Extrusion 3-2020

33 Extrusion 3/2020 "Nu" ist die sogenannte Nusselt-Zahl. Die Nusselt-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Ähnlichkeitstheorie der Wär- meübertragung, die die Verbesserung der Wärmeübertragung von einer Oberfläche misst [URL19a]. Sie ist proportional zur Reynolds-Zahl Re (Nu ~ Re). Nach Gleichung (3) kann eine Erhöhung des Wärmeübergangs- koeffizienten zum Beispiel durch eine Erhöhung der Strö- mungsgeschwindigkeit der Kühlluft v bei konstanter Dichte ρ , der charakteristischen Länge d und der dynamischen Viskosität η der Luft erreicht werden [NN13]: Die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft wird jedoch durch auftretende Blasen- oder Prozessinstabilitäten begrenzt. Durch den Einsatz von sogenannten Luftführungseinheiten lässt sich die Geschwindigkeit des Kühlluftstroms bei konstanter Blasen- stabilität weiter steigern. Das Ergebnis ist ein höherer Masse- durchsatz. Luftführungseinheiten werden auf vorhandene Kühlringe in der Produktion aufgesetzt und führen die Kühlluft entlang der Folienaußenseite. Die Verengung des Strömungs- querschnitts zwischen Folienblase und Luftführungseinheit ver- bessert die Kühlleistung durch den Venturi-Effekt. Der Venturi- Effekt basiert auf der Theorie der Bernoulli-Gleichung. Die Glei- chung besagt, dass die spezifische Energie entlang einer Strom- linie konstant ist [Sch10, SV05, URL19b, ZL07]. Nach dem Ener- gieerhaltungssatz führt eine Änderung der Strömungsgeome- trie zu einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, sodass sich der statische Druck ändert ( Bild 1 ). Durch gleichzeitige Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Senkung des Luftdrucks in diesem Bereich können sowohl der Wärmeübergang als auch die Blasenstabilität erhöht wer- den [NN89]. Um den Venturi-Effekt zu nutzen, muss der Strö- mungsspalt zwischen der Folienblase und der Luftführungsein- heit deutlich verringert werden. Flexibel verstellbare Luftführungseinheit für mehr Durchsatz Kleinere Losgrößen führen zu immer häufigeren Material- und Prozesswechseln, sodass sich innerhalb einer Produktion unter- schiedliche Blasengeometrien ergeben. Für eine maximale Kühlleistung einer Luftführungseinheit muss ein möglichst kon- turnaher Strömungsspalt zwischen Folienblase und Luftfüh- rungseinheit vorliegen. Bisher bekannte starre Luftführungsein- heiten lassen eine solch konturnahe Luftströmung in Abhän- gigkeit verschiedener Blasengeometrien nicht zu. Ändert sich die Blasenform durch eine Prozessänderung, muss die starre Luftführungseinheit durch eine konturangepasste Luftfüh- rungseinheit ersetzt werden. Für diesen Wechsel muss der Ex- trusionsprozess unterbrochen werden, was zu teuren Stillstand- zeiten der Extrusionslinie führt. Zwar kann die Effizienz der Kühlung durch den Einsatz einer starren Luftführungseinheit verbessert werden, ein großes Potenzial dieser Technologie bleibt jedoch ungenutzt. Ziel der Arbeiten am Institut für Kunst- stoffverarbeitung (IKV), Aachen, ist es daher, eine flexible Luft- führungseinheit zu entwickeln, welche den Venturi-Effekt nut- zen soll, um die Kühlleistung und somit den Massedurchsatz zu erhöhen. Zum Erreichen dieses Ziels muss der Strömungsspalt zwischen Folienblase und Luftführungseinheit während der Ex- trusion flexibel einstellbar sein. Anlagentechnik Die nachfolgend beschriebenen Versuche wurden an einer Blasfolienextrusionsanlage im Technikum des IKV durchgeführt. Die Extrusionsanlage besteht aus zwei 45 mm Einschneckenex- trudern vom Typ KFB 45/600 (L/D=24) sowie einem für die Ver- suche nicht verwendeten Einschneckenextruder vom Typ KFB 45/600 (L/D=20) der Firma Kuhne Anlagenbau GmbH, St. Au- gustin. Die verwendeten Schnecken sind 3-Zonen-Schnecken mit Scher- und Mischelementen. Die Dosierung erfolgt bei allen Extrudern über eine gravimetrische Dosiereinheit der Firma Plast-Control GmbH, Remscheid. Die Schmelze wird von den Extrudern in einen radialen Wendelverteiler gefördert, dessen Bild 3: Seitenansicht der optimierten LFE bei laufender Extrusion (Gl. 3)