Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

Die Leistungsfähigkeit einer Blasfolienanlage korreliert mit der konvektiven Kühlung, welche von verschiedenen Strömungseffekten abhängt. Der Venturi-Effekt führt z. B. zur Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten als auch der Blasenstabilität. Ein weiterer, bisher unerforschter Strömungseffekt ist der Coanda-Effekt, welcher ebenfalls den Wärmeübergang als auch die Blasenstabilität beeinflusst.

Das Ziel des Vorhabens ist die Optimierung bestehender Doppellippenkühlringe, sodass durch die Vermeidung oder gezielte Ausnutzung des Coanda-Effekts eine gesteigerte Kühlleistung möglich ist, um die Wirtschaftlichkeit der Blasfolienextrusion zu erhöhen. Hierzu soll ein Simulationsmodell entwickelt werden, mit dem der Coanda-Effekt im Doppellippenkühlring detailliert analysiert werden kann. Für die Entwicklung des Modells wird ein Versuchsstand zur Strömungsvisualisierung des Kühlluftstroms aufgebaut, um verschiedene Lippengeometrien als auch Kühlluftströme innerhalb der einzelnen Lippen hinsichtlich des Strömungsverhaltens zu untersuchen. Nach der Validierung des Modells durch Extrusionsversuche wird der Einfluss der Lippengeometrie, der Kühlluftströme und der -verteilung für unterschiedliche Blasengeometrien hinsichtlich des Coanda-Effekts und dessen Auswirkungen auf den Massedurchsatz und die Folieneigenschaften untersucht. Da der Austausch einer Lippe an Rüstzeiten gekoppelt ist, wird auf Basis der Simulationsergebnisse zudem eine flexible Lippe entwickelt und experimentell erprobt, mit der eine Anpassung der Strömungsverhältnisse im laufenden Betrieb möglich ist.

Anlagenhersteller können das Simulationsmodell für eine bessere Auslegung ihrer Kühlringe nutzen und Entwicklungskosten sparen. Zudem profitieren Sie bei der industriellen Umsetzung der Technologie von den Projektergebnissen. Weiterhin können Folienhersteller als kmU die Technologie zur Nachrüstung von bestehenden Anlagen nutzen, um mit geringen Investitionen ihre Produktivität zu steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Dafür wurde eine simulationsgestützte Methodik zur strömungstechnisch optimierten Auslegung von Doppellippenkühlringen entwickelt. Das Simulationsmodell erreichte im Abgleich mit Validierungsversuchen 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 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. Weiterhin sind starre Systeme wie ein Doppellippenkühlring für einen großen Bereich an Produkten entwickelt worden und erreichen nicht die bestmögliche Kühlung. Daher wurde ebenfalls eine flexibel einstellbare Düsenlippe entwickelt und in Betrieb genommen, mit der die Effizienz in Form einer Massedurchsatzsteigerung von 10% der Extrusionssanlage gesteigert werden konnte.

Durch die Untersuchung der Einflüsse unterschiedlicher Düsenlippengeometrien und Prozessparameter wurde eine neue Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung in der Blasfolienextrusion geschaffen, die für die Verarbeiter zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit ihres Prozesses genutzt werden kann, da sich durch den höheren Wärmeentzug zum einen Massedurchsatzsteigerungen von typischerweise 10 % ergaben und zum anderen der Einfluss auf die mechanischen und optischen Eigenschaften bewertet werden konnte.