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Verfahren zum Fördern und Verdichten von
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Schüttgütern auf Einsehneckenpressen, sowie Schneckenpresse zur Durchführung
des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern von Schüttgütern,oder
zum Fördern und Verdichten von Schüttgütern aller Art, insbesondere von Kunststoffgranulat,
-grieß, -pulver oder -schnitzel auf Einschneckenpressen, welche Nuten in der zylindrischen
Innenfläche des Schneckengehäuses besitzen, sowie eine Einschneckenpresse zur Durchführung
des Verfahrens.
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Die Nuten sollen ein Mitrotieren des Fördergutes mit der Schnecke
verhindern und somit den Stofftransport in axialer Richtung erhöhen bzw. stabilisieren,
oder aber die Förderung von sehr leicht rieselfähigen Schüttgütern mit geringen
inneren Reibungskoeffizienten auf Einschneckenpressen überhaupt erst ermöglichen.
Die bisher gebräuchlichsten Nuten haben eine achsparallele Richtung und ihre Tiefe
verringert sich in Förderrichtung gleichmäßig bis auf Null. Solche Schneckenpressen
können überall dort eingesetzt werden, wo ein Schüttgut gegen Druck gefördert werden
soll. Im Falle der Kunststoffverarbeitung dient eine derartige Schneckenpresse in
der Einzugszone eines Einschnecken-Extruders dazu, den Kunststoff-Rohstoff zu fördern,
zu verdichten und einer meist koaxial nachgeschalteten Aufschmelz- oder Plastifizierzone
unter einem gewünschten Druck anzuliefern.
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Es hat sich nun gezeigt, daß die konisch auslaufenden Axialnuten im
Vergleich zu einem Gehäuse mit glatter Innenwand zwar den Stofftransport erhöhen
bzw. stabilisieren, daß aber das Ifitrotieren mit der Schnecke nicht verhindert
werden kann.
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Das Fördergut wird demnach im Bereich der Nuten zum Teil unter
hohem
Druck abgeschert. Aufgrund dieser Tatsache ergeben sich nun folgende nachteilige
Konsequenzen: a) Beim Verarbeiten von Thermoplasten beispielsweise lfürde ein Anschmelzen
des Materials infolge des hohen mechanisch-thermischen Energieumsatzes die Nuten
unwirksam machen. Der Nutenbereich muß daher intensiv gekühlt werden/1/.
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b) Durch die intensive Kühlung wird ein großer Teil der eingebrachten
Energie wieder abgeführt und geht verloren. Hierdurch wird der energetische Wirkungsgrad
deutlich verschlechtert.
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c) Beim Verarbeiten von abrasiven Schüttgütern oder solchen Materialien,
welche abrasiv wirkende Zusätze haben, tritt ein starker Verschleiß der Nutenkanten
und der Schubflanken der Schnecke ein/2/. Dieser Verschleiß ist besonders groß,
wenn die Schnecke eingängig ist.
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Diese Situation wurde erkannt und man hat versucht, das Abscheren
dadurch zu verhindern oder zu vermindern,daß man die Nuten in Richtung der Bewegung
des Fördergutes relativ zur Gehäusewand neigte/3/. Dies erbrachte zwar eine gewisse
Verbesserung des Systems/4/, jedoch blieben einige wichtige Probleme immer noch
ungelöst bzw. unbeachtet. Diese werden im fol-Senden kurz angedeutet: - Im Bereich
des konischen Nutenauslaufs ist der Verschleiß nach wie vor groß, da offenbar an
dieser Stelle das Fördergut besoders leicht abschert.
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- Der Massedurchsatz kann nicht mit genügender Genauigkeit vorausberechnet
werden, da er in hohem Maße von der unbekannten Abschergeschwindigkeit im Nutenbereich
abhängig ist. Damit fehlt aber die Grundlage für eine gezielte konstruktive Auslegung
des Systems, - Der energetische Wirkungsgrad ist zwar verbessert worden, könnte
aber durch weitere Verringerung der Abscherung noch erhöht werden.
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- Die Geometrie der Schnecke wurde im wesentlichen unverändert von
bisherigen Schneckenpressen übernommen und nicht den besonderen Gegebenheiten im
Nutenbereich angepaßt.
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Der Erfindung liegt; demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Schneckenpresse der eingangs geschilderten Art mit Axialnuten oder Wendolnuten
in der Gehäuseinnenwand zu schaffen, bei der die folgenden Verbesserungen gemeinsam
oder mindestens teilweise erzielt werden: - Der Verschleiß im Bereich des konischen
Nutenauslaufs bzw.
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im Bereich des Nutenendes wird verringert.
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- Der Massedurchsatz ist mit genügender Genauigkeit vorausberechenbar
und kann zusätzlich noch erhöht werden.
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- Der energetische Wirkungsgrad wird verbessert und die Pumpleistung
erhöht.
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- Die Kühlung des Nutenbereiches wird weiter verringert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der durch Kompression
des Schüttgutes in Förderrichtung verursachte Volumenschwund durch konstruktive
Maßnahmen derart ausgeglichen wird, daß an jeder Stelle längs der Schneckenachse
die Gleichung tan # . tan #/tan # + tan # .Q.# = tan #1 . tan #1/tan #1 + tan #1
mindestens näherungsweise erfüllt ist, mit cp = Steigungswinkel der Schneckenwendel,
definiert mit tan9 s5/(.D) und s = Steigung der Schneckenwendel und D = Außendurchmesser
der Schnecke, Steigungswinkel der Nuten, definiert mit tan#= sz/(#.D) und sz = Steigung
der Nuten, Q I Freier Fließquerschnitt des Systems bei Projektion in axialer Richtung
, mit Q = Qs + Qz und der freien Querschnittsfläche des Schneckenkanals Qs bzw.
der Nuten Qz und = Dichte des Schüttgutes,
wobei der Index 1 an
einer festgelegten axialen Stelle der Schneckenpresse bekannte oder vorgegebene
Größen Yn a>i' Q1 und 1 charicterisiert, während die Größen cp, i, Q und p längs
der Schneckenachse veränderlich sein können.
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Die nähere Beschreibung der Erfindung, sowie die weitere Ausgestaltung
erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen und Prinzipskizzen, welche in der Zeichnung
dargestellt sind. Es zeigen Fig.1 einen Idngsschnitt durch den Verfahrensteil einer
erfindungsgemäßen Schneckenpresse, Fig.2 ein schematisches Nomogramm zur Bestimmung
des charakteristischen Dichteverhältnisses Fig.3 einen weiteren Längsschnitt durch
den Verfahrensteil einer erfindungsgemäßen Schneckenpresse mit veränderlicher Schneckenkanaltiefe
ES, Fig.4 eine Ansicht einer Schnecke für eine erfindungsgemäße Schneckenpresse
mit veränderlichem Steigungswinkel f , Fig.5 einen Iiängsschnitt durch das Gehäuse
einer erfindungsgemäßen Schneckenpresse mit veränderlicher Nutentiefe HZ, Fig.6
einen weiteren Längsschnitt durch das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Schneckenpresse
mit veränderlichem Nutensteigungswinkel X, Fig.7 einen weiteren Längsschnitt durch
den Verfahrensteil einer erfindungsgemäßen Schneckenpresse mit konisch in Förderrichtung
sich verjüngendem Schneckenaußendurchmesser, Fig.8 einen Näherungsvorschlag für
den Verlauf der Schneckenkanaltiefe ES und der Nutentiefe HZ längs der Schneckenachse
im Verfahrensteil einer erfindungsgemäßen Schnekkenpresse, Fig.9 einen Längsschnitt
durch den Ubergangsbereich zwischen einer erfindungsgemäßen Schneckenpresse, welche
als Feststoffpumpe einer koaxial angeordneten Aufschmelzzone eines Einschneckenextruders
vorgeschaltet ist, der für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen
geeignet
ist, wobei die Schneckenkanaltiefe im Vbergangsbereich vergrößert ist, Fig.10 einen
weiteren tängsschnitt durch einen Ubergangsbereich nanh Fig.9, jedoch mit vergrößertem
Schneckensteigungswinkel, Fig.11 einen weiteren Längsschnitt durch einen Ubergangsbereich
nach Fig.9, jedoch mit konischem Nutenauslauf und vergrößertem Schneckensteigungswinkel,
Beim Längsschnitt durch den Verfahrensteil einer erfindungsgemäßen Schneckenpresse
nach Fig. 1 sind an sich bekannte Elemente, wie Lager, Getriebe, Antriebsmotor in
der Zeichnung nicht dargestellt. Die Schnecke S mit Durchmesser D ist in einem Gehäuse
G mit im wesentlichen zylindrischer Bohrung drehbar gelagert. Im Gehäuse G kann
eine Buchse EB eingebracht sein, mit Axialnuten oder Wendelnuten WN an ihrer Innenfläche.
Die Buchse EB kann zwecks Abführung überhöhter Reibungswärme kühlbar sein, mit einem
Kühlmittel zulauf KE bzw. -ablauf KA. Es kann auch eine Temperierung der Buchse
EB und/oder der Schnecke S vorgesehen werden, falls dadurch die Reibungskoeffizienten
des Fördergutes günstig beeinflußt werden.
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Das bei E aufgegebene Schüttgut wird durch die Drehbewegung der Schnecke
gefördert und verläßt die Schneckenpresse bei A meist unter einem erhöhten Druck
P2. Bei kompressiblen Schüttgütern erfolgt während des Fördervorgangs bei erhöhtem
Gegendruck p2 eine Verdichtung, d.h. eine Verringerung des Volumenstromes, die durch
konstruktive Maßnahmen ausgeglichen werden muß, wenn man ein Abscheren zwischen
dem Fördergut im Schneckenkanal und in den Nuten verhindern will. In Fig. 1 wird
dies dadurch erreicht, daß die Schneckenkanaltiefe und damit die Querschnittsfläche
QS des Schneckenkanals sowie die Nutentiefe bzw. die gesamte Nutenquerschnittsfläche
Qz in Förderrichtung abnimmt.
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Zur Klärung der Frage, wie im Detail die Verringerung des Volumenstromes
ausgeglichen werden soll, wird das Nomogramm in Fig. 2 zu Hilfe genommen. In der
Regel liegen für ein bcstimmt es Förderproblem genügend Erfahrungswerte und theoretische
Erkenntnisse vor, die es gestatten, den Druckverlauf p(L/D) über der dimensionslosen
Länge L/D einer sogenannten genuteten Schneckenpresse mindestens näherungsweise
anzugeben. Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoff-Rohstoffen, beispielsweise,
kann etwa im Bereich von 3 < L/D <4 4 ein Druck p2 erreicht werden, der in
der Größenordnung von 1000 bar liegt.
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Als gesichert gelten kann die Erkenntnis, daß der Druck längs der
schneckenachse nach Art einer Exponentialfunktionansteigt /5,6,7/: p = p1.eC.L/D
(1), mit C = ######### (2).
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Mithin dürfte es in der Regel keine Schwierigkeiten bereiten, das
Diagramm ln(p/p1) = f(L/D) in Fig. 2 aufzustellen. Die Abhängigkeit der Dichte p
des Schüttgutes vom Druck p bzw. vom dimensionslosen Druck P/P1 (P1 = Bezugsdruck,
beispielsweise bei L/D = 0) kann in besonderen Versuchen ermittelt werden; ebenso
das Verhältnis #/ #1( #1 = Dichte bei p = p1). Somit kann das Nomogramm zusammengestellt
werden,mit dessen Hilfe dann für jede axiale Position L/D der Schneckenpresse das
Dichteverhältnis p/ #1 bestimmt werden und sodann in die Kontinuitätsgleichung vax
. Q . # = vax1 . Q1 . #1 (3) eingesetzt werden kann. Die Axialgeschwindigkeit vax
kann unter der Voraussetzung, daß kein Abscheren eintritt, angegeben werden zu tan#
. tan# vax = vu . ----------- (4), tan# + tan# mit der Umfangsgeschwindigkeit vu
der Schnecke. Der freie Fließquerschnitt Q setzt sich zusammen aus der Querschnittsfläche
des
Schneckenkanals bzw. der Schneckenkanäle QS und der Querschnittsfläche aller Nuten
QZ, Q = QS + QZ, wobei QS im wesentlichen nur von der Schneckenkanaltiefe ES (bei
konstanter Schneckenkanalbreite in Umfangsrichtung) bzw. QZ im wesentlichen nur
von der Nutentiefe HZ abhängt, wenn die Nutenzahl und die in Umfangsrichtung gemessene
Nutenbreite konstant gehalten wird.
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Q = Qs(HS) + Qz(HZ) (5).
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Setzt man die Gleichungen (4) und (5) in Gl.(3) ein, so erhält man
eine Bestimmungsgleichung für die wichtigsten geometrischen Größen 3, #, HS und
HZ, die längs der Schneckenachse veränderlich sein können: tan# . tan# [QS(HS) +
QZ(HZ)] . ----------- = (6) tan# + tan# tantf1. tan#1 Qs(HS1) + Qz(HZ1) tan#1 +
tan#1 mit Q5(HS) P #.D.HS.(1-HS/D).(1-BSU) (7) und Qz(HZ) 1 #.D.HZ.(1-HZ/D).(1-BZU)
(8) und BSU = Flächenanteil der Schneckenstege an der Ringfläche #.D.HS.(1-HS/D)
bzw. BZU I Flächenanteil der Gehäusestege an der Ringfläche #.D.HZ.(1-HZ/D).
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Auf der rechten Seite von Gl.(6) stehen nur bekannte bzw. vorgegebene
Bezugsgrößen. Bei weiterer Vorgabe von drei der vier Größen y, w , ES und HZ längs
der Schneckenachse, kann Gl.(6) mit Gl.(7) und (8) nach der gesuchten vierten Größe
aufgelöst werden, die dann als Funktion der Achskoordinaten L/D dargestellt werden
kann, wie in Fig. 3,4,5 und 6 veranschaulicht wird.
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Fig.3 zeigt einen Längsschnitt durch den Verfahrensteil einer erfindungsgemäßen
Schneckenpresse mit veränderlicher Schnekkenkanaltiefe HS, mit HS2 < HS <
HS1 zwischen Anfang 1 und
Ende Q)2 der Förder- bzw. Verdichtungszone
der Länge L2, wobei die übrigen geometrischen Größen #, # und HZ konstantgehalten
wurden, was fertigungstechnisch besonders einfach ist.
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In analoger Weise zeigt Fig.4 eine Förderschnecke S mit variablem
Steigungswinkel #, mit #2 # # # #1, bzw. Fig.5 Wendelnuten mit variabler Nutentiefe
HZ, mit HZ2 < HZ < HZ1.
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Es wird an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, daß prinzipiell
auch Axialnuten vorgesehen werden können, die einfacher herzustellen sind als Wendelnuten,
die aber im Vergleich zu diesen einen wesentlich geringeren Druckaufbau und geringere
Pumpleistung bei gleicher Baulänge erbringen. Dies ist im iibrigen mit ein Grund
warum die Gefahr des Abscherens bei Axialnuten wesentlich größer ist als bei Wendelnuten.
In verfahrenstechnischer Hinsicht sind Wendelnuten den Axialnuten daher vorzuziehen.
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Bei gebräuchlichen Schneckensteigungswinkeln tf, die im Bereich von
250 < # < 100 liegen können sind bezüglich eines maximalen Druckaufbaus optimale
Nutensteigungswinkel U im Bereich von 50< CL)<450 zu erwarten, je nach Nutenzahl,
-tiefe und Form und Stoffwerten des Fördergutes, während der optimale Bereich für
die maximale Pumpleistung Np = (p2-p1).m/02 (m 5 flassedurchsatz) in der Regel bei
etwas größeren Nutensteigungswinkein liegen kann: 150<a)<45O.
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Fig.6 zeigt in analoger Weise zu Fig.4 ein Gehäuse G mit variablem
Nutensteigungswinkel #, mit #2 # # #1, bei sonst konstanten geometrischen Verhältnissen
von Schnecke und Gehäuse.
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Kombinationen der in Fig.3 bis 6 gezeigten Varianten sind möglich,
fertigungstechnisch aber eventuell zu aufwendig. Man kann jedoch beispielsweise
zeigen, daß es verfahrenstechnisch günstig ist, die Schneckenkanaltiefe HS und die
Nutentiefe HZ zu variieren, wobei vorteilhafterweise das Verhältnis HS/EZ konstant
gehalten wird. Im übrigen ist in fertigungstechnischer Hinsicht der Volumenschwund
wohl am einfachsten durch Reduktion der Schneckenkanaltiefe ES auszugleichen.
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Sollen stark komprimierbare Schüttgüter verarbeitet werden, so empfiehlt
sich der Einsatz einer Stopfschnecke bekannter
Bauart oder eine
Schneckenvariante nach Fig.7 mit konisch in Förderrichtung sich verJüngendem Außendurchmesser.
Der Schnekkenkerndurchmesser braucht dann nicht geschwächt zu werden, wenn große
Schneckenkanaltiefen vorgesehen werden sollen.
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Fitr.10 zeigt einen Konstruktionsvorschlag welcher die Kompression
näherungsweise und ohne detaillierte Berechnung ausgleichen soll. Hierbei werden
nur die Schneckenkanaltiefe ES und die Nutentiefe HZ variiert; alle übrigen geometrischen
Größen, insbesondere die Steigungswinkel f und # bleiben konstant.
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ES ist im Bereich zwischen Pos. @ und Pos. 0 konstant , HS
= ES1 = HS3 und nimmt im Bereich zwischen Pos. und Pos. 0 linear auf ES = ES2 ab.
Die Nutentiefe nimmt im ganzen Bereich zwischen Pos. 1 und Pos. @ linear
ab, von HZ = HZ1 auf HZ = HZ2. Der Punktkann im Bereich zwischen L - L2/2 und L
= 33/LC liegen.
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Die bisherigen Erläuterungen der Erfindung behandelten lediglich den
Ausgleich der Verringerung des Volumenstromes durch konstruktive Maßnahmen. Dies
allein genügt jedoch noch nicht, um ein Abscheren des Feststoffs, d.h. eine Relativbewegung
zwischen dem Fördergut im Schneckenkanal und demjenigen in den Nuten mit Sicherheit
zu verhindern . Zusätzlich zu den bisherigen Maßnahmen muß darauf geachtet werden,
daß die Nutentiefe einen gewissen Mindestwert nicht unterschreitet.
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Wird die Nutentiefe zu klein, beispielsweise wie bei den bisherigen
konisch auslaufenden Axialnuten oder Wendelnuten, so verlieren die Nutenflanken
ihre Abstützwirkung und das Fördergut rutscht gewissermaßen durch. Die Mindestnuttiefe
ist prinzipiell abhängig von Stoffwerten, der Korngröße und -beschaffenheit des
Fördergutes, sowie von der Nutenzahl ZZ, der Nutenbreite und Nutenform. Es hat sich
aber gezeigt, daß folgende Näherungsgleichung brauchbare Werte liefert: HZmin ¢
ES.ZS/ZZ (9), mit der Zahl ZS der Schneckenkanäle. Vorteilhafterweise sollte zudem
noch die Beziehung BSU < BZU < 5 BSU (10) eingehalten werden, welche die Breite
der Stege zwischen den
Nuten in Abhangigkeit von der Breite der
Schneckenstege festlegt, sowie die Beziehung D/lOmm < ZZ < D/3mm (11), mit
dem Schneckendurchmesser D, der in mm einzusetzen ist.
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Große Werte für ZZ sind vorzugsweise bei feinkörnigen Schüttgütcrn
anzuwenden.
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Die erfindungsgemäße Schneckenpresse kann in vorteilhafter Weise als
Feststoffpumpe bei Einschneckenextrudern in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt
werden. Allerdings müssen dabei die unterschiedlichen Transportmechanismen für das
Fördergut im Bereich der Nuten (Feststoff-Förderung) bzw. im Bereich der glatten,
beheizten Gehäusewände (Schmelzefilmbildung) berücksichtigt werden.
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Fit .9 veranschaulicht die Situation am Ende der Feststoffpumpe, Pos.,
beim tibergang in die Plastifizierzone bzw. Aufschmelzzone mit dem Gehäuse G2, welches
in der Regel eine glatte Innenwand aufweist. Die Nuten haben am Ende der Feststoffpumpe
die Tiefe RZ2 und der Schneckenkanal die Tiefe HS2.
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Wird der Steigungswinkel t der Schneckenwendel und die Schnekkenkanaltiefe
HZ2 in der Aufschmelzzone beibehalten, so wirkt diese Zone in aller Regel als starker
Druckverbraucher, da sie von der Feststoffzone "überfahren" wird. Ein großer Druckverlust
in der Aufschmelzzone ist aber wegen den eingangs geschilderten Gründen unerwünscht.
Abhilfe kann durch Vergrösserung der Schneckenkanaltiefe ES - HS4 geschaffen werden,
wodurch der Druckabfall am Beginn der Aufschmelzzone reduziert oder unter Umständen
sogar ein positiver Druckaufbau erzielt werden kann. Ein konischer uebergang C im
Gehäuse G2 gleicht die unterschiedlichen Durchmesser D bzw. D + 2 EZ an der Ubergangsstelle
aus.
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Eine andere Lösung des Ubergangsproblems ist in Fig.10 dargestellt.
In diesem Beispiel wird ab Pos. der Steigungswinkel<f der Schneckenwendel vergrößert
auf t= %3, , unter Beibehaltung der Schneckenkanaltiefe HS2. Diese Variante hat
Vorteile gegenüber einer Vergrößerung von ES2, weil auf diese Weise die Fourier-Zahl
Fo = a.t/ES22, welche eine charakteristische Größe für den Aufschmelzvorgang ist,
nicht verkleinert wird. Auch hier
ist, wie in Fig.9 ein konischer
Uebergang C vorgesehen.
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In Fig.11 ist die Ubergangsstelle in die Feststoffpumpe verlagert,
in deren Endbereich die Nuten WN konisch auf Null auslaufen. Ab dem Punkt @
wird in Förderrichtung die Mindestnuttiefe HZmin = HZ2 unterschritten und die Nuten
verlieren ihre Stützwirkung für das Fördergut. Das bedeutet, daß ab dem Punkt die
Kanaltiefe vergrößert werden muß oder, wie in Fig.11 dargestellt, der Schneckensteigungswinkel
# = #3. Es hat sich gezeigt, daß für > 300 (12) das Ueberfahren der Aufschmelzzone
wesentlich erleichtert wird.
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Vorzugsweise sollte #3 im Bereich von 40° < #3 < 50° (13) liegen.
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Da kein nennenswertes Abscheren im Nutenbereich stattfindet, kann
der flassedurchsatz m in einfacher Weise berechnet werden zu tan#1 . tan#1 m = Q1.#1.vu
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tan#1 + tan#1 Literaturverzeichnis /1/ G. Menges, R. Regele; Kunststoff-Berater
15(1970)11,5.
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1071-1076 /2/ H.G. Fritz; Kunststoffe 65(1975)4,S.176-182 und 5,
S. 258-264 /3/ E. Langecker; DAS 22 05 426 vom 2. 2. 1972 /4/ E. Langecker et al.;
Plastverarbeiter 28(1977)10, S.
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531-535 /5/ W.H. Darnell u. E.A.Mol; SPE-Journal 12(1956)4 /6/ E.
Goldacker; Dissertation, RWTH Aachen 1971 /7/ G.R. Langecker; Dissertation, RWTH
Aachen 1978
L e e r s e i t e