Optimierung der Kühlstrecke in der Blasfolienextrusion durch simulationsgestützte Entwicklung einer flexiblel verstellbaren Düsenlippe unter Berücksichtigung des Coanda-Effekts

Abstract

Blasfolienhersteller sind aufgrund des steigenden Kostendrucks bestrebt, die Produktion möglichst effizient zu gestalten. Die Effizienz wird dabei vor allem durch die Anlagenproduktivität bestimmt. Diese wird durch den maximalen Massedurchsatz bestimmt, der wiederum dadurch bestimmt wird, wie schnell die Wärme aus dem Extrudat abgeführt werden kann. Eine Verbesserung der Folienkühlung ist durch ein optimales Düsenlippendesign und die richtige Einstellung des Kühlrings abhängig von der Prozessführung möglich. Ziel des Forschungsvorhabens war, die Massendurchsätze bei der Blasfolienextrusion durch eine Verbesserung etablierter Doppellippenkühlringe hinsichtlich der generierten Strömungsverhältnisse zu steigern. Hierbei sollte insbesondere der Einfluss des Düsenlippendesigns auf eine Massedurchsatzsteigerung als auch die Beeinflussung der Folieneigenschaften untersucht werden. Dafür wurde eine simulationsgestützte Methodik zur strömungstechnisch optimierten Auslegung von Doppellippenkühlringen entwickelt. Mit dem Simulationsmodell kann die Kühlluftströmung und auftretende Strömungseffekte wie der Coanda-Effekt visualisiert werden. Dabei lassen sich Strömungsparameter und die Geometrie der Kühlringlippen variieren. Das Simulationsmodell erreichte im Abgleich mit Validierungsversuchen an der Blasfolienanlage des IKV eine gute Genauigkeit und ermöglichte die Auswahl einiger Lippengeometriekombinationen für die weiterführenden Untersuchungen. Durch den Einsatz von Nebel in den Untersuchungen wurde eine Möglichkeit gefunden, die Strömung zu charakterisieren, die eine Vorhersage über die Wärmeabfuhr erlaubt und die Simulationen anhand der Strömungsfläche validiert. In einem weiteren Schritt wurden die Einflüsse typischer Prozessparameter und der unterschiedlichen Lippengeometrien auf die Folieneigenschaften sowie auf den maximal erreichbaren Massedurchsatz untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Prozessparameter Gebläseleistung, BUR sowie Massetemperatur einen deutlich größeren Einfluss als die Lippengeometrie haben. Die Untersuchungen hinsichtlich einer idealen Lippengeometrie ergaben, dass eine parallele oder leicht zur Blase hingerichtete Geometrie die besten Ergebnisse bezüglich Massestrom und Folieneigenschaften liefern. Dabei ist vor allem die Abhängigkeit einer Massedurchsatzsteigerung von der Blasenform eine wichtige Erkenntnis. Weiterhin sind starre Systeme wie ein Doppellippenkühlring für einen großen Bereich an Produkten entwickelt worden. Da für die bestmögliche Kühlung eine Anpassung der Düsenlippe notwendig wäre, wurde ebenfalls eine flexibel einstellbare Düsenlippe entwickelt und in Betrieb genommen. Diese besteht aus einer Bauweise mit drei übereinander angeordneten Irisblenden. Mit einer konturnahen Führung der Kühlluft konnte die Effizienz in Form einer Massedurchsatzsteigerung von 10 % der Extrusionsanlage gesteigert werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

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