Alles, was Sie schon immer über Extrusionskühlung wissen wollten

Allan Griff | Jan 12, 2023

In der Extrusionskolumne dieses Monats geht es um Kälte, passend zum Januar. In der Extrusion ist es oft kalt und nass, was dieses Jahr noch passender ist.

Damit ein Thermoplast so weich wird, dass er extrudiert werden kann, muss er erhitzt werden – das Thermoelement im Thermoplast. Bevor wir fortfahren, wollen wir zwei Dinge klarstellen.

Erste,Wärme ist eine Energieform , sodass es gezählt und gemessen werden kann. Energie hat viele Formen, aber sie erscheint oder verschwindet nicht. Keine Magie. Sie kann in Kalorien gemessen werden – der Wärme, die ein Gramm Wasser um 1 °C erwärmt. Das ist eine winzige Menge, daher ist es üblich, Großbuchstaben zu verwenden – Kalorien (Cal) oder Kalories (Kal oder Kcal), um 1000 kleine Kalorien darzustellen. Wenn Sie Joule verwenden: 4,2 Joule = 1 Kalorie.

Die Zahlen sind seit langem bekannt, werden jedoch manchmal ignoriert oder vermieden, wenn das Zählen unerwünscht ist. Das Gleiche gilt für Menschen, die die Kalorien von Nahrungsmitteln nicht zählen wollen, was unwissenschaftlich ist, aber andere Freuden des Essens zulässt, etwa den Geschmack und die „Freiheit“, Impulsen und Bildern zu folgen, etwa: „Wenn es grün ist, ist es gut für dich.“ ”

Auch wir Wissenschaftler können Essen genießen, auch wenn wir Kalorien zählen: 9 Kcal/Gramm Fette oder Öle und 4 Kcal/Gramm Proteine ​​und Kohlenhydrate (Stärke, Zucker), sofern verdaut und verfügbar. Ja, Fette sind Nährstoffe als Energiequellen und Proteine ​​sind dasselbe wie Stärke und Zucker, aber das öffentliche Bild sagt etwas anderes. Wasser – 80 % bei Fleisch und unterschiedlich bei Gemüse – ist ebenfalls gut für Sie, aber keine Energiequelle. Es zählt also nicht. Das Internet und die Lebensmitteletiketten sind voll von solchen Informationen, aber denken Sie daran, dass es sich um Angaben pro Gramm handelt, es kommt also darauf an, wie viel Sie essen. Etwa 30 Gramm = eine Unze und 454 Gramm = 1 Pfund, also lassen Sie sich nicht von den Gramm aufhalten.

Der zweite Punkt, der klargestellt werden muss, istTemperaturskalen . Wir müssen sowohl C als auch F sprechen, und wenn wir ein Messgerät oder einen Datenpunkt haben, müssen wir die Einheiten kennen. Es ist ganz einfach: 5 °C = 9 °F und 0 °C sind 32 °F (Wasser gefriert zu Eis, gleiche Moleküle, aber organisierte Struktur). Fahrenheit (F) erfand das Thermometer im Jahr 1717, aber Celsius (C) basierte die Skala auf dem Gefrieren und Sieden von Wasser in den schwedischen Küstengebieten, genau wie im Meeresspiegel der USA (sie variiert mit der Höhe, aber das wusste er nicht).

Zurück zu Kunststoffen. Um die Kühlung zu verstehen, müssen wir die Erwärmung verstehen. Es gibt keine Kälte – Kühlung bedeutet Energieentzug. Es werden etwa 138 Kcal (0,16 kWh) benötigt, um 2,2 Pfund (1 Kilogramm) Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) von einer Raumtemperatur von 73 °F (25 °C) auf eine Extrusionstemperatur von 410 °F (210 °C) zu erhitzen ). Das sind ungefähr 0,61 Kcal pro Pfund. Diese Zahlen sind ideal, aber in der realen Welt gibt es echte Verluste; Wenn ich keine weiteren Informationen habe, gehe ich davon aus, dass das Doppelte davon benötigt wird. Es ist meist immer noch zu wenig, sich über die Kosten Gedanken zu machen, aber nicht über die Überhitzung.

Der Großteil dieser Energie kommt vom Motor, der die Reibung überwindet, um die Schnecke in der klebrigen Schmelze vorwärts zu bewegen. Ein Teil stammt von Düsenheizgeräten und auch von Zylinderheizgeräten für Hochtemperaturkunststoffe wie PET und Nylon. Diese Zahlen beinhalten sowohl die Erhöhung der Temperatur als auch die Zerstörung der Kristallinität, die bei LDPE etwa 40 % beträgt.

Selbst im Internet ist es schwierig, solche Daten zu finden. Ich verwende Rao & O'Brien (Hanser, 1998) und Polymerwissenschaftler kennen sicherlich andere Quellen, aber Extruder machen sich darüber keine großen Sorgen, da die meisten Maschinen mehr als genug Wärme zuführen können. Es führt jedoch zu einem weit verbreiteten Missverständnis, dass die meiste Wärme von den Fassheizungen kommt, denn diese Temperaturen regulieren wir sowohl mit Heizungen als auch mit Luft- oder Wasserkühlung.

Die Bedeutung der Trommelwärme gilt jedoch nur für sehr kleine Maschinen oder alle Maschinen, die langsam laufen, einige Extrusionsbeschichtungsmaschinen, einige Zwillingsmaschinen und Hochtemperaturpolymere, wie oben erwähnt. Heizungen werden für den Start benötigt und sind nützlich, um die Dinge stabil zu halten, stellen aber normalerweise keine große Wärmequelle dar. Die Temperatur im hinteren Lauf ist aus einem anderen Grund von entscheidender Bedeutung: Sie steuert den Pelletschlupf an den Laufwänden in der/den ersten Zone(n) und steuert somit die Ein-/Ausgaberate.

Ein wichtiger Sonderfall sind Rillenextruder, die häufig für hochdichtes (HD) PE eingesetzt werden. Wenn Sie eines haben, erfahren Sie mehr darüber, wie es funktioniert. Die erste Zone ist wassergekühlt, um dort ein Anhaften und Schmelzen zu verhindern. Auch bei glatten Läufen kann es zu einer Kühlung kommen, um ein Festkleben in den Futtereintrittskanälen zu vermeiden. Sofern keine Rillen vorhanden sind, wird dies jedoch selten genau kontrolliert.

Nachdem der Kunststoff heiß genug ist, um aus der Form zu kommen, muss die Wärme abgeführt werden, ohne die Produktabmessungen zu verzerren. Es gibt drei Hauptkühlmittel: Wasser, Luft und eine gekühlte Metalloberfläche, beispielsweise eine Walze. Wärmeübertragungsflüssigkeiten werden dort eingesetzt, wo Temperaturen über 100 °C erforderlich sind, beispielsweise im Inneren einiger Walzen für Blechfertigungsanlagen.

Für die meisten Profile, einschließlich Rohre und Rohre, reicht Wasser aus, mit einer Kalibriervorrichtung am Eingang und langen Wassertanks (Trögen), die einen Abzieher, einen Schneider oder einen Aufwickler versorgen. Möglicherweise befindet sich in dieser Zeile auch ein Drucker.

Solche Produkte werden typischerweise mit Wasser an der Außenfläche der austretenden Schmelze gekühlt. Beachten Sie, dass einige Polymere schwimmen und alle Röhren beim Eintauchen nach oben drücken, sodass Rundumsprays eine Rundum-Gleichmäßigkeit ermöglichen. Bei vollständigem Eintauchen besteht vollständiger Kontakt, es kann jedoch ein gewisses Herunterdrücken erforderlich sein, was zu einer Verformung des Produkts führen kann.

Die Dicke ist wichtig, da sich die Wärme langsam durch den Kunststoff bewegt und im Verhältnis zum Temperaturunterschied, also dicker = langsamer. Alle Kunststoffe schrumpfen beim Abkühlen, insbesondere die teilkristallinen. Wenn das Produkt zu schnell abgekühlt wird, kommt es zu stärkeren Spannungen im Produkt, was möglicherweise von Bedeutung ist oder auch nicht (Sie können dies mit einem Schrumpfschlauch testen).

Geräte zur Größenbestimmung verfügen möglicherweise über eine separate Kühlung, selbst solche, die die Produktabmessungen im Handumdrehen ändern können. Beim Eintritt in die Schlichte kann ein Wasserring auf das Produkt aufgetragen werden, um eine leichte Schrumpfung zu bewirken und den Eintritt zu schmieren.

Bei der Dimensionierung kann Vakuum verwendet werden, um entweder den heißen Kunststoff auf feste Metallabmessungen herauszuziehen (Kalibrierungshülse) oder um bei Hohlprodukten wie Rohren den Druck im Luftraum zu reduzieren, sodass der Luftdruck im Inneren des Hohlprodukts es zur Anpassung herausdrückt zur Sizer-Hardware. Zu viel Vakuum kann die Gleitbewegung verlangsamen oder blockieren, daher sind eine gute Druckkontrolle und gleitfähige Materialien erforderlich.

Die Mischung und einige Filamente können nach unten in einen Wassertank extrudiert werden. Durch die Niveauregulierung wird der Abstand zwischen Düse und Wasser sowie die Temperatur von Düse, Schmelze und Wasser gesteuert.

Die Compounder mit der höchsten Leistung verfügen möglicherweise über eine Innenkühlung, bei der sich Wasser im Inneren und unter einer runden Matrize befindet, in der sich ein rotierendes Schneidmesser befindet, das die heißen Pellets in den Wasserstrom wirft. Liniendüsen – eine oder zwei Lochreihen – werden normalerweise als Stränge durch einen externen Wassertank gezogen, obwohl auch Stränge aus Runddüsen auf diese Weise gekühlt werden können.

Die größte Verwendung von Luft als Kühlmittel erfolgt in geblasenen (röhrenförmigen) dünnen Filmen, bei denen ein heißes Rohr nach oben aus der Düse austritt (einige gehen nach unten oder zur Seite) und ein Luftring Luft auf die austretende Oberfläche bläst, die sich ebenfalls ausdehnt Ausdünnung durch inneren Luftdruck. Für eine schnellere Produktion kann die Außenluft gekühlt werden. Da es sich um einen großen Markt handelt, gibt es viele Variationen dieses Prinzips, insbesondere die interne Blasenkühlung und die Abwärtsextrusion mit Wasser und Luft als Kühlmittel. Schwertlilien entziehen der Oberfläche die heiße Luft, sodass kühlere Luft einströmen und an Geschwindigkeit gewinnen kann.

Metallwalzenoberflächen werden üblicherweise zum Kühlen der meisten Flachbleche, Extrusionsbeschichtungen und einiger Folien verwendet. Am gebräuchlichsten für Bleche sind Stapel mit mehreren Rollen; Die meisten sind vertikal angebracht, und einige sind schräg, sogar horizontal, und können dazu führen, dass die Schmelze in einen Walzenspalt fällt. Dünne Filme und Beschichtungen verfügen möglicherweise nur über eine große Kühlwalze, mit der der Kunststoff beim Verlassen der Matrize in Kontakt kommt (Abstand einstellbar).

Die Vertikalen verlaufen häufig am Stapel entlang, wobei die untere Kunststoffoberfläche zuerst auf die mittlere Rolle trifft, diese umrundet und dann die andere Oberfläche der Rolle unter der ersten abkühlt. Die obere Walze kühlt nicht stark, übt jedoch Druck auf das austretende Extrudat aus; Es kann auch vorgewärmt, geprägt und/oder eine Laminierschicht aufgetragen werden. Wenn die obere Oberfläche von entscheidender Bedeutung ist, kann das System den Stapel hinauffahren, wobei die erste gekühlte Oberfläche immer auf der oberen Seite bleibt und somit keinen Kontakt mit den Stützrollen hat.

Bei der Walzenkühlung werden die Wassertemperaturen bei Bedarf mithilfe von Wärmetauschern genau kontrolliert. Achten Sie auf Unterschiede in der Matrizentemperatur am Mittenende, die bei Flachmatrizen im/auf der Matrize möglicherweise leichter zu handhaben sind (Spalt, punktuelle Isolierung und Erwärmung sowie Einstellungen) als bei der Kühlung. Solche Formwechsel können auch für andere Formen nützlich sein, nicht nur für flache Formen, und alle benötigen möglicherweise ein Schmalwinkel-Infrarot-Thermometer.

Kanten flacher Produkte, die beschnitten werden sollen, können umschlossen und luftgekühlt werden oder dünner ausgeführt werden, um eine langsamere Abkühlung zu vermeiden und weniger Beschnitt zum Nachschleifen zu schicken. Außerdem können Luftventilatoren über freiliegenden Oberflächen (einschließlich Unterseiten) die Kühlung verbessern.

Ein Großteil des Blasformens erfolgt über Extruder, und einige der vorherigen Kommentare treffen zu, insbesondere diejenigen, die sich mit Rohren befassen. Die Kühlung findet jedoch in den Formen statt und ist eher mit dem Spritzgießen als mit der Rohrextrusion verbunden.

Kühlflüssigkeiten können zur besseren Kühlung gekühlt werden. Wenn sie jedoch zu kalt sind, kann es in ihren Förderkanälen zur Kondensation von Wasser aus der Atmosphäre und zur Erwärmung kommen, sodass sich die Isolierung durchaus amortisieren kann. Gekühlte Luft für Blasfolien verursacht erhebliche Betriebskosten, sofern sie nicht gut gesteuert wird (mit Temperaturmessungen und bekannten gewünschten Werten).

Die Futtertemperatur wird oft vernachlässigt und ist besonders wichtig, wenn das Futter im Freien gelagert wird. Solche Schwankungen (Tag-Nacht-, saisonale oder sonnenbedingte) können durch Vorwärmen des Futters vermieden werden, auch wenn dies zur Entfernung von Feuchtigkeit nicht notwendig ist, da die gleichmäßige Futtertemperatur ein ausreichender Vorteil sein kann, um die Kosten zu rechtfertigen. Isolieren Sie den Trichter und möglicherweise einige Übertragungsleitungen, um Strahlungsverluste zu reduzieren. Pulverfutter ist ein echtes, aber überwindbares Problem.

Das Vorwärmen ist auch eine Abhilfe bei Systemen, bei denen der Motor nicht genügend Wärme erzeugt und Zylinder und Matrize dies nicht kompensieren können oder nicht vollständig zur Verfügung stehen.

Das Vorkühlen der Zufuhr kann nützlich sein, um die Zufuhrtemperatur konstant zu halten, ist aber selten, da es lediglich bedeutet, dass bei der eigentlichen Extrusion mehr Wärme benötigt wird.

Einige Leitungen können heiße Luft aus der Umgebung des Fasses nach oben in die Zufuhr leiten. Nicht üblich, aber in sehr kalten Klimazonen oder dort, wo die Stromkosten ungewöhnlich hoch sind, attraktiv. In weiten Teilen Nordamerikas sind die Stromkosten niedrig genug, um solche Einsparungen zu verhindern, aber das könnte sich in Zukunft ändern, oder sogar jetzt, wenn das Management versucht, die Abhängigkeit vom Netzstrom zu verringern. Jemand sollte wissen, wie viel gewonnen werden würde, und sollte nicht raten müssen.

Dies kann auch mit Kühlwasser erfolgen, allerdings gibt es weniger wassergekühlte Extruder und Kosteneinsparungen allein rechtfertigen dies möglicherweise nicht.

Die Wiederverwendung von Wärme aus der Produktkühlung ist nicht üblich, aber möglich und verdient Beachtung, wenn dadurch die Produktionsgeschwindigkeit gesteigert werden kann und Sie die Steigerung gewinnbringend verkaufen können. Die Effizienz wassergekühlter Leitungen kann oft optimiert werden, indem das Produkt durch Ausschnitte geleitet wird, die die heiße Wasserschicht um das Produkt herum entfernen und so den Fluss von kühlerem Wasser bis in die Nähe der Produktoberflächen fördern.

Vergessen Sie nicht die Schrumpfung nach dem Abkühlen, die sich auf den Druck und die Beschnittmaße auswirken kann. Es ist noch nicht alles vorbei, wenn Sie es stapeln oder rollen können, da einige Kunststoffe nach der Online-Kühlung mehrere Stunden oder länger schrumpfen und dies zum Teil von der Geschwindigkeit der Kühlung abhängt.

Nicht zuletzt können viele Schnecken während des Betriebs mithilfe eines Wärmetauschers intern flüssigkeitsgekühlt werden, um eine konstante Eingangstemperatur sicherzustellen. Dadurch wird nicht viel Wärme aus dem System abgeleitet, aber die Durchmischung wird verbessert. Es ist reversibel, erfordert keine neuen Maschinen, reduziert aber die Leistung pro U/min. Wenn eine erhöhte Schneckengeschwindigkeit den Verlust ausgleichen kann, ist dies der Falleine Win-Win-Situation.

Über den Autor

Allan Griff ist ein erfahrener Extrusionsingenieur, der im technischen Service eines großen Harzlieferanten begann und nun viele Jahre lang selbstständig als Berater, Sachverständiger in Rechtsfällen und insbesondere als Dozent im Rahmen öffentlicher Webinare und Seminare arbeitet und inhouse, und jetzt in seiner virtuellen Version. Er schrieb Plastics Extrusion Technology, das erste praktische Extrusionsbuch in den Vereinigten Staaten, sowie das Plastics Extrusion Operating Manual, das fast jedes Jahr aktualisiert wird und sowohl auf Spanisch und Französisch als auch auf Englisch erhältlich ist. Erfahren Sie mehr auf seiner Website www.griffex.com oder senden Sie ihm eine E-Mail an [email protected].

In naher Zukunft oder vielleicht auch nie seien Live-Seminare geplant, da sein virtuelles audiovisuelles Seminar sogar noch besser sei als Live-Seminare, sagt Griff. Keine Anreise, kein Warten auf Live-Termine, dieselben PowerPoint-Folien, aber mit Audio-Erklärungen und einem schriftlichen Leitfaden. Schauen Sie in Ihrem eigenen Tempo zu; Die Gruppenteilnahme wird zum Pauschalpreis angeboten, inklusive des Rechts, Fragen zu stellen und ausführliche Antworten per E-Mail zu erhalten. Für weitere Informationen rufen Sie 301/758-7788 an oder senden Sie eine E-Mail an [email protected].

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