Energie in der Kunststofftechnik

Prozesse zur Aufbereitung von Kunststoffen und zur Fertigung von Produkten aus Kunststoffen sind übersichtsmäßig in Bild 1.1 dargestellt. Sie sind zum großen Teil verfahrenstechnisch anspruchsvoll und dabei energiegünstig. Das betrifft insbesondere die unter „Urformen“, d. h. Schaffen der Form, genannten Prozesse. Einschränkend sei zugleich festgehalten, dass im Fokus dieses Buches die Thermoplaste stehen. Dies aufgrund ihrer überragenden Spitzenstellung im Produktionsvergleich mit den beiden anderen Kunststoff-Arten, den Duroplasten und Elastomeren, vgl. Abschnitt 5.2. Die Verarbeitungstemperaturen bei Thermoplasten bewegen sich üblicherweise im Bereich zwischen Raumtemperatur und 300 °C, in einigen Sonderfällen bis knapp 400 °C. Ihre gebräuchlichsten Vertreter, die Standardkunststoffe, haben Verarbeitungstemperaturen im Bereich 200 bis 250 °C, [WK-1]. Wärmetechnische Fragen spielen aus mehreren Gründen eine wichtige Rolle, namentlich hinsichtlich

Hier folgen einige summarische Hinweise zur Bedeutung der übrigen drei Hauptsätze:

Der Nullte Hauptsatz (0. HS) handelt vom thermischen Gleichgewicht: Sind zwei Körper A und B je mit einem dritten Körper C im thermischen Gleichgewicht, dann sind sie untereinander im thermischen Gleichgewicht, Bild 2.1. Diese fundamentale Erkenntnis wurde erst als eigenständiges Prinzip formuliert, als die Bezeichnung 1. HS bereits vergeben war. Der 0. HS liefert einerseits die Basis für das Prinzip des Thermometers und andererseits – zusammen mit dem 2. HS – die Grundlage für die Definition der thermischen Zustandsgröße Temperatur.

Es gibt viele ausgezeichnete Lehrbücher über Fluidmechanik, z. B. [FM-1, 2]. Üblicherweise wird newtonsches Fluidverhalten, d. h. ein linearer Zusammenhang zwischen viskosen Schubspannungen und Deformationsrate, vorausgesetzt. Neben der Stoffgröße Viskosität spielen die Turbulenz und Kompressibiltät des Fluids eine wichtige Rolle. Die beiden maßgebenden dimensionslosen Kennzahlen bei Strömungsvorgängen sind die

Ursache jeder Wärmeübertragung sind Temperaturdifferenzen bzw. Temperaturgradienten. Nach dem 2. HS der Thermodynamik fließt Wärme von selbst von Gebieten höherer Temperatur zu solchen tieferer Temperatur. Wärmeübertragung von einem Körper bzw. Stoff auf einen anderen erfolgt durch Wärmeleitung und Strahlung. Man spricht üblicherweise von drei Arten der Wärmeübertragung:

Dazu folgen einige einführende Bemerkungen und wichtige Definitionen.

Der Hauptteil dieses Kapitels ist dem komplexen Materialverhalten der Kunststoffe im Abschnitt 5.2 gewidmet. Bei der Behandlung dieses Themas galt es die Auswahl so zu treffen, dass im Text zumindest indirekt der Bezug zur „Energie“ erhalten blieb. Unter Beachtung dieser Prämisse ergibt sich die folgende Gliederung:

Wir stellen der Darstellung in [WU-2] folgend die Theorie für gerade Rippen dar und geben einige Angaben zu weiteren Rippenformen, wie sie sich in den einschlägigen Lehrbüchern [WU-1] bis [WU-7] finden lassen. Wir betrachten den Fall Wärmeabgabe der Rippe an das Fluid.

Instationäre Wärmeleitung spielt bei der Kunststoffverarbeitung eine mannigfache Rolle. Beispiele:

Dieses Kapitel befasst sich mit scherungsdominierten voll ausgebildeten stationären Strömungen – auch Schichtenströmungen genannt, [FM-3], [RH-3] – für folgende einfache geometrische Randbedingungen, Bild 9.1:

Angenommene Fluideigenschaften:

Ein Produktionsbetrieb hat während eines ganzen Jahres für den gesamten Produktionsbetrieb Energiemessungen (Elektrizität, Heizöl, Wärme- und Kälteflüsse, Verbrauch an Druckluft) erfasst und die kumulierten Jahresenergieflüsse bestimmt. Es geht um eine Übersichtsdarstellung (Sankey-Diagramm) und Betrachtung der Energiebilanzen für ausgewählte Teilsysteme.