FI66695B - Foerfarande och apparat foer att maeta friktion i en plastekstruder - Google Patents

Description

1 66695

Menetelmä ja laite muoviekstruuderin sisäisen kitkan mittaamiseksi - Förfarande ooh apparat för att mätä friktion i en plastekstruder.

5 Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite muoviekstruuderis- sa eli suulakepuristimessa olevan sulan muovlmaesan sisäisen kitkan mittaamiseksi erityisesti muotoilulla mittausmuhvilla jossa lämpötilaa mitataan useilla eri paikkoihin sijoitetuilla lämpömittareilla.

10 Muoviekstruuderilla eli suulakepuristimella valmistetaan mitä erilaisempia muoviosia kuten putkia, viemäriputkia PVC:stä, kaapelieristeitä polyeteenistä, jne. Suulakepuristuksessa rakeinen raaka-aine saatetaan korkeaan paineeseen (200 baria) ja korkeaan lämpötilaan (n. 190 - 230 °C) ruuvipuristimella sekä 13 kuumennusvastuksllla. Tämän jälkeen sula muovimassa puristuu suulakkeen tai työkalun läpi muotoutuen samalla esim. ontoksi putkeksi, esimerkiksi viemäriputkeksi. Suurista paineista ja lämpötiloista johtuen suulakepuristuksessa joudutaan käyttämään huomattavia energiamääriä. Edelleen luotettavien mitta-20 anturien puutteessa suulakepuristusprosessia ei ole kyetty täysin optimoimaan. Optimointi vaatii luotettavaa takaisin-kytkentää säädön pohjaksi, mutta jatkuvatoimista säätösilmuk-kaa ei ole täysin kyetty toteuttamaan. Nimittäin on osoittautunut että pelkkä lämpötilan ja paineen mittaus ei riitä sää-25 dön pohjaksi. Sulamassan olotilaa voidaan tietyssä määrin arvioida mittaamalla ultraäänen nopeutta massan läpi, mutta tämäkään menetelmä ei kerro kitkan suuruutta ekstruuderissa.

Energiakulutuksen optimoimiseksi tulisi tietää kitkaenergian suuruus ekstruueioprosessisea. Mikäli raaka-aine on karkeahkoa 30 kova-PVC:tä kitkan osuus on varmasti suuri. Edelleen kitka saattaa riippua myös melkoisesti ekstruuderin seinämien sileys asteesta, vaikka toisaalta esitetään arveluja, että seinämän karkeus ei vaikuta kitkaan sen takia, että lähellä seinämää sulamassan nopeus on pieni joka tapauksessa. Sulamassan virtaus-35 profiili tunnetaan hyvin huonosti sen takia, että käytännön mittaus on hyvin hankala suorittaa.

Eräässä kova-PVC:n valmistusprosessin yhteydessä olemme tehneet seuraavan kokeen: kesken suulakepuristusta pysäytimme ekstruuderin toiminnan ja seurasimme lämpötilan kehittymistä 2 66695 ekstruuderin sisällä. Vajaan minuutin kuluttua lämpötila oli laskenut n. 10 - 15- astetta. Tämä tarkoittaa eitä, että kitka vastasi näin suurta osaa sulamassan lämpötilasta, sillä massan lakkaessa liikkumasta kitkaenergia jää pois muun lämmi-5 tyksen säilyessä. Lämpötilalukema palautui ennalleen n, 1Q sekun tia käynnistyksen jälkeen. Tämä koe paljasti sulamassan kitkan suuren osuuden lämpötiIsmittauksessa.

Nyt esillä olevan keksinnön päämäärät saavutetaan tietyllä tavalla muotoilulla mittausmuhvilla, jossa sulamassa saatetaan 10 asteettain supistuvan suulakkeen läpi siten, että sen nopeus asteettain kasvaa Bemoullin lain mukaan. Tällöin massan kitka asteettain kasvaa sen nopeuden kasvaessa ja kun sulamassan lämpötilaa mitataan kussakin supistuneessa vyöhykkeessä saadaan kitkatermien osuus arvioitua pelkillä lämpömittareilla. Kun 15 kussakin vyöhykkeessä myös paine muuttuu nopeuden muuttuessa on tietenkin tarpeellista mitata myös paineet kussakin vyöhykkeessä. Tällaisen mittausmuhvin edut ovat siinä, että sen asentaminen puristinosan jälkeen on helppoa, se on täysin passiivinen mittauselin, häiritsee virtausta hyvin vähän, siinä'käyte-20 tään vain yksinkertaisia mitta-antureita ja sen hinta muodostunee hyvin kohtuulliseksi. Korkeista paineista ja kitkoista johtuen syntyy virtaukseen työnnettyihin lämpötila-antureihin ja paineantureihin suuria voimia, mutta on saatavana erityisesti ekstruuderelhin soveltuvia lämpötila- ja paineantureita jotka 25 kestävät kyseiset rasitukset.

Nykyisissä ekstruudereissa seurataan luonnollisesti lämpötilaa ja painetta ja käytetään niitä ekstruusioproseeeln asetuksen apuna, mutta näitä lämpötila- ja painearvoja käytetään vain sillänsä, sillä niistä tähän asti ei ole kyetty arvioimaan 30 kitkakertoimia tai kitkan riippuvuutta massan nopeudesta tai paineesta. Ei kunnolla edes tiedetä onko ekstruuderin sisäpinnan huolellinen hiominen sittenkään tarpeen vai ei. Mikäli hionta vaihe jää pois merkitsee se tietenkin huomattavaa kustannus säästöä.

35 Kuten tunnettua, kitka riippuu nopeudesta tietyn lain mukaan, jossa kitka kasvaa tietyn potenssin mukaan nopeuden kasvaessa. Kitkaenergian synty voidaan kuvata yhtälöllä Q jossa Q kuvaa kitkaenergiaa, f kitkakerrointa, v sulamassan nopeutta ja x tuntematonta potenssia, joka voi olla 2,3 tai jopa 5.

5 66695

Toisaalta tiedetään, että kitkaenergia on suoraan verrannollinen lämpötilaan, joten kitkan muutokset saadaan lämpötilan muutoksina. Täten riittää lämpötilojen mittaukset muhvin eri supistusten kohdalla vaikka täydellisyyden vuoksi myös paineen 5 muutokset kannattaa mitata, sillä ne saattavat antaa hyödyllistä lisätietoa.

Edellä mainitut supistukset voivat olla ikäänkuin suppilomaisia supistuksia tai sitten voidaan tulla toimeen vain yhdellä supistuksella joka muodostaa muhvissa nk. Venturi-putken, 10 jossa nopeuden nousu tarkoin tunnetaan Bernoullin lain mukaan.

Tunnetusta tekniikan tasosta voidaan mainita US-pat.

No 3,841,147. Siinä selostetaan laitteisto, jossa mitataan ekstruusioprosessointiin käytetty teho ja sulan muovimassan lämpötilaraittauksen avulla prosessista poistuva energia ja 15 saadun energiaerotuksen avulla määritetään viskositeetti.

Vaikka tällä US patentilla pyritäänkin mittaamaan sulamassan viskositeettia, se ei kuulu nykyisen patenttihakemuksemme piiriin, sillä meidän hakemuksemme olennainen kohta on erityinen supistuksia sisältävä mittausmuhvi, jolla nimenomaan pyri-20 tään korjaamaan liikkuvan sulamassan aiheuttamat virhelukemat lämpömittareihin. Em. US patentilla ei pystytä mittaamaan kit-kakerrointa tai potenssia >t . Itse asiassa US patentin mukainen menetelmä voi antaa virheellisiä tuloksia, kun se ei ota huomioon mm. massan ja anturin välistä hankauslämpötilaa.

25 US patentissa 3,930,399 esitetään järjestely, jossa erityi sessä mittakennossa aiheutetaan tarkoituksellisesti virtausvastus jollain huokoisella tulpalla, jolloin neste menettää energiaa virtausvastukseen ja nesteen lämpötila nousee ja nopeus laskee. Lämpötilaerosta ennen ja jälkeen virtausvastusta 30 lasketaan nesteen viskositeetti. Meidän patenttihakemuksessamme ei synnytetä virtausvastusta, joka hidastaisi virtausta ja sitoisi energiaa, vaan Bernoullin lain mukaan kiihdytetään virtausta adiabaattisesti ja otetaan huomioon erisuurista kitkoista tuleva mittausvirhe. US patentissa virtausnopeudet ovat eri 35 suuret vastuksen molemmin puolin ja sisältävät siten virhe-termin.

Nyt esillä olevalla patenttihakemuksella voidaan laskea jopa massan todellinen lämpötila, kun virtausnopeus lähestyy nollaa ja poikkeaa siten ratkaisevasti em. US patentista.

1 66695

Nyt esillä olevassa keksinnössä on tunnusomaista patenttivaatimuksissa esitetyt seikat.

Kuvassa 1 esitetään kaavamaisesti puristinosan jälkeen tulevaa mittausmuhvia, joka koostuu perättäisistä supistuksista 5 lämpömittareineen.

Kuva 2 esittää samanlaista järjestelyä, jossa supistus muodostuu Vonturi-putkesta.

Kuva 3 esittää poikkileikkausta mittausmuhvista, jossa on useita lämpömittareita säteettäisesti eri kohdissa virtausta 10 jotta lämpötilajakautuma kohtisuoraan virtausta vasten saataisiin myös ilmi.

Kuvassa 1 on esitetty muhvi 1, jossa on kaksi perättäistä supistusta, vaikka yhdelläkin supistuksella voitaisiin toimia. Tähän muhviin on asennettu myös kolme lämpömittaria 2,3 ja 4, 15 jotka antakoot lämpötilalukemat Tg, ^3 3a · Nämä lämpömittarit voivat olla laadultaan esim. termopareja, jotka ovat erityisesti kehitetty ekstruusiokäyttöön. Nämä lämpömittarit on edelleen yhdistetty sähköisesti mittausjohdoilla 5 lämpötilaa rekisteröivään laitteeseen 6, joka voi olla esim. monikahavai-20 nen piirturi tai vastaava.

Käytännön mittauksessa luettakoon mittarit 2 ja A. Tällöin suhteellisesta lämpötilan kasvusta saadaan lauseke: T2 - T4 AT. . f’'12 -H4‘ T2 T2 / τ* Tästä yhtälöstä nähdään, että koska kitkakerroin / en sekä 25 jakoviivan ylä- että alapuolella se kumoutuu ja potenssi x saadaan laskettua.

ö>n selvää, että myös muita lämpötilapareja voidaan käyttää lisätarkkuuden saamiseksi, mutta mittauksen periaate käy ilmi edellisestä esimerkistä. Kitkakerroin $- saadaan ilmi taas siitä 30 seikasta, että nopeuden kasvu, Vg - saadaan laskettua

Bern ου 11 in laista sillä pinta-alojen muutoshan tiedetään init-tausmuhvin sisällä. Toisaalta, kun lämpötilan kasvu tiedetään mittaamalla ja potenssi x on saatu selville, voidaan kitkakerroin saada välittömästi laskettua.

35 Kuvasea 2 esitetään mittausmuhvi, jossa useiden perättäisten supistusten sijasta on tehty vain yksi pinta-alan supistus, joka on muoteilta nk. Venturi-putkeksi. Venturi-putki saattaa olla virtauksenisesti edullisempi kuin perättäiset supistukset. Tarvittavat lämpömittarit voidaan asentaa ennen Venturi-putkea 5 66695 sekä itse Venturi-putken supistuksen 7 kohdalle, jossa virtausnopeus on suurin. Lämpömittareiden 8 ja 9 antamia lukemia voidaan sitten käyttää kitkaparametrien määräämiseen edellä esitetyn esimerkin mukaisesti.

5 Kuva 3 esittää poikkileikkausta mittausmuhvista, jossa läm pömittareita on asennettu säteen suunnassa eri syvyyksille. Tämä johtuu siitä, että lämpötila säteen suunnassa saattaa vaihdella melkoisesti. Kitkaenergia saattaa nimittäin sisältää kaksi kompponenttia: toinen sulamassan ja seinämän välinen kit-10 ka ja toinen sulamassan omasta viskositeetista johtuva. Lähellä akselia kitkaenergia luultavasti johtuu sulamassan viskositeetista. Ekstruusioproseesin hallinnan kannalta saattaa olla ensiarvoisen tärkeää saada selville massan oman viskositeetin osuus. Nk. liukastusaineiden osuus voitaneen saada selville 15 samalla tavalla.

Ultraäänen kulkuaikamittauksia on käytetty, jotta saataisiin selville sulamassan olotilan ominaisuuksia. Ultraäänen kulku-ajan tarkka mittaus antaa joitakin mittaussuureita massan olotilasta, mutta esim. viskositeetin osuuden erottaminen yksi-20 käsitteisesti ultraäänimittauksilla voi olla hyvin hankalaa. Ultraäänen nopeushan on aineen tiheyden, paineen, lämpötilan, liukumoduulin (kompressihiliteetin) ja viskositeetin funktio.

Nyt esillä oleva mittausmenetelmä selvittää juuri viskositeetin ja kitkan osuuden. Sen sijaan saattaa olla hyvin edullista yh-25 distää ultraäänen nopeuden ja nyt esitetyn kitkan mittaukset. Samaan mittausmuhviin voidaan asentaa siten myös ultraäänianturit.

Keksinnön mukainen mittausjärjestely voidaan toteuttaa myös muissa virtaus- ja ekstruusioprosesseissa, joissa kitkan ja vis-30 kositeetin osuus on suuri, eikä vain muoviekstruusiossa.

Claims (5)

1. Menetelmä suuren sisäisen kitkan ja viskositeetin omaavien nestemäisten aineiden, kuten sulan muovimassan virtauskitkan mittaamiseksi, tunnettu siitä, että erityisessä virtauksen mittausmuhvissa aikaansaadaan hydrodynamiikan lakien 5 mukaan virtausnopeuden asteettainen kasvu supistamalla virtaus-pinta-alaa asteettain jo]loin supistusten kohdille virtaukseen asennetuilla lämpötilamittareilla saadaan aineen virtauskitkan suuruus mitattua mittaamalla virtauksen kasvua vastaavan kitkan kasvun aiheuttamat lämpötilan muutokset.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaiseen menetelmään perustuva suuren viskositeetin tai sisäisen kitkan omaavien aineiden, kuten sulan muovimassan virtauskitkan mittari, tunnettu siitä, että mittari koostuu erityisestä mittausmuhvista (1), jossa on perättäisiä virtauksen poikkipinta-alan supistuksia jotka saat- 15 tavat virtausnopeuden asteettain kasvamaan tunnetulla tavalla sekä supistusten kohdalle asennettuja lämpömittareita (2,3,4) jotka ovat sähköisesti liitetty lämpötilaa rekisteröivään laitteistoon (6) jolloin virtauksen kasvun aiheuttaman kitkaenergian kasvu ja muut kitkaa kuvaavat suureet kuten kitkakerroin, voidaan 20 laskea mitatun lämpötilan kasvusta sekä tunnetusta virtauksen kasvusta virtauspinta-alan supistusten kohdalla.

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen suuren viskositeetin tai sisäisen kitkan omaavien aineiden, kuten sulan muovimassan virtauskitkan mittari, tunnettu siitä, että mittari 25 koostuu erityisestä mittausmuhvista jossa nesteen tai sulamassan nopeus kasvatetaan mittausmuhvin poikkipinta-alan supistuksella (7) jossa supistus muodostaa profiloidun Venturi-putken, jolloin virtauksen kasvun aiheuttama kitkaenergian ja lämpötilan kasvu voidaan mitata virtaukseen asennetuilla vähintään kahdella 30 lämpömittarilla, jossa toinen mittari (8) sijaitsee ennen Venturi putken supistusta ja toinen ('.)) Venturiputkessa kohdalla jossa virtausnopeus on suurin.

4. Patenttivaatimusten 1,2 ja 3 mukainen viskositeetin tai virtauskitkan mittari, tunnettu siitä, että mittausmuh- 35 viin asennetut lämpömittarit ovat säteen suunnassa eri syvyyksillä virtauskitkan säteen suuntaisen jakautuman mittaamiseksi.

5. Patenttivaatimusten 1,2,3 ja 4 mukainen viskositeetin tai virtauskitkan mittari, tunnettu siitä, että mittaus-muhviin asennettujen lämpömittareiden rinnalle on asennettu myös 40 paineen muutoksia mittaavat paineanturit. Patentkraven 66 6 9 5