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Wärmetausche,r mit einer stehend angeordneten, hohlen Förderschnecke
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer stehend angeordneten, hohlen
Förderschnecke, deren Hohlraum mit einer Temperiervorrichtung versehen ist und die
von einem Gehäuse eng umgeben ist, das am Füllende der Schnecke einen seitlichen
Einlaß und am Ausstoßende der Schnecke einen zentralen Auslaß besitzt.
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Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art, wie sie z. B. zum Aufschmelzen
von Kunststoffschnitzeln verwendet werden, ist die Beheizung der Schnecke selbst
meist als elektrische Induktionsheizung ausg ge bildet. Diese Art der Beheizung
hat eine ganze Reihe von Nachteilen. Insbesondere muß das Gehäuse der Schnecke sehr
dünn ausgeführt werden und aus einem nichtmagnetischen Stoff, beispielsweise Chrom-Nickel-Stahl,
hergestellt sein. Um die Spulen nicht zu heiß werden zu lassen, muß ein verhältnismäßig
großer Luftspalt zwischen Spule und Schnekkengehäuse vorgesehen werden, durch den
Luft zirkulieren kann. Damit sind Wärmeverluste verbunden. Der große Luftspalt zwischen
Spule und Schneckenkörper selbst führt zu einer starken induktiven Belastung (cos
(p) im angeschlossenen Stromnetz. Bei der Anwendung der induktiven Heizung besteht
auch die Gefahr, daß andere Maschinenteile gleichzeitig beheizt werden. Die Geräte
zur Messung der Temperatur in der Beheizungszone lassen sich wegen der dünnen Wandung
des Gehäuses sehr schlecht anbringen. Von einer genauen Temperaturmessung und damit
auch -regelung hängt aber die Güte der Temperaturführung beim Aufschmelzen des Kunststoffes
ab. Noch viel hinderlicher ist eine schlechte Temperaturmeßmöglichkeit, wenn es
darum geht, ein System von mehreren Apparaten auf die gleiche Aufschmelztemperatur
zu bringen, ein unbedingtes Erfordernis bei der Herstellung von Massenprodukten.
Ferner ist sehr nachteilig, daß die übergangszone bei der induktiven Heizung zwischen
dem kalten und warmen Teil der Förderschnecke und natürlich dann auch des Gehäuses
abhängig ist von der Kühlung, die die Schnecke durch den hindurchtretenden Materialfluß
erfährt. Die Lage der übergangszone ist abhängig von der Aufschmelzleistung.
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Es ist auch bekannt, die hohle Förderschnecke mittels eines durch
den Hohlraum hindurchgeleiteten Wärmetauschmittels zu beheizen. Auch bei dieser
Heizungsart ist eine genaue Temperaturhaltung der Schnecke nur mit großem Aufwand
möglich.
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Für liegend angeordnete Hohlschnecken ist ferner schon bekannt, sie
in ' nen mit Diphenyloxyd, mit Dampf, der bei Verwendung als Heizmittel kondensiert,
oder mit Ammoniak, das bei Verwendung als Kühlmittel verdampft, zu beaufschlagen.
Hierbei ist jedoch Temperaturgleichheit aller beaufschlagten Flächen nur zu erwarten,
wenn das Dampfkondensat bzw. das verdampfte Kältemittel fortlaufend von den beaufschlagten
Flächen entfernt und durch kondensierenden Dampf bzw. verdampfendes flüssiges Kältemittel
ersetzt wird. Diese Forderung ist jedoch bei liegend angeordneten Schnecken aus
Platzgründen kaum zu erfüllen, so daß eine befriedigende Temperaturgleichheit nicht
erreicht wird.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Mängel behoben sind, wenn der Hohlraum
der Drehschnecke erfindungsgemäß als ein mit dem Wärmetauschmittel teilweise gefüllter
Trog 7 ausgebildet ist, in dem unterhalb des Flüssigkeitsspiegels ein ortsfester
Heizkörper 8 und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ein ortsfester Kühler
14 angeordnet sind, wobei der Dampfraum des Troges 7 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
an eine mit einem Reduzierventil versehene Druckluftleitung angeschlossen ist. Mit
Hilfe des Reduzieiventils wird der Luftdruck auf einen der im Dampfraum des Troges
gewünschten Siedetemperatur entsprechenden Druck vermindert. Das Wärmetauschmittel
wird durch ein in den Trog eingeführtes Füllrohr eingefüllt, das in der Höhe des
Flüssigkeitsspiegels endet.
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Die Verwendung der im Hohlraum der Förderschnecke angeordneten Siedeheizung,
bei der als Wärmetauschmittel beispielsweise Diphenyl verwendet wird, bietet eine
Reihe von verfahrenstechnischen Vorteilen, besonders bei der Anwendung der Schmelzschnecken
für die Herstellung von feinen Produkten, beispielsweise Seide. Zu diesen Vorteilen
gehört im besonderen die genaue Temperaturmessung, eine nicht überbietbare Konstanz
der Umperaturhaltung-Mit der Verwendung der Siedeheizung läßt sich eine
Vielzahl
Schneckemnaschinen in völlige übereinstimmung bezüglich der Temperatur bringen.
Ferner ae , stattet diese Heizung einen definierten übergang an der Grenze
zwischen dem kalten und dem warmen Teil der Schnecke und auch des Schnecken-..ehäuses.
Cr Durch die Verwendung der Beheizung gemäß der Erfindung wird die Bedingung der
genaue sten Einhaltung der notwendigen Temperaturverhältnisse erfüllt, die ein unbedingtes
Erfordernis ist für dieVerringerungderStärkd-oderTiterschwankun-Clen und der Eigenschaftsschwankungen
wie Festigkeits- und Dehnungsschwankungen des fertigen Produktes. Denn die chemischen
Veränderungen der zur Aufschmelzung gelangenden Kunststoffe sind äußerst abhängig
von den Temperaturbedingungen, denen sie bei der Verarbeitung unterliegen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Schneckenheizung
gemäß der Erfindung dargestellt. Der Schneckenkörper 1 ist hohl ausgebildet,
im Antriebswellenende 2 mit der Verschraubung 3 befestigt und durch die Dichtung
4 mit seinem Innenraum gegen den Schnitzelraum 5 abgedichtet, in den die
festen Kunststoffschnitzel durch das Rohr 6 gelangen. In den Hohlraum
7 des Schneckenkörpers ragt der elektrische Heizkörper 8, dem die
elektrische Energie durch die Anschlüsse 9 zugeführt wird. Der Heizkörper
wird durch das stillstehende Rohr 10
gehalten, in dem alle Zuleitungen untergebracht
sind. Dieses stillstehende Halterohr trägt auch den Thermometerstutzen
11, in dem ein elektrisches Widerstandsthennometer oder ein Thermoelement
untergebracht ist. Die Heizflüssigkeit wird durch das Rohr 13 bis zu dem
Niveau 12 eingefüllt. Das Rohr 13
endet in Niveauhöhe, so daß durch Absaugen
der zuviel eingefüllten Heizflüssigkeit durch das Rohr 13
das Niveau 12 genau
eingehalten werden kann. Wird nun über einen Regulierwiderstand der Heizkörper
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an das Netz angeschlossen, so beginnt die Heizflüssigkeit beim Erreichen
der Siedetemperatur zu sieden. Der aufsteigende Dampf gelangt in den oberhalb des
Flüssigkeitsspiegels 12 angeordneten Kühler 14 und wird dort kondensiert. Zur Trennung
der Flüssigkeit vom Dampf sind die Ableitbleche 15 angebracht. Die Zuleitung
28 und die Ableitung 29 der Kühlflüssigkeit des Kondensators ist gleichfalls
in dem stillstehenden Rohr 10 untergebracht. Das stillstehende Rohr
10 ist in der umlaufenden Schneckenwelle 2 in Nadellagern 16 geführt.
Das Rohr 10
bildet mit der Schneckenwelle 2 einen Spalt 17, der einen
Druckausgleich über dem Kühler mit einer Zuleitung herbeiführen kann.
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Die Schneckenwelle 2 trägt am oberen Ende ein Schneckenrad
18, das über die Schnecke 19 angetrieben wird. Durch die Hohlwelle
2 ist das stillstehende Halterohr 10 hindurchgeführt. Die Abdichtung des
Getriebes nach unten wird durch zwei Simmerringe 20 und einen Spritzring 21 vorgenommen.
Das evtl. noch hindurchtretende öl wird über den RingkanaJ 22 und das Ableitungsrohr
23 in ein Sammelgefäß 24 abgeführt.
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Oberhalb des Getriebes tritt die umlaufende Schneckenwelle 2 und das
stillstehende Rohr 10 aus und trägt einen Kopf 25, in dem die elektrischen
Anschlußklemmen 26 für die Heizung und die Anschlußklemmen für das Thermometer
vorgesehen sind. Durch den Kopf 25 tritt die Heizflüssigkeitsleitung
13, die Kühlwasserzuleitung 28 und die Kühlwasserableitung
29. In der Kühlwasserableitung ist da.s Thermometer 30 angebracht.
Für die Druckhaltung im Siederaum 7 erhält der Anschlußkopf 25
eine
Zuleitung 31 für Druckluft, in der ein Reduzierventil 32 angeordnet
ist, das den Luftdruck auf einen der gewünschten Siedetemperatur entsprechenden
Druck einstellt und in einer Leitung 33 oberhalb der Stopfbüchse 34 in den
Ringkanal 17 einführt, über den sich der Druck bis in den Siederaum fortpflanzt.
Die ganze Maschine hängt in den an dem Schneckengehäuse angebrachten Tragpratzen
35, mit denen sie in einem Maschinengestell befestigt ist.
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Im Betrieb wird beispielsweise zwischen den Temperaturen von 254 bis
300' C eine Mischung von Diphenyl-Diphenyloxyd eingefüllt, bei den Temperaturen
von 180 bis 250' C Paradichlorbenzol. Der Füllstand wird über das
Rohr 13 geprüft und die Heizenergie unter Zwischenschaltung eines Drehtransformators
(nicht dargestellt) langsam eingeschaltet. Der Kühlwasserkreislauf wird schwach
eingestellt und die Temperatur an dem Kühlwasserthermometer 30 abgelesen.
Wird die Heizung verstärkt, so tritt von irgendeinem Zeitpunkt an ein Sieden der
Heizflüssigkeit ein. Der Heizflüssigkeitsdampf steigt bis in den Kühler, so daß
an dem Thermometer 30 ein plötzliches Ansteigen der Temperatur festzustellen
ist. Wird nun der Kühlwasserkreislauf auf größere Kühlwassermenge eingestellt, so
genügt diese Menge, die überschüssige Heizenergie abzuführen und beispielsweise
auf der halben Kühlerlänge die Trennzone zwischen dem schweren Heizdampf und der
darüber befindlichen Luft zu bilden. An dem Thermometer in der Schnecke wird die
Temperatur abgelesen und der Druck in dem Reduzierventil 32 so lange erhöht,
bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Füllt man nun mehrere solcher Aufschmelzschnecken
mit dem gleichen Heizmittel und schließt sie an die gleiche Druckleitung
33 an, so erhält man in allen Apparaturen eine genau gleiche Temperatur.
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Entsprechend ihrer Drehzahl erzeugt die Förder schnecke in der Schmelze
Wärme, die von der Förderschnecke aufgenommene Leistung wird in Wärme verwandelt.
Sollte diese durch die Bewegung erzeugte Wärme zu groß werden, so dient die siedende
Flüssigkeit innerhalb des Schneckenkörpers als Kühlung. Das ist ein besonderer Vorteil,
um die Temperaturverteilung über die ganze Schneckenlänge genauestens abzugleichen
und örtliche überhitzungen empfindlichen Materials zu vermeiden. Den Außenmantel
des Schneckengehäuses wird man bezüglich der Heizung auf die gleiche Weise ausführen
und zur Einhaltung der genau gleichen Temperatur mit derselben Heizflüssigkeit füllen
und an dieselbe Druckhaltung über einen Kühler anschließen.
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Bei einer auf diese Weise geheizten Schnecke ergeben sich deutlich
meßbare Verringerungen der Streuung der Festigkeit, Dehnung und des Arbeitsvermögens
des durchgesetzten Gutes.
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Den Vorteil einer mit Siedeheizung versehenen Schneckenmaschine kann
man am besten bei der Herstellung von Seide überprüfen, indem man die Streuung des
Titers der Einzelfäden von 90 cm Länge quer zur Fadenschar und die Streuung
von 9 m Enden längs zur Fadenschar bestimmt (Gesamttiter 40, 9 Einzelfäden).
Bei den bisher bekannten Heizsystemen beträgt die Streuung quer zum Faden (Variationskoeffizient)
6 %, während mit einer Schnecke, die mit der Siedeheizung ausgerüstet ist,
Werte von kleiner als 4 1/lo erreichbar sind. Die Werte
für
die Titerstreuung längs zum Faden von 50 Einzelwerten je 9 m Länge
sind 1 1/o bei den bisherigen Heizsystemen, während die Werte bei den Schnecken
mit Siedeheizung kleiner als 0,6 II/o sind. Es ist dabei zu beachten, daß
Unterschiede der Meßwerte von 60 % im Fertigprodukt (Gewebe oder Wirkstück)
deutlich bemerkbar sind.