Extrusion 5-2018

deutlich höhere Schmelzetemperatur am Austritt auftritt, die Schmelze aber ho- mogener scheint. Die Betrachtung von δ thermal und e thermal bestätigt diese Be- obachtung: Während im rechten Szena- rio die kumulierte Abweichung von 1,08 K auf 0,62 K sinkt, steigt sie im anderen Fall von 0,18 K auf 0,37 K. Entsprechend berechnen sich die Kennwerte ethermal zu 0.43 (rechts) und 1.14 (links). Daraus lässt sich also ableiten, dass, wenn kein ausgeprägter Temperaturfehler in der Schmelze vorliegt, der statische Mischer anstatt einer Verbesserung eine Ver- schlechterung der thermischen Homoge- nität bewirkt. Dieses Phänomen kann darauf zurückgeführt werden, dass zwar in beiden Fällen etwa die gleiche Menge Energie im Mischer durch Schererwärmung dissipiert wird (die Druckverluste betragen links 54,8 bar und rechts 53,6 bar), diese Energie aber sehr punktuell in den am stärksten gescherten Bereich des Fluids zu Temperatur- anstiegen führt. Diese „hotspots“ treten in beiden Fällen an ähnli- chen Orten mit ähnlichen Tempe- raturanstiegen auf, wie aus zu entnehmen ist. Dieses Bild zeigt jene Bereiche der Rechenge- biete, in denen die Temperatur ei- nen Wert von 99 bis 100 % der jeweiligen Maximal- temperatur angenommen hat. Vor dem Hintergrund der kälte- ren, homogenen Schmelze im lin- ken Fall treten diese fixen lokalen Temperaturerhöhungen stark her- 37 Extrusion 5/2018 Bild 2: Schematische Darstellung des kumulierten Temperaturfehler δ thermal als Grundlage zur Berechnung der thermischen Mischleistung e thermal Polyethylen hoher Dichte bei einer Pro- zesstemperatur von 200 °C und einem Durchsatz von 100 kg/h verwendet. Bei dem Material handelt es sich um die hochviskose Blasfolientype Hostalen GD9550F der Firma LyondellBasell, Wesseling mit einer Nullviskosität von et- wa 10.000 Pa*s sowie den Carreau-Pa- rametern B und C von 0,1871 1/s bezie- hungsweise 0,655. Für die äußeren Wände wurde eine Temperatur von 200 °C angenommen, während die Tem- peratur der Mischerstege selbst unter der Annahme, dass sie im stationären Zustand weder Wärme aufnehmen noch abgeben, zu 202 °C bestimmt wurde. Um den Mischer herum wird der durch- strömte Raum von einem in darge- stellten Rechennetz aus circa drei Millio- nen Elementen abgebildet, das zusätz- lich gröber vernetzte Einlauf- und Aus- laufstrecken beinhaltet. In den Simulati- onsrechnungen wurden zwei verschiede- ne Szenarien für die Temperatur am Ein- lass der Vorlaufstrecke betrachtet: einer- seits eine homogene Schmelzetempera- tur, andererseits ein Temperaturprofil, das den thermischen Zustand der Schmelze nach dem Passieren einer 5 m langen, geraden Schmelzeleitung be- schreibt. Auswertung und Interpretation der Simulationsergebnisse Als für den Extrusionsprozess relevanten Kennwerte eines Mischers wurden der Druckverlust aufgrund des Mischers, die durchschnittliche Temperatur und ther- mische Homogenität der Schmelze am Mischeraustritt sowie die thermische Mischleistung definiert. Letztere kann zahlenmäßig mit dem Kennwert e thermal beschrieben werden. Dieser beschreibt die relative Änderung der kumulierten Temperaturabweichung δ thermal zwi- schen Ein- und Austritt des Mischers, wobei ein positiver Wert von zum Bei- spiel 0,5 eine Reduktion der Temperatur- abweichung von Ein- bis Austritt um 50 % bedeutet. Dieser Sachverhalt wird in verdeutlicht. zeigt die simulierten Temperatur- felder vor und hinter dem Mischern: links unter der Annahme einer fixen Tempera- tur von 200 °C am Einlass und rechts bei Aufprägung des Temperaturprofils. Es ist zu beobachten, dass im zweiten Fall eine vor, bei der heißeren Schmelze rechts entsprechend deutlich weniger. Dieser Unterschied verstärkt sich noch durch die temperaturbedingt niedrigeren Viskosi- tät im zweiten Fall, die den Druckverlust und folglich die durch dissipierte Energie enstehende Temperaturerhöhung ab- senkt. Fazit und Ausblick Die vorliegenden Simulationen zeigen, dass der thermische Zustand der Schmel- ze am Einlass entscheidend dafür ist, ob ein bestimmter statischer Mischer die Schmelze erfolgreich homogenisieren Ther formance ILLIG.de