ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Моделирование пластицирующих машин из "Переработка термопластичных материалов" При расчете мощности, потребляемой пластицирующей шприцмашиной, необходимо, во-первых, оценить суммарную энергию, которую нужно сообщить материалу для того, чтобы расплавить его и выдавить с заданной производительностью. Во-вторых, следует определить, сможет ли шприцмашина передать материалу всю эту энергию, и если сможет, то как эта энергия будет распределена между червяком, который сообщает ее в форме работы вязкого трения, и нагревателями корпуса, передающими ее в виде тепловой энергии. Кроме того, желательно составить представление о том, нужно ли охлаждать корпус для того, чтобы удалить избыточное тепло, выделяющееся в результате диссипации механической энергии, осуществляемой червяком. [c.266] Минимальная мощность, необходимая для шприцевания. В пластицирующей шприцмашине, для того чтобы расплавить гранулы в зоне питания, нагреть расплав до заданной температуры и выдавить расплав через матрицу, преодолевая при этом возникающее в матрице противодавление, необходимо затратить определенное минимальное количество энергии. Определение величины этой энергии является чисто термодинамической задачей, которая совершенно не зависит от конструкции шприцмашины. [c.267] Следовательно для того чтобы определить удельный расход энергии при шприцевании полимера, достаточно знать его теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Для основных типов применяющихся на практике полимеров эти данные приведены в третьей части. [c.267] Удельная энергия шприцевания большинства перерабатываемых на практике полимеров лежит в диапазоне 0,13—0,234 квт-ч/кг. Если пренебречь теплом, которое подводится от нагревателей корпуса, то можно считать, что каждый киловатт мощности привода обеспечивает производительность от 3,7 до 7,4 кг/час. [c.268] Мощность, фактически потребляемая червяком. В предыдущем параграфе было показано, что для шприцевания полиэтилена при 200° и производительности 45 кг/час расходуется 8,1 кет. Однако нельзя быть уверенным в том, что червяк, воздействуя на гранулы и расплав, преобразует в тепловую энергию точно 8,1 кет. Количество энергии, которое будет сообщено червяком полимеру в виде механической работы, существенно зависит от физико-механических и тепловых характеристик гранулированного полимера и его расплава. [c.268] В рассмотренном выше примере, если бы червяк сообщал материалу только 7,36 кет и от нагревателей корпуса не поступало дополнительной энергии, температура расплава на выходе понизилась бы до 185°. На практике предпочитают именно такой режим работы, так как при этом удается до некоторой степени управлять извне температурой шприцевания. [c.268] При шприцевании полимера с более высокой вязкостью для поддержания производительности, равной 45 кг1час, потребовалось бы увеличить затрачиваемую мощность до 8,8 кет. При этом для того, чтобы сохранить заданный температурный режим шприцеваний (200° на выходе), пришлось бы отводить часть выделяюш,егося тепла. [c.269] Вследствие чрезвычайной сложности процесса шприцевания термопластов точно рассчитать величину потребляемой при шприцевании мощности почти невозможно. Поэтому определение величины потребляемой мощности приходится производить, основываясь главным образом на данных, полученных при эксплуатации оборудования аналогичной конструкции. [c.269] Для участков червяка, в которых наблюдается ламинарное течение расплава, можно пользоваться выведенными выше уравнениями, описывающими диссипацию энергии в винтовых насосах, перекачивающих расплавы. Эти же уравнения позволяют предсказать характер изменений величины потребляемой мощности с изменением вязкости расплава, скорости вращения и геометрических размеров червяка. [c.269] Геометрически подобными шприцмашинами называются такие две машины, все геометрические размеры которых связаны друг с другом одним и тем же коэффициентом пропорциональности. г. Нетрудно показать, что если пренебречь теплопередачей от внешней поверхности корпуса в окружающую среду, то у геометрически подобных шприцмашин, работающих как в изотермическом, так и в адиабатическом режиме, величина развивающегося давления при одинаковой скорости вращения червяка будет одинакова. Приращение температуры в геометрически подобных адиабатических шприцмашинах при одинаковой скорости вращения червяка также одинаково. Производительность и потребляемая мощность большей машины возрастают пропорционально кубу коэффициента геометрического подобия. [c.269] Интенсивность, с которой тепло может подводиться к материалу за счет теплопроводности, изменяется примерно пропорционально квадрату коэффициента геометрического подобия, т. е. она пропорциональна площади поверхности корпуса. Если бы все тепло, необходимое для шприцевания материала, подводилось только извне за счет обогрева стенок корпуса, то в этом практически неосуществимом случае производительность пластицирующей шприцмашины была пропорциональна квадрату коэффициента геометрического подобия. Это указывает на то, что если червяки геометрически подобны, то скорость вращения червяка, имеющего больший диаметр, должна быть меньше для того, чтобы окружная скорость была одинакова. В этом случае производительность большей машины превышала бы производительность меньшей машины в а не в X раз. Только тогда интенсивность теплопередачи была бы достаточна для поддержания температуры материала в большей машине на том же уровне, что и в меньшей. [c.270] Кроме влияния, оказываемого коэффициентом геометрического подобия на скорость плавления, необходимо учитывать связь между коэффициентом подобия и степенью температурной неоднородности расплава. Даже если бы все сообщаемое жидкости тепло являлось результатом механической работы червяка и теплопередача от стенок корпуса отсутствовала, то и в этом случае вследствие неравномерного распределения механической энергии по сечению канала внутри жидкости существовали бы температурные градиенты. Кольцевой зазор между наружной поверхностью червяка и внутренней поверхностью корпуса является областью интенсивного тепловыделения, так как существующие в нем градиенты скорости очень высоки. Более того, градиент скорости в плоскости нормального сечения канала также претерпевает очень большие изменения (см. рис. 4,15—4,20). [c.270] Для того, чтобы добиться одинаковой степени температурной однородности материала, шприцуемого на машинах с различными диаметрами червяков, необходимо или уменьшить скорость вращения червяка большей машины или уменьшить у нее глубину канала по сравнению с той, которая должна была бы иметь место при соблюдении геометрического подобия. В большинстве случаев предпочитают пользоваться сочетанием обоих этих методов. Широко распространен прием, при котором глубина канала увеличивается пропорционально корню квадратному из коэффициента геометрического подобия. Одновременно скорость вращения червяка также уменьшается на корень квадратный из коэффициента геометрического подобия . [c.271] Независимо от того, какой способ применяется для уменьшения температурной неравномерности шприцуемого материала, во всех случаях результатом является уменьшение производительности большей шприцмашины по сравнению с величиной, получающейся при строгом соблюдении геометрического подобия и пропорциональной кубу коэффициента подобия. Возможное увеличение производительности геометрически подобных пластицирующих шприцмашин в значительной мере определяется физико-механическими характеристиками сырья, поступающего в зону питания в виде гранул или порошка. Если частицы материала, поступающие в зону питания, имеют высокую твердость и жесткость и если расплав этого материала обладает малой вязкостью, как это и наблюдается у некоторых марок найлона, тепла, выделяющегося в результате работы сдвига, оказывается недостаточно для разогрева материала. Поэтому ббльшую часть необходимого тепла приходится сообщать материалу от нагревателей корпуса. В этом случае величина фактической производительности определяется условиями теплопередачи, и реально достижимое увеличение производительности оказывается пропорционально квадрату коэффициента геометрического подобия. Если к качеству шприцуемого материала предъявляются очень высокие требования, особенно в отношении допустимой температурной неоднородности, то достижимое на практике увеличение производительности может оказаться еще меньшим. [c.271] Разогрев полимеров, которые уже в твердом состоянии обладают достаточной пластичностью и способны выдерживать значительные деформации, может осуществляться за счет механической работы. Наиболее характерным представителем материалов этой группы является полиэтилен. Если количество тепла. [c.271] Увеличение производительности, пропорциональное кубу коэффициента геометрического подобия, оказывается вполне возможным на машинах, работающих по адиабатическому режиму, если качество шприцуемого продукта не должно удовлетворять каким-то постоянным требованиям. Пример подобного рода можно найти у Карлея и Мак-Келви , которые описывают экспериментальные результаты, полученные при десятикратном изменении геометрических размеров шприцмашины для переработки полиэтилена. Сопоставление двух подобных шприцмашин с диаметром червяка 50 и 500 мм. показало, что при 15 об/мин. производительность и потребляемые мощности относятся друг к другу, как 1 1000. При этом температура и давление шприцуемого материала одинаковы. [c.272] Все приведенные выше рассуждения показывают, что на вопрос во сколько раз увеличится производительность, если установить шприцмашину с большим диаметром червяка —нельзя дать однозначного ответа. Фактическое увеличение производительности связано очень сложной зависимостью с характером перерабатываемого полимера и особенностями конструкции машины. В настоящее время еще не существует достаточно строгой и обоснованной теории моделирования шприцмашин. Поэтому приходится ограничиваться обобщениями, подобными тем, которые были рассмотрены в данной главе. [c.272] Вернуться к основной статье