DE4338971C2 - Pumpe für viskose Massen, insbesondere thermoplastische Kunststoffschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für viskose Massen, insbesondere thermoplastische Kunststoffschmelzen, bestehend aus Förderwalzen und Förderzahnrädern in einem Gehäuse mit Ein- und Auslauf.

Die Pumpe weist Förderwalzen auf, die in Verbindung mit ineinander eingreifenden Förderzahnrädern in einem Gehäuse mit Ein- und Auslauf stehen, wobei die viskose Masse von den Förderwalzen erfaßt wird und mit Überdruck dem Zahnradpaar zugeführt wird, das die viskose Masse unter Druckaufbau volumetrisch weiterfördert.

Das Fördervolumen des Zahnradpaares mit ineinandergreifenden Zähnen ergibt sich aus den durch die Zahnflankenzwischenräume und der Gehäusewand gebildeten Kammern. Das Zahnradpaar arbeitet als Verdrängerpumpe. Zwischen der Antriebsdrehzahl und dem Fördervolumen besteht, von geringen Leckverlusten abgesehen, eine lineare Abhängigkeit, unabhängig vom Gegendruck, bzw. unabhängig vom Differenzdruck vor und hinter dem Zahnradpaar.

Voraussetzung für ein solche Förderverhaften ist die vollständige Füllung der Zahnflankenkammern. Für niedrig viskose Massen ist diese Forderung erfüllt. Für höher viskose Massen wie etwa Kunststoffschmelzen, läßt sich diese Forderung nur erfüllen, wenn die viskose Masse dem Zahnradpaar unter Druck zugeführt wird.

Dies gilt für alle bisher bekannt gewordenen Pumpen, die Zahnräder verwenden. Bei dienen Pumpen ist für eine Förderung viskoser Massen ein erheblicher Aufwand erforderlich, um den für die Pumpe benötigten Vordruck zu erzeugen.

Derartige Fördereinrichtungen - Zahnradpumpen genannt - sind zuerst als Spinnpumpen verwendet worden. Dabei wurden relativ niedrigviskose Kunststoffschmelzen von Extrudern den Spinnpumpen unter Druck zugeführt, die die Schmelzen mit hoher Förderkonstanz bei kleinem Fördervolumen durch Spinndüsen preßten.

Konstruktiv veränderte Zahnradpumpen, deren Gehäuse entsprechend angepaßt sind, werden bei Polymerisatreaktoren verwendet. Das aus dem Reaktor ausgetragene Polymerisat fließt senkrecht in den Einlauf einer Zahnradpumpe und wird von dort kontinuierlich ausgetragen. Dabei wird der erforderliche Pumpenvordruck durch eine mehrere Meter hohe Polymerisatsäule gebildet. Bei der relativ niedrigen Viskosität reicht diese Vordruck aus.

In der DE 27 16 669 A1 wird eine Zahnradpumpe für Polymerverarbeitungsanlagen beschrieben, bei denen das Polymere in Form eines Stranges abgegeben wird. Bei derartigen Anlagen ist direkt über den Förderzahnrädern ein Walzenpaar vorgesehen, die den Polymerstrang in einen Ladebereich zwischen Walzen und Zahnrädern hineinziehen, um die Zahnlücken zu führen. Über Zahnräder werden die Walzen von den Förderzahnrädern angetrieben.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Zahnradpumpen ist das Aufbereiten und Compoundieren von Kunststoffen in Knetern oder Schneckenextrudern. Nach Beendigen des Compoundierens wird die Masse von einer Zahnradpumpe weiterbefördert. Den erforderlichen Vordruck liefern die Aufbereitungsmaschinen.

Neuerdings wird zur Herstellung von Platten und Profilen aus thermoplastischen Kunststoffen auf Extrusionsanlagen häufig zwischen dem Plastifizierextruder und dem Formwerkzeug eine Zahnradpumpe angeordnet. Die Pumpe hat die Aufgabe, die vom Extruder herrührende Pulsation des Schmelzeflusses zu egalisieren und eine Leistungssteigerung ohne Überhitzung des Thermoplasten zu ermöglichen. Den erforderlichen Vordruck für die Zahnradpumpe liefert der Plastifizierextruder.

Bei einigen Einsatzgebieten ist es jedoch erforderlich, vor den Zahnradpumpen spezielle Einrichtungen vorzusehen, die den für die Zahnradpumpen erforderlichen Vordruck liefern. Beispiele hierfür sind Anlagen zum Entfeuchten und zum Entgasen von Kunststoffen. Hierzu ist neben dem Plastifizierextruder noch ein weiterer Extruder für den Druckaufbau zur Zahnradpumpe erforderlich. Dies macht eine solche Anlage aufwendig.

Mit der erfindungsgemäßen Pumpe ist eine einfache und betriebssichere Lösung entwickelt worden, die überall dort vorteilhaft eingesetzt werden kann, wo eine hochviskose Masse, die vordrucklos anfällt, volumetrisch unabhängig von einem Gegendruck gefördert werden muß, wie dies beispielsweise bei Entgasungsanlagen der Fall ist. Die Walzen fördern die Masse unter Ausnutzung der Grenzschichtreibung und unter Bildung eines Überdrucks in den Kammerraum.

Die Pumpe nach der Erfindung besteht aus wenigstens zwei Förderwalzen, es sind auch vier oder mehr paarige Walzen möglich, die unabhängig von den Förderzahnrädern angetrieben werden, sowie aus ineinandergreifende Zahnradpaare - in der Regel aus einem Zahnradpaar, die gemeinsam in einem Gehäuse mit Einlauf und Auslauf gelagert sind. Ein Zahnrad der ineinandergreifenden Zahnräder ist angetrieben. Unabhängig von den Zahnrädern sind die Walzen angetrieben, wobei die Walzenpaare sich gegenläufig drehen. Das Gehäuseteil zwischen den Walzen und den Zahnrädern bildet einen Kammerraum.

Wenigstens eine der Förderwalzen ist zur Verstellung des Walzenspalts "X" verschiebbar gelagert.

In Abhängigkeit von der gemessenen Höhe des Pegels der viskosen Masse wird im Einlauf der Pumpe der Massezulauf geregelt.

Die Leistung der Förderwalzen ist mit der Leistung der fördernden Zahnräder so abgestimmt, daß der Druck in dem Kammerraum des Gehäuses in etwa konstant bleibt.

Das Gehäuse ist temperierbar, entweder indem es doppelwandig ausgeführt ist für eine Temperierung mit einem Wärmeträgermedium, oder das Gehäuse ist mit Heizbändern bestückt. Vorteilhafterweise sind die Walzen ebenfalls temperierbar ausgeführt. Dies hat speziell beim Anfahren der Pumpe Vorteile.

Ein über die volle Walzenbreite reichender Abstreiferhalter mit einem Schaber an der Spitze der Walzenseite trennt den unter Überdruck stehenden Kammerraum von dem unter Normaldruck stehenden Raum oberhalb der Walzen.

Mittels einer Kondensatoreinrichtung wird die Höhe des Pegels der viskosen Masse im Einlaufbereich gemessen. Damit wird im Sollbereich der Masseoberkante der Massezulauf geregelt, so daß die Ober- und Unterkante des Massepegels nicht Überschriften werden. Gegebenenfalls regelt der Kondensator auch die Menge des Massezulaufs entsprechend der Geschwindigkeit, mit der sich die Höhe des Massepegels ändert. Statt einer Kondensatoreinrichtung kann die Steuerung des Massezulaufs auch durch die Ausrüstung mit 2 Drucksensoren erfolgen, damit die Ober- und Unterkante des Massepegels nicht Überschriften werden. Durch eine zusätzliche Ausrüstung des Gehäuses mit Drucksensoren kann die Menge des Massezulaufs entsprechend der Geschwindigkeit geregelt werden, mit der sich die Höhe des Massepegels ändert.

Durch die Ausstattung des Kammerraums mit einem Drucksensor wird durch die Regelung der Drehzahl der Walzen der Druck der viskosen Masse im Kammerraum in etwa konstant bleibt.

Die Anwendung unprofilierter Walzen für das Pumpen viskoser Massen geht auf Betrachtungen von Prandtl hinsichtlich der Grundlagen zur Tragflügel- und Luftschraubentheorie zurück. Prandtl deutete damals 1914 den Strömungszustand wandnaher Schichten. Prandtl erkannte, daß infolge der Zähigkeit strömender Flüssigkeiten die Moleküle an einer angeströmten Körperoberfläche haften. Diese an der Wand haltenden Moleküle bremsen die über ihnen vorbeifließenden Teilchen und erzeugen damit einen Reibungswiderstand. Die Schicht, innerhalb derer die Geschwindigkeit von der des umströmten Körpers auf die Geschwindigkeit des ungestört fließenden Mediums ansteigt oder abfällt, nannte Prandtl "Grenzschicht".

In dem hier vorliegenden Fall der Förderung eines viskosen Mediums durch rotierende Walzen hat die an den Walzen haftende Molekülschicht die Geschwindigkeit der Oberfläche der angetriebenen Walzen, während das zu fördernde Medium oberhalb der Grenzschicht ruhend ist.

Für den Fall der hier vorliegenden laminaren Strömung hat Blasius, der auf den Erkenntnissen von Prandtl aufbaute, Reibungswiderstand und Dicke der Grenzschicht abgeleitet.

Danach ist die Dicke der Grenzschicht proportional zu dem abgeleiteten Ansatz

Die Höhe des Reibungswiderstandes, aus dem sich die Pumpleistung der Walzenpumpe ableiten läßt, ist proportional zu dem abgeleiteten Ansatz

mit
ν als kinematischer Zähigkeit (cm²/sec)
ϕ als Dichte des Mediums (g/cm³)
als Geschwindigkeit der Walzenoberfläche (cm/sec)
l als Länge der Strecke, bei der das Medium die Walzenoberfläche bedeckt (cm)

Anhand des nachfolgend beschriebenen Versuchs hat sich für die Pumpe gemäß der obigen Beschreibung folgende Förderleistung ergeben:

Zu förderndes Medium:
LDPE, Typ Stamylan 2010
Temperatur: 210°C
Leistung: 141kg/h
Zwischenkammervordruck: 6-7 bar

Wenigstens eine des Förderwalzen ist zur Verstellung des Walzenspalts verschiebbar gelagert. Gegenüber der Förderseite der Walzen ist eine Abdichtung vorgesehen. Die Abdichtung erfolgt entweder am Gehäuse oder durch einen Abstreifer. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Abstreifer durch den Überdruck in der Gehäusekammer zusätzlich an die Walze gepreßt wird.

Der Massezulauf am Einlauf der Pumpe wird in Abhängigkeit von der gemessenen Höhe des Pegels der viskosen Masse geregelt.

Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung zeigt die Fig. 1, die die Pumpe im Schnitt darstellt.

In Fig. 1 stellen (1a) und (1b) das in Pfeilrichtung angetriebene Walzenpaar dar mit dem Walzenspalt (2), der um den beispielhaften Betrag "X" durch Verschieben der Walze (1a) vergrößert oder verkleinert werden kann. Damit kann der Walzenspalt auf die doppelte Grenzschichtdicke eingestellt werden. Mit (3) ist die viskose Masse oberhalb der Walzen bezeichnet. In diesem Bereich steht die Masse unter Normaldruck. Mit (4a) und (4b) ist das Zahnradpaar bezeichnet mit seinen ineinandergreifenden Zähnen. Diese Zähne haben vorzugsweise die Form von Evolventen. Die Zahnräder, von denen eines angetrieben ist, drehen sich gegenläufig in Pfeilrichtung.

Abmessungen der Förderwalzen:

Walzendurchmesser: 90 mm
Walzenlänge: 150 mm
Anzahl der Walzen: 2
Zahnraddurchmesser: 70 mm
Zahnradbreite: 70 mm
Anzahl der Zahnräder: 2
Größe des Walzenspalts: 5 mm
Walzenumdrehungen: 50 Umdr./min
Zahnradumdrehungen: 20 Umdr./min

(5) stellt das Gehäuse dar, hier in doppelwandiger Ausführung. (6) bildet den Kammerraum, der durch das angetriebene Walzenpaar (1a) und (1b) unter Überdruck steht und damit dafür sorgt, daß die Zahnflankenzwischenräume einwandfrei gefüllt werden.

(7) bezeichnet den Pumpenaustrift.

(8) stellt eine Kondensatoreinrichtung dar, mit deren Hilfe die Höhe des Pegels der viskosen Masse (3) gemessen und geregelt wird. Gegebenenfalls wird entsprechend der Geschwindigkeit, mit der sich die Höhe des Pegels verändert, das angemessene Signal für die Veränderung des Massezulaufs gegeben. Statt einer Kondensatoreirichtung kann die Höhe des Massepegels auch durch Drucksensoren gemessen und geregelt werden, vorzugsweise durch mehr als 2 Drucksensoren.

(9) stellt einen Drucksensor dar, der im Kammerraum (6) angeordnet ist. Mit (10) ist ein Abstreiferhafter bezeichnet, der über die volle Walzenbreite reicht mit dem Schaber (11) an der Spitze der Walzenseite.

Claims (9)

1. Pumpe für viskose Massen, bestehend aus Förderwalzen und Förderzahnrädern in einem Gehäuse mit Ein- und Auslauf, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Förderwalzen (1a) und (1b) unabhängig von den Förderzahnrädern (4a) und (4b) angetrieben werden,
• b) wenigstens eine der Förderwalzen zur Walzenspaltverstellung ("X") verschiebbar gelagert ist
• c) in Abhängigkeit von der gemessenen Höhe des Pegels der viskosen Masse im Einlauf der Pumpe der Massezulauf geregelt wird.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Förderwalzen (1a) und (1b) mit den fördernden Zahnrädern (4a) und (4b) derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Druck in der Kammer (6) in etwa konstant bleibt.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen temperierbar sind.

4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der verschiebbar gelagerten Walze ein Schaber (11) anliegt, der sich auf der Spitze des Abstreifhalters (10) befindet und damit die in dem Kammerraum (6) befindliche Masse von der auf den Walzen liegenden Masse trennt.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im Sollbereich der Masseoberkante mit einem Kondensator ausgerüstet ist für die Steuerung des Massezulaufs, damit die Ober- und Unterkante des Massepegels nicht Überschriften werden.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator die Menge des Massezulaufs entsprechend der Geschwindigkeit regelt, mit der sich die Höhe des Massepegels ändert.

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im Sollbereich der Masseoberkante mit 2 Drucksensoren ausgerüstet ist für die Steuerung des Massezulaufs, damit die Ober- und Unterkante des Massepegels nicht überschritten werden.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im Sollbereich der Masseoberkante mit zusätzlichen Drucksensoren ausgerüstet ist, die die Menge des Massezulaufs entsprechend der Geschwindigkeit regeln, mit der sich die Höhe des Massepegels ändert.

9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) mit einem Drucksensor ausgestattet wird, der die Drehzahl der Walzen (1a) und (1b) regelt.