Berechnung und Simulation von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich

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1 Berechnung und Simulation von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.) der Fakultät für Maschinenbau der Universität Paderborn genehmigte DISSERTATION von Dipl.-Ing. Johann-Sebastian Leßmann aus Paderborn Tag des Kolloquiums: Referent: Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Michael Koch

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3 Schriftenreihe Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen Band 18/2016 Johann-Sebastian Leßmann Berechnung und Simulation von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2016

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2016 Copyright Shaker Verlag 2016 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) der Universität Paderborn in den Jahren 2011 bis Mein besonderer Dank gilt daher Herrn Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner für die Ermöglichung der Promotion und die kontinuierliche Unterstützung sowie die zahlreichen Diskussionen und Anregungen. Für die Übernahme des Korreferats danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Koch vom Fachgebiet Kunststofftechnik der Technischen Universität Ilmenau. Herzlich danke ich auch allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls für das sehr gute Arbeitsklima, die kooperative Zusammenarbeit sowie jede anregende Diskussion und weitere Unterstützung. Weiter gilt mein Dank den studentischen Hilfskräften sowie den Studien- und Abschlussarbeitern, die mich während dieser Zeit tatkräftig unterstützt haben. Die Ergebnisse der Arbeit sind während verschiedener Forschungsprojekte entstanden, im Wesentlichen allerdings während der Projektbearbeitung der Projekte SCHO551/13-1 und SCHO551/23-1, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert worden sind, der ich ebenfalls danke. Johann-Sebastian Leßmann Paderborn, im November 2015

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7 Kurzfassung Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Berechnung und Simulation von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern mit Befüllungsproblemen. Am Beispiel von PET-Flakes wird gezeigt, dass, analog zu regelmäßig geformten Granulaten, auch für sehr unregelmäßige Rezyklate die Schüttdichte des Materials der durchsatzbestimmende Parameter ist. Für den Ausrieseldurchsatz aus runden Trichteröffnungen wird eine Berechnungsvorschrift ermittelt. Zur näheren Untersuchung von Befüllungsproblemen in der Hochgeschwindigkeitsextrusion wird die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) genutzt. Basierend auf Simulationsdaten wird ein Modell zur Beschreibung des Einrieseldurchsatzes hergeleitet und validiert. Darüber hinaus werden Maßnahmen zur Steigerung des Feststoffdurchsatzes im Hochgeschwindigkeitsbereich erarbeitet. Weiterhin wird die genutzte DEM- Software EDEM für die Simulation von Feststoffförderprozessen mit Druckaufbau nutzbar gemacht. Dazu werden Reibwerte, Stoßzahlen und ein geeignetes Kontaktmodell ermittelt. In Kompressionsuntersuchungen wird deren Eignung für eine realitätsnahe Simulation anhand des Druck-Verformungsverhaltens und der bleibenden Verformung gezeigt. In den Feststoffförderuntersuchungen mit Druckaufbau wird dies anhand der Gegendruckabhängigkeit des Durchsatzes sowie des Radialdruckverlaufs über der Schneckenlänge bestätigt. Schließlich wird gezeigt, dass die Genauigkeit von Schüttdichtesimulationen verbessert werden kann, wenn Granulate durch mehr als eine Sphäre in der Simulation abgebildet werden. In Fördersimulationen kann dieser Effekt nicht bestätigt werden. Abstract This thesis contributes to a more precise calculation and simulation of solid conveying processes in single-screw extruders with occurring filling problems. Exemplified by PET flakes it is shown, that analogous to regularly shaped granulates the material s bulk density is the throughput-determining parameter. Additionally, a calculation rule describing the free flowing outflow throughput for circular hopper openings is determined. In order to analyse filling difficulties occurring in high-speed extrusion processes more closely the Discrete Element Method (DEM) is applied. Based on simulation data a model for describing the inflow throughput is deduced and validated. Additionally, measures to enhance the throughput of solid material in the high-speed extrusion are developed by means of the DEM. Furthermore, the herein employed DEM software EDEM is utilised for the simulation of solid conveying processes with pressure build-up. For that purpose, friction coefficients, coefficients of restitution and a suitable contact force

8 model are determined. Their adequacy is proven in compression investigations using pressure-deformation-curves and permanent deformations as well as in solid conveying processes with back pressure using the throughput s dependence on back pressure and the development of the radial pressure along the screw. Finally, it is shown that the accuracy of bulk density simulations can be improved by representing granulates in more than one sphere. This effect cannot be affirmed in conveying simulations.

9 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I 1 Einleitung Historische Entwicklung schnelllaufender Extruder Problemstellung und Zielsetzung Stand der Forschung Feststoffförderung in der Einschneckenextrusion Feststoffförderung in der Hochgeschwindigkeitsextrusion Feststoffförderung rezyklierter Kunststoffe am Beispiel von PET Ermittlung möglicher Einflussparameter Schüttgut-Eigenschaften Eigenschaften einzelner Flakes Experimenteller Aufbau und Messungen Ermittlung der durchsatzbestimmenden Parameter Abschätzung der Auslaufmasseströme für PET-Flakes Das Einrieselverhalten bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten Grundlagen der Diskrete-Elemente-Methode Kontaktkraftberechnung nach Hertz und Mindlin Kontaktkraftberechnung mit Hysterese Anwendungen der Diskrete-Elemente-Methode in der Kunststofftechnik Simulation und Modellierung des Einrieselverhaltens Variation der Trichteröffnungslänge bei größeren Schneckendurchmessern Variation der Gangtiefe Variation der Gangsteigung... 51

10 II Inhaltsverzeichnis Analytische Modellierung Anpassung der Einzugszone für die Hochgeschwindigkeitsextrusion Variationen der Öffnungsgeometrie Variationen der Schneckengeometrie Druckaufbau in der Feststoffförderung Reibwertmessungen nach DIN ISO Ermittlung der Stoßzahlen Kompression von Granulatschüttungen in Simulation und Messung Simulation und Validierung von Feststoffförderprozessen mit Druckaufbau Einrichtung der Simulationsumgebung Messaufbau für Feststoffförderuntersuchungen mit Gegendruck Auswertung der Durchsätze und Druckverläufe Verbesserung von DEM-Simulationen durch Mehrkugelmodelle Schüttdichte im Schneckenkanal Strömungsverlauf Validierung des Durchsatzes Zusammenfassung und Ausblick Abkürzungen und Symbole... III 9 Literaturverzeichnis... VIII 10 Lebenslauf... XXI