Aktive Kühlung von schnell rotierenden Kautschukwalzen

Projektname: Auslegung und modellgestützte Bilanzierung von Konzepten zur aktiven Kühlung von schnell rotierenden Kautschukwalzen
Kurzbeschreibung: thermodynamische Auslegung und Optimierung - zielgerichtete Entwicklung einer aktiven Kühlung für dynamisch belastete Kautschukwalzen, Modellierung und messtechnische Erprobung unter Praxisbedingungen
Förderung: BMWi ZIM-Kooperationsprojekt, FKZ KF2006417WZ3, Projektträger: AiF Projekt GmbH
Projektbeginn, Laufzeit: Juni 2013, zwei Jahre

Verlauf Oberflächentemperatur einer dynamisch belasteten Kautschukwalze (Anpresskraft 300 N, Fördergeschwindigkeit 650 m/min) bis zum thermisch-stationären Zustand und plötzlich einsetzende aktive Kühlung mit Luft

Kautschukwalzen für Textilherstellung (Streckmaschine) - Verschiedene Mischungen mit unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlichem thermischen Verhalten

Projektpartner

TU Dresden, Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung
TU Dresden, Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Hans Stark e. K., Sontheim: Stark produziert nach Kundenvorgaben einbaufertige Gummiwalzen, Kunststoffwalzen und Walzenkerne für unterschiedliche Anwendungen. In Material und Ausführung präzise abgestimmt auf die jeweiligen Anforderungen, sorgen die Walzen und Walzenbezüge für effiziente Produktionsprozesse. Außerdem fertigt Stark Gummi-Formteile sowie Gummi-Metall-Verbindungen.
Christian Maier GmbH & Co. KG, Heidenheim: Maier ist Technologieführer für Dichtköpfe (Drehdurchführungen) und bietet seinen Kunden weltweit höchste Qualität und höchsten Nutzen bei Dichtköpfen und Service. Das erreicht Maier durch intensive Entwicklung, flankiert durch eine zielgerichtete Erprobung im eigenen Labor und in der Praxis. Maier-Dichtköpfe sind Armaturen zum Anschluss von Rohrleitungen an rotierende Walzen und Einheiten zur Durchführung von Medien unter Druck und Temperatur.

Projektbeschreibung

Problem: Durch dynamische Belastung erwärmen sich Elastomerbauteile (Kautschuk), was zu hohen Betriebstemperaturen führt. Dadurch kommt es zu Maschinenstillständen und einer verringerten Lebensdauer der Bauteile. Bisher können diese Probleme nur durch eine reduzierte Prozessgeschwindigkeit vermieden werden, was die Maschineneffizienz und damit die Produktivität erheblich einschränkt.

Thermodynamischer Ansatz zur gezielten Reduzierung der Temperatur von Kautschukwalzen: Projektziel ist die Produktentwicklung einer aktiv gekühlten Kautschukwalze für die Anwendung in Textilmaschinen.

Lösungsweg: Alle Einflussfaktoren, die zur Wärmeentwicklung beitragen, werden erfasst und im Bilanzmodell berücksichtigt. Auf dieser Basis werden Kühlkonzepte angepasst und zur Fertigung von Prototypen ausgereift. Die Prototypen werden im Labormaßstab an der TU Dresden messtechnisch validiert. Die abschließende Praxiserprobung der modifizierten Kautschukwalzen erfolgt an der realen Maschine unter Produktionsbedingungen.

Thermische Charakterisierung dynamisch belasteter Kautschukwalzen

Im Betrieb von dynamisch belasteten Kautschukwalzen ergeben sich zwei thermische Probleme:

Hohe stationäre Oberflächentemperatur und
Temperatursprung an Walzenoberfläche beim Stoppen der Maschine.

Zur thermodynamischen Bewertung der Kautschukwalzen haben wir eine Methode zur thermischen Charakterisierung erarbeitet. Dazu werden die Walzen hinsichtlich ihres Erwärmungsverhaltens messtechnisch untersucht. Mit unserer neuen Charakterisierungsmethode können nun verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Managements der Walzen transparent gegenübergestellt werden.

Temperaturverlauf Kautschkwalze - Mittlere Oberflächentemperatur bis zum stationären Betriebszustand und beim plötzlichen Stillstand (Temperatursprung) für zwei Fördergeschwindigkeiten (250 m/min blau und 1000 m/min rot)

Versuchsaufbau

An der TU Dresden können wir den Betrieb der Walzen bilanzschließend, reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit messtechnisch erfassen. Für unsere Untersuchungen im labortechnischen Maßstab haben wir eine Versuchsanlage gemäß der Hochleistungsstrecke der Firma Rieter mit Temperatursensoren ausgestattet. Die zu untersuchende Walze wird im Versuchsaufbau eingespannt und dabei auf die Antriebswalze gepresst. Als einstellbare Randbedingungen können die Fördergeschwindigkeit (bis 1000 m/min) und die Anpresskraft (zwischen 100 und 380 N) variiert werden.

Detailansicht - Versuchsaufbau zur thermischen Charakterisierung von Kautschukwalzen, geöffneter Zustand

Detailansicht - Drei Thermoelemente zur Messung der Lagertemperatur

Schematische Darstellung der Temperaturmessstellen an der Walze: t_L_01 bis t_L_6 Thermoelemente zur Messung Lagertemperatur, t_O_01 bis t_O_03 Infrarotsensoren zur berührungslosen Messung Oberflächentemperatur, t_U_01 und t_U_02 Thermoelemente zur Messung Umgebungstemperatur

Konzept zur thermischen Charakterisierung

Für die verschiedenen Fördergeschwindigkeiten wird die Walze bis zum Erreichen des stationären thermodynamischen Zustands angetrieben und dann die Rotation plötzlich gestoppt. Aus den aufgezeichneten Temperaturverläufen werden die stationäre Temperatur t_stat und der Temperatursprung delta_T ermittelt. Es ist erkennbar, dass sich mit steigender Drehzahl die stationäre Temperatur und der Temperatursprung erhöhen.

Thermische Charakterisierung - Stationäre Temperatur t_stat und Temperatursprung delta_T über der Fördergeschwindigkeit der Kautschukwalze bei einer Anpresskraft von 320 N

Bilanzmodell

Das Bilanzmodell ist ein Werkzeug zur energetischen Bilanzierung dynamisch belasteter Kautschukwalzen. Im Modell werden Walzenwelle, Kautschukbezug und die Lager berücksichtigt. Ausgehend vom Versuchsaufbau werden die Einflussfaktoren für die Modellierung bestimmt: Fördergeschwindigkeit, Anpresskraft, Umgebungstemperatur, Wärmeleitfähigkeit und komplexer Elastizitätsmodul des Kautschuks. Die Wärmequellströme sind die Reibleistung am Lager und am Kautschuk, die Walkleistung im Kautschuk und die Konvektion am Lager und an der Kautschukoberfläche.

Um die Temperaturverteilung in der Walze abhängig von verschiedenen Parametern darstellen zu können, rechnet das Modell Zellenweise. Mit den Randbedingungen wird für jede Zelle die Energiebilanz iterativ gelöst und die Temperatur berechnet. Dadurch erhält man mit dem Bilanzmodell die Temperaturverteilung im Kautschuk, im Wellenkern und in den Lagern.

Modell-Struktur - Eingangs- und Rechengrößen sowie deren Verknüpfungen im Bilanzmodell

Ergebnisse mit dem Bilanzmodell: Schnittdarstellung durch die Walze (wegen Symmetrie nur 1/4-Schnitt) - Gegenüberstellung der Temperaturverteilung in der Kautschukwalze für Liefergeschwindigkeit 500 m/min (oben) und 1000 m/min (unten)

Veröffentlichungen und Vorträge

Thermische Charakterisierung dynamisch belasteter Kautschukwalzen - Validierung des Messkonzepts, melliand Textilberichte - European Textile Journal, 94 (2013) No. 1, S. 42-43, Kasper, T.; Treppe, K.; Schinke, L.; Hickmann, R.; Cherif, C.
Thermodynamically Characterisation of Rubber Rollers, 13. AUTEX World Textile Conference 2013, Dresden, 22.-24. Mai, Poster, Schinke, L.; Treppe, K.; Hickmann, R.; Cherif, C.
Method of experimental Investigation on Flexing Work in dynamic forced Rubber Rollers, 6. Aachen-Dresden International Textile Conference, 29.-30. November 2012, Kurzreferateband, S. 263, Hickmann, R.; Schinke, L.; Treppe, K.; Cherif, C.
Dynamisch belastete Kautschukwalzen – Messen, Bilanzieren, thermisch Optimieren, 97. Betriebsleiteraussprache, Industrieverband Veredlung - Garne - Gewebe - Technische Textilien e.V. (IVGT), Übach-Palenberg, 17. Oktober 2012, Schinke, L.; Treppe, K.; Hickmann, R.
Thermische Charakterisierung dynamisch belasteter Kautschukwalzen, melliand Textilberichte - European Textile Journal, 93 (2012) No. 1, S. 48-49, Schinke, L.; Treppe, K.; Hickmann, R.; Cherif, C.
Reduction of Surface Temperature of Rubber Cylinders, 5. Aachen-Dresden International Textile Conference, 24.-25. November 2011 Kurzreferateband, S. 144, Hickmann, R.; Schinke, L.; Treppe, K.; Diestel, O.; Cherif, C.

Beleg- und Diplomarbeiten

Dynamisch belastete Kautschukwalzen - Bilanzmodell, Tobias Kasper, Großer Beleg, Mai 2013
Dynamisch belastete Kautschukwalzen - Stand der Technik Kühlverfahren, Sophie Fischer, Großer Beleg, Oktober 2012
Thermische Charakterisierung dynamisch belasteter Kautschukwalzen, Tobias Kasper, Kleiner Beleg, September 2012
Frühe Abschätzung von Effizienz- und Wirtschaftlichkeitsvorteilen der neuen und schnell rotierenden Kautschukwalze an einem Fallbeispiel aus der Textilindustrie, Robert Kamischke, Bachelorarbeit, August 2010