DE2512371C3 - Verfahren zur Abkühlung einer dickwandigen Isolation aus thermoplastischem . Polyäthylen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung dickwandiger Isolationen aus thermoplastischem Polyäthylen, für elektrische Kabel. Das Verfahren ist insbesondere im Hinblick auf die Fertigung solcher Kabel konzipiert, bei welchen dickwandige Polyäthylenisolationen gegeben sind und der Abkühlungsprozeß hinsichtlich der Kabelqualität eine wesentliche Rolle spielt, wie z. B. bei Hochspannungs- oder Hochfrequenzkabeln.

Eine Kabelummantelung aus Kunststoff muß, wenn sie im thermoplastischen Zustand und in der gewünschten Form das Extuderwerkzeug verläßt, durch Abkühlung in den festen Zustand zurück verwandelt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß man das Extrudat in unmittelbar dem Extruder nachgeordnetc Kühlbäder einlaufen läßt und durch diese hindurchzieht.

Dickwandige Isolationen aus Polyäthylen, wie sie bei Hochspannungs- und Hochfrequenzkabeln gegeben sind und in Wandstärken von mehreren Millimetern in einem Arbeitsgang auf den Leiter bzw. einen vorcxlrudierten Leiterschirm aufgebracht werden, dürfen nur langsam abgekühlt werden, was in mehreren Stufen erfolgt. Diese langsame Abkühlung ist deswegen notwendig, weil sonst die äußeren Schichten der Isolation verhältnismäßig stark abgekühlt werden, während die inneren noch heiß sind. Zur Kühlung wird Wasser verwendet; damit die Durchlaufgeschwindigkeit des Extrudats einerseits nicht zu hoch und andererseits die Kühlbäder nicht zu lang werden, ist es bekannt (DE-AS 19 00 795), das Extrudat nicht einfach eintauchen zu lassen, sondern es abzusprühen. Damit wird die Köhlwirkung verbessert. Ferner ist es bekannt (DE-OS 21 37 682), statt reinen Wassers wäßrige Dispersionen ι haftvermittelnder Polymere zu verwenden; dadurch wird gleichzeitig mit der verbesserten Abkühlung auch noch eine Beschichtung des Extrudats erreicht. Die Kühlung erfo'gt jedoch auch hier hauptsächlich durch das Wassers. Da mit dieser Abkühlung gleichzeitig ein

κι beträchtlicher Volumenschwund verbunden ist, namentlich bei der Kristallisation des Polyäthylens unterhalb des Kristallit-Schmelzpunktes, ergibt sich eine Kontraktion des Isolationsmaterials in Richtung auf die erstarrten äußeren lsolatio«sschichten. Dies führt dazu,

ii daß die innersten Isolationsschichten sich vom Leiter bzw. Leiterschirm ablösen, wodurch Hohlräume entstehen. In diesen finden beim Betrieb des Kabels, vornehmlich bei Hochspannungskabeln, Korona^ntladungen statt, die schließlich zur Zerstörung der ganzen

>o Isolation führen. Man muß daher dafür sorgen, daß die Abkühlung möglichst langsam vorsieh geht.

Zu diesem Zweck verwendet man anfänglich möglichst heißes Kühlwasser. Trotzdem war die Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Polyäthylen

»^r> und dem Kühlwasser derart hoch, daß dieses örtlich verdampfte, was wegen des plötzlichen Druckanstieges in den dabei entstehetKien Dampfblasen zu Kraterbildungen in der isolationsoberfläche führte. Die Verwendung einer Einrichtung, die aus Schalen mit eingebauten

«ι Heiz- und Kühlkörpern besteht, wie sie zur Regelung des Verarbeitungsprozesses in Plastifiziereinhcitcn vorgeschlagen worden ist, würde hier keine Abhilfe schaffen, obwohl sie dank der kombinierten Heizung und Kühlung eine in weiten Grenzen regulierbare

r> Kühlleistung ergibt. Es ist aber nicht möglich, einen sich rasch vorwärtsbewegenden Strang eines heißen Extrudats durch feststehende Schalen hindurchzuziehen. Die Berührung mit dem Kühlmedium kann nur direkt erfolgen. Das Problem der zu großen 3 cmperaturdiffe-

-m renz zwischen Extrudat und Kühlmedium blieb jedoch bestehen.

Eine wesentliche Verbesserung wurde zwar durch ein' bekanntes Verfahren erreicht, bei dem zur ersten Abkühlung Heißdampf verwendet wird. Durch die

•r. Dampfkühlung erreichte man erheblich geringere Temperaturdifferenzen in der ersten Stufe, wodurch die örtliche Dampfblasenbildung wegfiel und die gewünschte gleichmäßige Kontraktion des Isolationsmaterials gegen den Leiter hin erreicht wurde.

"iii Nachteilig bei diesem Verfahren war jedoch der Umstand, daß die Dampfkühlung und auch die an die erste Stufe anschließende Warmwasserkiihlung unter Druck erfolgen mußten, d. h. in einem geschlossenen Behälter. Zwar bereitete das Einführen der cxtrudierten

η Isolation in diesen Behälter keine Schwierigkeiten, da er unmittelbar an den Extruder angeschlossen wurde; die Herausnahme des gekühlten Leiters war jedoch bedeutend schwieriger, denn zur Vermeidung von Druckvcrlustcn mußte dieser aus einer ihn dicht

Mi umgebenen Öffnung am Druckbchältcrendc herausgezogen werden. Damit war wieder dasselbe Problem wie bei den vorhin erwähnten Schalen vorhanden, nämlich die Vermeidung jeglicher Berührung des zu kühlenden, sich aus dem Extruder herausbewegenden Leiters mit

h"i Teilen der stationären Kühlvorrichtung. Schließlich stellen sich die zur Kühlung notwendigen Temperaturen des am Anfang des Behälters eingeführten Dampfes und des Kühlwassers am Ende des Behälters erst mich

längerem Hochfuhren ein, c|, h„ der Behalter muH lunge vor dein Durchziehen des Kubeis bereits in Betrieb sein, wiis iinwirtschufllieh ist.

Der Erfindung liegt die Atifgube zugrunde, eine drucklose Kühlung in offenen Behüliern vorzusehen, wobei jedoch kein Wasser für die Kühlung verwendet werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dall die erste Stufe mit einer Temperatur zwischen 100"C und IJO"C unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit betrieben wird, deren Siedetemperatur bei I bar über 150'¹C und damit genügend über der Betriebstemperatur der Stufe liegt, um eine örtliche Verdampfung der Kühlflüssigkeit durch die eintauchende Isolation zu vermeiden.

Vorteilhafte Kühlflüssigkeilen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung, welche schematisch eine Hochspannungskabel-Fertigungslinie zeigt, näher beschrieben.

Ein Raupenabzug 1 bewirkt den Vorschub des blanken Leiters L zu einem Leiterschirmextrud^r 2 und anschließend zu einem Isolationsexirudcr J. Das aus dem letzteren kommende Kabel K mit der noch heißen Isolation wird in ein erstes offenes Kühibad 4 eingetaucht, in welchem es frei durchhängt. Anschließend an diese Kühlung folgen weitere Kühlbäder 5, von denen im vorliegenden Fall als Beispiel eines dargestellt ist. Anschließend an das letzte Kühlbad gelangt das fertige Kabel in einen weiteren Raupenabzug 6, welcher den nötigen Zug innerhalb der Fcrtigiingsstreckc aufrechterhält. Anschließend daran wird das Kabel aufgewickelt.

Wenn die Polyälhylenisolation aus dem Isolationsextruder 3 als hochviskose Schmelze in das erste Kühlbad 4 (die erste Stufe) eintritt, müssen gewisse Bedingungen vorhanden sein, um nachteilige Einflüsse zu vermeiden. So muß gewährleistet sein, daß keine Bestandteile des KUhlmcdiums in die Isolation eindringen oder sich auf der Oberfläche festsetzen, und daß keine Reaktionen in der Polyäthylcnisolation erfolgen. Das Kühlmedium sollte deshalb mit dem abzukühlenden Material chemisch verwandt sein.

Zweckmäßigerweise sollte das Kühlmedium im Wasser löslich sein, damit die nach dem Verlassen des ersten Kühlbadcs an der Kabelobertächc haftenden Reste im nächsten Kühlbad aufgelöst werden können.

Ferner muß eine einwandfreie Wärmeübertragung von der Isolation auf das Kühlmedium gewährleistet sein, ebenso wie eine konstante Badtcmperalur, die zudem an allen Stellen des ersten KUhlbadcs gleich sein muß. Die lciztcrc Forderung kann zwar durch eine Badumwälzung erfüllt werden, schränkt aber gleichzeitig die Auswahl der verwendbaren Kühlmedien weiter ein, denn die als Kühlmedium verwendete Kühlflüssigkeit darf wegen der Umwälzung nicht zu zähe sein. Auch ein starkes Mitreißen des Kabels durch die sich umwälzende Flüssigkeit könnte die Folge sein. Auf das schonende Durchziehen des Kabels im freien Durchhang im Kühlbad muß besonders geachtet werden. Dies bedingt eirtc Beschränkung des spezifischen Gewichtes der Kühlilüssigkeji, denn wenn sie zu schwer wiire, würde das Kübel im Kühlbnd obenauf schwimmen sun ι einzutiiiiclien, wodurch ungleichmäßige Abkühlung die Folge wäre. Aus all diesen Gründen empfiehlt es sich,

". KOhlflüssigkeiten zu verwenden, deren Dichte bei IQO'C unter 1,5g/cm¹ liegt. Die Kühlflüssigkeit sollte aus denselben Gründen bei |00°C eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,12 und 0,58 w/mk, eine spezifische Warme von 1,26 —3,77 k)/kgK und bei derselben

Hi Temperatur von |00°Ceine kinematische Zähigkeit von weniger als 50 mm-Vs aufweisen. Hierfür kommen Flüssigkeiten auf der Basis eines oder mehrerer aliphatischen hydroxylhaliiger Kohlenwasserstoffe oder deren Lösung in Wasser oder auf der Basis mehrwertiger Alkohole und Säuren bzw. den analogen Mono-, Di- oder Triestern in Frage, insbesondere auf der Basis von Älhylenglykol, Di- oderTriäthylcnglykol.

Auch eine auf Glycerinbasis beruhende Flüssigkeit

eignet sich für dieses Verfahren. Wesentlich bei den in

J" Frage kommenden Stoffen bzw. ihren Kennwerten ist die Talsache, daß die Temperaturleitfähigkeit der Isolation in Betracht gezogen wird, welche durch die Formel

gegeben ist, wobei ι/ die Wärmeleitfähigkeit, )· das spezifische Gewicht und c die spezifische Wärme ist. Man ersieht daraus, daß spezifisch schwerere und/oder

in eine höhere spezifische Wärme aufweisende Kühlflüssigkeit auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Wärmeleitfähigkeit darf nicht zu niedrig sein (ein gewisser Hitzestau in der abzukühlenden Isolation ist zwar erwünscht, darf aber nicht zu einer untragbaren

r, Verzögerung der Abkühlung führen), aber auch nicht zu hoch, weil sonst dieselben Nachteile auftreten wie bei der eingangs erwähnten Heißwasserkühlung. Die genannten Werte müssen daher so aufeinander abgestimmt sein, daß ein Optimum an Tcmperaturlcitfä-

.Ki higkeit entsteht, um die geforderte Abkühlung ohne Lunkerbildung zu erzielen.

Die Anhebung des Temperaturniveaus des Abkühlungsprozesses auf eine Temperatur in der Nähe des Kristallitschmelzpunktes von Polyäthylen von etwa

4i IO7°C oder sogar darüber bringt folgende Vorteile mit sich: Die Temperatur der Polyäthylenisolation sinkt im Verlaufe der Abkühlung erheblich langsamer und um einen viel kleineren Betrag unter den Kristallitschmelzpunkt ab und weist außerdem in dessen Bereich einen

V) deutlich flacheren Gradienten auf. Die besseren Abkühlbedingungen ihrerseits bewirken, daß ein wesentlich geringeres Maß an Schrumpfspannungen in der erstarrenden Isolation erhalten (»eingefroren«) Wird und dal) eine weitgehend von solchen mechanischen

γ, Spannungen freie Polyäthylenisolation erzielt wird. Der Reduktion dieser Spannungen in der Isolation entspricht eine merkliche Qualitätsverbesserung des Kabels. So wurde beispielsweise bei Hochspannungskabcln je nach Dimenvon und Spannung eine Erhöhung

ho der Durchschlagsspannung bzw. -feldstärke zwischen 20 und 40% gemessen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Abkühlung von dickwandigen Isolationen aus thermoplastischem Polyäthylen (PE), für elektrische Kabel, welche mittels eines Extruders aufgebracht und anschließend in einer nachgeordneten, aus mehreren hintereinandergeschalteten Kühlstufen bestehenden und bei normalem atmosphärischem Druck arbeitenden Kühlstrecke abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe mit einer Temperatur zwischen 100°C und 130°C unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit betrieben wird, deren Siedetemperatur bei 1 bar über 150⁰C und damit genügend über der Betriebstemperatur der Stufe liegt, um eine örtliche Verdampfung der Kühlflüssigkeit durch die eintauchende Isolation zu vermeiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlflüssigkeit verwendet wird, die bei 100°Cio%ende Eigenschaften aufweist:

a) eine Dichte von weniger als 1,5 g/cm^J,

b) eine Wärmeleitfähigkeit von 0,12-0,58 w/mK,

c) eine spezifische Wärme von 1,26-3,77 kJ/kgK,

d) eine kinematische Zähigkeit von kleiner als 50 mmVs.

3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlflüssigkeit verwendet wird auf der Basis:

e) eines oder mehrerer aliphatischer, hydroxylhaltiger Kohlenwasserstoffe oder deren Lösung in Wasser,

f) mehrwertiger Alkohole und Säuren bzw. den analogen Mono-, Di- odor Triestern,

g) Diäthylenglykol.Triäthylenglyi dI, Glycerin.