Der Schmelzedruck vor dem Siebwechsler eines Extruders steigt kontinuierlich. Liegt ein Problem mit dem Extruder vor, ist die Schmelze zu kalt oder setzt sich das Siebpaket zunehmend zu? Aus einem einzelnen Druckwert lässt sich diese Frage häufig nicht zuverlässig beantworten. Ein steigender Eingangsdruck kann durch einen verschmutzten Filter verursacht werden, aber ebenso durch einen höheren Durchsatz, eine niedrigere Schmelzetemperatur, eine höhere Viskosität oder veränderte Bedingungen im nachgeschalteten Prozess.
Deutlich aussagekräftiger wird die Überwachung, wenn der Schmelzedruck sowohl vor als auch hinter dem Siebwechsler gemessen wird. Aus beiden Messwerten lässt sich die Druckdifferenz über das Siebpaket bestimmen. Steigt diese Differenz unter vergleichbaren Prozessbedingungen, erhöht sich der Strömungswiderstand des Filterbereichs. Genau dieser Zusammenhang macht die Differenzdrucküberwachung zu einem wichtigen Werkzeug für die Bewertung von Verschmutzung und Filterstandzeit.
Auch der Differenzdruck darf jedoch nicht isoliert betrachtet werden. Die Druckverluste einer Polymerschmelze hängen unter anderem von Durchsatz, Temperatur, Viskosität, Material, Siebfeinheit und Filteraufbau ab. Eine Alarmgrenze sollte deshalb nicht einfach als beliebiger fester Druckwert festgelegt werden, sondern aus dem realen Verhalten des jeweiligen Extrusionsprozesses abgeleitet werden.
Für eine zuverlässige Siebüberwachung ist deshalb nicht allein ein hoher Druck vor dem Filter entscheidend, sondern die Frage, wie stark der Druck zwischen der Messstelle vor und der Messstelle nach dem Siebpaket abfällt und wie sich dieser Druckverlust unter vergleichbaren Prozessbedingungen entwickelt.
Warum vor und nach dem Siebwechsler messen?
Ein Siebwechsler beziehungsweise Siebpaket entfernt Verunreinigungen aus der Polymerschmelze, bevor das Material den nachfolgenden Prozess erreicht. Die Schmelze muss dabei durch eine Filterstruktur strömen, die grundsätzlich einen Druckverlust verursacht. Dieser Druckverlust ist auch bei einem sauberen Sieb vorhanden und hängt unter anderem vom Material, vom Durchsatz und vom verwendeten Siebaufbau ab.
Wird nur der Druck vor dem Siebwechsler gemessen, lässt sich nicht eindeutig erkennen, wo die Ursache einer Druckänderung liegt. Steigt beispielsweise gleichzeitig der Druck hinter dem Siebpaket, kann die Ursache auch weiter stromabwärts liegen. Erst die zweite Messstelle ermöglicht die Trennung zwischen allgemeinem Prozessdruck und dem tatsächlichen Druckverlust über den Filterbereich.
Für die Auswertung werden der Druck unmittelbar vor dem Siebpaket als p1 und der Druck hinter dem Siebpaket als p2 betrachtet. Der Differenzdruck ergibt sich vereinfacht aus:
Δp = p1 - p2
Liegt beispielsweise vor dem Filter ein Schmelzedruck von 180 bar und dahinter ein Druck von 140 bar an, beträgt der Druckverlust über das Siebpaket 40 bar. Steigt bei vergleichbarem Betrieb der Eingangsdruck später auf 210 bar, während hinter dem Sieb weiterhin ungefähr 140 bar anliegen, steigt der Differenzdruck auf 70 bar. Das deutet auf einen deutlich höheren Strömungswiderstand im Bereich des Siebpakets hin.
Was sagt der Differenzdruck über das Siebpaket aus?
Der Differenzdruck beschreibt, wie viel Druck die Schmelze beim Durchströmen des Siebwechslers verliert. Ein Teil des vorhandenen Druckes wird benötigt, um den Strömungswiderstand des Filterpakets zu überwinden. Lagern sich Fremdstoffe, Agglomerate oder andere Bestandteile im Sieb ab, verringert sich der effektiv nutzbare Strömungsquerschnitt. Bei gleichem Materialdurchsatz muss die Schmelze dadurch durch kleinere freie Bereiche strömen, wodurch der Druckverlust zunimmt.
| Beobachtung | Mögliche Bedeutung | Bewertung |
|---|---|---|
p1 und p2 weitgehend konstant |
Stabile Prozessbedingungen | Filterzustand vermutlich unverändert |
p1 steigt, p2 bleibt ähnlich |
Druckverlust über Siebwechsler nimmt zu | Verschmutzung beziehungsweise zunehmender Filterwiderstand prüfen |
p1 und p2 steigen ähnlich |
Druckniveau des gesamten nachfolgenden Prozesses steigt | Nicht ausschließlich Siebpaket betrachten |
p1 fällt nach Siebwechsel deutlich ab |
Strömungswiderstand wurde reduziert | Hinweis auf vorher belastetes Siebpaket |
Besonders wertvoll ist deshalb nicht nur der momentane Differenzdruck, sondern seine Entwicklung über die Produktionszeit. Ein langsam ansteigender Wert kann die zunehmende Beladung des Filters wesentlich früher erkennen lassen als ein einzelner absoluter Grenzwert.
Warum steigt der Druck bei zunehmender Verschmutzung?
Ein Siebpaket besitzt nur eine begrenzte freie Filterfläche. Während der Produktion werden Verunreinigungen zurückgehalten und ein zunehmender Teil dieser freien Fläche wird blockiert. Soll der gleiche Massedurchsatz weiterhin durch den verbleibenden Querschnitt transportiert werden, steigt der erforderliche Druckgradient.
Das zeigt sich typischerweise als zunehmender Druck vor dem Siebwechsler. Der Druck nach dem Sieb muss dabei nicht in gleichem Maß steigen, weil dort weiterhin die Bedingungen des nachfolgenden Werkzeuges beziehungsweise der weiteren Schmelzeführung dominieren. Genau deshalb ist die Differenz aus beiden Druckmessungen wesentlich aussagekräftiger als die alleinige Betrachtung des Eingangsdruckes.
Ein zunehmender Differenzdruck kann damit zur Planung des Siebwechsels genutzt werden. Statt das Sieb ausschließlich nach einer festen Betriebszeit zu wechseln, lässt sich sein tatsächlicher Belastungszustand berücksichtigen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die übrigen Prozessbedingungen ausreichend bekannt sind.
Warum ein hoher Differenzdruck nicht automatisch Verschmutzung bedeutet
Der Druckverlust einer Polymerschmelze wird nicht nur vom Zustand des Siebes bestimmt. Ändert sich der Durchsatz, verändert sich auch die Strömung durch das Filterpaket. Ebenso beeinflusst die Viskosität der Schmelze den erforderlichen Druck. Eine kühlere beziehungsweise höher viskose Schmelze kann deshalb bei demselben Sieb einen höheren Differenzdruck verursachen als ein wärmeres oder leichter fließendes Material.
| Einflussgröße | Mögliche Auswirkung auf den Differenzdruck | Praktische Konsequenz |
|---|---|---|
| Höherer Durchsatz | Druckverlust kann steigen | Werte nur bei vergleichbaren Produktionsraten direkt vergleichen |
| Niedrigere Schmelzetemperatur | Viskosität kann steigen, dadurch höherer Druckverlust | Temperaturtrend gemeinsam mit Drucktrend betrachten |
| Materialwechsel | Andere rheologische Eigenschaften | Neue Referenzwerte können erforderlich sein |
| Feineres Siebpaket | Höherer Grunddruckverlust möglich | Alarmgrenze an Filteraufbau anpassen |
| Zunehmende Filterbeladung | Differenzdruck steigt im Zeitverlauf | Siebwechsel beziehungsweise Prozessprüfung einplanen |
Ein sinnvoller Trendvergleich sollte deshalb möglichst bei ähnlichem Material, ähnlicher Schmelzetemperatur und vergleichbarem Durchsatz erfolgen. Ändern sich diese Größen stark, kann der reine Differenzdrucktrend ansonsten falsch interpretiert werden.
Wo sollten die Drucksensoren montiert werden?
Für eine aussagekräftige Differenzdruckmessung müssen beide Messstellen den Druck möglichst repräsentativ unmittelbar vor beziehungsweise nach dem betrachteten Filterbereich erfassen. Liegt der erste Sensor weit vor dem Siebwechsler, können zusätzliche Druckverluste der dazwischenliegenden Schmelzeführung in den Messwert eingehen. Dasselbe gilt für eine weit stromabwärts angeordnete zweite Messstelle.
Gleichzeitig muss die Sensorposition mechanisch und thermisch für Schmelzedrucksensoren geeignet sein. Der Prozessanschluss muss so ausgeführt werden, dass die Trennmembran des Sensors korrekt zur Schmelze positioniert ist. Ungeeignete Bohrungen, Rückstände im Messkanal oder falsche Einbautiefen können nicht nur den Messwert beeinflussen, sondern auch die Sensormembran beschädigen.
Für die Differenzbildung ist zudem hilfreich, wenn beide Messstellen vergleichbar aufgebaut sind. Unterschiedliche Sensorbereiche, verschiedene Genauigkeitsklassen oder stark voneinander abweichende thermische Bedingungen können die Aussagefähigkeit einer kleinen Druckdifferenz einschränken.
Messbereiche der beiden Sensoren richtig auswählen
Bei der Auswahl der Messbereiche darf nicht nur der typische Betriebsdruck betrachtet werden. Besonders vor einem verschmutzenden Siebpaket kann der Druck während der Filterstandzeit deutlich ansteigen. Der Sensor vor dem Sieb muss deshalb auch den maximal erwarteten Prozessdruck sicher erfassen können.
Ein unnötig großer Messbereich ist allerdings ebenfalls nicht automatisch ideal. Je größer der Messbereich im Verhältnis zur tatsächlich interessierenden Druckänderung ist, desto schwieriger kann die präzise Bewertung kleiner Differenzen werden. Für eine Differenzdruckberechnung aus zwei unabhängigen Drucksensoren müssen die Messunsicherheiten beider Messstellen berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann ein Prozess mit absoluten Schmelzedrücken von mehreren hundert bar nur einen vergleichsweise kleinen Druckverlust über ein sauberes Sieb aufweisen. Soll dieser Unterschied genau überwacht werden, sind Sensorauflösung, Genauigkeit und Messbereich entsprechend wichtig. Die Messbereiche sollten deshalb aus normalem Betriebsdruck, maximalem Stördruck und der gewünschten Empfindlichkeit der Differenzdrucküberwachung gemeinsam abgeleitet werden.
Einfluss von Schmelzetemperatur und Viskosität
Bei Kunststoffschmelzen sind Druck und Temperatur eng miteinander verknüpft, weil sich die Viskosität des Materials mit der Temperatur verändert. Sinkt die Schmelzetemperatur, kann das Material zäher fließen. Für denselben Durchsatz ist dann ein höherer Druckgradient erforderlich. Ein steigender Differenzdruck kann deshalb unter Umständen durch eine Temperaturänderung entstehen, obwohl das Siebpaket selbst unverändert ist.
Auch Materialwechsel sind kritisch. Zwei Polymere oder selbst unterschiedliche Materialchargen können sich bei gleicher nomineller Temperatur unterschiedlich verhalten. Werden Differenzdruckwerte zur Filterüberwachung verwendet, sollte daher immer klar sein, unter welchen Prozessbedingungen die jeweiligen Referenzwerte entstanden sind.
In automatisierten Anlagen kann es sinnvoll sein, Druckdifferenz, Schmelzetemperatur, Durchsatz beziehungsweise Extruderdrehzahl und Materialzustand gemeinsam zu erfassen. Dadurch lässt sich wesentlich besser unterscheiden, ob der Druckanstieg aus einer tatsächlichen Filterbeladung oder aus einer Veränderung des Betriebszustandes resultiert.
Alarmgrenzen für den Siebwechsler festlegen
Eine universelle Alarmgrenze für den maximal zulässigen Differenzdruck gibt es nicht. Sie hängt vom Siebwechsler, vom Filterpaket, vom Material, vom Durchsatz und von den zulässigen Betriebsdrücken der Anlage ab. Eine Grenze sollte deshalb anhand des konkreten Prozesses definiert werden.
Praktisch sinnvoll ist häufig, zunächst den typischen Differenzdruck mit einem neuen beziehungsweise sauberen Siebpaket bei definierten Produktionsbedingungen zu erfassen. Anschließend wird beobachtet, wie sich dieser Wert mit zunehmender Filterstandzeit verändert und bei welchem Druckniveau ein Siebwechsel aus Prozess- oder Qualitätsgründen erforderlich wird.
Eine Alarmstrategie kann beispielsweise mehrere Stufen enthalten. Ein Voralarm weist auf eine zunehmende Filterbeladung hin und ermöglicht die Planung des Wechsels. Eine zweite Grenze kann einen kurzfristig notwendigen Eingriff signalisieren. Unabhängig davon müssen die maximal zulässigen Drücke von Sensoren, Siebwechsler, Extruder und nachfolgenden Komponenten eingehalten werden.
Filterstandzeit über den Drucktrend bewerten
Der zeitliche Verlauf des Differenzdrucks kann mehr Informationen liefern als ein einzelner Grenzwert. Nach dem Einsetzen eines neuen Siebpakets stellt sich zunächst ein charakteristischer Grunddruckverlust ein. Während der Produktion kann dieser Wert langsam zunehmen. Die Geschwindigkeit dieses Anstiegs liefert Hinweise darauf, wie schnell sich das Filter zusetzt.
Bei wiederkehrenden Produkten lassen sich daraus typische Verläufe und ungefähre Filterstandzeiten ableiten. Ändert sich die Steigung plötzlich deutlich, kann dies auf eine veränderte Materialqualität, erhöhte Verunreinigung oder einen anderen Prozesszustand hinweisen. Eine solche Trendanalyse kann helfen, einen Siebwechsel planbarer durchzuführen und unnötige Produktionsunterbrechungen zu vermeiden.
Der Differenzdruck sollte dabei immer gemeinsam mit den relevanten Prozessparametern gespeichert werden. Nur so lässt sich später beurteilen, ob beispielsweise ein höherer Wert tatsächlich durch eine stärkere Filterbeladung oder lediglich durch einen höheren Durchsatz entstanden ist.
Praxisbeispiel: steigender Druck vor dem Siebpaket
Ein Extruder läuft über mehrere Stunden mit weitgehend konstantem Material, Durchsatz und Temperatur. Unmittelbar nach dem Siebwechsel werden vor dem Siebpaket 160 bar und dahinter 135 bar gemessen. Der anfängliche Differenzdruck beträgt damit 25 bar.
Im weiteren Produktionsverlauf steigt der Druck vor dem Sieb langsam an. Einige Stunden später werden 195 bar gemessen, während der Druck hinter dem Sieb weiterhin ungefähr 137 bar beträgt. Der Differenzdruck liegt nun bei 58 bar. Da Durchsatz und Schmelzetemperatur währenddessen weitgehend konstant geblieben sind, spricht die deutliche Zunahme des Druckverlustes für einen zunehmenden Strömungswiderstand des Siebpakets.
Würde dagegen gleichzeitig der Druck hinter dem Sieb von 135 bar auf beispielsweise 170 bar steigen, wäre die Interpretation anders. Ein großer Teil des zusätzlichen Eingangsdruckes könnte dann aus einem erhöhten Gegendruck des nachgeschalteten Prozesses stammen. Genau hier zeigt sich der Vorteil der zweiten Messstelle: Sie trennt den Filterdruckverlust vom allgemeinen Druckniveau der Schmelzeführung.
Für die Diagnose ist deshalb nicht die Frage „Wie hoch ist der Druck vor dem Sieb?“, sondern „Wie verändert sich der Druckverlust zwischen beiden Messstellen unter vergleichbaren Prozessbedingungen?“ entscheidend.
Systematische Vorgehensweise
- Messstelle unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Siebwechsler festlegen.
- Für Schmelzetemperatur, Material und maximalen Prozessdruck geeignete Sensoren auswählen.
- Messbereiche so festlegen, dass Normalbetrieb und maximal erwarteter Druck sicher erfasst werden.
- Beide Sensoren in technisch korrekten und sauberen Messbohrungen montieren.
- Nach einem Siebwechsel den Differenzdruck des sauberen Siebpakets unter definierten Bedingungen erfassen.
- Durchsatz, Schmelzetemperatur und Material gemeinsam mit den Druckwerten dokumentieren.
- Differenzdruck als
Δp = p1 - p2berechnen und über die Produktionszeit beobachten. - Typische Druckverläufe für wiederkehrende Produkte ermitteln.
- Voralarm und maximal zulässige Alarmgrenze aus dem realen Prozess ableiten.
- Bei ungewöhnlichem Druckanstieg zunächst prüfen, ob sich Durchsatz, Temperatur oder Materialzustand verändert haben.
- Nach dem Siebwechsel kontrollieren, ob der Differenzdruck wieder auf einen plausiblen Ausgangswert zurückgeht.
Häufige Fehler
- Nur den Druck vor dem Siebwechsler überwachen: Ein steigender Eingangsdruck kann auch aus einem höheren Gegendruck des nachfolgenden Prozesses entstehen.
- Jeden höheren Differenzdruck als Filterverschmutzung interpretieren: Durchsatz, Schmelzetemperatur und Materialviskosität beeinflussen den Druckverlust ebenfalls.
- Sensoren zu weit vom Siebpaket entfernt montieren: Zusätzliche Druckverluste der Schmelzeführung können dann in die Differenzmessung eingehen.
- Ungeeignete Messbereiche verwenden: Ein zu kleiner Bereich kann bei zunehmender Filterbeladung überschritten werden, ein unnötig großer Bereich kann die Auswertung kleiner Druckänderungen erschweren.
- Falsche Sensorbohrung beziehungsweise Einbautiefe: Eine nicht zur Sensorausführung passende Montage kann Messfehler verursachen und die Trennmembran beschädigen.
- Feste Alarmgrenze ohne Prozessbezug verwenden: Ein sinnvoller Grenzwert muss zum Siebpaket, Material, Durchsatz und zulässigen Betriebsdruck passen.
- Temperaturänderungen ignorieren: Änderungen der Schmelzeviskosität können den Differenzdruck auch bei unverändertem Filterzustand verändern.
- Nur einzelne Messwerte betrachten: Der zeitliche Differenzdrucktrend liefert häufig wesentlich mehr Informationen über die Filterbeladung.
Dynisco-Schmelzedrucksensoren für die Extrusion
Für die Drucküberwachung vor und nach einem Siebwechsler werden Sensoren benötigt, die für die direkte Messung in heißen Polymerschmelzen ausgelegt sind. Klassische Drucktransmitter für Flüssigkeiten oder Gase sind für diese Einbausituation nicht automatisch geeignet. Schmelzedrucksensoren besitzen eine für den direkten Kontakt mit der Schmelze ausgelegte Trennmembran und werden über eine geeignete Messbohrung in den Extrusionsprozess eingebaut.
Für eine Differenzdrucküberwachung ist besonders wichtig, dass beide Messstellen zur Anwendung passen und miteinander sinnvoll vergleichbar sind. Messbereich, Temperaturbelastung, elektrische Ausgangssignale, Prozessanschluss und Einbausituation sollten deshalb bereits bei der Planung gemeinsam betrachtet werden.
Dynisco bietet Schmelzedrucksensoren und zugehörige Messtechnik speziell für Extrusion und Kunststoffverarbeitung an. Passende Geräte finden Sie unter Dynisco-Produkte bei ICS Schneider.
Fazit
Der Druck vor einem Siebwechsler allein reicht häufig nicht aus, um den Zustand des Siebpakets zuverlässig zu beurteilen. Erst durch eine zweite Druckmessstelle hinter dem Filterbereich lässt sich der tatsächliche Druckverlust über das Sieb bestimmen.
Steigt der Druck vor dem Sieb, während der Druck dahinter weitgehend konstant bleibt, erhöht sich der Differenzdruck. Unter vergleichbaren Bedingungen kann dies auf eine zunehmende Filterbeladung und einen steigenden Strömungswiderstand hinweisen. Steigen dagegen beide Drücke ähnlich, muss auch der nachgeschaltete Prozess als Ursache betrachtet werden.
Gleichzeitig ist der Differenzdruck keine vom Prozess unabhängige Größe. Durchsatz, Schmelzetemperatur, Viskosität, Material und Siebaufbau verändern den Druckverlust ebenfalls. Alarmgrenzen sollten deshalb aus dem realen Betriebsverhalten der jeweiligen Anlage abgeleitet und nicht pauschal übernommen werden.
Besonders aussagekräftig ist der zeitliche Verlauf. Wird der Differenzdruck zusammen mit Temperatur und Produktionsrate dokumentiert, kann eine zunehmende Filterbeladung frühzeitig erkannt und die verbleibende Filterstandzeit besser eingeschätzt werden.
Für eine zuverlässige Siebüberwachung gilt somit: Druck vor und nach dem Siebpaket messen, die Differenz unter vergleichbaren Prozessbedingungen bewerten und nicht einen einzelnen hohen Druckwert vorschnell als Filterverschmutzung interpretieren.
FAQ: Differenzdruck am Siebwechsler eines Extruders
Warum misst man den Druck vor und nach dem Siebwechsler?
Mit zwei Druckmessstellen lässt sich der Druckverlust über das Siebpaket bestimmen. Dadurch kann besser unterschieden werden, ob ein Druckanstieg durch den Filter oder durch den nachgeschalteten Prozess verursacht wird.
Wie wird der Differenzdruck am Siebwechsler berechnet?
Vereinfacht gilt Δp = p1 - p2. Dabei ist p1 der Schmelzedruck vor dem Siebpaket und p2 der Druck dahinter.
Warum steigt der Differenzdruck bei einem verschmutzten Sieb?
Mit zunehmender Filterbeladung verringert sich die frei durchströmbare Fläche. Für denselben Materialstrom ist dadurch ein höherer Druckgradient erforderlich und der Druckverlust über das Siebpaket steigt.
Bedeutet ein steigender Differenzdruck immer, dass das Sieb verschmutzt ist?
Nein. Auch ein höherer Durchsatz, eine niedrigere Schmelzetemperatur, eine höhere Materialviskosität oder ein anderer Siebaufbau können den Druckverlust erhöhen.
Wo sollten die Schmelzedrucksensoren montiert werden?
Die Messstellen sollten möglichst repräsentativ unmittelbar vor und nach dem Siebwechsler liegen. Dadurch wird vermieden, dass zusätzliche Druckverluste langer Schmelzewege die Bewertung des Filterdruckverlustes unnötig verfälschen.
Wie legt man die Alarmgrenze für einen Siebwechsler fest?
Die Alarmgrenze sollte aus dem realen Prozess abgeleitet werden. Entscheidend sind unter anderem der Differenzdruck bei sauberem Sieb, die Entwicklung während der Filterstandzeit, Material, Durchsatz, Temperatur und die maximal zulässigen Betriebsdrücke der Anlage.
Kann man die Filterstandzeit über den Differenzdruck bestimmen?
Der Differenzdrucktrend kann ein guter Indikator für die zunehmende Filterbeladung sein. Für wiederkehrende Prozesse lassen sich typische Druckverläufe ermitteln und für die Planung des Siebwechsels nutzen.
Warum ist die Schmelzetemperatur bei der Differenzdruckmessung wichtig?
Die Temperatur beeinflusst die Viskosität der Polymerschmelze. Wird die Schmelze zäher, kann der Druckverlust auch bei unverändertem Siebpaket steigen.
Müssen beide Schmelzedrucksensoren denselben Messbereich haben?
Nicht zwingend, die Bereiche sollten jedoch zur jeweiligen Druckstelle und zur gewünschten Differenzdruckauswertung passen. Bei kleinen Druckdifferenzen sind außerdem Genauigkeit und Messunsicherheit beider Sensoren zu berücksichtigen.
Warum fällt der Druck vor dem Sieb nach einem Siebwechsel häufig deutlich ab?
Ein neues beziehungsweise sauberes Siebpaket besitzt typischerweise einen geringeren Strömungswiderstand als ein stark beladenes Filter. Bei vergleichbaren Prozessbedingungen sinkt deshalb häufig der Druckverlust über den Siebwechsler.
Welche Sensoren eignen sich für die Messung am Extruder?
Für die direkte Druckmessung in heißer Polymerschmelze werden dafür ausgelegte Schmelzedrucksensoren verwendet. Messbereich, Temperaturbelastung, Prozessanschluss und Einbausituation müssen zur jeweiligen Extrusionsanlage passen.