Untersuchungen des konvektiven Wärmeübergangs bei der Folienherstellung - Charakterisierung des Strömungsfeldes und des Wärmeübergangs

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Zur Kühlung des in einer Blasfolien-Extrusionsanlage abgezogenen, zunächst noch flüssigen Kunststoff-Schlauchs strömt Luft in Form eines turbulenten, rotationssymmetrischen Wandstrahls entlang der Außenseite des Schlauchs. Bei erhöhten Abziehgeschwindigkeiten werden vermehrt Dickenschwankungen der fertigen Folie beobachtet, die eine nicht akzeptable Minderung der Produktqualität darstellen. Ursache solcher Schwankungen der Foliendicke sind Inhomogenitäten des Abkühlungsprozesses, von denen vermutet wird, dass sie durch die turbulente Struktur des Kühlluftstroms bedingt sind. In diesem Projekt sollen durch experimentelle Untersuchungen die turbulente Struktur des Wandstrahls und der konvektive Wärmeübergang charakterisiert werden, und zwar zunächst an einem starren, beheizbaren Modell der Schlauchfolie, später unter Betriebsbedingungen an einer Extrusionsanlage. Die Experimente an dem starren Modell dienen vor allem dazu, die vermutete Struktur der turbulenten Wärmeübergangszone zu verifizieren, bei gleichzeitiger Messung des Wanddrucks. In einem Parallelprojekt am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und Kunststoffmaschinen wird u.a. die statistische Verteilung der Dickenschwankungen und ihre Abhängigkeit von den Strömungsparametern untersucht. Es wird angestrebt, am Ende der hier beantragten ersten Projektphase (18 Monate) den Nachweis für die o.a. Vermutung über den Zusammenhang zwischen Dickenschwankungen und Struktur der turbulenten Strömung zu erbringen. Wenn dies als "milestone-Ergebnis" gelingt, wird es das weitere Ziel der beiden, miteinander gekoppelten Projekte sein, den Abkühlungsprozess in Form des turbulenten Wandstrahls so auszulegen, dass auch bei hohen Kühlluftgeschwindigkeiten eine konstante Foliendicke und damit eine hohe Produktqualität erreicht werden kann. Das Ergebnis soll auch Rückschlüsse auf ähnlich geartete Probleme bei anderen Kunststoffverarbeitungsprozessen erlauben.