DE1939248A1 - Anordnung zur Temperaturregelung von Schmelzextrudern - Google Patents

Anordnung zur Temperaturregelung von Schmelzextrudern

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DE1939248A1 DE19691939248 DE1939248A DE1939248A1 DE 1939248 A1 DE1939248 A1 DE 1939248A1 DE 19691939248 DE19691939248 DE 19691939248 DE 1939248 A DE1939248 A DE 1939248A DE 1939248 A1 DE1939248 A1 DE 1939248A1
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Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt/M., den 25. Juli I969
Aktiengesellschaft Bbl/HGa 6 Frankfurt (Main) Ί
Reuterweg 14 I
prov. Nr. 6290 LÖ
Anordnung zur Temperaturregelung von Schmelzextrudern
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperaturregelung von polytropen Schmelzextrudern mit verschiedenen Heizzonen unterschiedlichen Wärmebedarfs mit einem von einem Temperaturfühler gesteuerten elektronischen Regler für die elektrische Heizleistung der einzelnen Zonen.
Bei polytropen Extrudern muß das granulatförmige oder schnitzeiförmige zunächst feste, thermoplastische Material so erwärmt werden, daß es den Spritzkopf des Extruders als homogene Schmelze verläßt, danach abgekühlt zu Formen, Profilen, Rohren, Kabelummantelungen, Stangen oder Fäden weiterverarbeitet wird.
Sind die Temperaturen über der Länge des Extruders nicht genau den speziellen Eigenschaften des Materials und der Extrudermaschine, wie z. B. Art der Förderschnecke, Drehzahl, Gangtiefe usw. angepaßt, dann entstehen ungleichmäßige Ausgangsprodukte. Diese werden inhomogen, bei örtlicher Überhitzung blasig und können sich bei zu hoher Temperatur zersetzen. Es ist wesentlich, den Temperaturverlauf am Austritt des Extruders über die Zeit konstant einzuhalten.
Die Aufheizung des Kunststoffmaterials von einem festen Granulat über eine plastische Masse zu einer Schmelze erfolgt in dem von außen beheizten Teil des Extruderzylinders und am Spritzkopf (Extruderausgang). Für manche Stoffe kann eine Erwärmung der in diesem Falle hohlen Förderschnecke durch
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eine, umlaufende Heizflüssigkeit notwendig werden. Bei dem Fördervorgang wird das Material in dem Raum zwischen Zylinderwand und den Gängen der Extrudersohnecke durchknetet und gemischt. Die dabei entstehende Reibungswärme vermindert den von außen aufzubringenden.Wärmebedarf zum Schmelzen des Materials, ja es kann sogar in manchen Fällen eine Kühlung erforderlich werden.
Über die Länge des Extruders wird also eine unterschiedliche Heizleistung entsprechend dem örtlichen Wärmebedarf notwendig. Deshalb wird die äußere beheizung des Extruderzylinders in mehrere getrennt regelbare Heizzonen aufgeteilt. Die Schmelztemperatur, mit der das Material ausgestoßen wird, ist die Temperatur, bei der das Gut den Grad an Plastizität erreicht hat, der notwendig ist, um die Masse einwandfrei weiterverarbeiten zu können, ohne daß schädliche Einflüsse durch zu hohe Temperaturen eintreten. Gemessen wird die Wandtemperatur meist mit Thermofühlern im Mantel des Extruderzylinders, also nicht in der Masse selbst. Diese Temperatur entspricht nicht der wahren Stoff temperatur und ist immer nur als relativer Wert zu betrachten.
Es ist bekannt, die einzelnen Heizzonen eines Extruders von außen mit Dampf, Sattdampf oder mit umlaufenden Flüssigkeiten, wie Spezial-Heizölen, zu erwärmen. Für den Temperaturbereich oberhalb 200°C stehen nur relativ wenige Heizöle zur Verfügung, wie z. B. Diphenylchlorid, Diphenyloxyd bis 3000C oder Diphenyl und Naphthalin bis 35O°C sowie Tetrakresylsilikat bis 4000C. Sie sondern zum Teil giftige Dämpfe ab und belästigen und gefährden das Bedienungspersonal. Solche Heizungen müssen mit relativ großem Aufwand gewartet werden. Es werden auch verschiedentlich Netzfrequenz-Induktionsheizungen verwendet, die einen großen Raumbedarf haben.
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Die gebräuchlichsten Systeme zur zonenweisen Temperierung der Extruder sind Widerstandsheizelemente in direktem Kontakt mit der zu beheizenden Oberfläche. Die Heizelemente haben meist die Form schmaler Bänder oder sind als Wendel, Einzelringe, Heizmanschetten oder Heizpatronen ausgebildet. Mit solchen Heizelementen lassen sich praktisch beliebige Temperaturen erreichen und sie sind leicht über die elektrische Leistung zu regeln. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist vor allem darin zu sehen, daß die Temperatur am Heizmantel des Extruderzylinders gemessen wird und nicht in der Schmelze selbst.
Die Temperaturregelung der einzelnen Heizzonen kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch Handregelung wird die Heizleistung mit einem Regeltransformator solange verändert, bis an einem Thermofühler in der Wand des Extruders die an dieser Stelle gewünschte Temperatur erreicht ist. Eine solche Regelung ist naturgemäß weitgehend von der Zuverlässigkeit der Bedienung abhängig und läßt momentane Durchsatzschwankungen oder Temperaturspitzen unberücksichtigt .
Eine andere Möglichkeit zum Erreichen der Temperaturkonstanz in der Masse des Materials ist eine Ein-Aus-Regelung wie sie bei Thermostaten üblich ist. Der Ein- und Ausschaltbetrieb führt meist zu größeren Temperaturpendelungen bis sich das Gleichgewicht eingestellt hat.
Den größten Aufwand erfordert eine vollautomatische Proportionalregelung. Damit läßt sich die Temperatur sehr genau einstellen. Wegen der großen Empfindlichkeit und einer gewissen Störanfälligkeit ist sie jedoch relativ aufwendig, insbesondere, wenn mehrere Heizzonen geregelt werden sollen. Sie erfordert für jede Zone einen separaten Regler, wobei sich nebeneinanderliegende Zonen in ihrem Regelverhalten gegenseitig beeinflussen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angeführten Nachteile einer Hand- oder Thermostat-Regelung zu vermeiden, sowie den Aufwand für eine vollautomatische Regelung jeder einzelnen Heizzonen zu vermindern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Impuls zur Regelung der Schmelztemperatur am Extruderkopf von einem in der Schmelze steckenden Temperaturfühler über einen allen Heizzonen gemeinsamen stetigen elektronischen Regler den einzelnen Heizzonen zugeordneten Thyristorstellern als Stellglieder zugeleitet wird und die elektrische Heizleistung der einzelnen Zonen im gleichen Verhältnis eingestellt wird.
Die Regelung erfolgt stetig und kontaktlos. Durch die gleichmäßige Beaufschlagung der Heizbänder über den Thyristorsteller mit Steuerspannungen, die dem tatsächlichen Leistungsbedarf entsprechen und die im allgemeinen weit unterhalb der Nennspannung liegen, erhöht sich die Lebensdauer der Heizelemente. Die Eingangsgröße des Temperaturreglers ist die wahre Schmelztemperatur, die im Spritzkopf des Extruders direkt^ in der Schmelze gemessen wird.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthalten die im Ausgangskreis des Reglers jeder Heizzone zugeordneten Thyristorsteller von Hand einstellbare Potentiometer.
Da der Leistungsbedarf der einzelnen Heizzonen sehr unterschiedlich ist, z. B. im Einlauf des Extruders 2,5 KW, in der nächsten Zone 2 KW und der folgenden 1,6 KW usw., kann man durch Verändern der Aussteuerung der einzelnen Thyristorsteller mit einem Potentiometer bei gleichem Ausgangssignal des Reglers sich dem Wärmebedarf anpassen.
In den Ausführungsbeispielen und Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema der Extruderregelung
Fig. 2 den Thyristorsteller
Fig. 3 Diagramm der Extruderregelung nach Fig„ 1. ■
Über die Materialaufgabe 1 fördert die Extrudersohnecke (Förderschnecke) 2 das thermoplastische Material zum Extruderkopf (Spritzkopf) 3. Ein Thermofühler 4 steckt in der Umlenkung 5 des mit Diphenyl beheizten Extruderkopfes 3 im geschmolzenen thermoplastischen Material. Auf dem Weg von der Materialaufgabe 1 bis zum.Austritt durchläuft das Gut beispielsweise vier separate Heizzonen 6a bis 6d mit Heizelementen 7a bis 7d, die direkt auf den Extruderzylinder 8 aufgebracht sind. Je drei Heizelemente sind parallel geschaltet und bilden eine Heizzone. Der Leistungsbedarf bzw. der Wärmebedarf der einzelnen Heizzonen wird von Thyristorstellern 9a bis 9d über die Eingangspotentiometer 10a bis 1Od von dem elektronischen Führungsregler 11 geregelt. Der Regler erhält sein Eingangssignal von dem Temperaturfühler 4 und liefert über einen Brückenvergleich zwischen gemessener Temperatur und Solltemperatur (Schmelztemperatur) einen entsprechenden Ausgangsstrom, ζ. B. 0-5 mA. Dieser Strom erzeugt an den verschiedenen Potentiometern 10a bis 1Od je nach deren Einstellung (von Hand) einen Spannungsabfall, der zum Aussteuern der Heizleistung der Thyristorsteller dient und den einzelnen Zonen angepaßt ist. Bei einer Stromänderung und damit Spannungsänderung an den Potentiometern 10a bis 1Od wird die elektrische Heizleistung in allen Zonen im gleichen Verhältnis geändert.
Nach Fig. 2 wird als elektronischer Führungsregler 11 ein stetig wirkender Regler mit PID- oder Pl-Verhalten verwendet. Er ist für den Anschluß an Thermoelemente oder Widerstandsthermometer geeignet. Grundsätzlich ist auch der Anschluß
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von Thermistoren möglich. Am Eingang des Reglers befindet sich eine Brückenschaltung, wobei das Primärglied (Widerstandsthermometer, Thermoelement oder Thermistor) in diese einbezogen ist. Wenn die von dem Fühler gemessene Temperatur von der am Sollwertpotentiometer Xk eingestellten Temperatur abweicht, so entsteht an der Brückendiagonale eine Spannung, die der Regelabweichung entspricht. Diese der Regelabweichung proportionale Spannung wird über den verstellbaren Widerstand Xp (Proportionalbereichsverstellung) dem Gleichspannungsverstärker zugeführt. Der Gleichspannungsverstärker besteht beispielsweise aus einem Diodenmodulator und einem Ausgangsverstärker, dessen Ausgangsstrom an die Erfordernisse der Thyristorsteuersätze über den Trimmwiderstand Rm anzupassen ist. Über den verstellbaren Widerstand Xp kann der Proportionalbereich in weiten Grenzen verändert werden. Der verstellbare Widerstand Tn dient der Einstellung der Rückführzeit (RC-Kette Tn - Cn).
Mittels der RC-Kette Ty - Cy wird die Vorhaltezeit eingestellt.
Entsprechend der Anzahl der vorhandenen Heizzonen am Extruder werden in gleicher Anzahl Thyristorsteller (Wechselstromsteller) eingesetzt.
Die Thyristorstellereingänge sind mit dem Abgleichwiderstand Rmp an den Ausgangskreis des elektronischen Führungsreglers angepaßt. Der Eingang des Wechselstromstellers stellt in Bezug auf den elektronischen Regler einen Festwiderstand dar, hinsichtlich der.Ansteuerstufe jedoch einen einstellbaren Spannungsteiler.
Die Endstufe ist in Einphasenschaltung mit zwei antiparallel arbeitenden Thyristoren ausgerüstet, die über einen Anschnittswinkelversteller gesteuert werden. Über die sekundären Wicklungen des Zündrafos werden die Thyristoren
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gezündet. Damit wird eine stetig arbeitende Regelung des Heizstromes erreicht. Die Optimierung der Regel-Strecke wird mit Grenzwertrelais erleichtert, weil dann bei einer falschen Einstellung der Potentiometer bei zu hoher Temperatur selbsttätig der Heizstrom abgeschaltet wird. Außerdem soll damit der größtmögliche Schutz der Heizbänder erreicht werden.
Jede Heizzone wird mit zwei Grenzwertrelais ausgestettet,
1. für die Abschaltung bei zu hoher Temperatur,
2, für die Freigabe des Extruder-Antriebes.
Die zwei Grenzwertrelais werden an ein Doppelwiderstandsthermometer angeschlossen. Das Doppelwiderstandsthermometer mißt die jeweilige Zonen-Temperatur.
Die konventionelle Regelung der Extrudertemperatur ging davon aus, die einzelnen Heizzonen über separate Regler unabhängig voneinander über die Wandtemperatur der Zonen zu regeln. Infolge von Schwankungen in der Materialzufuhr, die niemals auszuschließen sind, sowie durch Änderungen der Schneckendrehzahl treten Temperaturschwankungen auf, die bei der seitherigen Art der Regelung nur unzulänglich ausgeregelt wurden, wobei sich benachbarte Regelsysteme in nicht übersehbarer Weise gegenseitig beeinflussen. Überraschend wurde gefunden, daß man mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine wesentlich bessere Temperaturregelung erhielt (Fig. 3), wenn man die der Schmelze entnommene wahre Temperatur über einen Führungsregler den Thyristorstellern der einzelnen Zonen zuführte. Die Regelung erfolgt kontinuierlich, kontaktlos, sie ist störungsunempfindlich. Die Heizleistung der einzelnen Zonen ist dem Wärmebedarf angepaßt, liegt meistens tiefer als die maximale Heizleistung und erhöht dadurch die Lebensdauer der Heizelemente. Aus den Temperaturkurven für die einzelnen Heizzonen (gemessen am Extrudermantel) in Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Manteltemperaturen einen recht ungenauen Parameter für die wahren Schmelztemperaturen darstellen.
- 8 009887/ 1773 Patentansprüche

Claims (2)

  1. Patentansprüche
    Anordnung zur Temperaturregelung von polytropen Schmelzextrudern mit verschiedenen Heizzonen unterschiedlichen Wärmebedarfs mit einem von einem Temperaturfühler gesteuerten elektronischen Regler für die elektrische Heizleistung der einzelnen Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls zur Regelung der Schmelztemperatur am Extruderkopf von einem in der Schmelze steckenden Temperaturfühler über einen allen Heizzonen gemeinsamen stetigen elektronischen Regler, den einzelnen Heizzonen zugeordneten Thyristorstellern als Stellglieder zugeleitet wird und die elektrische Heizleistung der einzelnen Zonen im gleichen Verhältnis eingestellt wird.
  2. 2. Anordnung zur Temperaturregelung von polytropen Schmelzextrudern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des Reglers die jeder Heizzone zugeordneten Thyristorsteller von Hand einstellbare Potentiometer enthalten.
    009887/177 3
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