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제목 싱글 스크류 스케일업 문제해결법
작성자 플라스틱코리아
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Date : 2019/04/02 08:28

 

 

스크류 스케일업(scale-up)은 전단율, 용융속도, 체류시간, 유도가열 등의 변수에 영향을 미친다. 동일한 전단속도 및 동일한 채널 깊이에서 비교하면 스크류 지름의 단순 비율에 따라 산출량 또한 스케일이 증가해 늘어난다. 산출량의 제곱효과는 채널의 용적 변화에서 비롯된다.

  

싱글 스크류의 스케일업(scale-up)은 그와 관련된 모든 변수 및 그들간의 상호작용을 고려할 때 놀랄 정도의 복잡한 작업이 될 수 있다. 규칙적인 스케일업을 최초로 제시된 것들 가운데 하나가 Carley와 McKelvey가 1953년 『Industrial and Engineering Chemistry』지에 게재한 글에 담겼다.

동일한 구조(채널 폭과 플라이트 폭)를 가진 스크류들은 스크류 회전속도(rpm)와 채널 깊이가 동일할 때, 산출량과 전력소모는 스크류 지름 비율의 2제곱(D1/D2)2에 따라 변화함을 보여준다. 하지만 전단율은 스크류 rpm이 아니라 전단속도(peripheral speed)에 따라 결정된다.

동일한 전단속도 및 동일한 채널 깊이에서 비교하면 스크류 지름의 단순 비율에 따라 산출량 또한 스케일이 더해져 늘어난다. 산출량의 제곱효과는 채널의 용적 변화에서 비롯된다. 그림 1에서 보는 2인치 스크류와 4인치 스크류는 동일한 채널 깊이를 갖고 있다.

스크류 크기를 늘리면 스크류 채널의 용적은 지름비율 2제곱만큼 증가한다. 이 경우, 4인치 스크류 1회전 용적을 계산하면 2인치 스크류의 1회전 용적의 정확히 4배가 나온다. 그 결과, 이 지름 스케일업 (D1/D2)2은 같은 채널깊이와 스크류 rpm에서는 유효하다.

『Polymer Engineering and Science』의 2006년에 실린 Chris Rauwendaal의 논문은 전단율, 용융수지 이송속도, 체류시간, 전단, 유도 및 유전(誘電) 용융력, 고형원료 이송속도, 전력소비, 열전달, 믹싱, 비(比)에너지소비 등 총 14가지의 다양한 스케일업 요소를 포함해 스케일업의 모든 측면에 대해 철저한 분석을 수행했다. 이는 매우 포괄적이고 정확한 분석이지만, 스케일업 요소간 최적의 밸런스라는 문제를 해결하기 위해서는 전문적 지식이 요구된다.

1974년 필자는 Union Carbide사의 뉴저지에 있는 개발실험실에서 싱글스크류 및 믹서의 설계자로 널리 알려진 Bruce Maddock씨가 주재한 2주간의 개별 훈련코스에 참가할 기회가 있었다. 당시에는 지름의 제곱근 (D1/D2)0.5을 사용해 채널 깊이를 스케일업하는 것이 일반적 관행이었다.

당시에 Maddock씨는 채널 깊이의 스케일업 정도가 지름비의 0.7제곱에 의해 더욱 근사치로 나타낼 수 있다는 생각을 담은 기술논문을 마무리짓는 단계였다. 이 비율, 즉 (D1/D2)0.7은 플라이트의 리드, 플라이트 폭 등 여러 면에서 구조적으로 유사한 두 가지 사이즈의 압출기에 비슷한 용융온도와 용융품질을 유지하는 방법을 나타내주는 것이었다.

그 당시 Carbide사는 업계에서 가장 규모가 큰 개발프로그램을 운영하면서 최대 4.5인치 크기의 압출스크류를 테스트용으로 사용하고 있어 계산을 지원할 실제 데이터를 다량 확보하고 있었다. 또한 블로운필름을 만드는 과정에서 그 같은 데이터를 수집해 이 데이터가 용융품질을 조절할 수 있는 방법을 명확히 보여줬다.

필자 또한 같은 리드 각도와 비례로 구성된 수백 개나 되는 스크류 계량구간 깊이를 조정하기 위해 이와 동일한 방법을 사용한 바 있다. 이 과정에서 필자는 전단유동화(shear-thinning) 거동이 강한 폴리머에 적용할 때는 소폭의 보정을 가해줬다. 스크류 차이가 크게 나는 다양한 전단속도(peripheral speed)로 스크류를 가동해야 할 때는 이 문제가 중요하기 때문이다.

전단율, 용융속도, 체류시간, 유도가열 등은 모두 스케일업으로 영향을 받게 된다. 스크류 채널의 전단율은 (π D N/h)로 나타낼 수 있으며, 여기서 D는 지름의 1제곱, N은 초당 회전 수, h는 채널 깊이다.

스크류 사이즈를 늘리면서 채널깊이를 동일하게 유지한다면 전단율이 전혀 달라 용융품질과 용융수지 온도도 달라지는 결과가 나온다는 것은 명확하다. 또한, 전단율 계산에 사용된 지름의 1제곱에 비해 지름비의 2제곱과 0.7제곱 사이에 0.5제곱보다 더 일관성이 있으리라는 것도 분명하다.

Maddock 및 다른 연구자들은 스크류 채널 깊이를 결정하는 데 있어 스크류 지름비의 0.7제곱이 스크류 지름비의 제곱근보다 더 나은 요소라고 봤다. 그 까닭은 그렇게 함으로써 스크류의 지름을 스케일업 했을 때 열전달 거리, 더 높은 전단속도로 인한 스크류 플라이트 위로 발생하는 전단가열 증가, 플라이트 유격이 늘어남으로 해서 플라이트 위로 발생하는 누설유동(leakage flow)의 증가 등을 보다 온전히 고려할 수 있기 때문이다.

또한, 산출량에 대한 배럴면적의 비율 때문에 배럴이 식어서 발생하는 열 빼앗김 현상 또한 감소한다. 출력할 영역. (D1/D2)0.7 값을 사용하면 스케일업에서 채널 깊이가 더 깊게 되고, 스케일업으로 발생하는 이 같은 현상들이 상쇄할 수 있도록 전단효과를 감소시킬 수 있게 된다.

결론적으로, 스케일업 과정에서 (D1/D2)0.7 값을 유사한 구조와 L/D 비율의 스크류의 계량구간 깊이를 결정하는 요소로 사용하는 것은 전반적으로 매우 만족할만한 방법임이 입증됐다. C. I. Chung 또한 2000년 펴낸 그의 저서 『Extrusion of Polymers』에서 이 요소가 전체 스케일업 프로세스에 있어 ‘균형잡힌’ 기초가 된다고 지적하고 있다.

  

  

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