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| grundlagenhandbuch:massetemperatur [2026/05/19 14:15] – [Radialspalt und Nutenströmung] neelest | grundlagenhandbuch:massetemperatur [2026/06/05 20:04] (aktuell) – [Ermittlung der mittleren Temperatur] deppe2 | ||
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| Über eine Bilanz von zugeführter und abströmender Enthalpie kann die Kopplung der Temperaturberechnungen von Kanalbereich und Spaltbereich [[grundlagenhandbuch: | Über eine Bilanz von zugeführter und abströmender Enthalpie kann die Kopplung der Temperaturberechnungen von Kanalbereich und Spaltbereich [[grundlagenhandbuch: | ||
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| **Abbildung: | **Abbildung: | ||
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| Die Enthalpieänderung im Kontrollraum entspricht der Differenz aus ein-und ausströmender Enthalpie: | Die Enthalpieänderung im Kontrollraum entspricht der Differenz aus ein-und ausströmender Enthalpie: | ||
| - | $$\Delta \dot{H}_{z_0, | + | $$\Delta \dot{H}_{z_0, |
| Die Änderung resultiert aus der Temperaturerhöhung im Kanal plus der Enthalpieänderung der Strömungen im Radialspalt und in den Nuten. | Die Änderung resultiert aus der Temperaturerhöhung im Kanal plus der Enthalpieänderung der Strömungen im Radialspalt und in den Nuten. | ||
| - | $$\Delta \dot{H}_{z_0, | + | $$\Delta \dot{H}_{z_0, |
| mit: | mit: | ||
| - | $$\Delta \dot{H}_{zSpalt} = \rho \cdot c \cdot \dot{V}_x \cdot (\overline{T_{z01, | + | $$\Delta \dot{H}_{zSpalt} = \rho \cdot c \cdot \dot{V}_x \cdot (\overline{T_{z01, |
| - | $$\Delta \dot{H}_{zNut} = \rho \cdot c \cdot \dot{V}_{Nut} \cdot (\overline{T_{z01, | + | $$\Delta \dot{H}_{zNut} = \rho \cdot c \cdot \dot{V}_{Nut} \cdot (\overline{T_{z01, |
| $\overline{T}_{z_01, | $\overline{T}_{z_01, | ||
| - | $$\overline{T}_{z_01, | + | $$\overline{T}_{z_01, |
| Nimmt man vereinfachend an, dass die Isothermen senkrecht zur Schneckenachse verlaufen, kann eine mittlere Temperatur im benachbarten Kanal $\overline{T_{z01, | Nimmt man vereinfachend an, dass die Isothermen senkrecht zur Schneckenachse verlaufen, kann eine mittlere Temperatur im benachbarten Kanal $\overline{T_{z01, | ||
| - | $$\overline{T_{z01, | + | $$\overline{T_{z01, |
| Die gesamte Temperaturerhöhung im Intervall [$z_0$, $z_1$] errechnet sich somit zu: | Die gesamte Temperaturerhöhung im Intervall [$z_0$, $z_1$] errechnet sich somit zu: | ||
| - | $$T_{z_1} = \frac{\dot{H}_{z_i}}{c \cdot \rho \cdot \dot{V}_z}$$ | + | $$T_{z_1} = \frac{\dot{H}_{z_i}}{c \cdot \rho \cdot \dot{V}_z}\tag{52}$$ |
| mit | mit | ||
| - | $$\dot{H}_{z_i} = \Delta \dot{H}_{z_{0, | + | $$\dot{H}_{z_i} = \Delta \dot{H}_{z_{0, |
| erhält man schließlich folgende Gleichung zur Berechnung der Temperaturentwicklung: | erhält man schließlich folgende Gleichung zur Berechnung der Temperaturentwicklung: | ||
| - | $$T_{z_1} = T_{z1, | + | $$T_{z_1} = T_{z1, |
| Erste Versuche zur Verifikation des Temperaturmodells wurden an einem Doppelschneckenextruder vom Typ ZSK 30 durchgeführt. Als Versuchsmedium diente ein Polypropylen (PP 1100H). Das Polymer wurde in einem Beistellextruder plastifiziert und seitlich dem Doppelschneckenextruder zudosiert. | Erste Versuche zur Verifikation des Temperaturmodells wurden an einem Doppelschneckenextruder vom Typ ZSK 30 durchgeführt. Als Versuchsmedium diente ein Polypropylen (PP 1100H). Das Polymer wurde in einem Beistellextruder plastifiziert und seitlich dem Doppelschneckenextruder zudosiert. | ||
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| Man erkennt, dass das Modell in der Lage ist, die experimentellen Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit zu beschreiben. | Man erkennt, dass das Modell in der Lage ist, die experimentellen Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit zu beschreiben. | ||
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| Die Grundlage für das 2D Modell bildet die Energiegleichung zur Berechnung des radialen Temperaturprofils im Schneckenkanal. | Die Grundlage für das 2D Modell bildet die Energiegleichung zur Berechnung des radialen Temperaturprofils im Schneckenkanal. | ||
| - | $$\rho c \left(\frac{\partial T}{\partial t} + v \nabla T\right) = \lambda \nabla^2 T + \tau \nabla v \tag{Gleichung 1}$$ | + | $$\rho c \left(\frac{\partial T}{\partial t} + v \nabla T\right) = \lambda \nabla^2 T + \tau \nabla v \tag{55}$$ |
| Es erfolgt eine Anpassung der Energiegleichung an das vorhandene offene System, dass die Energie sowie die Masse mit der Umwelt austauschen. | Es erfolgt eine Anpassung der Energiegleichung an das vorhandene offene System, dass die Energie sowie die Masse mit der Umwelt austauschen. | ||
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| $$-T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V \left(\frac{\partial v_x}{\partial x} + \frac{\partial v_y}{\partial y} + \frac{\partial v_z}{\partial z}\right) - \left(\sigma_{xx} \frac{\partial v_x}{\partial x} + \sigma_{yy} \frac{\partial v_y}{\partial y} + \sigma_{zz} \frac{\partial v_z}{\partial z}\right) $$ | $$-T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V \left(\frac{\partial v_x}{\partial x} + \frac{\partial v_y}{\partial y} + \frac{\partial v_z}{\partial z}\right) - \left(\sigma_{xx} \frac{\partial v_x}{\partial x} + \sigma_{yy} \frac{\partial v_y}{\partial y} + \sigma_{zz} \frac{\partial v_z}{\partial z}\right) $$ | ||
| - | $$-\left[\tau_{xy} \left(\frac{\partial v_y}{\partial x} + \frac{\partial v_x}{\partial y}\right) + \tau_{xz} \left(\frac{\partial v_z}{\partial x} + \frac{\partial v_x}{\partial z}\right) + \tau_{yz} \left(\frac{\partial v_y}{\partial z} + \frac{\partial v_z}{\partial y}\right)\right] \tag{Gleichung 2}$$ | + | $$-\left[\tau_{xy} \left(\frac{\partial v_y}{\partial x} + \frac{\partial v_x}{\partial y}\right) + \tau_{xz} \left(\frac{\partial v_z}{\partial x} + \frac{\partial v_x}{\partial z}\right) + \tau_{yz} \left(\frac{\partial v_y}{\partial z} + \frac{\partial v_z}{\partial y}\right)\right] \tag{56}$$ |
| Die Gleichung setzt sich aus fünf Termen zusammen, welche die folgenden Bedeutungen haben [[grundlagenhandbuch: | Die Gleichung setzt sich aus fünf Termen zusammen, welche die folgenden Bedeutungen haben [[grundlagenhandbuch: | ||
| Zeile 355: | Zeile 355: | ||
| * Normalspannungen sind ebenfalls vernachlässigbar ($\sigma_{xx} = \sigma_{yy} = \sigma_{zz} = 0$) | * Normalspannungen sind ebenfalls vernachlässigbar ($\sigma_{xx} = \sigma_{yy} = \sigma_{zz} = 0$) | ||
| - | Mithilfe der Vereinfachungskriterien wird die Gleichung | + | Mithilfe der Vereinfachungskriterien wird die Gleichung |
| - | $\rho c v_z \frac{\partial T}{\partial z} = -\frac{\partial \dot{q}_y}{\partial y} - \tau_{yz} \left(\frac{\partial v_z}{\partial y}\right)\tag{Gleichung 3}$ | + | $$\rho c v_z \frac{\partial T}{\partial z} = -\frac{\partial \dot{q}_y}{\partial y} - \tau_{yz} \left(\frac{\partial v_z}{\partial y}\right)\tag{57}$$ |
| Die Summe aus Wärmeleitung in Kanalhöhe und der Energie der Dissipation ergibt den Temperaturanstieg im schmelzegefüllten Kanal in der Kanallängsrichtung. | Die Summe aus Wärmeleitung in Kanalhöhe und der Energie der Dissipation ergibt den Temperaturanstieg im schmelzegefüllten Kanal in der Kanallängsrichtung. | ||
| - | Durch Berücksichtigung des fourier' | + | Durch Berücksichtigung des fourier' |
| - | $\rho c \bar{v}_z \frac{\partial T}{\partial z} = \lambda \frac{\partial^2 T}{\partial y^2} + \left(\overline{\tau\dot{\gamma}}\right)_0 e^{-\beta(T-T_0)} \tag{Gleichung 4}$ | + | $$\rho c \bar{v}_z \frac{\partial T}{\partial z} = \lambda \frac{\partial^2 T}{\partial y^2} + \left(\overline{\tau\dot{\gamma}}\right)_0 e^{-\beta(T-T_0)} \tag{58}$$ |
| Um die Energiegleichung weiter zu vereinfachen werden die dimensionslosen Kennzahlen wie in [[grundlagenhandbuch: | Um die Energiegleichung weiter zu vereinfachen werden die dimensionslosen Kennzahlen wie in [[grundlagenhandbuch: | ||
| - | $Br = \frac{(\overline{\tau \gamma})_0 h^2}{\lambda T_z} \approx \frac{K_{0T} v_0^{1+n} h^{1-n}}{\lambda T_z} \tag{Gleichung 5}$ | + | $$Br = \frac{(\overline{\tau \gamma})_0 h^2}{\lambda T_z} \approx \frac{K_{0T} v_0^{1+n} h^{1-n}}{\lambda T_z} \tag{59}$$ |
| - | $Gz = \frac{c \rho \bar{v}_z h^2}{\lambda \Delta z} = \frac{c \rho h}{\lambda b \Delta z} \dot{V} \tag{Gleichung 6}$ | + | $$Gz = \frac{c \rho \bar{v}_z h^2}{\lambda \Delta z} = \frac{c \rho h}{\lambda b \Delta z} \dot{V} \tag{60}$$ |
| - | $\Theta = \frac{T - T_0}{T_z} \tag{Gleichung 7}$ | + | $$\Theta = \frac{T - T_0}{T_z} \tag{61}$$ |
| - | $\xi = \frac{\Delta y}{h} \tag{Gleichung 8}$ | + | $$\xi = \frac{\Delta y}{h} \tag{62}$$ |
| - | $\zeta = \frac{\Delta z}{l}\tag{Gleichung 9}$ | + | $$\zeta = \frac{\Delta z}{l}\tag{63}$$ |
| Bei der geometrischen Berechnung der Graetz- $Gr$ und Brinkmann-Zahl $Br$ werden einige doppelschneckenspezifische Anpassungen vorgenommen. Bei der Ermittlung der Graetz-Zahl $Gr$ fließen die Kanalhöhe $h$ und die Kanalbreite $br$ mit ein. Diese beiden Größen werden durch die mittlere Kanalhöhe $\bar{h}$ und der Kanalbreite $b_{max}$ des Doppelschneckenextruders. | Bei der geometrischen Berechnung der Graetz- $Gr$ und Brinkmann-Zahl $Br$ werden einige doppelschneckenspezifische Anpassungen vorgenommen. Bei der Ermittlung der Graetz-Zahl $Gr$ fließen die Kanalhöhe $h$ und die Kanalbreite $br$ mit ein. Diese beiden Größen werden durch die mittlere Kanalhöhe $\bar{h}$ und der Kanalbreite $b_{max}$ des Doppelschneckenextruders. | ||
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| Für die Brinkmann-Zahl $Br$ wird die Viskosität $\eta$ benötigt, diese ist wiederum abhängig von der Schergeschwindigkeit $\dot{\gamma}$ und wird beeinflusst von der Geometrie des Doppelschneckenextruders. Da im Kanal nicht eine konstante Kanalhöhe $h$ vorliegt, wird mit der mittleren Kanalhöhe $\bar{h}$ die mittlere Schergeschwindigkeit $\bar{\gamma}$ bestimmt, ohne den Einfluss der Schneckenelementeigenschaften (Mischelemente, | Für die Brinkmann-Zahl $Br$ wird die Viskosität $\eta$ benötigt, diese ist wiederum abhängig von der Schergeschwindigkeit $\dot{\gamma}$ und wird beeinflusst von der Geometrie des Doppelschneckenextruders. Da im Kanal nicht eine konstante Kanalhöhe $h$ vorliegt, wird mit der mittleren Kanalhöhe $\bar{h}$ die mittlere Schergeschwindigkeit $\bar{\gamma}$ bestimmt, ohne den Einfluss der Schneckenelementeigenschaften (Mischelemente, | ||
| - | $\bar{\gamma} = \frac{\bar{h}}{v_0} \tag{Gleichung 10}$ | + | $$\bar{\gamma} = \frac{\bar{h}}{v_0} \tag{64}$$ |
| Die Funktion zur Berechnung der Temperatur im schmelzegefüllten Kanal nimmt damit die folgende Form an: | Die Funktion zur Berechnung der Temperatur im schmelzegefüllten Kanal nimmt damit die folgende Form an: | ||
| - | $\frac{\partial \Theta}{\partial \xi} = \frac{1}{Gz} \frac{\partial^2 \Theta}{\partial \xi^2} + \frac{Br}{Gz} \exp\left[-\beta(T_Z \Theta)\right]\tag{Gleichung 11}$ | + | $$\frac{\partial \Theta}{\partial \xi} = \frac{1}{Gz} \frac{\partial^2 \Theta}{\partial \xi^2} + \frac{Br}{Gz} \exp\left[-\beta(T_Z \Theta)\right]\tag{65}$$ |
| Es ist so noch nicht möglich die Gleichung geschlossen zu lösen, da der Exponentialterm abhängig von der Temperatur $T$ bzw. $\Theta$ ist. Durch die folgende Gleichung wird der Exponentialterm bereichsweise linearisiert. | Es ist so noch nicht möglich die Gleichung geschlossen zu lösen, da der Exponentialterm abhängig von der Temperatur $T$ bzw. $\Theta$ ist. Durch die folgende Gleichung wird der Exponentialterm bereichsweise linearisiert. | ||
| - | $\exp[-\beta(T - T_0)] = \exp[-\beta(T_z \Theta)] = c_1 - c_2 \beta T_z \Theta \tag{Gleichung 12}$ | + | $$\exp[-\beta(T - T_0)] = \exp[-\beta(T_z \Theta)] = c_1 - c_2 \beta T_z \Theta \tag{66}$$ |
| Diese Geradengleichung unterteilt den Exponentialterm in zwei Bereiche. Der erste Bereich ist abhängig von der radialen Temperatur $T$ bzw. $\Theta$ ($c_1 \beta T_z \Theta$) und der Zweite wiederum von $T$ bzw. $\Theta$ und $c_1$. Die zwei Unbekannten $c_1$ und $c_2$ entstehen aus zwei Gleichungen, | Diese Geradengleichung unterteilt den Exponentialterm in zwei Bereiche. Der erste Bereich ist abhängig von der radialen Temperatur $T$ bzw. $\Theta$ ($c_1 \beta T_z \Theta$) und der Zweite wiederum von $T$ bzw. $\Theta$ und $c_1$. Die zwei Unbekannten $c_1$ und $c_2$ entstehen aus zwei Gleichungen, | ||
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| **Abbildung 1:** Annäherung Exponentialfunktion durch Sekante [[grundlagenhandbuch: | **Abbildung 1:** Annäherung Exponentialfunktion durch Sekante [[grundlagenhandbuch: | ||
| - | Zusammengefasst ergibt die Linearisierung mit der Gleichung | + | Zusammengefasst ergibt die Linearisierung mit der Gleichung |
| - | $\frac{\partial^2 \Theta}{\partial \xi^2} - Gz \frac{\partial \Theta}{\partial \xi} - c_2 \beta T_z Br \Theta = -c_1 Br \tag{Gleichung 13}$ | + | $$\frac{\partial^2 \Theta}{\partial \xi^2} - Gz \frac{\partial \Theta}{\partial \xi} - c_2 \beta T_z Br \Theta = -c_1 Br \tag{67}$$ |
| Das vorgestellte Differentialgleichungssystem ist in der Ausarbeitung von [[grundlagenhandbuch: | Das vorgestellte Differentialgleichungssystem ist in der Ausarbeitung von [[grundlagenhandbuch: | ||
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| Dies erfolgt durch die folgende Gleichung und ergibt die zehn Werte des Profils über der Kanalhöhe. | Dies erfolgt durch die folgende Gleichung und ergibt die zehn Werte des Profils über der Kanalhöhe. | ||
| - | $T_{0, | + | $$T_{0, |
| Abschließend wird das arithmetische Mittel aus den radialen Temperaturwerten gebildet und die mittlere Kanaltemperatur dieses Abschnitts bestimmt. Durch die abschnittsweise Berechnung in SIGMA kann nun der axiale Temperaturverlauf berechnet werden. | Abschließend wird das arithmetische Mittel aus den radialen Temperaturwerten gebildet und die mittlere Kanaltemperatur dieses Abschnitts bestimmt. Durch die abschnittsweise Berechnung in SIGMA kann nun der axiale Temperaturverlauf berechnet werden. | ||