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Reifenhäuser Extrusion Technology präsentiert Zukunftskonzept für wasserlosen Extruder mit Luft- und Raumfahrtechnologie.

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Auf der Kunststoffmesse 2013 in Düsseldorf stellt die Reifenhäuser Extrusion Technology ein Konzept für einen Einschneckenextruder vor, der zur Kühlung des Einzugsbereichs kein Wasser mehr benötigt, sondern stattdessen mit Thermoelektrischen Generatoren (TEG) arbeitet. Das Konzept basiert auf der Siegeridee des ersten webbasierten Open Innovation Wettbewerbs der Branche, dem Extrusioneers Innovation Contest, den die Reifenhäuser Gruppe 2011 veranstaltet hat.

Der Sieger Norman Friedrich hatte vorgeschlagen, die hohe Temperaturdifferenz in der Kunststoffverarbeitung mit Hilfe thermoelektrischer Generatoren in elektrischen Strom umzuwandeln. Der sogenannte Seebeck-Effekt, der diese Umwandlung ermöglicht, wurde ursprünglich vor allem in der Luft- und Raumfahrt für den Betrieb von Raum- und Messsonden eingesetzt, die weit von der Sonne entfernt sind.

Die Reifenhäuser Extrusion Technology hat in den letzten zwei Jahren Versuchsreihen zu dieser Idee durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Gebrauchstemperaturen von über 200°C im Bereich der Zylinder-, Werkzeug- und Rohrleitungstemperierung und der geringe Wirkungsgrad der TEGs deren Einsatzmöglichkeiten zur Stromerzeugung in der Extrusion begrenzt (siehe Infokasten).

Während der Versuchsreihen haben die Ingenieure durch die Weiterentwicklung der Ursprungsidee allerdings eine andere sinnvolle Nutzungsmöglichkeit für TEGs gefunden. TEGs funktionieren nämlich auch in die andere Richtung: Wird Strom an ein Element angelegt, entsteht eine Temperaturdifferenz – der sogenannte Peltier Effekt.

Die Reifenhäuser Extrusion Technology hat solche Peltier Elemente erfolgreich zur Kühlung und gezielten Erwärmung des Nutbuchsenbereiches eines Einschneckenextruders verbaut. Durch die geschickte Kombination der Elemente mit Lüftungsgebläsen, kann die sonst übliche Wassertemperierung in Nutbuchsenextrudern komplett entfallen. Das spart Ressourcen und macht Produzenten unabhängig von der Wasserqualität. Die Temperaturregelung über Peltier Elemente funktioniert außerdem sehr präzise und ist robust.

Obwohl das Konzept schon heute funktioniert und klare technische Vorteile gegenüber der aktuellen Lösung bietet, ist der praktische Einsatz der wasserlosen Kühlung noch Zukunftsmusik. Zurzeit verhindern die vergleichsweise hohen Kosten für Peltier Element den wirtschaftlichen Einsatz der Technologie.

In den nächsten Jahren ist allerdings ein deutlicher Kostenrückgang für Peltier Elemente und eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades zu erwarten, weil Peltier Elemente zunehmend im Automobilbau und der CPU-Kühlung eingesetzt werden. Die Ingenieure von Reifenhäuser rechnen mit einem wirtschaftlichen Einsatz ab dem Jahr 2020.

Auf der K 2013 präsentiert die Reifenhäuser Extrusion Technology das fertige Konzept im Rahmen einer Extruder Zukunftsstudie mit weiteren innovativen Features in Halle 17 auf Stand C 22. Die Messe findet vom 16. bis zum 23. Oktober in Düsseldorf statt.


Grenzen & Chancen von Thermoelektrischen Generatoren (TEG) am Extruder

Grenzen

Optimaler Betrieb von TEGs

Bei einem optimalen Betrieb der TEGs wird eine Leistungsdichte von 1W/cm² erzeugt. Die TEGs benötigen für den optimalen Betrieb eine Wärmestromdichte von ca. 15 bis 16W/cm² (Wirkungsgrad ca. 6%). Von dieser thermischen Leistung werden 6% in elektrische Leistung umgewandelt. 94% müssen allerdings abgeführt werden. Wenn diese Energieabfuhr erzwungen werden muss, und nicht eine natürliche Arbeitsumgebung darstellt, wie im Weltall oder durch den Fahrtwind beim Fahrzeug, muss sorgfältig geprüft werden, ob der erzwungene Kühlungsaufwand größer ist als der Nutzen:

Erzeugte Dissipationsleistung im Extruder

Vorteilhaft wäre, wenn die überschüssige Dissipationsenergie im Austrags- und Homogenisierbereich eines Extruder zum Betrieb von TEGs genutzt werden kann. In Abhängigkeit von Schneckengeometrie, Schneckendrehzahl und Polymereigenschaften, ergibt sich für Einschneckenextruder:

Unter Berücksichtigung der Zylinderoberfläche eines handelsüblichen Extruders ist die heute erforderliche optimale Leistungsdichte von 15 W/cm² zur Energierückgewinnung um den Faktor 3-10 unterschritten.

Chancen

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