DE3310484C1 - Verfahren zur Erzielung eines maximalen Ausstosses eines Doppelschneckenextruders - Google Patents

Verfahren zur Erzielung eines maximalen Ausstosses eines Doppelschneckenextruders

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DE3310484C1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiges Verfahren ist bekannt.
Aus der DE-OS 23 35 612 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stabilisierung des Massedurchsatzes eines Extruders bekannt. Mittels Druckmeßgeräten wird der Rückdruck im Rückdrucklager des Extruders gemessen und ein entsprechendes Signal gewonnen, aufgrund dessen auf den Antrieb der Materialeinspeiseeinrichtung eingewirkt wird.
Die Abtastung eines Rückdruckes als Steuergröße muß als sehr zweifelhaft betrachtet werden, weil bei jeder Materialänderung, beispielsweise Schmelzindexoder Viskositätsänderung, völlig andere Verhältnisse entstehen. Diese Offenlegungsschrift vermittelt keine Lehre zum optimalen Betreiben eines Extruders hinsichtlich seines Ausstoßes, was insbesondere für die Wirtschaftlichkeit von ausschlaggebender Bedeutung ist.
Aus der DE-OS 30 61 102 ist bekannt, die Drehzahl bei einem Scherkopf aufgrund von am Austritt gewonnenen Massetemperaturangaben zu erhöhen bei sinkenden Temperaturen und zu erniedrigen bei steigenden Massetemperaturen.
Auch eine derart gestaltete Einrichtung ist nicht geeignet, den Ausstoß von dosiert beschickten Doppelschneckenextrudern bis an die Leistungsgrenze des Drehmomentes zu steigern, weil bei einer Drehzahlerhöhung der Schnecke aufgrund von Temperaturangaben es zu Schneckenbrüchen kommen kann, daß die Drehmomentgrenze überschritten wurde.
Üblicherweise werden Extruder aus Sicherheitsgründen nur bis zu maximal 80% ihrer Materialverarbeitungskapazität ausgenutzt, um Schäden am Getriebe, an der Schneckenwelle und an den einzelnen Schneckenteilen zu vermeiden. Von einer wirtschaftlichen Ausnutzung der Leistungskapazitäten kann somit nicht gesprochen werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mittels welchem der Ausstoß von dosiert beschickten Doppelschneckenextrudern bis an die Leistungsgrenze gesteigert werden kann, ohne das Schäden an der Maschine, und insbesondere am zu verarbeitenden Material entstehen. Das Verfahren soll auch nachträglich bei bereits vorhandenen Maschinen installierbarsein.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 und 4 betreffen weitere Lösungsmöglichkeiten. Die Unteransprüche 3 und 5 haben zweckmäßige Weiterbildungen zum Gegenstand.
Durch ein Einwirken auf die Materialzudosierung und/oder auf die Schneckendrehzahl bei Über- und Unterschreiten eines, im vorgegebenen Abstand zum maximal zulässigen Drehmoment liegenden Sicherheitsdrehmomentes der Schnecken bei einem Doppelschneckenextruder, wird erreicht, daß der Ausstoß des dosiert beschickten Doppelschneckenextruders bis an die obere Leistungsgrenze gesteigert werden kann, ohne daß eine Temperaturschädigung des Materials eintritt. Insbesondere kann der Doppelschneckenextruder bis an seine oberste Leistungsgrenze permanent gefahren werden, ohne irgendwelche Schäden an der Schnecke oder an dem Getriebe befürchten zu müssen.
Da mittels einer vollautomatischen Regelung ein kleiner Abstand zum maximal zulässigen Drehmoment eingehalten wird, kann ständig mit einem optimalen Ausstoß gefahren werden.
Insbesondere kann ein Extruder optimal hinsichtlich seines Ausstoßes betrieben werden, wenn zusätzlich auch noch gemäß Patentanspruch 4 die Materialtemperatur abgetastet und dann sowohl, abzüglich eines kleinen Sicherheitsabstandes, aufgrund des maximal zulässigen Drehmoments als auch aufgrund der maximal zulässigen Temperatur die Materialzudosierung auf der einen Seite und die Schneckendrehzahl auf der anderen Seite geregelt werden.
Auf diese Weise kann der Extruder bis kurz vor seinem maximalen Schneckendrehmoment und bis kurz vor der Zersetzungstemperatur des zu verarbeitenden Materials mittels des Regelverfahrens automatisch ohne jegliche manuelle Betätigung betrieben werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand eines Blockschaltbildes und einer graphischen Darstel-
lung erläutert. Die Erfindung ist jedoch auf diese Ausführungsform nicht beschränkt. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Extruderanlage,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Temperatur-, Zudosier-, Drehmoment- und Drehzahlverhaltens.
Mit 1 wird ein Extruder, mit 2 eine Einspeiseeinrichtung zur Materialzudosierung und mit 3 ein Regler bezeichnet. Der Extruder wird mittels Getriebe 4 durch den Motor 5 angetrieben.
In einem Extruderzylinder 6 befinden sich zwei nicht gezeigte Förderschnecken, die einen zu plastifizierenden Kunststoff, ausgehend von einem Granulat, welches in den Materialaufgabetrichter 7 eingefüllt wird, homogenisiert und beim Austritt aus einer Düse 8 beispielsweise zu einem Profil extrudiert.
Die Einspeiseeinrichtung 2, beispielsweise ein über dem Materialaufgabetrichter 7 angeordnetes · Transportband, wird mittels eines nicht gezeigten Antriebes in Umlauf bewegung gesetzt.
Der Antrieb des Transportbandes der Einspeiseeinrichtung 2 wird zur Materialzudosierung mit dem Regler 3 verbunden, wodurch vom Regler 3 aus eine Beschleunigung oder Verlangsamung herbeigeführt werden kann.
Das Drehmoment für den Schneckenantrieb wird an der Antriebswelle 9 des Getriebes 4 abgetastet Eine dafür geeignete Einrichtung 10 steht ebenfalls mit dem Regler 3 in Verbindung.
Auf die Schneckendrehzahl kann ebenfalls durch den Regler 3 eingewirkt werden, der zu diesem Zweck auch mit dem Motor 5 in Verbindung steht.
Weiterhin ist in der Nähe des Extruderaustritts' eine Temperaturabtasteinrichtung 11 vorgesehen, die mit dem Regler 3 in Verbindung steht.
Zwecks Beschreibung der Funktionsweise des Verfahrens wird von folgender Ausgangslage ausgegangen:
Die Temperaturabtasteinrichtung 11 zeigt eine zu niedrige Materialtemperatur an und die Drehmomentanzeige ein zu geringes Drehmoment.
Aufgrund dieses Sachverhaltes wirkt nun der Regler 3 auf die Einspeiseeinrichtung derart ein, daß mehr Material in den Materialaufgabetrichter 7 des Extruders gefüllt wird.
Durch die verstärkte Materialzudosierung steigt das Drehmoment bis zur Sicherheitsgrenze des Drehmomentes an, was vom Regler 3 registriert wird. Durch die verstärkte Materialzudosierung sinkt gleichzeitig die Massetemperatur im Extruder, was durch die Temperaturabtasteinrichtung 11 registriert und an den Regler 3 gegeben wird.
Der Regler 3 beschleunigt daraufhin die Schneckendrehzahl über ein Einwirken auf den Motor 5. Dadurch steigt die Massetemperatur, bis die Sicherheitsgrenze der Massetemperatur erreicht ist, was wiederum durch die Temperaturabtasteinrichtung 11 dem Regler angezeigt wird. Durch die Erhöhung der Schneckendrehzahl bei konstant gehaltener Materialzudosierung sinkt das Drehmoment.
Dann veranlaßt der Regler 3 wiederum die Einspeiseeinrichtung 2 zur weiteren Erhöhung der Materialzudosierung, wodurch bei gleicher Drehzahl die Massetemperatur wiederum sinkt, bei gleichzeitigem Ansteigen des Drehmomentes.
Durch eine weitere, wechselweise Steigerung der Schneckendrehzahl und der Materialzudosierung wird schrittweise der optimale Betriebspunkt erreicht.
Es wird also auf der einen Seite bis zum Sicherheitsabstand der Verarbeitungstemperatur des Materials und auf der anderen Seite bis zum Sicherheitsabstand des maximal zulässigen Drehmoments gefahren, wodurch als eine Folge dieser Fahrweise auch der maximal erzielbare Ausstoß kontinuierlich gefahren wird, ohne daß Zersetzungserscheinungen des zu verarbeitenden Materials oder Maschinenschäden befürchtet werden müssen.
Anhand der graphischen Darstellung wird der oben geschilderte Vorgang weiter erläutert.
Auf der X-Achse ist der stündliche Ausstoß in kg aufgetragen, während auf der y-Achse die Massetemperatur in 0C aufgetragen ist.
Die Z-Kurven zeigen Linien gleicher Drehzahlen an. Die Drehmomentkurven werden mit Tgekennzeichnet.
Bei einer angenommenen Drehzahl von beispielsweise
Drehzahl 150 min-1
ergibt sich ein Ausstoß von 400 kg/h und eine Temperatur von 220° C (siehe Punkt 1).
Wenn nun die Materialzudosierung bei konstanter Drehzahl erhöht wird, steigt der Ausstoß auf 500 kg/h, sinkt die Temperatur auf 2000C und gleichzeitig nimmt das Drehmoment bis zum maximalen Wert, abzüglich Sicherheitsabstand (gestrichelte Linie Ts = 3960 Nm), zu (siehe Punkt 2).
Wird nun die Drehzahl bei konstanter Zudosierung gesteigert, so steigt auch wieder die Massetemperatur.
Die Drehzahl wird bei konstanter Materialzudosierung so weit gesteigert, bis die Massetemperatur den vorgegebenen Sicherheitsabstand (25O0C, abzüglich 2 K Sicherheitsabstand gleich 248° C — gestrichelte Linie Zs = 248° C —) erreicht hat (siehe Punkt 3). Die Drehzahl beträgt 200 min-'.
Wenn der Sicherheitsabstand erreicht ist (Punkt 3), veranlaßt der Regler 3 eine erneute Materialzudosierung bei gleicher Drehzahl, wodurch die Temperatur von 248° C (250° C abzüglich 2 K Sicherheitsabstand gleich 248°C) auf 218°C sinkt (Punkt 4), gleichzeitig steigt der Ausstoß auf 660 kg/h und das Drehmoment auf den maximalen Wert Tmax. abzüglich dem Sicherheitsabstand.
Da jedoch wieder die Temperatur gesunken ist, kann erneut die Schneckendrehzahl erhöht werden auf 240 min-', was wiederum eine Temperaturerhöhung auf 2480C (Sicherheitsgrenze) zur Folge hat, wobei das auftretende Drehmoment abnimmt (siehe Punkt 5).
Der Regler veranlaßt also nochmals eine verstärkte Materialzudosierung, die Massetemperatur sinkt auf 2300C und der Ausstoß nimmt auf 750 kg/h zu (Punkt 6).
Nunmehr wird wieder die Drehzahl gesteigert, die Massetemperatur nimmt wieder zu, das Drehmoment nimmt ab usw.
Wenn sowohl die maximal zulässige Temperatur abzüglich Sicherheitsabstand und das maximal zulässige Drehmoment abzüglich Sicherheitsabstand erreicht sind, arbeitet der Extruder unter optimalen Bedingungen.'
In diesem Fall wurde eine Temperatur von 25O0C, abzüglich 2 K Sicherheitsabstand, also
2480C,
und ein Drehmoment von 4000 Nm, abzüglich Sicherheitsabstand von 80 Nm, also
3920 Nm,
eingestellt (siehe Punkt 7). Punkt 7 ist also der optimale Arbeitspunkt, in dem ständig und ohne jedes Risiko für das Material und die Maschine gefahren werden kann.
Ist der hinsichtlich maximalem Ausstoß und maximaler zulässiger Temperatur optimale Betriebspunkt er- 5 reicht (Punkt 7), so regelt der Regler 3 beispielweise in der Weise, daß bei Überschreiten der Sicherheitstemperatur die Zudosierung und die Schneckendrehzahl reduziert und/oder die Schneckendrehzahl erhöht wird.
Das beschriebene Verfahren erlaubt also eine opti- 10 male Arbeitsweise des Extruders sowohl hinsichtlich des Ausstoßes als auch der Temperatur, ohne daß zu irgendeinem Zeitpunkt manuell eingegriffen werden muß, oder daß Maschinenschäden aufgrund eines zu hohen Drehmomentes befürchtet werden müssen. 15
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzielung eines maximalen Ausstoßes eines dosiert beschickten Doppelschneckenextruders ohne Überschreiten der maximal zulässigen, jeweiligen Verarbeitungstemperatur des Materials, wobei das Drehmoment der Schnecken abgetastet und mit einem Sollwert verglichen wird, d a durch gekennzeichnet, daß bei Über- und Unterschreiten eines im vorgegebenen Abstand zum maximal zulässigen Drehmoment liegenden Sicherheitsdrehmomentes der Schnecken auf die Materialzudosierung und/oder auf die Schneckendrehzahl eingewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des im vorgegebenen Abstand zum maximal zulässigen Drehmoment liegenden Sicherheitsdrehmoments der Schnecken eine Reduzierung der Materialzudosierung und/ oder eine Erhöhung der Schneckendrehzahl vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Abstand des Sicherheitsdrehmomentes zum maximal zulässigen Drehmoment der Schnecken auf 1 — 15% unterhalb des maximal zulässigen Schneckendrehmomentes eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei das Drehmoment der Schnecken abgetastet und mit einem Sollwert verglichen wird, und wobei zusätzlich die Materialtemperatur kurz vor dem Extruderaustritt abgetastet und mit einem Sollwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Über- oder Unterschreiten eines im vorgegebenen Abstand zum maximal zulässigen Drehmoment der Schnecken liegenden Sicherheitsdrehmoments und bei Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Abstandes der zur maximal zulässigen Materialverarbeitungstemperatur liegenden Sicherheitstemperatur auf die Materialzudosierung und/oder auf die Schneckendrehzahl eingewirkt wird.
5. Verfahren nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Abstand der Sicherheitstemperatur zur maximal zulässigen Materialverarbeitungstemperatur auf 1—200C unterhalb der maximal zulässigen Materialverarbeitungstemperatur eingestellt wird.
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