DE19958037A1 - Kühlextruder zum Abkühlen von warmen Schmelzen - Google Patents

Abstract

Nach der Erfindung wird ein Kühlextruder ohne wesentliche Förderwirkung ausgelegt und der notwendige Schmelzedruck mit Hilfe von Pumpen erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einschnecken-Kühlextruder, vorzugsweise in einer Tandern- Extrusionsanlage mit einem Doppelschneckenextruder als Primärextruder und für die Verarbeitung von Kunststoff.

Bei der Verarbeitung von Kunststoff in einem Extruder ist zwischen verschiedenen Verarbeitungszonen zu unterscheiden. In der ersten Zone wird festes Kunststoffgranulat oder Schnitzel oder dergleichen in den Extruder eingezogen. In der nächsten Zone wird Druck aufgebaut. Zugleich erfolgt eine Erwärmung des Kunststoffes bis aus dem festen Kunststoff eine Schmelze entsteht.

Die Schmelzflüssigkeit ist gewünscht, um in einer weiteren Zone Zuschläge, Additive und anderes in dem Kunststoff fein zu verteilen und um den Kunststoff zu homogenisieren. Bei der Herstellung von Kunststoffschaum kann die Zuführung von Treibmittel in der gleichen Zone oder in einer weiteren Zone erfolgen. Bei älteren Verfahren wird das Treibmittel mit dem Kunststoff aufgegeben.

In den zuletzt beschriebenen Zonen hat die Schmelze eine Temperatur, die wesentlich höher als die gewünschte Austrittstemperatur aus dem Extruder ist. Bei PS (Polystyrol) sind Schmelzetemperaturen von größer 200 Grad Celsius nicht ungewöhnlich.

Der Extruderaustritt ist regelmäßig eine Düse. Dort soll die Schmelzetemperatur in vielen Fällen dicht am Erstarrungspunkt liegen. Bei PS liegt die Austrittstemperatur häufig bei 100 Grad Celsius.

Dadurch hat der Schmelzestrang bereits eine gewisse Festigkeit, die seine Handhabung wesentlich erleichtert.

Die Abkühlung der Schmelze auf die gewünschte Austrittstemperatur erfolgt in einer oder mehreren Abkühlungszonen.

Es sind diverse Vorschläge zur Gestaltung des Extruders in der Abkühlungszone bekannt. Ein Vorschlag setzt auf eine Tandembauweise. Bei der Tandembauweise werden zwei Extruder miteinander gekoppelt. Es wird unterschieden zwischen dem Primärextruder und dem Sekundärextruder. Der Sekundärextruder ist der in Verarbeitungsrichtung/Schmelzeströmungsrichtung hintere Extruder in Form eines Einschneckenextruders. Die Bezeichnung Einschneckenextruder kennzeichnet die Anzahl der Schnecken im Extruder.

Zeitgemäße Extrudergehäuse sind doppelwandig ausgebildet. Der Innenmantel wird durch einen Zylinder gebildet. Innenseitig ist die Berührungsfläche mit der Schmelze und der Schnecke. Dort findet die Kühlung statt. Im weiteren wird die Zylinderinnenfläche als Kühlfläche bezeichnet.

Außenseitig ist der Zylinder in dem Extrudergehäuse mit einem Kühlmittel umströmt, so daß die aufgenommene Wärme abgeführt wird.

Die Tandembauweise hat den Vorteil unterschiedlicher Beeinflußbarkeit, insbesondere unterschiedlicher Drehzahlen an beiden Extrudern.

Auch die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Schmelzekühlung zu verbessern. Dabei knüpft die Erfindung an der Tandemanordnung an. Nach der Erfindung wird der Kühlvorgang weitgehend von der Druckerzeugung für die notwendige Schmelzeströmung im Extruder getrennt. Das geschieht wahlweise durch einen Primärextruder mit ausreichender Förderleistung, um den Strömungswiderstand im Sekundärextruder zu überfahren. Der Primärextruder ist dabei im weitesten Sinne eine Pumpe. Besonders hohe Förderleistung besitzen Doppelschneckenextruder.

Der Doppelschneckenextruder besitzt zwei parallel nebeneinander angeordnete Schnecken, die miteinander kämmen und den Kunststoff bzw. die Schmelze zwischen sich einziehen und zwangsweise nach vorne drücken.

Es kann aber auch eine Pumpe im engeren Sinne verwendet werden, nämlich eine an sich bekannte Schmelzepumpe.

Wahlweise ist darüber hinaus hinter der Kühlzone und vor der Düse ein weitere Pumpe vorgesehen. Auch das ist an sich bekannt.

Neu ist, daß dies genutzt wird, um in der Kühlzone in mechanischer Hinsicht im wesentlichen nur mischend auf die Schmelze einzuwirken. "Im wesentlichen nur mischend" heißt im Sinne der Erfindung, daß die Schnecke dort keine Förderkräfte entfaltet, die ohne Pumpen eine Schmelzeströmung erzeugen.

Die Förderkräfte werden bisher als unverzichtbar angesehen, weil bei der Kühlung der Schmelze erhebliche Strömungsschwierigkeiten auftreten:

Der die Schnecke umgebende Zylinder und die Schnecke werden mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, möglichst intensiv gekühlt. Bei einem bekannten Einschneckenextruder streifen die Stege der Schnecke die abgekühlte Schmelze an der Zylinderinnenwand ab. Die abgestreifte Schmelze sammelt sich vor den abstreifenden Stegen. Je nach Kühlbedingungen bildet sich ein kalter Propfen an der Schubflanke oder die Schmelze ist noch nicht dermaßen stark abgekühlt, daß sie stagniert und sich ein Strömungsfeld mit einer kalten Schicht um einen heißen Kern herum ausbildet.

Der kalte Propfen wird durch die gesamte Schnecke transportiert und führt im austretenden Schmelzestrang zu Inhomogenitäten. Die Inhomogenitäten sind von der Fachwelt erkannt. Es wird auch versucht, dem durch Mischung mittels Stegunterbrechungen entgegenzuwirken. Mit Hilfe der Stegunterbrechungen versucht man, diesen kalten Propfen von der Schubflanke der Stege zu entfernen und wieder in die Schmelze einzumischen. Dies gelingt mit den bekannten Konstruktionen nur unzureichend. Das gilt vor allem bei der Herstellung von Kunststoffschaum, wo sich Inhomogenitäten in ungleicher Zellgröße und mangelnder Geschlossenzelligkeit zeigen.

Die aus der Schmelze abzuführende Wärmemenge läßt sich aus der Temperaturdifferenz der in den Extruder eintretenden und austretenden Schmelze berechnen. In der Praxis ist die tatsächlich abgeführte Wärmemenge immer deutlich größer als die errechnete.

In den Schneckengängen und im Spalt zwischen den Schneckenstegen und der Zylinderinnenwand entsteht nämlich zusätzliche Wärme durch innere Reibung der Schmelze (Wärmedissipation).

Die im erwähnten Spalt über den Schneckenstegen dissipierte Wärme wird durch die Spaltweite, die Spaltlänge und die Spaltbreite sowie die Umfangsgeschwindigkeit bestimmt. Die Wärmedissipation steigt näherungsweise linear mit der Spaltweite.

Zur Minimierung der Wärmedissipation im Schneckengang führt man die Schnecken mit tieferen Kanälen aus.

Zugleich ist zu berücksichtigen, daß eine starke Kühlung zu einem "Anfrieren" von Schmelze an den Kühlflächen führen kann. Dabei entsteht eine Kunststoffschicht, welche die Kühlwirkung des Zylinders schlagartig und drastisch reduziert.

Das gilt wieder besonders bei der Kunststoffschaumherstellung für den Dämmstoffmarkt, da die verwendeten Kunststoffe gute Wärmeisolierstoffe sind.

Der Abreinigung der Kühlflächen des die Schnecke im Extruder umgebenden Zylinders wird deshalb eine hohe Bedeutung beigemessen. Das gilt vor allem bei der Herstellung von Kunststoffschaum, wenn mit Treibmitteln gearbeitet wird und erhebliche Drücke (bei PS z. B. 300 bar) erzeugt und gehalten werden müssen.

Durch eine Kühlschnecke mit wesentlicher Förderwirkung wird bei den bekannten Extrudern vermieden, daß über der Kühlstrecke ein zu großer Druckabfall auftritt und ein Aufschäumen der Schmelze im Extruder stattfindet.

Die Erfindung löst sich von der herkömmlichen Vorstellung.

Nach der Erfindung wird unter den oben erläuterten Voraussetzungen in der Kühlzone vorzugsweise eine Schnecke ohne jede Förderwirkung eingesetzt. Das läßt sich z. B. mittels Stegen erreichen, die im wesentlichen parallel zur Schneckenlängsachse verlaufen. Im Sinne der Erfindung schließt "im wesentlichen" auch Steigungen/Neigungen bis zu 20 Grad zur Längsachse der Schnecke ein. Vorzugsweise ist die Steigung/Neigung nicht größer als 10 Grad zur Längsache der Schnecke.

Die nahezu förderwirkungsfreie Schnecke erfährt vorteilhafterweise auch keine Förderbelastung. Die Schnecke kann sehr viel leichter als herkömmliche Schnecken ausgebildet werden. Unter Beibehaltung/Anwendung der oben beschriebenen Unterbrechungen der Stege, kann sich die Stegkonstruktion auf die Form leichter Paddel beschränken, die lediglich noch der Bewegung in der Schmelze in Umfangsrichtung Stand halten müssen.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Bauweise mit einer möglichst kleinen Spaltweite kombiniert. Bei sehr kleiner Spaltweite wird die Kühlfläche (in dem die Schnecke umgebenden Zylinder) wirkungsvoll abgereinigt. In dem Sinne sind Spaltweiten von weniger als 0,3 mm von Vorteil. Außerdem ist es günstig, die Schnecke mehrgängig auszuführen, damit die Kühlfläche möglichst oft abgereinigt wird und so die Verweilzeit der verringert wird. Günstig ist eine Gängigkeit von mindestens 4, besser 6 und wahlweise bei den annähernd parallel verlaufenden Stegen auch 10 und mehr.

Günstig sind auch gleiche Spaltweiten am Schneckenumfang. Das trägt wesentlich zu einem hohen Wirkungsgrad des Abreinigens bei.

Günstig ist auch ein geringes Aufschwimmen der Schnecke.

Die herkömmlichen Schnecken sind aus dem Vollen gefräst. Um zugleich an den Schnecken zu einer Schmelzekühlung zu kommen, werden die Schnecken herkömmlich gebohrt. Das ist sehr aufwendig. Aufgrund des Konstruktionsprinzips sind die herkömmlichen Schnecken relativ schwer. Dieses Gewicht ist einem Aufschwimmen sehr hinderlich.

Anders ist die Situation bei einer erfindungsgemäßen Schnecke in möglichem Leichtbau. Nach der Erfindung kann der Leichtbau mit Hilfe eines herkömmlichen Rohres und angeschweißter Stege verwirklicht werden. Es sind Präzisionsrohre in allen vorkommenden Durchmessern verfügbar, welche ausreichend stark (biegefest und torsionsfest) sind, um ein gewünschtes Drehmoment auf die Stege zu übertragen und um zugleich die vorteilhafte geringe Spaltweite sicherzustellen. Auch Spaltweiten von 0,1 bis 0,2 mm lassen sich dabei verwirklichen.

Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Rohre selbsttragend ausgelegt, so daß ein Dorn im Rohrhohlraum entbehrlich ist. Die selbsttragende Ausbildung ist dem Leichtbau sehr förderlich.

Das erfindungsgemäß geringe Gewicht reduziert die Belastung der Kühlflächen bei gleichen Stegbreiten wesentlich. Alternativ können die Stegbreiten reduziert werden. Mit der Reduktion der Stegbreite wird auch die Wärmedissipation verringert.

Die Schnecke kann leicht zum Aufschwimmen gebracht werden. Das geschieht durch Variation der Stegbreite und Stegneigung in Umfangsrichtung. Das Aufschwimmen läßt sich rechnen oder in wenigen praktischen Versuchen mit Änderungen der Stegbreiten und Stegneigung/Steigung erreichen.

Ähnliches gilt für die richtige Schneckendrehzahl und für das Maß der Kühlung. Bei der erfindungsgemäßen Leichtbauschnecke müssen nicht mehr alle Stege tragen. Das kann genutzt werden, um unterschiedliche Stege zu erzeugen, nämlich schwimmende und schabende Stege. Wahlweise folgen die schwimmenden und schabenden Stege einander im Wechsel. Es kommt aber auch eine andere Folge in Betracht. Die schabenden Stege können "messerscharf' angeordnet werden und erzeugen damit fast keine Wärme.

Durch das Aufschweißen der Stege auf ein Rohr ist man in der Gestaltung und Anordnung der Stege sehr viel freier. Es können sehr kurze Steglängen gewählt werden und die Stege versetzt zueinander angeordnet werden.

Die Schnecke kann auch nach dem Prinzip eines Statikmischers arbeiten. Die Stege bilden dann Schikanen, an denen die Schmelze zu einer Änderung der Strömungsrichtung gezwungen wird. Durch Rotation der Schnecke wird eine zusätzliche Mischbewegung in Umfangsrichtung erzeugt.

Wahlweise werden in Stegen auch Öffnungen in unterschiedlicher Tiefe angebracht, durch die die an der Kühlfläche abgekühlte Schmelze gezielt von der Schubflanke des Steges auf die Rückseite des Steges gelenkt wird. Auf dem Wege wird das Entstehen eines kalten Propfens an der Schubflanke verhindert, der sich am Ende eines Steges wie ein Strömungswirbel ablöst. Ebenso wird das Rotieren einer kalten Schmelzeschicht von der Kühlfläche über die Schubflanke zum Schneckengrund und wieder zurück zur Kühlfläche vermieden.

In der Gestaltung der aufgeschweißten Stege besteht eine große Freiheit. Die Stege können
die Form eines Hakens
eine T-Form
eine H-Form, liegend oder stehend
aufweisen.

Die oben beschriebene Steigung der Stege kann gering fördernd sein. Es kann aber auch eine abstauende Neigung vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäß Schweißkonstruktionen können auch in Kühlextrudern mit wesentlicher Förderwirkung Einsatz finden.

Claims (14)

1. Einschneckenkühlextruder zur Kühlung warmer Schmelze, insbesondere in einer Tandemanlage und insbesondere zur Herstellung von Kunststoffschaum, wobei eine Schnecke mit unterbrochenen Stegen in dem Extruder umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke keine Förderleistung hat und daß zur Überwindung des Strömungswiderstandes der Schmelze und zum Aufbau des notwendigen Schmelzedruck Pumpen vorgesehen sind.

2. Einschneckenextruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Tandemanordnung mit einem Doppelschneckenextruder als Primärextruder.

3. Einschneckenextruder nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Schnecke mit Stegen, die höchstens eine Steigung oder Neigung von 20 Grad zur Schneckenlängsachse besitzen.

4. Einschneckenextruder nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Stege mit höchstens 10 Grad Neigung zur Schneckenlängsachse.

5. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Verwendung eines handelsüblichen Stahlrohres mit aufgeschweißten Stegen als Schnecke.

6. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Reduzierung der Stegbreiten an der Schnecke.

7. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung abschabender und schwimmender Stege an der Schnecke.

8. Einschneckenextruder nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die wechselnde Anordnung von abschabenden und schwimmenden Stegen an der Schnecke.

9. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Spaltweite bis max. 0,3 mm zwischen Schnecke und Gehäuse.

10. Einschneckenextruder nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Spaltweite von 0,2

11. Einschneckenextruder nach Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Stege in Form von Paddeln an der Schnecke.

12. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 1 l, gekennzeichnet durch versetzte Stege an der Schnecke.

13. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch Stege an der Schnecke mit Hakenform und/oder T-Form und/oder H-Form.

14. Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch Öffnungen an den Stegen in unterschiedlichen Stegtiefen.