15.09.2010

Cannon Deutschland GmbH

GESTEIGERTE EFFIZIENZ MIT DEM NEUEN STRÖMUNGSFREIEN MISCHKOPF CANNON JL

Cannon hat eine neue Serie JL (Jet Less) Hochdruckmischköpfe in L-Form vorgestellt. Das Mischen zweier reaktiver Flüssigkeiten erfolgt dabei nicht mehr über zwei Einspritzdüsen, sondern durch starke Verwirbelungen. Diese Turbulenzen werden in einer relativ engen Mischkammer, in die zwei Rohstoffkomponenten eingespeist werden, erzeugt und gehalten. Die flüssigen Komponenten werden in einer gemeinsamen Kammer dosiert und fließen dann über einstellbare Drosselventile in die Mischkammer. Dabei nehmen sie die erforderliche Energie auf. Die L-förmige Geometrie am Ende der Mischkammer leitet den Materialstrom in eine viel größere Austragskammer, wobei die Turbulenzen abgebaut werden und das Gemisch sehr laminar austritt.

Durch mehr als 30 Jahre Erfahrung mit Hochdruckmischköpfen weiß man bei Cannon, dass die Verringerung des Durchmessers der Mischkammer entscheidend ist, um die hohen Turbulenzen zu erzeugen und zu halten, die zur Erreichung der gewünschten Mischgüte erforderlich sind. Bedingt durch die Viskosität der Komponenten nimmt aber auch in Mischkammern mit geringem Durchmesser die Verwirbelung mit zunehmendem Abstand von der Achse ab, so dass an der Peripherie der Kammer nahezu laminares Fließen herrscht.

Für Cannon stellte sich nun die Frage, wie man die durch die physischen Abmessungen der klassischen Einspritzdüsen gesetzte Schwelle überspringt, um eine ausreichend kleine Mischkammer zu erhalten und um die Dämpfung durch die laminare Scherung zu überdecken. Als einfachste Lösung erwies sich die Überlegung, die Turbulenzen nicht mehr durch Einspritzdüsen zu erzeugen, sondern durch eine andere Methode zu ersetzen. Dies setzt voraus, dass der Mischkopf so dimensioniert ist, dass Mischleistung und Fließgeschwindigkeit sorgfältig aufeinander abgestimmt sind, damit das System auf unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten und Verschnittverhältnisse der Komponenten eingestellt werden kann.

Das Arbeitsprinzip

Das Mischen mindestens zweier Flüssigkeiten erfolgt üblicherweise nach einem von mehreren möglichen Verfahren zum Aufbau und Erhaltung von Turbulenzen: Statische Mischer, dynamische Mischer, Anwendung von schnellen Strömungen und Düsen oder das Zusammenspiel von Düsen und Strömungen. Mit all diesen unterschiedlichen Methoden wird bezweckt, durch einen hohen Energieeintrag hohe Scherkräfte in die Flüssigkeiten einzutragen.

Eine allgemein bekannte Begleiterscheinung beim Einsatz statischer und dynamischer Mischer ist die Notwendigkeit, diese durch Spülen mit Lösungsmitteln sorgfältig zu reinigen. Bei den beiden anderen Methoden kann bei entsprechender Auslegung der Mischkammer eine Vormischung und durch den Einsatz von Reinigungsstößeln die Reinigung erfolgen.

Cannon hat die Mischkammer so weit verkleinert, dass Fließgeschwindigkeiten von Zehnteln eines Meters pro Sekunde erreicht wurden. Durch Einbeziehen der Vorderseite des Reinigungskolbens (der zylindrische Kolben dichtet die Mischkammer ab) war es möglich, die Scherkräfte noch weiter zu drosseln. Es entstand ein strömungsfreier, L-förmiger Mischkopf, der die Turbulenzen des Produktstroms beim Verlassen des Mischkopfs so weit verringert, dass mit laminarem Fluß gegossen werden kann.

Im JL-Kopf erfolgt das Mischen durch eine Kombination zweier koaxialer Kammern: Der ersten ringförmigen Kammer werden mit geeigneten Dosiervorrichtungen gleichzeitig mindestens zwei reaktive Flüssigkeiten zugeführt. Ein großer Kolben mit V-förmiger Front füllt die ringförmige Mischkammer. Kanäle in der Oberfläche des Kolbens sichern die Rezirkulation der Rohstoffe in die Vorratsbehälter, sobald der Mischkopf nicht arbeitet. Der Kolben wird mit einer Hydraulik zurückgezogen und hinterlässt die ringförmige Mischkammer als Hohlzylinder mit V-förmigen Boden- und Deckflächen. Unter gleichem Druck fließen die Komponenten nun in die Kammer. Die Größe der V-förmigen Kammer und des dazugehörigen Kolbens können bedarfsgerecht eingestellt werden.

Die Größe der zylindrischen Mischkammer ist sehr wichtig, ebenso die des Kolbens und des entsprechenden Reinigungsstifts, die alle auf derselben Mittelachse angeordnet sind. Der zylindrische Reinigungsstift gleitet unbegrenzt entlang der Mittellinie des Kolbens. Zusammen mit den V-förmigen Flächen bildet die Stirnseite des Stifts zwei gleichartige Verengungen. Die Komponenten fließen durch diese Drosseln und erreichen gleichzeitig die Mischkammer, wo sie sich mit hoher Geschwindigkeit vermischen. Die scharfkantige Kontur und der Druck der Komponenten führen zu den für das Vermischen erforderlichen Wirbeln, die dann über die gesamte Mischkammer erhalten bleiben. Der zentrale Reinigungsstift wird hydraulisch zurückgefahren, um das Mischen zu ermöglichen oder nach vorne geschoben, um die Mischkammer am Ende nach Abschluss der Einspritzphase zu reinigen.

Die Stirnseite des Stifts kann manuell mit Hilfe eines Drehknopfs und einer fein justierenden Stellschraube positioniert werden, um so die erforderliche Drosselung einzustellen, der Fließgeschwindigkeit anzupassen sowie den erforderlichen Druck in der V-förmigen Kammer aufzubauen und zu halten. Ist der Kolben gegen die V-förmigen Flächen geschlossen, wird die fertige Mischung aus der Mischkammer ausgetragen. Die Kammer ist danach bereits vollkommen sauber.

Merkmale des neuen JL-Mischkopfes

• Die V-förmige Kammer ist ausreichend lang, um Rezirkulation und Austrag zu gewährleisten.
• Die Mischkammer ist auch lang genug, um effizient darin zu mischen.
• In der Draufsicht zeigt sich, dass die Kammer länger und an den Enden viel breiter ist als eine herkömmliche Mischkammer.

Die Mischkammer des JL-Mischkopfs kann so kompakt wie erforderlich und gewünscht gestaltet werden, die gleichartigen Drosseln sorgen für hohe Verwirbelungen und damit für effiziente und homogene Mischungen.


Lange Wege sind nun möglich

Der JL ist mit einem langen, breiten Auslaufrohr ausgestattet, dessen Hauptzweck es ist, den turbulenten Materialfluss mit hoher Geschwindigkeit zu fördern, gleichzeitig die Komponenten weiter zu vermischen und letztlich die Verwirbelung zu glätten. Das Material fließt beim Austritt aus dem Mischkopf weitgehend laminar und eignet sich somit ideal zur Füllung von Formen mit komplexen Geometrien. Durch die langen Fließwege werden auch ungünstig liegende Einspritzpunkte gut erreicht.

Spezifische Merkmale von Auslaufrohr und Reinigungskolben:

• Das Auslaufrohr besteht aus einer langen Buchse, die bei Bedarf einfach gegen eine Buchse mit anderer Länge und/oder anderem Durchmesser ausgewechselt wird.

• Der Reinigungskolben hat zwei Durchmesser: an der Frontseite ein großer, präzise mit dem Auslaufrohr abgestimmter, so wird ein zurückbleibender Schaumfilm während des Reinigungsvorgangs vollständig entfernt; und ein kleinerer Durchmesser an der Rückseite des Stifts, verbunden mit dem Steuerkolben.

Durch die Bewegungen des Reinigungsstößels beim Öffnen und Schließen des Auslaufrohrs wird noch in der Gießkammer verbliebener Schaum entfernt, ebenso bereits vernetztes Material von der Düsenwand. Gleichzeitig wirkt der Reinigungskolben als eine Art Pumpe, die jeweils mit einer kleinen Menge eines Schmiermittels spült und es umwälzt. Das Schmiermittel befindet sich in einem direkt dahinter angebrachten Behälter. Dieses System ist mit dem Schmiermittelkreislauf verbunden, wo das Öl in einem integrierten Filter bei jedem Zyklus des Reinigungskolbens gereinigt wird.

Da der Reinigungskolben nur eine relativ kleine Gleitfläche hat, wird Adhäsion an der Oberfläche vermieden. Deshalb kann ein schlanker Zylinder verwendet werden, der Größe und Gewicht des Mischkopfs klein hält und damit zu guter Ergonomie und einfacher Bedienbarkeit beiträgt.

Es gibt drei hydraulisch angetriebene Bewegungsabläufe, die jeweils über drei direkt auf dem Mischkopf angebrachten Ventilen gesteuert werden. Dadurch kann der JL-Mischkopf Standard-Mischköpfe ersetzen, ohne dass die Maschinensteuerung verändert werden muss

Das Mischsystem, der Mischkopf selbst und das Reinigungssystem sind patentiert.

Cannon JL 24/6 Langhuber

Der erste bisher erhältliche Cannon JL-Mischkopf ist das Model 24/6 mit einem 200 mm langen Auslaufrohr bei 24 mm Innendurchmesser. Der Durchmesser der Mischkammer beträgt 6 mm. Dieser Kopf hat eine Kapazität von 300 bis 2000 cm3/sec. Ursprünglich wurde er auf den Betrieb mit zwei Komponenten ausgelegt, er kann zur Verarbeitung zusätzlicher Komponenten aber leicht erweitert werden. Der Betriebsdruck liegt zwischen 70 und 210 bar, wodurch die Dosiereinheit (Pumpen, Filter, Schläuche etc.) sehr einfach gehalten werden konnte. JL 24/6 Köpfe führten bei Betriebsversuchen, die sich mit einer Frequenz von 60.000 Schuss/ Monat über ein Jahr erstreckten, bereits zu sehr zufrieden stellenden Ergebnissen - und dies sowohl bei Hartschaum- als auch bei Weichschaumsystemen.)

Vorteile

Der Cannon JL-Mischkopf bietet eine Reihe von Vorteilen:

• Das Mischen ist wesentlich effizienter als bei traditioneller Wechselwirkung zwischen Strömung und Dämpfung (Aufprallmischen): Die höhere Effizienz wurde konstruiert, am Computer simuliert und durch Betriebsversuche bestätigt.
• Abhängig von den zu verarbeitenden Rohstoffen kann der Betriebsdruck bis auf 70 – 80 bar reduziert werden. Dadurch kann das ganze Dosiersystem (Pumpe, Filter, Schläuche etc.) vereinfacht werden.
• Mit einer einzigen Mischkammer wird eine wesentlich höhere Kapazitätsspreizung erreicht. Der maximale Durchsatz kann das Fünffache des minimalen Ausstoßes erreichen.
• Um die Betriebsbedingungen einzustellen, bedarf es keiner besonders geschulter Mitarbeiter: die zentrale Düse kann einfach manuell oder automatisch auf verschiedene Werte eingestellt werden und deckt eine ganze Reihe unterschiedlicher Fließgeschwindigkeiten ab.
• Da mit der patentierten langen Austragsdüse auch schwer erreichbare Angüsse angebunden werden können, ist der laminare Austrag auch bei hoher Fließgeschwindigkeit gewährleistet. Das System eignet sich besonders für die diskontinuierliche Fertigung von Isolierplatten oder Rohr-in-Rohr-Isolationen.
• Der lange, dünne Reinigungsstift bewährt sich ganz besonders bei Systemen mit sehr hohen Klebekräften.
• Die Gestaltung des Kopfs führt zu Handhabungsvorteilen bei der Herstellung stark expandierter Schäume mit Treibmitteln wie HFCs oder Kohlenwasserstoffen.

Cannon sieht die neue JL-Serie als ein Beispiel dafür an, wie für das Mischen von Polyurethanen anstelle der bloßen Weiterentwicklung bestehender Anlagen oder der Erweiterung einer Reihe an deren unterem oder oberem Ende neue Konzepte theoretisch erarbeitet und durch fortschrittliche Forschung umgesetzt und eingeführt werden können.

Es werden weitere Baugrößen und Modelle folgen.