-
Die Erfindung betrifft ein Extrusionswerkzeug und ein Verfahren zur Unterwassergranulation.
-
Unterwassergranulieranlagen (UWG) schmelzen thermoplastischen Kunststoff auf und verarbeiten diesen zu Granulatkörnern. Eine Unterwassergranulieranlage umfasst beispielsweise einen Extruder (insbesondere einen Ein- oder Mehrschneckenextruder) zum kontinuierlichen Aufschmelzen, Mischen und Fördern des Kunststoffs, optional eine zusätzliche Schmelzepumpe zur verbesserten Förderung der Kunststoffschmelze, optional ein Schmelzefiltersystem zur Entfernung von Partikeln aus der Schmelze, typischerweise ein Anfahrventil, das den Schmelzefluss zu einem Extrusionswerkzeug oder in einen Auffangbehälter umleiten kann und das Extrusionswerkzeug. Das Extrusionswerkzeug für die Unterwassergranulierung umfasst typischerweise einen rohrartigen Kanal, in dem die Schmelze vom Anfahrventil zugeführt wird. Es folgt typischerweise ein Verteilerkegel, der die Schmelze in zahlreiche kleinere Kanäle aufteilt, die um den Verteilerkegel kreisförmig angeordnet sind. Diese kleineren Kanäle münden in typischerweise kreisförmigen Austrittsmündungen, aus denen jeweils ein Schmelzestrang austritt. Der austretende Schmelzestrang wird von vor den Austrittsmündungen vorbeigeführten Messern abgeschnitten, so dass einzelne Körner aus der Schmelze entstehen. Der Bereich der Austrittsmündung wird auf der Seite, auf der die Messer vorbeigeführt werden, mit Wasser gespült. Dadurch kann ein Verkleben der einzelnen Körner miteinander oder mit dem Messer oder sonstigen Anlagenteilen vermieden werden und die Körner kühlen schnell ab. Es können weitere Teile einer Unterwassergranulieranlage vorgesehen sein, die die Aufgabe haben, die Körner vom Wasser zu trennen, das Wasser zu reinigen, zu pumpen und zu temperieren. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht weiter relevant.
-
Bei der Unterwassergranulierung gibt es prinzipbedingt ein Prozessfenster, das wie folgt charakterisierbar ist: Das Extrusionswerkzeug steht unweigerlich in Kontakt mit dem Prozesswasser. Prinzipbedingt muss das Prozesswasser so kalt sein, dass der Kunststoff darin erstarrt, während das Extrusionswerkzeug so heiß sein muss, dass der Kunststoff darin noch flüssig ist. An den Austrittsmündungen der schmelzeführenden Kanäle steht das Extrusionswerkzeug mit dem Prozesswasser in Kontakt und kann so stark auskühlen, dass auch die Kunststoffschmelze im Extrusionswerkzeug erstarrt und somit kein Schmelzefluss mehr möglich ist. Typischerweise verfügen die Extrusionswerkzeuge über Heizungen, die eine geeignete Temperatur im Werkzeug sicherstellen sollen. Diese nutzen typischerweise elektrische Widerstandsheizungen (beispielsweise Heizpatronen) oder konvektive Heizsysteme, bei denen erhitzte Flüssigkeiten (typischerweise spezielle Öle) durch Kanäle im Extrusionswerkzeug gepumpt werden. Ein zu stark erhitztes Extrusionswerkzeug oder zu stark erhitzte Schmelze kann bei der Formgebung der Körner allerdings problematisch werden, wenn der austretende Strang oder das Korn nicht schnell genug abgekühlt werden können, und Fehlerbilder wie verschmierte Stränge entstehen. Je kleiner die Austrittsmündungen in ihrem Durchmesser sind, desto größer wird typischerweise die Herausforderung, ein Erstarren der Schmelze im Extrusionswerkzeug zu verhindern.
-
Es ist beispielsweise aus der
EP 1 593 474 A1 bekannt, dieses Problem durch die Verwendung von Isolierungen zu lösen, um den kühlenden Einfluss des Prozesswassers auf das Extrusionswerkzeug zu mindern. Die konvektive Beheizung der Kanäle vor der Austrittsmündung wird beispielsweise in der
US 3 452 394 A gezeigt. Eine Kombination beider Methoden ist aus
DD 99 530 B 1 bekannt. Die Lösungen nach dem Isolationsprinzip können den Wärmeverlust nicht vollständig verhindern. Ebenso haben die Verfahren, die auf konvektiver Beheizung beruhen eine technische Grenze bei der Einbringung der Wärme in die Umgebung der schmelzeführenden Kanäle. Eine Kombination beider Ansätze bedeutet typischerweise, dass diese in räumlicher Konkurrenz zueinander stehen.
-
Nach
AT 509 088 A1 ist ein isolierender Luftspalt vorgesehen, der die mit dem Prozesswasser in Kontakt stehende Lochplatte vom restlichen Extrusionswerkzeug, das heißt dem Granulierkopf und dem Düsenkörper, trennt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Extrusionswerkzeug zur Unterwassergranulation von Kunststoff sowie ein verbessertes Verfahren zur Unterwassergranulation von Kunststoff anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Extrusionswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Ein erfindungsgemäßes Extrusionswerkzeug zur Unterwassergranulation von Kunststoff weist mindestens einen Düsenkörper auf, der in seinem Inneren jeweils einen Kanal aufweist, der in mindestens eine Düsenöffnung mit einer jeweiligen Austrittsmündung ausläuft, wobei nah an der mindestens einen Austrittsmündung ein Induktor zum Heizen des Düsenkörpers angeordnet ist.
-
Unter nah an der mindestens einen Austrittsmündung soll im Kontext der vorliegenden Anmeldung ein Bereich von 1 mm bis 50 mm, beispielsweise 2 mm bis 30 mm, insbesondere 2 mm bis 20 mm, verstanden werden. In einer Ausführungsform ist eine Wicklung des Induktors in einem Abstand von maximal 5 mm zu der mindestens einen Austrittsmündung angeordnet.
-
In einer Ausführungsform ist der Induktor als eine Wicklung ein oder mehrerer Windungen eines Drahtes aus einem leitfähigen Material, insbesondere Kupfer oder Aluminium oder umfassend Kupfer oder Aluminium, gebildet.
-
In einer Ausführungsform ist der Draht mit einer elektrisch und thermisch isolierenden Beschichtung, beispielsweise aus Polyimid, versehen. Anstelle von Polyimid können auch Glasfasern und/oder Basaltfasern und Gewebe und/oder Geflechte daraus verwendet werden. Ebenso möglich ist ein Überzug wie bei Kupferlackdraht üblich (beispielsweise Polyesterimide, Polyurethan) und insbesondere eine Kombination aus einem elektrisch isolierenden Überzug (Polyimid, Polyesterimid, Polyurethan) und einer hitzebeständigen, robusten thermischen Isolierung, beispielsweise Glasfasern und/oder Basaltfasern.
-
In einer Ausführungsform ist im Bereich des Induktors eine Hülse aus einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität über den Düsenkörper gestülpt angeordnet. Auf diese Weise erwärmt der Induktor die Hülse induktiv, die die Wärme an den Düsenkörper weiterleitet.
-
In einer Ausführungsform sind/ist der Düsenkörper und/oder die Hülse aus einem ferritischen Material, insbesondere ferritischem Werkzeugstahl, gebildet.
-
In einer Ausführungsform ist der Induktor innenleitergekühlt ausgeführt.
-
In einer Ausführungsform ist der Düsenkörper zumindest teilweise in einem Granulierkopf angeordnet, wobei am Granulierkopf eine Lochplatte mit mindestens einem Durchtrittsloch für die mindestens eine Düsenöffnung angeordnet ist, wobei zwischen dem Granulierkopf und der Lochplatte ein Luftspalt zur thermischen Isolation der Lochplatte vom Granulierkopf vorgesehen ist.
-
In einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Windungen des Induktors im Luftspalt angeordnet. Der Luftspalt kann beispielsweise eine Breite von mindestens 1 mm, beispielsweise 1 mm bis 20 mm, bevorzugt 3 mm bis 5 mm oder mindestens 4 mm aufweisen.
-
In einer Ausführungsform ist zwischen einer Stirnseite oder einem Absatz des Düsenkörpers und der Lochplatte eine Ringdichtung angeordnet.
-
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Düsenöffnung in einem dünnwandigen Mündungsansatz des Düsenkörpers vorgesehen, der von einer Stirnseite des Düsenkörpers abgesetzt ist.
-
In einer Ausführungsform decken die Wicklungen des Induktors eine Außenseite des Düsenkörpers oder der Hülse über eine Länge von 0,5 mm bis 50 mm, beispielsweise 2 mm bis 20 mm, bevorzugt 2 mm bis 8 mm, beispielsweise etwa 3,5 mm ab und/oder enden an der Ringdichtung oder kurz davor.
-
In einer Ausführungsform ist der Induktor über eine Anschlussleitung an einem Generator zur Erzeugung einer Wechselspannung angeschlossen, wobei eine Länge der Anschlussleitung insbesondere maximal 2 m, vorzugsweise 20 cm, beträgt.
-
In einer Ausführungsform ist eine Regelung für das Beheizen des Düsenkörpers vorgesehen, wobei ein Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des Extrusionswerkzeugs oder des mindestens einen Düsenkörpers oder der Hülse nahe an der Austrittsmündung als Regelgröße für die Regelung vorgesehen ist.
-
In einer Ausführungsform ist der Temperatursensor als Pyrometer ausgebildet. Thermoelemente können prinzipiell auch als Temperatursensoren genutzt werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass in den elektrischen Leitern des Thermoelementes keine verfälschenden Spannungen durch den Induktor induziert werden.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Unterwassergranulation von Kunststoff mittels des oben beschriebenen Extrusionswerkzeugs angegeben, wobei dem Extrusionswerkzeug eine Kunststoffschmelze aus einem Extruder zugeführt wird, so dass die Kunststoffschmelze durch den Kanal zu der mindestens einen Düsenöffnung gefördert wird, wobei die Kunststoffschmelze beim oder nach dem Austreten aus der zumindest einen Düsenöffnung in Wasser von Messern eines Messerkopfes erfasst und zu einem feinkörnigen Granulat geschnitten wird, wobei der Düsenkörper mittels des Induktors beheizt wird.
-
In einer Ausführungsform erfolgt das Beheizen des Düsenkörpers mittels einer Regelung, bei der als Regelgröße eine Temperatur des Extrusionswerkzeugs oder des mindestens einen Düsenkörpers oder der Hülse nahe an der Austrittsmündung verwendet wird.
-
In einer Ausführungsform wird der Induktor mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 0,5 kHz bis 3000 kHz, insbesondere etwa 100 kHz betrieben.
-
In einer Ausführungsform wird der Düsenkörper abhängig vom extrudierten Kunststoff auf eine Temperatur von etwa 150 °C bis 450 °C, beispielsweise 200 °C geregelt.
-
In einer Ausführungsform wird beim Anfahren der Unterwassergranulation der Induktor höchstens fünf Sekunden bevor die Lochplatte und/oder die Düsenöffnung in Kontakt mit dem Wasser kommt aktiviert oder bis dahin mit stark reduzierter Heizleistung betrieben.
-
Die Heizrate kann extrem hoch sein, wenn der Düsenkörper keine Wärmeleistung an das Wasser abgeben kann, aber mit „normaler“ Leistung induktiv beheizt wird. Dadurch können unterschiedliche Komponenten beschädigt werden, insbesondere die Ringdichtung, aber auch die Kunststoffschmelze, die Düse selbst oder auch die Isolierung des Induktors. Wie lange es dauert, bis solche Schäden eintreten, ist von der Leistung der Induktionsheizung und den Temperaturgrenzen der Materialien abhängig. Die Heizung sollte daher geregelt sein oder die Zeitdauer ohne Kühlung sollte kurz gehalten werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Extrusionswerkzeugs für eine Unterwassergranulieranlage,
- 2 eine schematische Detailansicht einer Ausführungsform eines Extrusionswerkzeugs für eine Unterwassergranulieranlage.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 ist eine schematische Ansicht eines Extrusionswerkzeugs für eine Unterwassergranulieranlage.
-
Das Extrusionswerkzeug kann einen Granulierkopf 1 mit mindestens einem darin eingesetzten, über eine Stirnfläche des Granulierkopfes 1 axial vorstehenden Düsenkörper 2 aufweisen. Typischerweise sind mehrere Düsenkörper 2 vorgesehen, von denen jedoch lediglich einer dargestellt ist. Diese Düsenkörper 2 sind beispielsweise entlang eines Teilkreises angeordnet. Der mindestens eine Düsenkörper 2 weist in seinem Inneren jeweils einen Kanal 3 auf, der in mehrere Düsenöffnungen 4 ausläuft. Diese Düsenöffnungen 4 können in einem dünnwandigen Mündungsansatz 5 des Düsenkörpers 2 vorgesehen sein, der von einer Stirnseite 6 des Düsenkörpers 2 abgesetzt ist. Dem Granulierkopf 1 ist in einem Abstand eine Lochplatte 7 mit einer Anzahl von Durchtrittslöchern 8 vorgesetzt. Der Abstand oder Luftspalt 13 bewirkt eine thermische Isolation der Lochplatte 7 vom Granulierkopf 1. Die Durchtrittslöcher 8 bilden eine Lochschulter 9, die sich in einem Übergangsbereich zwischen einer Locherweiterung 10 und einer Lochverengung 11 ergibt. Die Locherweiterung 10 nimmt den über den Granulierkopf 1 vorstehenden Teil des Düsenkörpers 2 auf. Die Lochverengung 11 nimmt den Mündungsansatz 5 des Düsenkörpers 2 mit allseitigem Abstand auf. Zwischen der Stirnseite 6 des Düsenkörpers 2 und der Lochschulter 9 ist eine Ringdichtung 12 eingespannt, die einerseits den Eintritt von Wasser und Kunststoffschmelze in die Locherweiterung 10 unterbindet und anderseits eine Wärmedämmung zwischen dem Düsenkörper 2 und der Lochplatte 7 darstellt. Der allseitige Abstand der Lochverengung 11 vom Mündungsansatz 5 des Düsenkörpers 2 trägt ebenfalls zur Wärmedämmung zwischen dem Düsenkörper 2 und der Lochplatte 7 bei.
-
Wird der Granulierkopf 1 über ein Anfahrventil (nicht dargestellt) an einen Extruder (nicht dargestellt) angeschlossen, so strömt eine Kunststoffschmelze vom Extruder über das Anfahrventil und einen Verteilerkegel (nicht dargestellt) zu den konzentrisch zum Verteilerkegel angeordneten Düsenkörpern 2, wobei die den einzelnen Düsenkörpern 2 zugeförderten Schmelzestränge mit Hilfe der Düsenöffnungen 4 im Mündungsansatz 5 der Düsenkörper 2 nochmals in Teilstrange unterteilt werden, die beim Austreten aus der Lochplatte 7 von den Messern eines Messerkopfes (nicht dargestellt) erfasst und zu einem feinkörnigen Granulat geschnitten werden. Wenn die Düsenöffnungen 4 bezüglich der Achse der Düsenkörper 2 rotationssymmetrisch angeordnet sind, ergibt sich trotz der gedrängten Bauweise ein Mindestabstand zwischen den einzelnen Düsenöffnungen 4, der eine nachteilige gegenseitige Beeinflussung der aus den Düsenöffnungen 4 austretenden Teilstränge unterbindet.
-
Die vorliegende Erfindung nutzt zur Lösung des Problems der erstarrenden Schmelze im Extrusionswerkzeug folgenden Ansatz: Möglichst nah an der Austrittsmündung wird der schmelzeführende Kanal 3 induktiv beheizt. Vorteilhaft ist hierbei die Kombination mit dem Lösungsansatz der Isolation wie in 1 gezeigt.
-
Der isolierende Luftspalt 13 trennt die mit dem Prozesswasser in Kontakt stehende Lochplatte 7 vom restlichen Extrusionswerkzeug, das heißt dem Granulierkopf 1 und dem Düsenkörper 2. Dieser Luftspalt 13 kann genutzt werden, um eine oder mehrere Windungen eines Induktors 14 einer Induktionsheizung um den Düsenkörper 2 zu wickeln. In einer Ausführungsform ist der Induktor 14 aus einem elektrisch hochgradig leitfähigen Material wie Kupfer gebildet oder umfasst ein solches Material und ist mit einer elektrisch und thermisch isolierenden Beschichtung, beispielsweise aus Polyimid, versehen.
-
Zum Erwärmen der Kunststoffschmelze wird die Komponente, in der der Kanal 3 vorgesehen ist, beispielsweise der Düsenkörper 2, erwärmt. Hierzu wird an die Enden des Induktors 14 eine Wechselspannung angelegt. Die Wechselspannung erzeugt einen Wechselstrom, der ein sich zeitlich veränderndes magnetisches Feld um den stromführenden Leiter, das heißt die mindestens eine Windung des Induktors 14, erzeugt, womit wiederum elektrische Spannungen in dem aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung, gebildeten Düsenkörper 2 induziert werden, die Ströme, insbesondere Wirbelströme, zur Folge haben, deren elektrische Verlustleistung zur Erwärmung führt. Wenn das zu erhitzende Material, das heißt der Düsenkörper 2, aus einem ferritischen Material gebildet ist, so kommen als zusätzlicher Erwärmungsmechanismus die Ummagnetisierungsverluste hinzu. Es ist daher äußerst vorteilhaft, die zu erwärmenden Stellen aus ferritischem Material herzustellen, da dadurch die Effizienz der Induktionsheizung steigt. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil nur wenig Raum zur Einbringung dieser Heizsysteme zur Verfügung steht.
-
In einer Ausführungsform kann auch eine Hülse (nicht dargestellt) aus einem Material mit einer besonders hohen magnetischen Permeabilität, beispielsweise aus einem ferritischen Material, insbesondere Stahl 1.4511, über die Komponente, in der der Kanal 3 vorgesehen ist, beispielsweise den Düsenkörper 2, gestülpt angeordnet sein.
-
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der Ort, an dem der Induktor 14 platziert wird, Teil eines isolierenden Luftspaltes 13 ist.
-
Ebenso ist es nicht zwingend nötig, dass der Induktor 14 in Form von Windungen um einzelne schmelzeführende Kanäle ausgeführt wird. Beispielsweise kann mindestens eine Windung des Induktors auch um jeweils mehrere schmelzeführende Kanäle geführt sein. Dabei müssen die schmelzeführenden Kanäle nicht vollständig von der mindestens einen Windung umschlossen sein.
-
Die Frequenz der Wechselspannung, die beispielsweise mittels eines Generators am Induktor 14 angelegt wird und eine optionale Regelung der durch den Induktor 14 fließenden Ströme können über große Bereiche variiert werden, da günstige Einstellungen davon abhängen, wie der Induktor 14 und der zu beheizenden Bereich gestaltet sind und nicht zuletzt davon, wie der Generator ausgeführt ist.
-
In einer Ausführungsform ist der Induktor 14 innenleitergekühlt ausgeführt, um im Induktor 14 anfallende Verlustleistung abzuführen und einen übermäßigen Temperaturanstieg im Induktor 14 zu vermeiden. Mit entsprechend gekühlten Leitern können größere Ströme geführt werden, wodurch wiederum eine größere induktiv erzeugte Heizleistung erreicht werden kann. Ein innenleitergekühlter Induktor 14 weist hohle Leiter auf, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Der hohle Leiter kann beispielsweise mittels 3D-Druck hergestellt sein.
-
Die Heizung mittels des Induktors 14 hat gegenüber den üblicherweise eingesetzten Heizsystemen den Vorteil, dass relativ große Wärmemengen auf relativ kleinem Raum eingebracht werden können. Es muss also nicht das komplette Extrusionswerkzeug auf einem sehr hohen Temperaturniveau gehalten werden (wie beispielsweise in der
DE 10 2012 103 976 A1 offenbart), um einen ausreichenden Wärmestrom in den Bereich der Düsenöffnungen 4 zu erzielen. Gegenüber konvektiven Beheizungsmethoden besteht ein besonderer Vorteil darin, dass es keinen Wärmeübergang vom Fluid, das als Wärmeträger eingesetzt wird, auf den zu beheizenden Körper gibt. Die Wärme entsteht bei der Induktionsheizung als Verlustleistung unmittelbar im zu beheizenden Körper, beispielsweise dem Düsenkörper 2. Begrenzend wirkt für die Induktionsheizung die Curie-Temperatur des Materials des zu beheizenden Körpers. Bei der Materialauswahl für den zu beheizenden Körper, beispielsweise den Düsenkörper 2, sollte daher darauf geachtet werden, welche Temperaturen erzielt werden sollen, und wo die Curie-Temperatur des Materials liegt. Für die bei Polyolefinen als zu extrudierender Kunststoff typischen Temperaturen im Extrusionswerkzeug haben sich zu beheizende Körper aus ferritischen Werkzeugstählen als vorteilhaft erwiesen.
-
Besonders nützlich ist die Anordnung des Induktors 14 so nah an den Düsenöffnungen 4 wie möglich, da an dieser Stelle die Wärmeverluste besonders groß sind und die Gefahr des Erstarrens des Kunststoffs in den Düsenöffnungen 4 besteht.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist der in 1 gezeigte isolierende Luftspalt 13 zwischen dem Grundkörper des Extrusionswerkzeugs, beispielsweise dem Granulierkopf 1, der dem Anfahrventil folgt, und der Lochplatte 7, die Kontakt zum Wasser hat, vorgesehen. Der Luftspalt 13 kann beispielsweise eine Breite von mindestens 4 mm aufweisen. Die Schmelze wird in Strömungskanälen 3 zur Lochplatte 7 geführt, die einen Innendurchmesser von beispielsweise 4 mm aufweisen und in jeweils einer Komponente, beispielsweise dem Düsenkörper 2 angeordnet sind, der einen Außendurchmesser von 10 mm aufweisen kann. Diese Komponente ist beispielsweise aus ferritischem Werkzeugstahl gebildet und weist einen Absatz zur Aufnahme einer Ringdichtung 12 auf, so dass kein Prozesswasser in den isolierenden Luftspalt 13 eindringen kann. Der Induktor 14 umfasst eine Wicklung aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,75 mm, der mit einer Isolation, beispielsweise aus Polyimid versehen ist, und um den schmelzeführenden Kanal 3, beispielsweise um den Düsenkörper 2, in ein oder mehreren, beispielsweise sechs, zumindest teilweise aufeinander liegenden Windungen geführt ist.
-
Die Windungen decken die Außenseite der zu erwärmenden Komponente, beispielsweise des Düsenkörpers 2 oder einer darübergestülpten Hülse, über eine Länge von beispielsweise etwa 3,5 mm ab und enden beispielsweise kurz vor der Ringdichtung 12. Damit liegt zwischen Austrittsmündungen der Düsenöffnungen 4 und der letzten Windung des Induktors 14 ein geringer Abstand von beispielsweise etwa 5 mm. Die beiden Enden der Wicklung des Induktors 14 werden aus dem Extrusionswerkzeug heraus geführt, möglichst so, dass eine Distanz zum Generator minimal ist, beispielsweise etwa 20 cm.
-
In einer Ausführungsform wird je ein Draht um die Außenseite jeweils eines schmelzeführenden Kanals 3 gewickelt. Diese Wicklung kann für jeden einzelnen schmelzeführenden Kanal 3 vorgesehen sein, so dass die Anzahl der Drähte oder Induktoren 14 der Anzahl der beheizten schmelzeführenden Strömungskanäle 3 entspricht.
-
Als Generator kann beispielsweise ein einfacher Resonanz-Schwingkreis nach dem Zero-Voltage-Switching-Prinzip genutzt werden, der eine Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise etwa 100 kHz erzeugt. Die elektrische Gesamtleistungsaufnahme des Generators betrug in diesem Ausführungsbeispiel 100 W. Davon geht ein signifikanter Anteil in Schaltungs- und Leitungsverluste über und eine deutlich verminderte Leistung erreicht das schmelzeführende Bauteil, beispielsweise den Düsenkörper 2, als Heizleistung.
-
Mit dieser Variante konnte Mikrogranulat aus Polypropylen mit einer Korngröße von 500 µm mittels Mehrlochdüsen hergestellt werden. Die Temperatur der Kunststoffschmelze unmittelbar nach dem Extruder betrug 205 °C, die nachfolgenden schmelzeführenden Komponenten wurden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine Temperatur von 200 °C geregelt.
-
Es konnte ein deutlich verringerter Druck in der Schmelze vor dem Extrusionswerkzeug bei gleichem Durchsatz festgestellt werden. Dieser reduzierte Druck kann als Zeichen für eine gesteigerte Temperatur des Extrusionswerkzeugs oder der Kunststoffschmelze an der Austrittsmündung verstanden werden. Ebenso kann es als Zeichen für eine größere Anzahl offener Düsenöffnungen 4 verstanden werden, das heißt ein Erstarren der Schmelze an der Austrittsmündung ist signifikant reduziert.
-
Hinsichtlich des Anfahrvorgangs des Unterwassergranulierprozesses kann vorgesehen sein, dass die Induktionsheizung erst wenige Sekunden (beispielsweise 5 Sekunden) bevor die Lochplatte 7 in Kontakt mit dem Prozesswasser kommt aktiviert wird oder vorher stark in ihrer Heizleistung reduziert betrieben wird. Die lokale Heizleistung der Induktionsheizung kann so hoch sein, dass ohne diese Maßnahmen der Kunststoff in den nahe dem Induktor 14 liegenden schmelzeführenden Strömungskanälen 3 thermisch geschädigt werden kann oder die Ringdichtungen 12 thermisch degradieren. Sofern es der Bauraum zulässt, ist eine Regelung der Induktionsheizung zweckdienlich, bei der als Regelgröße die Temperatur des Extrusionswerkzeugs oder des mindestens einen schmelzeführenden Bauteils, beispielsweise des Düsenkörpers 2, möglichst nahe an der Austrittsmündung verwendet wird. Im Verhältnis zu den im Stand der Technik genannten Beheizungsmethoden ist die Induktionsheizung hochdynamisch und kann bei entsprechender Auslegung relevante Anlagenteile, wenn sie nicht vom Prozesswasser gekühlt werden, mit einer hohen Heizrate von beispielsweise über 100 K/s erhitzen. Die Temperaturmessung in der beschriebenen Region sollte also entsprechend schnell sein, um Übertemperaturen vermeiden zu können. Die Temperaturmessung kann daher zum Beispiel mit einem Pyrometer erfolgen.
-
In der dargestellten Ausführungsform wurde der isolierende Luftspalt 13 für die Einbringung des Induktors 14 genutzt. Die isolierende Wirkung des Luftspaltes 13 wird dadurch kaum verändert. Damit wird gezeigt, dass bestehende Anlagen, die hinreichend Bauraum aufweisen, mit dieser Technik nachgerüstet werden können oder relativ einfach für diese Technik modifiziert werden können.
-
Im Vergleich zur
DD 99 530 B1 (Kombination aus konvektiver Heizung und Isolierung mit Luftspalt) ist mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform der beheizte Bereich wesentlich näher an der Austrittsmündung, und damit dort, wo der verfahrenstechnisch größte Nutzen erzielt wird. Gleichzeitig kann die isolierende Funktion des Luftspalts 13 beibehalten werden.
-
Besonders gut ist die erfindungsgemäße Lösung für die Herstellung von Mikrogranulat mittels Unterwassergranulierung geeignet. Als Mikrogranulate werden dabei Korngrößen von unter 1 mm Korndurchmesser verstanden. Ebenfalls geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung für die Verarbeitung von Thermoplasten, die eine relativ hohe Schmelztemperatur und/oder Erstarrungstemperatur und/oder Kristallisationstemperatur haben und dazu neigen, im Mündungsbereich zu erstarren.
-
2 ist eine schematische Detailansicht einer Ausführungsform eines Extrusionswerkzeugs für eine Unterwassergranulieranlage. Gezeigt ist der Granulierkopf 1 mit mehreren Düsenkörpern 2, wobei um je drei Düsenkörper 2 eine Windung eines Induktors 14 herumgeführt ist, so dass die schmelzeführenden Kanäle nicht vollständig von der Windung umschlossen sind. Einige Düsenkörper 2 werden von keiner Windung umschlossen sondern liegen lediglich an zwei Seiten in der Nähe zweier verschiedener Induktoren 14. Die Induktoren 14 sind beispielsweise als Hohlleiter ausgeführt.
-
Die Wahl eines magnetischen Materials für den Düsenkörper 4 ist günstig, da auf diese Weise Ummagnetisierungsverluste zur Erwärmung stark beitragen können. Weiterhin ist es auch günstig, wenn andere Materialien in der Nähe des Induktors 14, insbesondere die Lochplatte 7 und der Granulierkopf 1, nicht oder nicht vollständig aus magnetischem Material gebildet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Bereich von 1 cm bis 2 cm um den Induktor 14 herum abgesehen von der zu erwärmenden Komponente, beispielsweise dem Düsenkörper 4, frei von magnetischem Material ist. Wenn diese Anforderung konstruktiv nicht ohne weiteres umsetzbar ist, dann kann auch eine Art Abschirmung vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine 1 mm bis 2 mm starke Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und nicht magnetisch ist, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Messing, zwischen dem Granulierkopf 1 und dem Induktor 14 sowie zwischen der Lochplatte 7 und dem Induktor 14 eingebracht sein- beispielsweise direkt auf der Lochplatte 7 und dem Granulierkopf 1. Diese Abschirmung sorgt idealerweise dafür, dass das Magnetfeld in der Abschirmung Wärmeverluste induziert, aber nicht nennenswert die darunter befindlichen magnetischen Materialien heizt, die nicht vom Induktor 14 beheizt werden sollen. Insbesondere bei der Lochplatte 7 ist es sinnvoll, sie nicht zu beheizen, da sie nur Wärme an das Wasser abgeben kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Granulierkopf
- 2
- Düsenkörper
- 3
- Kanal
- 4
- Düsenöffnung
- 5
- Mündungsansatz
- 6
- Stirnseite
- 7
- Lochplatte
- 8
- Durchtrittsloch
- 9
- Lochschulter
- 10
- Locherweiterung
- 11
- Lochverengung
- 12
- Ringdichtung
- 13
- Luftspalt
- 14
- Induktor
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1593474 A1 [0004]
- US 3452394 A [0004]
- DD 99530 B [0004]
- AT 509088 A1 [0005]
- DE 102012103976 A1 [0043]
- DD 99530 B1 [0053]
