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Schleppströmungspumpe für rneologische Medien:
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Multipler Einwalzen-Extruder Die Erfindung bezieht sich auf eine
Pumpe zum kontinuierlichen Fördern und gegebenenfalls Ausformen von viskosen, pastosen,
plastischen und ähnlichen "rheologischen" Medien unter Ausnutzung der Schleppwirkung
eines rotierenden Arbeitselements. Pumpen dieser Art werden, wie die folgenden Anwendungsbeispiele
zeigen, in vielen Bereichen der Labortechnik und industriellen Verfahrenstechnik
eingesetzt: 1) J#osieruumnen für kleine flüssigkeitsmengen (einige mm3/sec) in der
Labortechnik, zum Beispiel nach DOS 2 056 161.
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2) Dosierpumpen für das Auftragen von Klebstoffen bei Raumtemperatur
oder erhöhter Temperatur (hot-melt-Klebstoffe).
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3) Pressen für das Ausformen von keramischen Massen, biegelmassen,
Seifen, Pasten, Teigwaren, Süßwaren u.a. bei Raumtemperatur.
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4) extruder für das Austragen von Kunststoffen bei lemperaturen oberhalb
der Schmelz- bzw. Fließtemperatur: a) im Konfektionierbetrieb der Kunststoffliersteller:
Granulieren durch Heißabschlag an einer Mehrlochplatte oder durch lrennschnitt der
erkaltete Stränge; b) im Betrieb von Folienkalandern: Beschickung mit warmplastischem,
in einem separaten Voraggregat aufbereitetem PVC; c) in der extrusion von Flachfolien,
Multifilen und masern: Kaskaden-Anordnung aus einem Aufschmelz- und einem Austrags-Extruder
mit Formwerkzeug.
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5) Schleppströmungspumpen werden, als abgeschlossene Systeme mit Öl
als Arbeitsmedium, auch für die Steuerung der Vorschubantriebe von lwerkzeugmaschinen
verwendet (sogenannte "Drucktaschenpumpen").
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Die am meisten verbreitete Art von Schleppströmungspumpen mit kontinuierlichem
Stoffdurchgang ist die einwellige Schneckenpresse,
bei der das Medium
radial eingespeist und axial abgeführt wird, s. Fig.1. Sie weist neben zahlreichen
Vorteilen gegenüber anderen Pumpenarten den Nachteil auf, daß die für den Aufbau
des Betriebsdruckes erforderliche Länge der Schnecke und damit der gesamten Maschine
verhältnismäßig groß ist. Speziell in der Kunststofftechnik variieren die Baulängen
der Schmelze-Extruder etwa zwischen 6 D und 16 D (D = Außendurchmesser der Schnecke).
Schneckenpressen, die nicht nur zum Austragen des rheologischen Mediums, sondern
auch für besondere verfahrenstechnische Funktionen - wie zum Beispiel das Homogenisieren
und/oder Entgasen einer Kunststoffschmelze -verwendet werden sollen, erfordern noch
größere Schneckenlängen, meist zwischen 20 D und 30 D. - Diese Baulängen sind sowohl
für die Fertigung (Geradheit) und die Laufeigenschaften (koaxialkonzentrische Einpassung
der Schnecke in das zylindrische Gehäuse) als auch für den Raumbedarf entsprechender
Maschinen recht nachteilig. - Zwar kann bei vorgegebenem Volumendurchsatz eine Verkürzung
der Baulänge durch Vergrößerung des Schnecken- und Gehäusedurchmessers und gleichzeitige
Reduktion der Arbeitsdrehzahl erreicht werden; diese Maßnahme hat jedoch erhebliche
Nachteile zur Folge, nämlich für die Auslegung des Antriebssystems (höhere Drehmomente)
und der Schneckenlagerung (höhere Axialkräfte). - Im übrigen gehören zu den Merkmalen
der Schneckenpressen in jedem Falle relativ lange mittlere Verweilzeiten des Mediums
in den Schneckengängen; diese sind zum mindesten für das Austragen von thermisch
empfindlichen Medien im Schmelzezustand unerwünscht.
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Wesentlich kleinere Baulängen und kürzere Verweilzeiten werden, bei
gleichem Durchmesser des rotierenden Arbeitselements sowie gleichen Arbeitsdrehzahlen
und Volumendurchsätzen, von dem sogenannten Einwalzen-Extruder benötigt, s. Fig.2.
Bei dieser Art von Schleppströmungspumpen wird das Medium durch einen Längsschlitz
des zylindrischen Gehäuses tangential oder radial eingespeist und aus einem zirkular
versetzten Längsschlitz des Gehäuses tangential oder radial abgeführt. Ein weiterer
Vorteil des Einwalzen-Extruders besteht darin, daß auf das rotierende Element keine
Axialkräfte
wirken. Andererseits entstehen aber durch die asymmetrische radiale Belastung des
Rotors zwischen dem Niederdruck- und dem Hochdruckbereich des Arbeitsspaltes - ähnlich
wie ei gesírhm erten Gleitlagern - Querkräfte, welche die Zapfenlager des Rotors
erheblich belasten und das Einhalten bestimmter Radialmaße des Arbeitsspaltes erschweren.
- Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist vorgeschlagen worden, den Einwalzen-Extruder
mit mehreren im Umfang symmetrisch verteilten Zuführungen und Abführungen für das
rheologische Medium auszustatten; dieses System wird im folgenden als "multipler"
Einwalzen-Extruder bezeichnet.
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Dabei sollte je ein ringförmiger Kanal im Gehäuse oder auf der Oberfläche
des Rotors als Sammler für die Teilströme auf der Eintritts- bzw. Abgangsseite dienen
(DOS 2 056 161). Diese Konstruktion hat jedoch den verfahrenstechnischen Nachteil,
daß das aus dem eintrittsseitigen Ringkanal axial in die Arbeitsspalte zwischen
Rotor und Gehäuse gelangende Medium diese Spalte nicht mit Sicherheit in ihrer gesamten
axialen Länge füllt. Entsprechende Betriebsversuche haben bestätigt, daß aus diesem
Grunde die durch den Schleppeffekt des Rotors transportierte Stoffmenge bei einem
solchen multiplen System den auf die volle axiale Länge des Arbeitsspaltes (etwa
3 D) bezogenen Wert nicht erreicht. - Ein weiterer Nachteil der bekannten Einwalzen-Extruder
sind die erheblichen Erschwernisse, welche sich ergeben, wenn das rheologische Medium
zu Rundsträngen, Profilsträngen, Rohren, Schläuchen, Ummantelungen und anderen nicht
flächigen Erzeugnissen ausgeformt werden soll.
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Aus diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufsabestellung für die
vorliegende Erfindung: Es soll eine Schleppströmungspumpe für rheologische Medien
entwickelt werden, welche die Vorteile einer relativ kurzen Baulänge und relativ
kurzer Verweilzeiten mit einer symmetrischen Beaufschlagung des rotierenden Elements
sowie mit einer "satten" Füllung der Arbeitsspalte (Schleppspalte) auf der Eintrittsseite
und vielfältigen Ausformungsmöglichkeiten auf der Abgangsseite verbindet.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Modifikation des an sich bekannten
multiplen Einwalzen-Extruders, deren Hauptmerkmal die unmittelbare radiale oder
tangentiale Zuführung des rheologischen Mediums in die Niederdruckbereiche der Schleppspalte
und die unmittelbare axiale Abführung des rheologischen Mediums aus den Hochdruckbereichen
der Schleppspalte ist. Dabei kann das Medium sowohl aus dem Innenraum des rotierenden
Elements (außen profilierter Hohirotor mit nach außen führenden Längsschlitzen)
als auch von außen durch nach innen führende Längsschlitze des innen profilierten
Gehäuses zugeführt werden. - Bevorzugt wird eine Zuführung des Mediums durch die
Mantelfläche des Gehäuses; dabei kommunizieren die Längsschlitze mit Ausdrehungen
der zylindrischen Innenfläche des Gehäuses, die zusammen mit der zylindrischen Oberfläche
des Rotors die Schleppspalte bilden. Die zylindrischen oder sichelförmigen Schleppspalte
münden in Austrittskanäle, deren Seitenwand jeweils durch einen Sperrsteg in der
Innenwand des Gehäuses gebildet wird. Die Längsschlitze und Sperrstege des gegebenenfalls
heiz-kühlbaren Gehäuses können achsparallel oder in einem spitzen Winkel zur Gehäuseachse
angeordnet sein. Die radiale bzw. tangentiale Zuführung des Mediums durch die zylindrische
Gehäusewand bietet auch die Möglichkeit der unmittelbaren Einspeisung von unterschiedlichen
Stoffarten oder unterschiedlich angesetzten Stoffmischungen (zum Beispiel Einfärbungen)
in die einzelnen Schleppspalte des multiplen Systems. Entsprechende Anwendungen
sind vor allem für die Kunststoff- und die Seifenindustrie von Interesse; Schleppströmung#spumpen
nach der Erfindung können hier für das Extrudieren von Mehrstoff-Erzeugnissen (mehrschichtige
oder farblich gemusterte Bahnen und Profile, marmorierte Seifenstränge u.ä.), aber
auch als Reaktor- und/oder Mischer-Extruder eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Schleppströmungspumpe nach der Erfindung
mit Einspeisung des rheologischen Mediums bzw. unterschiedlicher rheologischer Medien
durch die Mantelfläche des Gehäuses sind in den Abbildungen Fig.3 bis Fig .12 dargestellt.
Es handelt sich dabei
um Zwillingsausführungen, also Konstruk-Lonen
mit zwei parallel geschalteten Einzelsystemen. Fig.3 zeigt eine Schleppströmungspumpe
dieser Art in Seitenansicht mit Teillängsschnitt, Fig.4 einen kuerschnitt des innen
profilierten Gehäuses und des in diesem koaxial-konzentrisch angeordneten glatten
Rotors, Fig. 5 einen entsprechenden Querschnitt mit einem durch zwei Mantel zylinder
(Außenzylinder mit zentralem Hintrittschlitz und Swiscrlenzylinder mit Verteilkanal)
ergänzten Gehäuse, Fig.6 die Abwicklung der Innenfläche des.Gehäuses mit Materialwegen,
Fig.7 die Seitenansicht des Rotors mit Sperrgewinde, Fig.8 die Seitenansicht eines
Rotors mit Mischzapfen, Fig.9 den Querschnitt und die zirkularen Druckprofile P1(-)
und p2(t!) einer Schleppströmungspumpe mit Entgasungssystem; ferner Fig.10,11,12
entsprechende Schnitte und Ansichten einer Schleppströmungspumpe für das Austragen
von zwei rhelogischen medien mit Einspeisung von außen und innen.
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Die in den Abbildungen verwendeten Kennzahlen haben folgende
| Bedeutung: |
| 1 Gehäuse |
| 2 Rotor |
| 3 Formwerkzeug |
| 4 Eintrittsschlitz ) |
| 5 Schleppspalt ) |
| ) des Gehäuses 1 |
| 6 Sperrsteg ) |
| 7 Austrittskanal |
| 8 Außenzylinder |
| 9 Eintrittsschlitz des ltußenzylinders 8 |
| 10 Zwischenzylinder |
| 11 Verteilkanal des Zwischenzylinders 10 |
| 12 Schaft des rotors 2 |
| 13 Mischzapfen ) |
| 14 Sperrgewinde des Rotorschaftes 12 |
| 15 Vorraum des Formwerkzeuges 3 |
| 16 Drosselsteg ) |
| 17 Entgasungskanal des Gehäuses 1 |
| 18 Entgasungsschlitz ) |
| 19 Stator im hohl ausgeführten Rotor 2 |
| 20 Eintrittsschlitz des Rotors 19 |
| 21 axial verstellbares Mundstück |
Die Arbeitsweise der Schleppströmungspumpe nach der Erfindung
(zunächst der Ausführungen nach Fig.3 bis 8 ohne Entgasungssystem) kann wie folgt
beschrieben werden: Das durch die beiden Eintrittsschlitze 4 des Gehäuses 1 unmittelbar
oder aber durch den zentralen Eintrittsschlitz 9 des Außenzylinders 8 über den Verteilkanal
11 des Zwischenzylinders 10 drucklos oder mit einem niedrigen Vorlagedruck in den
Einzugsbereich der beiden Schleppspalte 5 eingebrachte Medium (gegebenenfalls zwei
unterschiedliche Medien) wird durch die umlaufende Oberfläche des an einen (nicht
dargestellten) Antrieb gekoppelten Rotors 2 in Umfangsrichtung mitgenommen, in die
beiden durch die Sperrstege 6 seitlich begrenzten Austrittskanäle 7 gepreßt, im
Vorraum 15 des Formwerkzeuges 3 gesammeltund aus diesem als zusammenhängender Strang
kontinuierlich extrudiert. Ein Rückströmen des Mediums nach der Antriebsseite wird
bei laufendem Rotor durch das mit der Innenwandung des Gehäuses 1 eine Sperre bildende
Gewinde 14 des Rotorschaftes 12 verhindert. Wesentlich ist, daß das Radialspiel
zwischen dem Rotor 2 und dem Gehäuse 1 im Bereich des Gewindes 14 ebenso wie im
Bereich der Sperrstege 6 möglichst klein gehalten, das heißt mindestens eine Größenordnung
kleiner eingestellt wird als das Radialmaß der beiden Schleppspalte 5.
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Während die Eintrittsschlitze 4 des Gehäuses 1 ebenso wie der Eintrittsschlitz
9 des Außenzylinders 8 vorzugsweise als achsparallele Langlöcher mit durchgehend
konstanter Breite auszuführen sind, kann für die als Sacknuten ausgeführten Austrittskanäle
7 eine Schräglage zur Systemachse und/oder eine Vergrößerung ihrer Breite in Richtung
des strömenden Mediums zweckmäßig sein. Die durch die Sperrstege 7 bestimmte Schräglage
ist so zu wählen, daß dadurch das Abströmen des Mediums nach dem Formwerkzeug 3
unterstützt wird #(vergl. den bekannten Einfluß des Gangsteigungswinkels auf das
Förderverhalten von Schneckenpressen nach Fig.1).
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Durch eine Verbreiterung und/oder Vertiefung der Austrittskanäle 7
in Strömungsrichtung werden die Kanalquerschnitte an die von der
Seite
in die Kanäle 7 eintretenden Partialströme des Mediums in ähnlicher Weise angepaßt
wie der Querschnitt eines Fußbettes mit einem seitlichen Einzugsgebiet. Die praktische
Wirkung der Kanalverbreiterung bzw. -vertiefung besteht in einer Verringerung des
axialen Druckabfalls in den Kanälen. - Ein zusätzlicher axialer Fördereffekt kann
auch durch eine nach dem Austrittsende konisch verjüngte Ausführung des Gehäuses
1 und des Rotors 2 erreicht werden.
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Wenn eine intensive Durchmischung der aus den Kanälen 7 in den Vorraum
15 des Formwerkzeuges 3 gelangenden Teilströme des Mediums oder der unterschiedlichen
Medien gefordert wird, so kann zu diesem Zweck der Rotor 2 mit einem Mischzapfen
13 versehen werden.
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Eine verstärkte Mischwirkung wird erreicht, wenn zusätzlich die Innenwandung
des Gehäuses 1 im Bereich des Zapfens 13 mit entsprechenden Einbauten ausgestattet
wird. Statt eines mit dem Rotor 2 umlaufenden Zapfens 13 können in dem betreffenden
Abschnitt des Gehäuses oder im Vorraum 15 des Formwerkzeuges 3 auch sogenannte statische
Mischelemente angeordnet werden, für die es vielfältige Vorbilder gibt.
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Für die Projektierung eines entsprechenden Maschinensortiments, aber
auch für die Benutzung solcher Maschinen kann es zweckmäßig sein, diese mit leicht
auswechselbaren Bauelementen auszurüsten.
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Beispielsweise empfiehlt es sich bei häufig wechselnden Betriebsbedingungen,
etwa hinsichtlich der rheologischen Medien und/oder hinsichtlich der Formwerkzeuge
3, eine Anpassungsmöglichkeit für das Radialmaß der Schleppspalte 5 vorzusehen.
Die fördertechnisch optimale Betriebssituation ist dadurch gekennzeichnet, daß der
effektive Volumendurchsatz des Systems 2/3 des reinen Schlepp stroms beträgt. Bezeichnet
b die Breite (cm), h das Radialmaß (cm) und m die Anzahl der Schleppspalte 5, ferner
D den Durchmesser (cm) und n die Drehfrequenz (1/sec) des Rotors, so errechnet sich
die reine Schleppströmung Vs (cm3/s) nacht der Gleichung V5 = m.b.h.#D.n/3.
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Der optimale Volumendurchsatz ist hiernach V t = 2 V5/3 = m-b-h-r-D-n/3-Eine
entsprechende Anpassung kann beispielsweise durch radial oder axial einsetzbare
Paßteile, aber auch durch radial verstellbare Elemente im Umfangsbereich der Schleppspalte
5 erfolgen. Hier bieten sich bei der Schleppströmungspumpe nach der Erfindung beachtliche
Möglichkeiten zur Vergrößerung der "iahrbreite't, für die es bei den bekannten Schleppströmungspumpen
(insbesondere bei Schneckenpressen nach Fig.1) kein Xquivalent gibt.
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Relativ einfach ist, besonders im Falle der einteiligen Gehäusekonstruktion
nach Fig.4, auch die Reinigung von Schleppströmungspumpen dieser Art: Nach dem Ausbau
des Rotors 2 oder nach Abfahren des Gehäuses 1 von dem Rotor können die Massereste
aus den Eintrittsschlitzen 4 nach innen durchgestoßen, ferner die Massereste aus
den Austrittskanälen 7 ohne weiteres herausgezogen und auch die Schleppspalte 5
ohne besondere Schwierigkeiten gereinigt werden.
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Auch in diesem Zusammenhang ist auf die im Vergleich zu Schneckenpressen
nach Fig.1 wesentlich kürzere Baulänge der leistungsmäßig äquivalenten Schleppströmungspumpen
nach der Erfindung hinzuweisen.
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Eine theoretische Untersuchung zeigt, daß zwischen energetisch optimierten
Schneckenpressen mit 1 D Gangsteigung und Schleppströmungspumpen in Zwillingsausführung
(ohne Mischteil) mit einer zirkularen Schleppspaltlänge s = .D/4 beispielsweise
folgende Längenrelationen anzusetzen sind:
| Schneckenpresse Schl.pumpe nach der Erfindung |
| ~l/D 6 bis 16 2,2 16 2,2 bis 3#,6 |
Wenn Schleppströmungspumpen nach der Erfindung nicht nur zum Austragen und gegebenenfalls
Ausformen eines rheologischen Mediums, sondern auch zum Entgasen des Mediums verwendet
werden sollen, so
sind dazu nur geringfügige Abänderungen erforderlich,
s. Fig.9, nicht aber eine Vergrößerung der Baulänge. Allerdings muß dann eine Reduktion
der Volumendurchsätze auf 50% des ohne Entgasungssystem konzipierten Zwillings-Systems
in Kauf genommen werden. Selbst wenn jedoch, zur Vermeidung dieser Durchsatzminderung,
die axiale Länge (Breite b der Schleppspalte 5) verdoppelt wird, bleiben die resultierenden
Baulängen (in jedem Falle unter 10 D) noch weit unter den für Schmelze-Extruder
mit Entgasungs-Schnecken erforderlichen Baulängen (in jedem Falle über 20 D). Allgemein
sollte bei optimaler Auslegung der Schleppströmungspumpe mit Entgasungssystem nach
Fig.9 das Radialmaß h2 des zweiten Schleppspaltes etwa 50% größer als das Radialmaß
h1 des ersten Schleppspaltes sein. - Was die auf den Rotor 2 wirkenden Radialkräfte
betrifft, so wird auch bei der Ausführung nach Fig.9 trotz der einseitigen Einspeisung
des rheologischen Mediums ein weitgehender Ausgleich durch die Aufteilung des Druckprofils
in zwei zirkulare Abschnitte p1(Q) und p2(cg) erreicht. Es kann daher auch ohne
weiteres eine Durchmesservergrößerung vorgesehen werden.
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Sehr vorteilhaft sind bei den Schleppströmungspumpen nach der Erfindung,
wiederum im Vergleich zu Schneckenpressen nach Fig.1, auch die Möglichkeiten der
thermischen Beeinflussung des rheologischen Mediums und der davon abhängigen Betriebsparameter,
vor allem der spezifischen Antriebsleistungsaufnahme. So kann im Falle der Ausführung
des Rotors 2 als Hohlzylinder ein Heiz-Kühl Medium dicht an das rheologische Medium
herangeführt werden.
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Dabei wirkt es sich sehr günstig aus, daß die Schichtdicke des rheologischen
Mediums in den Schleppspalten 5 nur etwa 10 bis 20% der Schichtdicke in den Gängen
einer leistungs-äquivalenten Förderschnecke beträgt.
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Hier muß allerdings berücksichtigt werden, daß die mittleren Verweilzeiten
des rheologischen Mediums in den Schleppspalten 5 und Austrittskanälen 7 einer Schleppströmungspumpe
nach der Erfindung weniger als 10% der mittleren Verweilzeiten in den Gängen einer
leistungs-äquivalenten Schneckenpresse nach Fig.1 betragen.
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Fig.10,11,12 zeigen Halbansichten und Schnitte einer Schleppströmungspumpe
mit einer äußeren und einer inneren Einspeisung des #rheologischen Mediums bzw.
von zwei unterschiedlichen rheologischen Medien. Dabei ist in dem hohl ausgeführten
Rotor 2 ein ebenfalls hohl ausgeführter Stator 19 mit einem oder mehreren Längsschlitzen
20 für das Einspeisen des zweiten rheologischen Mediums angeordnet. Mit dem axial
verstellbaren Mundstück 21 kann der Durchsatz des ersten rheologischen Mediums beeinflußt
werden.
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Allgemein, besonders aber bei Schleppströmungspumpen mit einem Mischzapfen
13 des Rotors 2 und entsprechenden Einbauten des Gehäuses 1, kann eine Aufteilung
des Gehäuses 1 in zwei zylindrische Halbschalen sinnvoll sein, etwa nach dem Vorbild
des sogenannten "Eo-Eneters". Dies gilt analog auch für Konstruktionen mit statischen
Mischelementen und für Formwerkzeuge zum Extrudieren komplizierter Profile, wie
sie mit Schleppströmungspumpen nach der Erfindung in großer Vielfalt hergestellt
werden können.
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L e e r s e i te