Analysis and optimization of blown film cooling systems based on an integrative and calibrated process model
Final Report Abstract
Die Auslegung neuer oder die Optimierung bestehender Kühlluftführungssysteme der Blasfolienherstellung ist ein zeitintensiver Prozess, der ein hohes Maß an Erfahrungswissen erfordert. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen zur Simulation und Kalkulation der genauen Abkühlphänomene des Folienschlauchbildungsprozesses stellt eine gute Methode für das Verständnis dar. Entwicklungsprozesse, welche bislang auf die experimentelle Erprobung von Modellen basieren, können durch die Integration von Numerik und CFD reformiert werden. Die Entwicklung neuer oder die Überarbeitung bestehender Blasfolienkühlsysteme kann somit im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung und –optimierung durchgeführt werden. In Bezug auf die virtuelle Kühlsystementwicklung von Blasfolienprozessen kann das Vorhaben der abgeschlossenen Bearbeitungsphase in die vier thematische Schwerpunkte Methodenentwicklung einer computergestützten Kühlsystemoptimierung, Entwicklung einer neuartigen Methode zur Intensivierung der Folienkühlung, Computergestützte Optimierung des neuartigen Kühlsystems und Experimentelle Untersuchung und Validierung untergliedert werden. In der ersten thematischen Projektphase galt es die Entwicklungsprozedur von Kühlluftführungssystemen, welche in der vorangegangenen Phase des Projekts entwickelt wurde, in Richtung des Automatismus hin zu erweitern. Die Integration eines Optimierers mit automatischen Optimierungsschleifen musste dabei aufgrund von Berechnungsinstabilitäten und einem zu hohen Zeitaufwand als nicht zielführend eingestuft werden. Als Lösung wurde die Ausgliederung der automatischen Optimierung gewählt. Die Ausgliederung der automatischen Optimierung neuer Kühlluftführungssysteme wurde in der zweiten thematischen Projektphase durchgeführt. Dabei ist das neue Berechnungswerkzeug Prognosemodell entstanden. Das Prognosemodell interagiert mit dem Prozessmodell, das Modell der realitätsnahen Abbildung der Abkühlphänomene des Folienschlauchbildungsprozesses, in einer übergeordneten Berechnungsprozedur neuer oder bestehender Kühlluftführungssysteme. Dabei kalkuliert das Prognosemodell ausgehend von prozessbestimmenden Initialisierungsparametern auf der Grundlage einer vereinfachten modellhaften Blasfolienkonturbeschreibung eine Folienkontur. Von der Folienkontur kann anhand der Frostlinienhöhe die Qualität des Kühlvermögens der voreingestellten Abkühlsituation bestimmt werden. Das Prognosemodell leitet aus guten Abkühlergebnissen die Konfiguration der Kühlluftführung ab und übergibt diese der nachfolgenden Prozesssimulation, in der eine Detaillierung der Vorauslegung stattfindet. Dieser in sich geschlossene Prozess konnte als Ergebnis der zweiten Projektphase für die Entwicklung eines neuen Ansatzes der Schlauchfolienkühlung in dem dritten thematischen Schwerpunkt angewendet werden. Hierbei ist, losgelöst von geometrischen Restriktionen, auf den Theorien des Prallstrahls ein neues Kühlsystem entwickelt worden, welches die auf das Abkühlen der Folienblase negativ wirkenden Einflüsse wie die laminare Grenzschicht auf der Folienblase und die Interaktion zwischen Freiluftfreistrahl und ruhender Umgebungsluft unterbinden soll. Im letzten Abschnitt des Vorhabens konnte das im vorherigen Abschnitt verifizierte neuartige Kühlsystem namens Multi-Jet validiert werden. Die Validierung wurde im Umfang einer ausführlichen experimentellen Erprobung durchgeführt. Hierbei konnte das bessere Kühlvermögen des neuartigen Kühlluftführungssystems gegenüber herkömmlichen Kühlluftführungssystemen aufgezeigt werden. Im Umfang der Validierung konnte ebenfalls die Aussagefähigkeit der virtuellen Entwicklungsmodelle Prozessmodell und Prognosemodell hinsichtlich der Abbildungsqualität durch den Vergleich von virtuell betrachteten Betriebspunkten mit den experimentell erprobten identischen Betriebspunkten aufgezeigt werden. Im Umfang der virtuellen Kühlluftführungssystementwicklung und der experimentellen Erprobung des neuartigen Kühlsystems wurde erstmals der Einfluss einer Einhausung auf den Schlauchbildungsprozess analysiert.
Publications
- Computational Development of a Counter Flow Cooling System for the Blown Film Process, Proceedings of Polymer Processing Society 28th, Pattaya, Thailand, 11.-15. Dezember; 2012
Wortberg, J., Janas, M.; Fehlberg, L.
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.4965482) - Numerical and Experimental Investigation of a Counter Flow Cooling System for the Blown Film Extrusion. Proceedings of Polymer Processing Society 29th (PPS-29), Nuremberg (Deutschland), 15.-19. Juli, (2013); AIP Conference Proceedings. 1593, (2014); S. 534-538
Janas, M.; Fehlberg, L.; Wortberg, J.
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.4873838) - A Prediction Model for the numerical Optimization of a novel Blown Film Cooling System. Society of Plastics Engineering Annual Technical Conference (SPE Antec), Las Vegas, Nevada (USA), 28.-30. April, (2014); S. 1194-1199
Janas, M.; Wortberg, J.; Uniewski, T.; Blume, S
- Numerical Optimization of a Multi-Jet Cooling System for the Blown Film Extrusion. Proceedings of Polymer Processing Society 30th (PPS-30), Cleveland, Ohio (USA), 8.-12. Juni, (2014)
Janas, M.; Wortberg, J.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4918409) - A Numerical Verification and Experimental Validation of the Multi-Jet Cooling System for the Blown Film Application. Eingereicht bei: Society of Plastics Engineering Annual Technical Conference (SPE Antec), Orlando, Florida (USA), 23.-25. März, (2015)
Janas, M.; Neubert, B.; Andretzky, M.; Kracht, F.; Wortberg, J.
- An Experimental Comparison of a Novel Cooling Approach with a Conventional One for the Blown Film Process. Eingereicht bei: Proceedings of Polymer Processing Society 31st (PPS-31), Jeju Island (Korea), 7.-11. Juni, (2015)
Janas, M.; Andretzky, M.; Neubert, B.; Kracht, F.; Wortberg, J.
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.4942296) - Eine neuartige numerische Methode zur Optimierung und Intensivierung der Blasfolienkühlung. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, Duisburg: 2015
Janas, M.
- Advantages and Potentials of a Blown Film Cooling System with a Complete Housing of the Tube Formation Zone. Eingereicht bei: Polymer Processing Society Conference 2015, Graz (Austria), 21.-25. September, (2015)
Andretzky, M.; Janas, M.; Neubert, B.; Kracht, F.; Wortberg, J.
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.4965482)
