DE69713645T2

DE69713645T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Innenkühlen von Kunststoffrohren

Info

Publication number: DE69713645T2
Application number: DE69713645T
Authority: DE
Inventors: Karl Kuhlert; Rudolf Pelzer; Manfred Zeller
Original assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Current assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: EP0795389A1; EP0795389B1; ATE219999T1; ES2179293T3; DE69713645D1; BE1010116A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines dickwandigen Kunststoffrohrs bei seiner Herstellung, insbesondere von dickwandigen Rohren hoher Qualität.
Die Notwendigkeit, bei der Extrusion mit der herkömmlichen Außenkühlung von dickwandigen Kunststoffrohren eine wirksame Innenkühlung zu koppeln, wurde bereits mehrfach betont. Die Fachliteratur beschreibt eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen, die bisher jedoch noch keine in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht anwendbare und befriedigende Lösung geliefert haben. Im Allgemeinen treten bei den Verfahren des Stands der Technik, die auf der Verwendung von Luft, Wasser, Gas, wie Stickstoff oder CO2, beruhen, ständig verschiedene Probleme auf: unzureichende Kühlwirkungen, asymmetrische Kühlung, für manche Verwendungszwecke unanwendbare Lösung, starke optische Beeinträchtigungen oder Verwerfungen der Innenfläche der Wand der Rohre.
Es ist nämlich unerlässlich, dass man bei einer wirksamen Innenkühlung eines Rohrs eine maximale Dämpfung und eine günstige Verteilung der Spannungen in der Wand des Rohrs erreicht. Außerdem ist eine schnelle Kühlung der Innenfläche der Wand sowie eine schnelle Kühlung der inneren Schichten der Wand erforderlich.
Die atmosphärische Luft kann als ideales Kühlmittel oder Kühlgas dienen. Sie ist nämlich überall verfügbar, technisch leicht verwendbar und im Fall von Störungen oder Defekten nicht aggressiv. Die Anwendung eines auf atmosphärischer Luft beruhenden Verfahrens auf dickwandige Rohre war jedoch bisher noch nicht befriedigend.
So beschreibt die deutsche Patentanmeldung DT -A-25 23 975 ein System, bei welchem ein Ventilator Luft im Inneren eines Raums in Umlauf bringt, der von der Wand eines durch Extrusion hergestellten Kunststoffrohrs und einer im Inneren dieses Rohrs vorgesehenen Kammer gebildet wird, in der Kühlwasser umläuft. Diese Kammer wird mit Wasser, das von außen kommt, versorgt.
Der Luftumlauf in einem geschlossenen Kreis mit Hilfe eines Ventilators stellt jedoch nicht die unbedingt erforderlichen technischen Bedingungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Durchsatzes her, die für eine wirksame Kühlung erforderlich sind.
Das Patent US 5 525 289 erwähnt die Verwendung von Frischluft als Kühlmittel, diskutiert jedoch nicht die Geschwindigkeit der Luft und die erforderliche Menge, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu erreichen, um ein dickwandiges Rohr hoher Qualität herstellen zu können.
Für die Verwendung von atmosphärischer Luft als Kühlmittel müssen folgende technischen Bedingungen unbedingt eingehalten werden:
- Die einzusetzenden Kühlluftmengen sind groß, da die spezifische Wärme von Luft relativ niedrig ist.
- Der Ausnutzungsgrad des Kühlpotentials des zugeführten Luftvolumens muss hoch sein; mit anderen Worten, es ist erforderlich, dass der größte Teil dieses Volumens an einem intensiven Wärmeaustausch mit der sehr heißen Innenfläche der Rohrwandung teilhat.
- Der Wärmeaustausch muss so intensiv wie möglich sein, das heißt, man muss sich bemühen, den größtmöglichen Wärmeübertragungskoeffizienten (K) zu erreichen.
- Der innere Kühlweg muss so lang wie möglich sein, um von der Wand des Rohrs die Wärmemenge abziehen zu können, die erforderlich ist, um zu einer wirksamen Innenkühlung zu kommen, und zwar angesichts der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe und der großen Dicke der Wand der betreffenden Rohre
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 6, die die oben genannten Bedingungen, die zum Erhalten einer wirksamen Innenkühlung mit Luft erforderlich sind, erfüllt.
Dank der Erfindung ist es möglich, ein dickwandiges Kunststoffrohr hoher Qualität herzustellen, indem man die Innenwand des Rohrs, das am Austritt des Extruders mit seitlichem Extrusionskopf (Offset) hergestellt wird, auf seiner Innenfläche mit ständig erneuerter atmosphärischer Luft kühlt, die mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 m/s und mit einem hohen Durchsatz in Nähe dieser Fläche strömt. Diese Luft, die sich durch Kontakt mit der Oberfläche der Wand des Rohrs erwärmt, wird vorzugsweise mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt, das in entgegengesetzter Richtung strömt. Die Kühlung der Luft kann mindestens auf einem Teil des Kühlbereichs ohne direkten Kontakt zwischen Luft und Kühlmittel stattfinden und wird vorzugsweise mit Hilfe einer Flüssigkeit vorgenommen. Wasser ist in den meisten Fällen die angezeigte Flüssigkeit.
Wenn man Wasser verwendet, kann man in der Wand des Wasserkreises vorzugsweise in der Zone, in der die Luft am heißesten geworden ist (ab der Mitte des Durchgangs), Durchlässigkeiten oder kleine Durchgänge vorsehen, so dass das Wasser mit der heißen Luft in Kontakt tritt und verdampft. Die zum Verdampfen des Wassers erforderliche Wärme wird der Luft entzogen, so dass diese abkühlt und auf diese Weise ihr Wärmeaustauschvermögen erhöht.
Man kann diese Art Kühlung schaffen, indem man in das Innere des in Bildung begriffenen Rohrs eine Struktur mit doppelter Wandung einschiebt. Die Luft strömt längs eines ringförmigen Raums, der zwischen der Innenfläche des Rohrs und der Außenwand der Struktur gelegen ist. Die Strömung des Kühlmittels, beispielsweise Wasser, kann durch einen Versorgungskreis bewirkt werden, der den zentralen Teil der Struktur passiert, um dann in das Innere der doppelwandigen Struktur einzutreten. Dieser Kreis kann mit Porositäten oder anderen kleinen Durchgängen für das Wasser versehen sein, die in einem Teil der Außenwand der Struktur vorgesehen sind.
Die gesamte doppelwandige Struktur, die die Kühlung der Luft durch Wasser gestattet, kann sich in einer axialen Richtung im Inneren des gebildeten Rohrs in einer Hin- und Herbewegung bewegen. Die Länge dieser Hin- und Herbewegung kann das Mehrfache der Länge der gesamten Kühlstruktur erreichen. Die Hin- und Herbewegungsfrequenz kann mehrere Bewegungen pro Sekunde erreichen. Vorzugsweise beträgt diese Frequenz 0,1 bis 2 Hin- und Herbewegungen pro Sekunde. Andere Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Mit einer Kühlung dieses Typs erhält man:
- eine beträchtliche Verbesserung der Festigkeit gegenüber innerem Druck sowie gegenüber dem Kriechen der dickwandigen Rohre im Laufe der Zeit, die gewöhnlich als Hochdruckleitungen verwendet werden;
- eine Verringerung des Restschwundwertes;
- die Verhütung von internen Exzentrizitäten oder Dickenänderungen der Wand, die bei bekannten Verfahren durch die Schwerkraft verursacht werden, die auf die Kunststoffmasse einwirkt, die ziemlich lange Zeit im Inneren des Rohrs flüssig bleibt;
- eine Verhütung einer oxidativen Zerstörung der Kunststoffmoleküle der Innenseite der Rohrwandung;
- eine beträchtliche Verkürzung des Kühlwegs, was bei Hochleistungsanlagen in bestehenden relativ kurzen Hallen vorteilhaft ist.
Die Erfindung wird im Nachstehenden ausführlicher anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem schematischen Querschnitt zeigt.
Die Figur zeigt die plastifizierte Kunststoffmasse 3, die durch einen Extruder mit seitlichem Kopf (nicht dargestellt) kontinuierlich befördert wird und durch eine aus einem hohlen Dorn 1 und einer Matrize 2 bestehende Injektionsform vorgeformt wird, um in ein Rohr 7 umgeformt zu werden.
Das in Bildung begriffene Rohr 7 wird in ein Kalibrierorgan 4 eines Unterdruck-Kalibrierbeckens 5 eingeführt, in dem es seinen genauen Außendurchmesser erhält. Die Außenfläche des Rohrs 7 wird nun mit Hilfe von Sprühmitteln 6, die nacheinander in der Längsrichtung längs des Kühlbereichs angeordnet sind, stark mit Kühlwasser besprengt.
Da die Außenfläche des Rohrs allmählich abgekühlt wird, wird das Rohr 7 auf diese Weise unverformbar gemacht. Diese Außenkühlung wird längs des ganzen Beckens 5 weiter verfolgt, also auch längs des Bereichs, der auf den Teil der Kalibrierung mit Hilfe des Kalibrierorgans 4 folgt.
Der seitliche Extrusionskopf (Offset) ist mit einem hohlen Dorn 1 oder mit einem Dorn mit einer zentralen Öffnung versehen. Diese Öffnung ist erforderlich, um die Vorrichtung zur Innenkühlung in das zu kühlende Rohr von vorne, das heißt von der Extruderseite her einführen zu können. Die Innenkühlvorrichtung besitzt einen doppelwandigen zylindrischen Körper 8, der im Inneren des in Bildung begriffenen Rohrs 7 durch eine rohrförmige Struktur 9 am Platz gehalten wird, die die Versorgung des bzw. der Kühlmittel bilden. Im Inneren des Dorns 1 wird die Struktur 9 durch Ringe 10 getragen und zentriert.
In Nähe des Extruders besitzt der doppelwandige zylindrische Körper 8 einen konischen Teil 18, dessen Spitze auf den Extruder zu gerichtet ist und der die Aufgabe hat, die Kühlluft zu führen und den Strömungswiderstand dieser Luft zu verringern.
Diese Kühlluft, die von einem Hochdruckgebläse geliefert wird, tritt über die rohrförmige Struktur 9 ein und wird durch den konischen Teil 18 auf die ringförmige Zone 12 zu geführt, die von der Innenfläche des Rohrs 7 und der Außenfläche 13 des zylindrischen Körpers 8 abgegrenzt wird. In diesem ringförmigen Raum 12 strömt die Kühlluft mit hoher Geschwindigkeit, und zwar beispielsweise mit Geschwindigkeiten zwischen 50 m/s und 120 m/s.
Für den Durchgang der Luft von der rohrförmigen Struktur 9 zum ringförmigen Raum 12 sieht man in Nähe des konischen Teils 18 Öffnungen 15 von langgestreckter Form vor, die auf dem Umriss der Struktur 9 gleichmäßig verteilt sind.
Die Außenwand 13 des zylindrischen Körpers 8 weist vorteilhafterweise gespannte, gewickelte Drähte 26 auf, die die Funktion haben, eine Turbulenz des Luftstroms im ringförmigen Raum 12 zu erzeugen und dadurch den Wärmeaustausch zwischen der Kühlluft und der Innenfläche des in Bildung begriffenen Rohrs 7 zu erhöhen.
Auf ihrem Weg zwischen dem Eintritt des ringförmigen Raums 12 bis zum Ende 21 des zylindrischen Körpers 8 kühlt die turbulent strömende Luft die Innenwand des Rohrs 7 und erwärmt sich. Je mehr sich die Luft erwärmt, um so kleiner ist der Temperaturunterschied zwischen der Luft und der zu kühlenden Wand und um so geringer ist der Wärmeaustausch.
Um eine zu starke Erwärmung der Kühlluft zu vermeiden, besitzt der zylindrische Körper 8 einen Kühlmittelkreis beispielsweise mit Kühlwasser, der einen Eintritt 24 des Wassers über die rohrförmige Struktur 9 besitzt, die sich im Wesentlichen im zentralen Teil 17 des Körpers 8 verlängert und sich bis zum Ende 21 dieses Körpers erstreckt, wo der Kreis eine radiale Strömungskammer 22 für das Kühlwasser bildet.
Dieses Kühlwasser nimmt seinen Weg über den Durchgang 16, der zwischen den doppelten Wänden des zylindrischen Körpers 8 vorgesehen ist, um zum konischen Teil 18 in Nähe des Extruders zurückzukehren.
Das in diesem Kreis 24, 17, 22 und 16 umlaufende Kaltwasser strömt also in entgegengesetzter Richtung zur Kühlluft, die im ringförmigen Raum 12 fließt, um die Luft zu kühlen, die sich längs ihres Wegs im Kühlbereich erwärmt.
Jenseits des Endes 21 des zylindrischen Körpers 8 kann man in vorteilhafter Weise Rippen 20 vorsehen, um die Abfuhr der Kühlluft in einem schraubenförmigen Wirbel zu führen und auszurichten. Diese Rippen 20 sind vorzugsweise an einem konischen Rohr 23 befestigt, dessen Durchmesser sich mit zunehmender Entfernung von Ende 21 des Körpers 8 verkleinert. Der Außendurchmesser der Rippen 20 entspricht im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Körpers 8, um einen konstanten ringförmigen Kühlraum Sz aufrechtzuerhalten.
Um noch einen zusätzlichen Wärmeaustausch zu erhalten, sieht man am Ende der Rippen 20 mindestens einen Verdampfungskopf 19 vor, der direkt durch die zentrale Versorgung 17 des Kühlwasserkreises versorgt werden kann.
Diese Verdampfung durch den Kopf 19 feuchtet die Luft an, die in den stromab des zylindrischen Körpers 8 gelegenen Teil strömt. Durch die Wirbelbewegung dieser Luft, die durch die Rippen 20 erzeugt wird, werden die Wassertropfen gegen die noch heiße Innenfläche des Rohrs 7 gespritzt.
Das Wasser, das mit der erwärmten, relativ trockenen Kühlluft in direkten Kontakt kommt, verdampft zumindest teilweise, und die für diese Verdampfung erforderliche Wärme wird der Luft entzogen, die sich abkühlt. Der Temperaturunterschied zwischen der Luft und der Wand des Rohrs bleibt also groß, was einen guten Wärmeaustausch zur Folge hat.
Abgesehen von der direkten Verdampfung der Tröpfchen im Kontakt mit der erwärmten Kühlluft, die vom ringförmigen Raum 12 kommt, findet auch eine Verdampfung der gegen die noch heiße Innenfläche des Rohrs 7 gespritzten Tröpfchen statt, wodurch noch Kalorien von den inneren Bereichen der das Rohr 7 bildenden Kunststoffwand abgezogen werden.
Bei Verwendung eines Kühlwasserkreises kann man auch Durchlässigkeiten oder kleine Durchgänge in der Außenwand des zylindrischen Körpers 8 vorsehen, die vorzugsweise im Teil 26 verteilt sind, wo die Luft am heißesten geworden ist, das heißt etwa auf dem halben Weg des Kühlbereichs des Rohrs 7.
Erfindungsgemäß kann sich die rohrförmige Struktur 9, die den zylindrischen Körper 8, das konische Rohr 23 und den Verdampfungskopf 19 umfasst, in axialer Richtung im Inneren des Rohrs 7 in einer Hin- und Herbewegung (Pfeil 25) mit Hilfe eines gebräuchlichen Systems bewegen, beispielsweise mit Hilfe einer Zahnstange, wie in der Patentanmeldung EP 0614749 der Anmelderin beschrieben wird. Die Länge der Hin- und Herbewegung kann im Wesentlichen das Zwei- bis Dreifache der Länge der Gesamtheit der Elemente 9,8, 23 und 19 erreichen.
Die Frequenz der Hin- und Herbewegung kann mehrere Bewegungen pro Sekunde erreichen und variiert je nach Beispiel von 0,1 bis 2 Bewegungen pro Sekunde und vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 Bewegungen pro Sekunde.
In thermodynamischer Hinsicht ist die axiale Hin- und Herbewegung von Vorteil, da sie es gestattet, pro Zeiteinheit eine größere Wärmemenge abzuführen, als wenn die Kühlvorrichtung feststehend ist.
Diese Erscheinung erklärt sich durch den höheren mittleren Temperaturabstand zwischen der Kühlluft und der Innenfläche der Wand des Rohrs 7.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf das oben beschriebene Anwendungsbeispiel beschränkt und der Fachmann kann zahlreiche Abwandlungen vornehmen. So ist es beispielsweise nicht unbedingt erforderlich, einen Kontakt zwischen Wasser und Luft vorzusehen. Bei Rohren mit relativ kleinem Durchmesser von beispielsweise weniger als 10 cm ist dieser Kontakt Luft/Wasser überflüssig, wenn die Luftgeschwindigkeit ausreichend hoch ist.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen der Innenwand eines dickwandigen Kunststoffrohrs (7) hoher Qualität, das am Austritt eines Extruders (1, 2) mit seitlichem Extrusionskopf hergestellt wird, bei welchem man axial längs dieser Innenwand Luft strömen lässt, diese Luft mit Hilfe eines Kühlmittels kühlt, das in einem Kreis (17, 22, 16) in zur Luft entgegengesetzter Richtung umläuft, und man ständig erneuerte Luft bläst, die mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 m/s und mit einem großen Durchsatz auf der Oberfläche der Innenwand des in Bildung begriffenen Rohrs strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmitte in einem Kreis (17, 22, 16) umläuft, der sich im Inneren des in Bildung begriffenen Rohrs (7) in einer Hin- und Herbewegung (25) bewegen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel mindestens auf der Hälfte des Kühlbereichs in einem Kreis im wesentlichen ohne direkten Kontakt mit der Luft umläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel im wesentlichen von der Hälfte des Kühlbereichs an in einem Kreis umläuft, der Durchlässigkeiten aufweist, so dass das Kühlmittel sich mit dem erwärmten Kühlgas mischen kann.

6. Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines dickwandigen Kunststoffrohrs (7) hoher Qualität bei seiner Herstellung durch Extrusion mit Hilfe eines seitlichen Extrusionskopfs (1, 2), umfassend einen doppelwandigen Körper (8), der sich axial im Inneren des in Bildung begriffenen Rohrs (7) so erstreckt, dass ein ringförmiger Raum (12) zwischen der Innenfläche der Wand des Rohrs (7) und der Außenfläche des Körpers (8) geschaffen wird, Mittel zum Inumlaufbringen eines Kühlmittels im Inneren der doppelten Wand des Körpers (8), ein Gebläse, das in dem ringförmigen Raum (12) ständig erneuerte Luft mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 m/s und mit einem hohen Durchsatz in Umlauf bringen kann, und Mittel (6), die gleichzeitig mit der Innenfläche die Außenfläche der Wand des Rohrs kühlen können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelwandige Körper (8) durch eine rohrförmige Struktur (9) gehalten wird, die sich durch den Dorn (1) des Extruders mit seitlichem Kopf erstreckt und Durchgänge (15) für das Kühlgas und eine Leitung (24) für das Kühlmittel besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel, die die rohrförmige Struktur (9) und den doppelwandigen Körper im Inneren des Rohrs (7) in einer Hin- und Herbewegung bewegen können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelwandige Körper (8) eine zylindrische Form besitzt, die auf der Seite der rohrförmigen Struktur (9) in Form eines Kegels (18) und am Ende (21) auf der der rohrförmigen Struktur (9) entgegengesetzten Seite mit einer Kammer (22) endet, die einen radialen Strömungsraum für das Kühlmittel bildet.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Körpers (8), die einen Teil des Kreises des Kühlmittels bildet, auf einem zwischen der Kammer (22) und im wesentlichen der Hälfte des Kühlbereichs gelegenen Teil Porositäten oder enge Durchgänge für einen direkten Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem im ringförmigen Raum (12) zwischen dem Körper (8) und der Innenwand des Rohrs (7) strömenden Kühlgas aufweist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der doppelten Wand des Körpers (8) gespannte, gewickelte Drähte (26) aufweist, die Turbulenzen in der Strömung des Kühlgases im Inneren des ringförmigen Raums (Zone 12) erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jenseits des freien Endes (21) des zylindrischen Körpers (8) Rippen (20) zum Führen und Richten der Strömung des Kühlgases in einem schraubenförmigen Wirbel vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (20) auf einem konischen Rohr (23) angebracht sind, dessen Durchmesser mit zunehmender Entfernung vom Ende (21) des Körpers (8) abnimmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jenseits des freien Endes (21) des zylindrischen Körpers (8) Verdampfungsmittel (19) vorgesehen sind, die durch ein aus dem Inneren des zylindrischen Körpers (8) kommendes Kühlmittel versorgt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsmittel (19) durch den im zylindrischen Körper (8) umlaufenden Kühlmittelkreis (17) versorgt werden, der zum Kühlen des Gases dient, das im ringförmigen Raum (12) zwischen dem Körper (8) und der Innenfläche des in Bildung begriffenen Rohrs (7) umläuft.