Modeling the solid conveying section of single-screw extruders at high screw speeds considering the pressure build-up
Final Report Abstract
Der Begriff Feststoffförderung beschreibt in der Extrusionstechnik alle Teilprozesse, die mit noch nicht aufgeschmolzenem Material arbeiten. Im Wesentlichen sind diese das Befüllen der Maschine aus dem Trichter und das Weiterfördern des Granulats in Richtung der Aufschmelzzone bei gleichzeitigem Druckaufbau. Bei der mathematischen Beschreibung der Feststoffförderung wird üblicherweise von einer Blockströmung des Granulats im Schneckenkanal ausgegangen. Die Annahme einer Blockströmung ist allerdings nur bei vollgefülltem Schneckenkanal gerechtfertigt. Diese Vollfüllung ist bei hohen Schneckenumfangsgeschwindigkeiten nicht mehr gegeben, weil das Granulat nicht hinreichend schnell aus dem Trichter in den Schneckenkanal einrieselt. Zusätzlich ist bei hohen Drehzahlen der Rückimpuls größer, den ein Granulatkorn an der aufsteigenden Schneckenseite in Richtung der Trichteröffnung erfährt. Beide Effekte resultieren in einem nicht mehr linear mit der Drehzahl ansteigendem Durchsatz. In diesem Forschungsprojekt ist das Einrieseln und der druckbehaftete Feststoffförderdurchsatz von Einschneckenextrudern untersucht worden. Dazu sind zunächst Feststoffförderuntersuchungen durchgeführt worden, die das oben beschriebene Abflachen der Durchsatz-Drehzahl-Kurve aufwiesen. Diese Untersuchungen sind mit der Diskrete-Elemente-Software EDEM nachsimuliert worden. Der Vergleich der beiden Untersuchungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung von gemessenen und simulierten Durchsätzen. Das bedeutet, dass die Diskrete-Elemente-Methode sehr gut geeignet ist für die Simulation und Untersuchung von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern. Dies zeigt sich auch bei der Untersuchung der Strömungsverhältnisse im Schneckenkanal und beim Einrieseln: Sowohl in der Simulation als auch in den experimentellen Untersuchungen konnten bekannte Strömungsphänomene, wie die Rückströmung von Granulatkörnern aus dem Schneckenkanal in die Trichteröffnung, nachgestellt werden. Für die in der Praxis verbreiteten rechteckigen Einfüllöffnungen sind in umfangreichen Simulationen für einen 30mm-Modell-Extruder sogenannte Übergangsdrehzahlen detektiert worden. Das sind diejenigen Drehzahlen, ab denen der Durchsatz signifikant von einer linearen Fördercharakteristik abweicht. Dabei zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Durchsatzes und der Übergangsdrehzahlen von der Trichteröffnungslänge. Die Untersuchungen haben ebenfalls ergeben, dass die bisher vertretene Auffassung, Trichteröffnungslängen >1,5D seien nicht sinnvoll, nicht haltbar ist. Die durchgeführten Simulationen sind um weitere mit größeren Durchmessern und variierten Gangtiefen sowie unterschiedlichen Gangtiefen ergänzt worden. Auf Basis dieser umfangreichen Simulationsdaten ist ein dimensionsloses Modell zur Beschreibung des druckbehafteten Feststoffförderdurchsatzes in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Schneckendurchmesser, der Gangtiefe und der Trichteröffnungslänge ermittelt worden, das ebenfalls die Modellierung der Übergangsdrehzahl berücksichtigt. Dadurch lassen sich nun erstmalig voll- sowie teilgefüllte Feststoffförderprozesse modellieren. Weiterhin wird eine druckabhängige Schüttdichte berücksichtigt, welche sich linear auf den Durchsatz auswirkt. Das Verhalten des Schüttguts bildet die in der Literatur gefunden Beobachtungen nach und dient letztlich der Verifizierung bereits bestehender Berechnungsvorschriften. Schließlich ist mit Hilfe der DEM-Simulationen der Druckaufbau in der Einzugszone modelliert worden. Dabei wurde speziell die Verschiebung des Druckaufbaus bei Überschreiten der Übergangsdrehzahl mathematisch erfasst. Durch eine multivariante Regression ist so nun möglich den Ort der Vollfüllung des Schneckenkanals zu detektieren. Die Untersuchungen zur Validierung der Strömungsverhältnisse wurden im letzten Arbeitsschritt mit Hilfe eines Förderprüfstandes mit einer Apparatur zum Aufbringen eines definierten Gegendrucks realisiert. Es zeigt sich eine hervorragende Übereinstimmung der Strömungsverhältnisse zwischen Simulation und Experiment.
Publications
- Validation of Discrete Element Simulations in the Field of Solids Conveying in Single Screw Extruders. 30th International Conference of the Polymer Processing Society, Conference Proceedings, Cleveland, 2014
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4918405) - Discrete Element Simulations and Validation Tests Investigating Solids-Conveying Processes with Pressure Buildup in Single Screw Extruders, Tagungsband zur 31. PPS-Konferenz, Jeju-City, 2015
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4942314) - Parameterization and Validation of Discrete Element Simulations Regarding the Pressure Propagation in Plastics Pellets Bulk, Tagungsband zur SPE ANTEC, 2015
Schöppner, Volker; Leßmann, Johann-Sebastian
