DE1168930B

DE1168930B - Heat exchanger with an upright, hollow conveyor screw

Info

Publication number: DE1168930B
Application number: DEF36531A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Emil Baumann; Dipl-Ing Dr Wolf Rodenacker
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1962-04-12
Filing date: 1962-04-12
Publication date: 1964-04-30

Description

Wärmetausche,r mit einer stehend angeordneten, hohlen Förderschnecke Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer stehend angeordneten, hohlen Förderschnecke, deren Hohlraum mit einer Temperiervorrichtung versehen ist und die von einem Gehäuse eng umgeben ist, das am Füllende der Schnecke einen seitlichen Einlaß und am Ausstoßende der Schnecke einen zentralen Auslaß besitzt.Heat exchange, r with an upright, hollow screw conveyor The invention relates to a heat exchanger with a hollow which is arranged upright Conveyor screw, the cavity of which is provided with a temperature control device and which is closely surrounded by a housing that has a lateral at the filling end of the screw Inlet and at the discharge end of the screw has a central outlet.

Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art, wie sie z. B. zum Aufschmelzen von Kunststoffschnitzeln verwendet werden, ist die Beheizung der Schnecke selbst meist als elektrische Induktionsheizung ausg ge bildet. Diese Art der Beheizung hat eine ganze Reihe von Nachteilen. Insbesondere muß das Gehäuse der Schnecke sehr dünn ausgeführt werden und aus einem nichtmagnetischen Stoff, beispielsweise Chrom-Nickel-Stahl, hergestellt sein. Um die Spulen nicht zu heiß werden zu lassen, muß ein verhältnismäßig großer Luftspalt zwischen Spule und Schnekkengehäuse vorgesehen werden, durch den Luft zirkulieren kann. Damit sind Wärmeverluste verbunden. Der große Luftspalt zwischen Spule und Schneckenkörper selbst führt zu einer starken induktiven Belastung (cos (p) im angeschlossenen Stromnetz. Bei der Anwendung der induktiven Heizung besteht auch die Gefahr, daß andere Maschinenteile gleichzeitig beheizt werden. Die Geräte zur Messung der Temperatur in der Beheizungszone lassen sich wegen der dünnen Wandung des Gehäuses sehr schlecht anbringen. Von einer genauen Temperaturmessung und damit auch -regelung hängt aber die Güte der Temperaturführung beim Aufschmelzen des Kunststoffes ab. Noch viel hinderlicher ist eine schlechte Temperaturmeßmöglichkeit, wenn es darum geht, ein System von mehreren Apparaten auf die gleiche Aufschmelztemperatur zu bringen, ein unbedingtes Erfordernis bei der Herstellung von Massenprodukten. Ferner ist sehr nachteilig, daß die übergangszone bei der induktiven Heizung zwischen dem kalten und warmen Teil der Förderschnecke und natürlich dann auch des Gehäuses abhängig ist von der Kühlung, die die Schnecke durch den hindurchtretenden Materialfluß erfährt. Die Lage der übergangszone ist abhängig von der Aufschmelzleistung.In the known devices of this type, as they are, for. B. for melting of plastic chips used is the heating of the screw itself mostly designed as electrical induction heating. This type of heating has a number of disadvantages. In particular, the housing of the screw must be very be made thin and made of a non-magnetic material, for example chrome-nickel steel, be made. In order not to let the coils get too hot, a relative must large air gap between coil and worm housing are provided through the Air can circulate. This is associated with heat losses. The large air gap between The coil and the worm body itself lead to a strong inductive load (cos (p) in the connected power grid. When using inductive heating, there is also the risk that other machine parts are heated at the same time. The devices to measure the temperature in the heating zone, because of the thin wall attach the housing very poorly. From an exact temperature measurement and thus control also depends on the quality of the temperature control when the plastic is melted away. A poor temperature measurement facility is even more of a hindrance if it it is about a system of several devices at the same melting temperature to bring, an imperative in the manufacture of mass products. It is also very disadvantageous that the transition zone in the inductive heating between the cold and warm part of the screw conveyor and of course the housing depends on the cooling that the screw is provided with by the material flow passing through it learns. The position of the transition zone depends on the melting capacity.

Es ist auch bekannt, die hohle Förderschnecke mittels eines durch den Hohlraum hindurchgeleiteten Wärmetauschmittels zu beheizen. Auch bei dieser Heizungsart ist eine genaue Temperaturhaltung der Schnecke nur mit großem Aufwand möglich.It is also known, the hollow screw conveyor by means of a to heat the cavity passed through the heat exchange medium. Even with this one The type of heating is an exact temperature maintenance of the screw only with great effort possible.

Für liegend angeordnete Hohlschnecken ist ferner schon bekannt, sie in ' nen mit Diphenyloxyd, mit Dampf, der bei Verwendung als Heizmittel kondensiert, oder mit Ammoniak, das bei Verwendung als Kühlmittel verdampft, zu beaufschlagen. Hierbei ist jedoch Temperaturgleichheit aller beaufschlagten Flächen nur zu erwarten, wenn das Dampfkondensat bzw. das verdampfte Kältemittel fortlaufend von den beaufschlagten Flächen entfernt und durch kondensierenden Dampf bzw. verdampfendes flüssiges Kältemittel ersetzt wird. Diese Forderung ist jedoch bei liegend angeordneten Schnecken aus Platzgründen kaum zu erfüllen, so daß eine befriedigende Temperaturgleichheit nicht erreicht wird.For arranged lying hollow screw is also already known, they nen in 'with Diphenyloxyd, with steam as the heating medium condensed in use, or with ammonia, which evaporates as a coolant in use, to pressurize. Here, however, the same temperature of all exposed surfaces can only be expected if the vapor condensate or the evaporated refrigerant is continuously removed from the exposed surfaces and replaced by condensing vapor or evaporating liquid refrigerant. However, for reasons of space, this requirement can hardly be met in the case of screws arranged horizontally, so that a satisfactory temperature uniformity is not achieved.

Es wurde nun gefunden, daß diese Mängel behoben sind, wenn der Hohlraum der Drehschnecke erfindungsgemäß als ein mit dem Wärmetauschmittel teilweise gefüllter Trog 7 ausgebildet ist, in dem unterhalb des Flüssigkeitsspiegels ein ortsfester Heizkörper 8 und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ein ortsfester Kühler 14 angeordnet sind, wobei der Dampfraum des Troges 7 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels an eine mit einem Reduzierventil versehene Druckluftleitung angeschlossen ist. Mit Hilfe des Reduzieiventils wird der Luftdruck auf einen der im Dampfraum des Troges gewünschten Siedetemperatur entsprechenden Druck vermindert. Das Wärmetauschmittel wird durch ein in den Trog eingeführtes Füllrohr eingefüllt, das in der Höhe des Flüssigkeitsspiegels endet.It has now been found that these deficiencies are remedied if the cavity of the rotary screw is designed according to the invention as a trough 7 partially filled with the heat exchange medium, in which a stationary heating element 8 is arranged below the liquid level and a stationary cooler 14 is arranged above the liquid level, with the vapor space of the trough 7 is connected to a compressed air line provided with a reducing valve above the liquid level. With the help of the reducing valve, the air pressure is reduced to a pressure corresponding to the boiling temperature required in the steam space of the trough. The heat exchange medium is filled through a filling tube which is inserted into the trough and ends at the level of the liquid level.

Die Verwendung der im Hohlraum der Förderschnecke angeordneten Siedeheizung, bei der als Wärmetauschmittel beispielsweise Diphenyl verwendet wird, bietet eine Reihe von verfahrenstechnischen Vorteilen, besonders bei der Anwendung der Schmelzschnecken für die Herstellung von feinen Produkten, beispielsweise Seide. Zu diesen Vorteilen gehört im besonderen die genaue Temperaturmessung, eine nicht überbietbare Konstanz der Umperaturhaltung-Mit der Verwendung der Siedeheizung läßt sich eine Vielzahl Schneckemnaschinen in völlige übereinstimmung bezüglich der Temperatur bringen. Ferner ae , stattet diese Heizung einen definierten übergang an der Grenze zwischen dem kalten und dem warmen Teil der Schnecke und auch des Schnecken-..ehäuses. Cr Durch die Verwendung der Beheizung gemäß der Erfindung wird die Bedingung der genaue sten Einhaltung der notwendigen Temperaturverhältnisse erfüllt, die ein unbedingtes Erfordernis ist für dieVerringerungderStärkd-oderTiterschwankun-Clen und der Eigenschaftsschwankungen wie Festigkeits- und Dehnungsschwankungen des fertigen Produktes. Denn die chemischen Veränderungen der zur Aufschmelzung gelangenden Kunststoffe sind äußerst abhängig von den Temperaturbedingungen, denen sie bei der Verarbeitung unterliegen.The use of the boiling heating arranged in the cavity of the screw conveyor, in which diphenyl is used as a heat exchange medium, offers a number of procedural advantages, especially when using the melting screw for the production of fine products, such as silk. These advantages include, in particular, the exact temperature measurement, an unbeatable constancy of the temperature maintenance. With the use of boiling heating, a large number of screw machines can be brought into complete agreement with regard to the temperature. Furthermore, ae, this heater equips a defined transition at the boundary between the cold and the warm part of the worm and the worm - .. ehäuses. By using the heating according to the invention, the condition of the strictest adherence to the necessary temperature conditions is met, which is an absolute requirement for reducing the strength or titre fluctuations and the fluctuations in properties such as strength and elongation fluctuations of the finished product. This is because the chemical changes in the plastics being melted are extremely dependent on the temperature conditions to which they are subjected during processing.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Schneckenheizung gemäß der Erfindung dargestellt. Der Schneckenkörper 1 ist hohl ausgebildet, im Antriebswellenende 2 mit der Verschraubung 3 befestigt und durch die Dichtung 4 mit seinem Innenraum gegen den Schnitzelraum 5 abgedichtet, in den die festen Kunststoffschnitzel durch das Rohr 6 gelangen. In den Hohlraum 7 des Schneckenkörpers ragt der elektrische Heizkörper 8, dem die elektrische Energie durch die Anschlüsse 9 zugeführt wird. Der Heizkörper wird durch das stillstehende Rohr 10 gehalten, in dem alle Zuleitungen untergebracht sind. Dieses stillstehende Halterohr trägt auch den Thermometerstutzen 11, in dem ein elektrisches Widerstandsthennometer oder ein Thermoelement untergebracht ist. Die Heizflüssigkeit wird durch das Rohr 13 bis zu dem Niveau 12 eingefüllt. Das Rohr 13 endet in Niveauhöhe, so daß durch Absaugen der zuviel eingefüllten Heizflüssigkeit durch das Rohr 13 das Niveau 12 genau eingehalten werden kann. Wird nun über einen Regulierwiderstand der Heizkörper 8 an das Netz angeschlossen, so beginnt die Heizflüssigkeit beim Erreichen der Siedetemperatur zu sieden. Der aufsteigende Dampf gelangt in den oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 12 angeordneten Kühler 14 und wird dort kondensiert. Zur Trennung der Flüssigkeit vom Dampf sind die Ableitbleche 15 angebracht. Die Zuleitung 28 und die Ableitung 29 der Kühlflüssigkeit des Kondensators ist gleichfalls in dem stillstehenden Rohr 10 untergebracht. Das stillstehende Rohr 10 ist in der umlaufenden Schneckenwelle 2 in Nadellagern 16 geführt. Das Rohr 10 bildet mit der Schneckenwelle 2 einen Spalt 17, der einen Druckausgleich über dem Kühler mit einer Zuleitung herbeiführen kann.In the drawing, an embodiment of a screw heater according to the invention is shown. The screw body 1 is hollow, fastened in the drive shaft end 2 with the screw connection 3 and sealed by the seal 4 with its interior against the cuttings space 5 , into which the solid plastic cuttings pass through the tube 6 . The electrical heating element 8, to which the electrical energy is supplied through the connections 9, protrudes into the cavity 7 of the screw body. The radiator is held by the stationary pipe 10 in which all supply lines are housed. This stationary holding tube also carries the thermometer connector 11, in which an electrical resistance thennometer or a thermocouple is accommodated. The heating fluid is filled through the pipe 13 up to the level 12. The pipe 13 ends at the level so that the level 12 can be precisely maintained by sucking off the excess heating liquid through the pipe 13. If the heating element 8 is now connected to the network via a regulating resistor, the heating liquid begins to boil when the boiling point is reached. The rising vapor reaches the cooler 14 arranged above the liquid level 12 and is condensed there. The deflection plates 15 are attached to separate the liquid from the vapor. The supply line 28 and the discharge line 29 of the cooling liquid of the condenser are also accommodated in the stationary pipe 10. The stationary tube 10 is guided in needle bearings 16 in the rotating worm shaft 2. The tube 10 forms with the worm shaft 2 a gap 17 which can bring about a pressure equalization over the cooler with a feed line.

Die Schneckenwelle 2 trägt am oberen Ende ein Schneckenrad 18, das über die Schnecke 19 angetrieben wird. Durch die Hohlwelle 2 ist das stillstehende Halterohr 10 hindurchgeführt. Die Abdichtung des Getriebes nach unten wird durch zwei Simmerringe 20 und einen Spritzring 21 vorgenommen. Das evtl. noch hindurchtretende öl wird über den RingkanaJ 22 und das Ableitungsrohr 23 in ein Sammelgefäß 24 abgeführt.The upper end of the worm shaft 2 has a worm wheel 18 which is driven by the worm 19. The stationary holding tube 10 is passed through the hollow shaft 2. The transmission is sealed from the bottom by two Simmerrings 20 and a splash ring 21. Any oil that may still pass through is discharged via the ring duct 22 and the discharge pipe 23 into a collecting vessel 24.

Oberhalb des Getriebes tritt die umlaufende Schneckenwelle 2 und das stillstehende Rohr 10 aus und trägt einen Kopf 25, in dem die elektrischen Anschlußklemmen 26 für die Heizung und die Anschlußklemmen für das Thermometer vorgesehen sind. Durch den Kopf 25 tritt die Heizflüssigkeitsleitung 13, die Kühlwasserzuleitung 28 und die Kühlwasserableitung 29. In der Kühlwasserableitung ist da.s Thermometer 30 angebracht. Für die Druckhaltung im Siederaum 7 erhält der Anschlußkopf 25 eine Zuleitung 31 für Druckluft, in der ein Reduzierventil 32 angeordnet ist, das den Luftdruck auf einen der gewünschten Siedetemperatur entsprechenden Druck einstellt und in einer Leitung 33 oberhalb der Stopfbüchse 34 in den Ringkanal 17 einführt, über den sich der Druck bis in den Siederaum fortpflanzt. Die ganze Maschine hängt in den an dem Schneckengehäuse angebrachten Tragpratzen 35, mit denen sie in einem Maschinengestell befestigt ist.The rotating worm shaft 2 and the stationary pipe 10 emerge above the gearbox and carry a head 25 in which the electrical connection terminals 26 are provided for the heating and the connection terminals for the thermometer. The heating fluid line 13, the cooling water supply line 28 and the cooling water discharge line 29 pass through the head 25. A thermometer 30 is attached in the cooling water discharge line. To maintain the pressure in the boiling chamber 7 , the connection head 25 receives a supply line 31 for compressed air, in which a reducing valve 32 is arranged, which sets the air pressure to a pressure corresponding to the desired boiling temperature and introduces it in a line 33 above the stuffing box 34 into the annular channel 17 , through which the pressure propagates into the boiler room. The whole machine hangs in the support brackets 35 attached to the screw housing, with which it is fastened in a machine frame.

Im Betrieb wird beispielsweise zwischen den Temperaturen von 254 bis 300' C eine Mischung von Diphenyl-Diphenyloxyd eingefüllt, bei den Temperaturen von 180 bis 250' C Paradichlorbenzol. Der Füllstand wird über das Rohr 13 geprüft und die Heizenergie unter Zwischenschaltung eines Drehtransformators (nicht dargestellt) langsam eingeschaltet. Der Kühlwasserkreislauf wird schwach eingestellt und die Temperatur an dem Kühlwasserthermometer 30 abgelesen. Wird die Heizung verstärkt, so tritt von irgendeinem Zeitpunkt an ein Sieden der Heizflüssigkeit ein. Der Heizflüssigkeitsdampf steigt bis in den Kühler, so daß an dem Thermometer 30 ein plötzliches Ansteigen der Temperatur festzustellen ist. Wird nun der Kühlwasserkreislauf auf größere Kühlwassermenge eingestellt, so genügt diese Menge, die überschüssige Heizenergie abzuführen und beispielsweise auf der halben Kühlerlänge die Trennzone zwischen dem schweren Heizdampf und der darüber befindlichen Luft zu bilden. An dem Thermometer in der Schnecke wird die Temperatur abgelesen und der Druck in dem Reduzierventil 32 so lange erhöht, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Füllt man nun mehrere solcher Aufschmelzschnecken mit dem gleichen Heizmittel und schließt sie an die gleiche Druckleitung 33 an, so erhält man in allen Apparaturen eine genau gleiche Temperatur.In operation, 'a mixture of diphenyl-Diphenyloxyd C filled at temperatures of 180 to 250' is, for example, between the temperatures 254-300 C paradichlorobenzene. The level is checked via the pipe 13 and the heating energy is slowly switched on with the interposition of a rotary transformer (not shown). The cooling water circuit is set weakly and the temperature is read on the cooling water thermometer 30. If the heating is increased, the heating fluid will boil at any point in time. The heating fluid vapor rises into the cooler, so that a sudden rise in temperature can be detected on the thermometer 30. If the cooling water circuit is now set to a larger amount of cooling water, this amount is sufficient to dissipate the excess heating energy and, for example, to form the separating zone between the heavy heating steam and the air above it over half the length of the cooler. The temperature is read from the thermometer in the screw and the pressure in the reducing valve 32 is increased until the desired temperature is reached. If several such melting screws are now filled with the same heating medium and they are connected to the same pressure line 33 , exactly the same temperature is obtained in all apparatus.

Entsprechend ihrer Drehzahl erzeugt die Förder schnecke in der Schmelze Wärme, die von der Förderschnecke aufgenommene Leistung wird in Wärme verwandelt. Sollte diese durch die Bewegung erzeugte Wärme zu groß werden, so dient die siedende Flüssigkeit innerhalb des Schneckenkörpers als Kühlung. Das ist ein besonderer Vorteil, um die Temperaturverteilung über die ganze Schneckenlänge genauestens abzugleichen und örtliche überhitzungen empfindlichen Materials zu vermeiden. Den Außenmantel des Schneckengehäuses wird man bezüglich der Heizung auf die gleiche Weise ausführen und zur Einhaltung der genau gleichen Temperatur mit derselben Heizflüssigkeit füllen und an dieselbe Druckhaltung über einen Kühler anschließen.The conveyor screw generates in the melt according to its speed Heat, the power absorbed by the screw conveyor is converted into heat. Should this heat generated by the movement become too great, the boiling one serves Liquid inside the screw body as cooling. This is a particular advantage in order to precisely adjust the temperature distribution over the entire length of the screw and avoid local overheating of sensitive material. The outer jacket the worm housing will be carried out in the same way with regard to the heating and fill with the same heating fluid to maintain exactly the same temperature and connect to the same pressure maintenance via a cooler.

Bei einer auf diese Weise geheizten Schnecke ergeben sich deutlich meßbare Verringerungen der Streuung der Festigkeit, Dehnung und des Arbeitsvermögens des durchgesetzten Gutes.In the case of a screw heated in this way, this clearly shows measurable reductions in the spread of strength, elongation and work capacity of the enforced good.

Den Vorteil einer mit Siedeheizung versehenen Schneckenmaschine kann man am besten bei der Herstellung von Seide überprüfen, indem man die Streuung des Titers der Einzelfäden von 90 cm Länge quer zur Fadenschar und die Streuung von 9 m Enden längs zur Fadenschar bestimmt (Gesamttiter 40, 9 Einzelfäden). Bei den bisher bekannten Heizsystemen beträgt die Streuung quer zum Faden (Variationskoeffizient) 6 %, während mit einer Schnecke, die mit der Siedeheizung ausgerüstet ist, Werte von kleiner als 4 1/lo erreichbar sind. Die Werte für die Titerstreuung längs zum Faden von 50 Einzelwerten je 9 m Länge sind 1 1/o bei den bisherigen Heizsystemen, während die Werte bei den Schnecken mit Siedeheizung kleiner als 0,6 II/o sind. Es ist dabei zu beachten, daß Unterschiede der Meßwerte von 60 % im Fertigprodukt (Gewebe oder Wirkstück) deutlich bemerkbar sind.The advantage of a screw machine with boiling point heating can best be checked in the production of silk by determining the distribution of the titer of the individual threads of 90 cm length across the thread sheet and the scatter of 9 m ends along the thread sheet (total denier 40, 9 single threads ). In the heating systems known to date, the spread across the thread (coefficient of variation) is 6 %, while values of less than 4 1 / lo can be achieved with a screw equipped with boiling-point heating. The values for the denier distribution along the thread of 50 individual values per 9 m length are 1 1 / o for the previous heating systems, while the values for screws with boiling point heating are less than 0.6 II / o. It should be noted that differences in the measured values of 60 % in the finished product (fabric or knitted piece) are clearly noticeable.

Claims

Claim: 1. Heat exchanger with an upright, hollow screw conveyor, the cavity of which is provided with a temperature control device and which is tightly surrounded by a housing which has a lateral inlet at the filling end of the screw and a central outlet at the discharge end of the screw, thereby marked that the cavity of the rotatable screw is designed as a trough (7) partially filled with the heat exchange medium, in which a stationary heating element (8) is arranged below the liquid level (12) and a stationary cooler (14) is arranged above the liquid level, the vapor space of the trough (7) above the liquid level is connected to a compressed air line (31) provided with a reducing valve (32) .

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized by an inserted into the trough filling pipe (13) for the heat exchange medium, which ends at the level of the liquid level (12). Publications considered: German Auslegeschrift H 15483 Ia / 17f (published on September 13, 1956).