DE1529928C - Verfahren zur Wärmebehandlung von Theologischen Substanzen in Schneckenma schinen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Theologischen Substanzen, wie z. B. Kunststoffen, in Schneckenmaschinen, wobei an der Zylinderwandung Wärme übertragen wird und die Substanz mit einem über der Eigenförderung q_etgen der Schneckenmaschine liegenden faktischen Durchsatz q durch die Maschine gefördert wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer Schneckenmaschine, die mit einer Fremdfördervorrichtung gekoppelt ist.

Bei vielen verfahrenstechnischen Prozessen spielt bei der Wärmebehandlung von Theologischen Substanzen in Schneckenmaschinen der Grad des Wärmeübergangs zwischen der Substanz und den Wärmeaustauschflächen der Maschine eine Rolle. Beispielsweise ist die Ausstoßleistung von Aufschmelzschnecken und Extrudern gewöhnlich durch diejenige Heizleistung begrenzt, die ohne Schädigung des Produktes auf die Substanz übertragbar ist.

Die Mischleistung von schnellaufenden Homogenisierschnecken für hochviskose bzw. plastische Substanzen ist im wesentlichen beschränkt durch die abführbare Wärmemenge der beim Mischen entstehenden Reibungswärme.

Aus konstruktions- und wärmetechnischen Gründen wird der Wärmeaustausch zwischen der Substanz und derSchneckenmaschinegewöhnlichüberden Schneckenzylinder vorgenommen. Da-der Wärmeaustausch in den Schneckenmaschinen fast ausschließlich auf dem konvektiven Transportmechanismus der strömenden Substanz beruht, ist die Wärmeübergangszahl χ, wenigstens im Falle der Newtonschen Flüssigkeiten, in einem großen Viskositätsbereich praktisch unabhängig von der Viskosität der geförderten Flüssigkeit.

Der maschinelle Aufwand ist hierbei gemessen art der wärmetechnischen Ausbeute, vielfach zu hoch.

Es ist eine Schneckenmaschine bekannt, die mit einer Fremdfördervorrichtung gekoppelt ist und mit der damit auch das eingangs beschriebene Verfahren durchgeführt wird. Die Werte von Λ = —-— liegen hierbei

feigen geringfügig über 1, (/1 ist hierbei das Verhältnis des faktischen Durchsatzes q zur Eigenförderung q_eigen)-Die Fremdfördervorrichtung dient vor allem als Beschickungshilfe; sie ist nicht dazu vorgesehen, den Wärmeausgang in der Schnecke zu verbessern.

ίο Es ist ferner bekannt, eine Verbesserung des Wärmeübergangs in einer Schneckenmaschine gegebener Konstruktiondurcheine ErhöhungderSchneckendrehzahl« zu erreichen. Eine solche Maßnahme hatte neben der damit verbundenen Zunahme der Antriebsleistung und der damit verbundenen Erhöhung des maschinentechnischen Aufwandes noch eine — beim Kühlen der Substanz — mitunter zu hohe wärmetechnische Belastung der Wärmeaustauschflächen durch die entstehende Reibungswärme zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren und die Vorrichtung, die eingangs beschrieben sind, so weiter zu entwickeln, daß die Wärmeübergangszahl an der Zylinderwandung wesentlich erhöht wird, wobei der maschinentechnische Aufwand für die Wärmebehandlung klein bleiben und möglichst sogar herabgesetzt werden soll.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis A des faktischen Durchsatzes q zur Eigenförderung q_ei_Ven mindestens den Wert 3 apfweist.

Infolge der sich durch dieses Verhältnis gekennzeichneten besonderen Verfahrensweise ergebenden Strömungsverhältnisse wird die im Spalt zwischen der Zylinderwandung und dem Schneckensteg jeweils wärmebehandelte Substanz besonders schnell durch die nachströmende Substanz verdrängt, wodurch der Wärmeaustausch intensiviert wird. Dadurch ist es möglich, die erforderliche Wärmemenge bei kürzerer

. Verweilzeit der Substanz auszutauschen und somit den Durchsatz zu erhöhen ober bei gegebenem Durchsatz die Wärmeaustauschfläche und damit den maschinentechnischen Aufwand zu verringern.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdfördervorrichtung als auf der Schneckenwelle angeordnete so dimensionierte Schraubenpumpe ausgebildet ist, daß sich bei BetriebderSchneckenmaschine für Λ mindestens ein Wert von Λ = 3 einstellt.

Die Anordnung der entsprechend dimensionierten Schraubenpumpe auf der Schneckenwelle ermöglicht einen gemeinsamen Antrieb für Schraubenpumpe und Schneckenmaschine und eine kompakte Bauweise.

In Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Pumpe mit einer Bypass-Leitung mit einem Drosselventil versehen ist. Dadurch wird erreicht, daß eine etwa zuviel geförderte Menge über die Bypass-Leitung zurückgeführt werden kann und mittels des Drosselventils die Rücklaufmenge einstellbar ist.

öo Im folgenden werden die Erfindungen an Hand von Beispielen und den zugehörigen F i g. 1 bis 3 erläutert. F i g. 1 zeigt zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abhängigkeit der Wärmeübergangszahl \ sowie der entsprechenden Nusselt-Zahl Nu von der Schneckendrehzahl η in einer einspindeligen Versuchsschnecke bei konstant gehaltenem Durchsatz von 1,5 I/min. Die Messungen wurden an Silikonölen im Viskositätsbereich 0,5 bis 90 Stokes durchgeführt.

Der Sachvemalt wurde sowohl bei verschiedenen Durchsätzen als auch an Schneckenspindeln mit unterschiedlichen geometrischen Daten sinngemäß bestätigt gefunden.

Ein vorgegebener Durchsatz q wird von der Schnekkenmaschine nur dann erbracht, wenn ihre Drehzahl η nicht unter einen gewissen, durch den jeweiligen q-Wert bedingten Wert sinkt, nämlich η = n_mi_n = qjE, wobei bei der Schneckenspindel nach F i g. 1 E = 6,3 · 10~³1/Umdr. ist. In Verbindung mit q = 1,5 l/min gilt für die Grenzdrehzahl n_min = 240 Umdr. min. Dieser Wert teilt die Abszisse in F i g. 1 in zwei Abschnitte: η > n_min gibt den üblichen Arbeitsbereich^ , an, in dem die Schneckenmaschine den vorgegebenen Durchsatz q aktiv aus eigenem Fördervermögen gegen einen gewissen Druck in der Austrittsleitung liefert. Bei η < nmin vermag die Schneckenmaschine den festgelegten Durchsatz nicht zu erbringen, und es bedarf entweder eines zusätzlichen Förderorgans, z. B. einer Pumpe, oder eines entsprechend hohen Druckes in der Zulauf leitung, der z. B. mittels eines Druckkessels erzeugt wird, um den vorgegebenen Durchsatz zu erzielen. Der Kurvenverlauf in F i g. 1 zeigt, daß die Wärmeübergangszahl <x erst im Bereich der Fremdförderung ein ausgeprägtes Maximum aufweist. Die maximale Wärmeübergangszahl kann bei dem Beispiel einen Wert bis zu etwa 1200 bis 1400 kcal/(m^a · h · grd) erreichen und ist von der Viskosität der Flüssigkeit nahezu unabhängig.

Die Intensität des Wärmeüberganges läßt sich im wesentlichen durch eine Abhängigkeit zwischen der Nusselt-Zahl Nu und dem Parameter A = qlq_ei_gen beschreiben. Eine derartige Funktion Nu = f {Ä), die von der Schneckengeometrie etwas beeinflußt wird, ist in F i g. 2 -wiedergegeben und stellt eine Verallgemeinerung des in F i g. 1 zum Ausdruck gebrachten Sachverhaltes dar. Der Arbeitsbereich mit Eigenförderung entspricht in F i g. 2 dem schmalen Intervall ο < Λ s; 1. Das Maximum der Nusselt-Zahl und somit auch der Wärmeübergangszahl α liegt etwa bei A = 5.

Dort beträgt die Schneckendrehzahl nur 20% derbe· reits erläuterten Drehzahl n_mi_n = q/E. Die Antriebsleistung, die in der Flüssigkeit nahezu vollständig zur Reibungswärme umgesetzt wird, ist je nach den rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit etwa proportional der l,4ten bis 2ten Potenz der Drehzahl und sinkt bei=· /1 = 5 auf etwa 5 bis 10 % des sonst im Bereich, der Eigenförderung zu erwartenden Betrages herab. Dadurch läßt sich namentlich beim Kühlen der Substanz eine starke Belastung der Wärmetauscherflächen durch die Reibungswärme vermieden.

Besteht die Aufgabe der Schneckenmaschine darin, eine hochviskose Substanz zu kühlen, so kann es günstig sein, den Arbeitspunkt des Apparates von Λ = 5 etwas zu den größeren /l-Werten hin zu verschieben, d. h. bei einem vorgegebenen Durchsatz die Schneckendrehzahl um einen entsprechenden Betrag zusätzlich zu verringern und die Belastung der Wärmeaustauschfläche durch die Reibungswärme, wenn auch auf Kosten der geringfügig verschlechterten Wärmeübergangszahl, herabzudrücken.

In F i g. 3 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens rein schematisch dargestellt und nachstehend erläutert.

Die Vorrichtung besteht aus einer volumetrisch fördernden Schraubenpumpe 1, an welche sich zwei einspindelige Schnecken 2 und 3 anschließen, die mit der Schraubenpumpe 1 gemeinsam angetrieben werden. Jede der beiden Schneckenspindeln 2 und 3 ist von einem Zylindermantel 4 bzw. 5 umgeben, über welche der Wärmeaustausch zwischen der zu behandelnden Substanz und dem Kühl- bzw. Heizmittel 6 und 7 erfolgt. Das zu behandelnde Gut tritt durch den Einlaß 8 in die Vorrichtung ein, durchströmt diese und tritt durch ein Drosselventil 9, das in einer Auslaßleitung 10 angeordnet ist, wieder aus. Die Schraubenpumpe 1 ist mit einer Bypass-Leitung 11 versehen, die ein regulierbares Rückstromventil 12 aufweist, durch welches gegebenenfalls ein Teil der Substanz zurückströmen kann.

Die Schraubenpumpe 1 und die beiden Schnecken 2 und 3 sind in ihren geometrischen Abmessungen so ausgelegt, daß das Verhältnis ihrer Förderkapazitäten größer als der bereits erläuterte Wert des kinematischen Parameters A_max = 5 ist. Dieses Förderverhältnis ist dank der drehzahlproportionalen Fördercharakteristik der Schraubenpumpe 1 unabhängig von- der Drehzahl der Schnecken 2 und 3. Mit dem Rückstromventil 12 wird die Anpassung der Vorrichtung in dem bereits erläuterten Sinne vorgenommen, indem bei konstantem Durchsatz eine gleichzeitige Änderung der Drehzahl und des Rückstromverhältnisses und damit die entsprechende Variation des kinematischen Parameters/l bewirkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von rheologischen Substanzen, wie z. B. Kunststoffen, in Schneckenmaschinen, wobei an der Zylinderwandung Wärme übertragen wird und die Substanz mit einem über der Eigenförderung c/etgen der Schnekkenmaschine liegenden faktischen Durchsatz q durch die Maschine gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis .1 des faktischen Durchsatzes q zur Eigenförderung q_eujen mindestens den Wert 3 aufweist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Schneckenmaschine, die mit einer Fremdfördervorrichtung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdfördervorrichtung als auf der Schneckenwelle (2) angeordnete so dimensionierte Schraubenpumpe (I) ausgebildet ist, daß sich bei Betrieb der Schneckenmaschine für Λ mindestens ein Wert von /1 = 3 einstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) mit einer Bypass-Leitung(ll) mit einem Drosselventil (12) versehen ist.