fluidaustrittsstelle 16. Der Luftstrom 11 wir mit Hilfe eins Sauggerätes 13, hier ein Ventilator, entgegen der Extrusionsrichtung 17 gefördert. Der Luftstrom durchfließt einen Elektrofilter 12 und den Schalldämpfer 4. In unmittelbarer Nähe des Ventilators 13 sind Messaufnehmer angeordnet über die die Lufttemperatur T, der Luftdruck p ermittelt/gemessen werden können. Weiterhin kann die Stromaufnahme A und die Drehzahl n des Ventilators 13 ermittelt/gemessen werden.
2 zeigt die gleiche Linie, wobei gleiche Bezugsziffern für gleiche Teile wie in 1 verwendet wurden. In dieser Figur ist zusätzlich die Fluidführung 14 zum Elektrofilter 12 zu sehen.
3 ist eine Ausschnittvergrößerung eines Teils der 2, auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern benannt. In dieser Figur wird zusätzlich symbolisch verdeutlich, dass aus dem System ein Wärmestrom Q . durch den Fluidstrom abgeführt wird.
4 zeigt rein schematisch die verschiedenen Wärmeströme Q . und verdeutlicht den Kern der Erfindung.
Ein Rohr 10 durchläuft während des Extrusionsprozesses den Vakuumtank 6 und den Kühltank 7 und gibt Wärme nach Innen und Außen an die Kühlmedien der Tanks ab. Hier ist lediglich der Teil der Abgabe nach Innen dargestellt. Entlang der Extrusionsachse 2 im Inneren des Rohres 10 wird ein Fluidstrom 11 mittels eines Ventilators 13 entgegen der Extrusionsrichtung 17 geführt. Durch diese Strömung wird das Rohr 10 von Innen gekühlt, dabei gibt das Rohr 10 permanent Wärme an die Luft ab. Beispielhaft wird hier an zwei Stellen der Wärmestrom Q ._Rn vom Rohr 10 an den Luftstrom 11 gezeigt. Auf Höhe des Kühltankes 7 wird der Wärmestrom Q ._R1 und auf Höhe des Vakuumtankes der Wärmestrom Q ._R2 an den Luftstrom 11 übertragen. Hinter dem Ventilator 13 wird die Summe aller Wärmeströme ΣQ . nach Außen gefördert, auch der Wärmestrom der nicht vom Rohr 10 an den Luftstrom 11 übertragen wurde, sondern sozusagen als Fremdwärmestrom Q .₀ von außen dem Luftstrom 11 zugeführt wurde.
Eine Messung von Parametern an der Messstelle M spiegelt eine Kerngröße wieder, die bei bestmöglicher Extrusionslinieneinstellung ein Optimum der vom Rohr 10 an den Luftstrom 11 abgegebenen Wärmeströme Q ._R beinhaltet. Bleiben alle Einstellgrößen der Extrusionslinie unverändert und wird an der Messstelle M eine Veränderung festgestellt, kann diese Veränderung nur auf eine Veränderung im Fremdwärmestrom Q .₀ zurückzuführen sein, wodurch sich die Kühlleistung des Gesamtprozesses verändert hat. Um nun im Prozess wieder die anfängliche Kühlleistung einzustellen, also vom Rohr 10 in einem Optimum an den Luftstrom 11 Wärmeströme Q ._R abzugeben, wird das System automatisch Veränderungen an den Einstellgrößen der Extrusionslinie vornehmen.
Exemplarisch sei dies mit folgenden Formeln verdeutlicht: Q ._R = Q ._R1 + Q ._R2 + Q ._Rn = konst
Der gesamte Wärmestrom der vom Rohr an den Luftstrom abgegeben wird, ist die Summe aller Teilwärmeströme und soll konstant gehalten werden. ΣQ ._A = Q ._R + Q .₀
Der aus dem System abgeführte Wärmestrom ist die Summe aller Wärmeströme (vom Rohr zur Luft und alle zusätzlichen der Luft zugeführten Wärmeströme) und entspricht bei optimaler Einstellung der Linie einem Anfangsgesamtwärmestrom. ΣQ ._A ≠ Q ._R + Q .₀↑
Verändern sich Wärmeströme (bei unveränderten Einstellgrößen der Linie), entspricht der aus dem System abgeführte Wärmestrom (als Referenzgröße bei Messstelle M ermittelt) nicht mehr dem Optimum für die Bedingung, dass der vom Rohr an den Luftstrom abgegebene Wärmestrom konstant ist. Es müssen Einstellgrößen der Extrusionslinie verändert werden, damit diese Bedingung wieder erreicht werden.
In Abhängigkeit der festgestellten Abweichung können diverse Einstellgrößen geändert werden. Welche am schnellsten zum gewünschten Ziel führen, ermittelt das System aus hinterlegten Daten, die auf Erfahrungswerten basieren und/oder z. B. anhand mathematischer Prozesse, wie Programmen zur Berechnung der Rohrabkühlung, analog eines Expertensystems ermittelt wurden.
Findet das System keine sinnvollen Daten, wird die Abweichung signalisiert, das Bedienpersonal nimmt die Veränderungen manuell wahr und kann anschließend diese Daten speichern, damit sie dem System für zukünftige erforderliche Veränderungen zur Verfügung stehen.
Bezugszeichenliste

1: Extruder
2: Extrusionsachse
3: Materialaufgabe
4: Schalldämpfer
5: Werkzeug
6: Vakuumtank
7: Kühltank
8: Abzug
9: Trennvorrichtung
10: Extrudat
11: Fluidstrom
12: Elektrofilter
13: Sauggerät
14: Fluidführung zu 12
15: Fluideintrittstelle
16: Fluidaustrittsstelle
17: Extrusionsrichtung
T: Temperaturmessung des Fluids
p: Druckmessung des Fluids
M: Messstelle für T und p
n: Drehzahlmessung von 13
A: Messung der Stromaufnahme von 13
Q .₀: Wärmestrom der 11 von Außen zugeführt wird
Q ._R: Gesamter Wärmestrom der 11 von 10 zugeführt wird
Q ._R1: Wärmestrom der 11 von 10 bei 7 zugeführt wird
Q ._R2: Wärmestrom der 11 von 10 bei 6 zugeführt wird
Q ._Rn: Wärmestrom der 11 von 10 bei Stelle n zugeführt wird
ΣQ .: Gesamtwärmestrom der aus dem System geführt wird

Claims

Verfahren zur Aufrechterhaltung des von einem Extrudat (10) an ein Fluid abgegebenen Wärmestromes in einer Extrusionslinie, die über eine Vielzahl von Einstellgrößen gesteuert und/oder geregelt wird, vorzugsweise einer Rohrextrusionslinie, wobei das Fluid durch das Innere des Extrudates (10) von einer Fluideintrittsstelle (15) bis zu einer Fluidaustrittsstelle (16) mittels eines Sauggerätes (13) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einer gleichen Zone mindestens die Parameter Fluidtemperatur (T), Fluiddruck (p) und Volumenstrom, nachdem das Fluid durch das Innere des Extrudates gefördert wurde, erfasst oder ermittelt werden und b) mit diesen Parametern der vorhandene Wärmestrom berechnet und als Kerngröße bestimmt wird, die ein Optimum für die vom Extrudat (10) an das Fluid abgegebenen Wärmeströme beinhaltet, c) die Parameter nach Verfahrensschritt a) kontinuierlich erfasst werden und der Wärmestrom erneut berechnet wird, d) der erneut berechnete Wärmestrom mit der gemäß Schritt b) bestimmten Kerngröße verglichen wird und e) beim Auftreten von Abweichungen Einstellgrößen der Extrusionslinie verändert werden, bis der erneut berechnete Wärmestrom wieder ein Optimum für die vom Extrudat (10) an das Fluid abgegebenen Wärmeströme beinhaltet, wobei die erforderlichen Veränderungen in Abhängigkeit von der Abweichung in der Steuerung hinterlegt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung des gewünschten Wärmestromes der erforderliche Volumenstrom anhand hinterlegter Kennlinien des Sauggerätes (13), in Abhängigkeit der ermittelten Parameter, bestimmt wird, wobei die Parameter unmittelbar in der Nähe des Sauggerätes (13) erfasst oder ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Einstellgröße der Extrusionslinie zunächst der Volumenstrom des Fluids durch das Innere des Extrudats (10) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Einstellgrößen der Extrusionslinie die Kühltemperatur im Kühl- und/oder Vakuumtank (6, 7) und/oder die Extruderdrehzahl verändert werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid entgegen der Extrusionsrichtung (17) gefördert wird.