Методички / 1058

Издание учебное

Ушакова Ольга Борисовна

Построение рабочей характеристики одношнекового экструдера. Лабораторный практикум по курсу «Основы технологии переработки пластмасс». Часть 2.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Кафедра химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов.

4. Рассчитать скорость вращения червяка, при которой обеспечи-

вается заданное (по указанию преподавателя) значение произво-

дительности и давления в головке.

5. Какое явление называется «пульсация расплава», как она

влияет на качество изделий и как можно снизить пульсацию?

Список литературы к работе

1.Основы технологии переработки пластмасс /Под ред. Кулезнева В.Н. и Гусева В.К. – М.: Химия, 2004 – с. 372 – 418.

2. Раувендааль К. Экструзия полимеров. С-Пб.: Профессия, 2006. – 850с.

3.Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс: Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия,1983. – С.103 – 32.

4.Тадмор З., Гогос К. Теоретические основы переработки поли-

меров. //Пер.с англ. – М.: Химия, 1984. – С 418 – 423 и С. 428 - 438.

5.Шембель А.С., Антипина О.М. Сборник задач и проблемныхситуаций по технологии переработки пластмасс, Л.: Химия, 1990. –

С. 9 – 30.

Введение

Первые экструдеры были созданы в 19 в. в Великобритании,

Германии и США для нанесения гуттаперчевой изоляции на электрические провода. В начале 20 в. было освоено серийное производство экструдеров. Примерно с 1930г. экструдеры стали применять для переработки пластмасс; в 1935 – 37 г.г. паровой обогрев корпуса заменили электрическим; в 1937 – 39г.г. появи-

лись экструдеры с увеличенной длиной шнека (аналог современ-

ного экструдера), был сконструирован первый двухшнековый экструдер.

На базе одно- и двушнековых экструдеров созданы уста-

новки (линии) для производства листов, пленок, труб, пластмас-

совой вагонки, нанесения изоляции на кабели, формования по-

лых изделий методом раздува и др. Современные экструдера имеют производительность до 1500кг/час.

Рисунок 1 – Общий вид одношнекового экструдера

12.Задавая давления в интервале, полученном в п. 7, и, исходя

из геометрических параметров шнека модельной установки,

рассчитать ее теоретическую производительность по шнеку,

используя формулу:

где η – вязкость рабочей жидкости, Па с

N – число оборотов шнека, об/с ( 0,55 об/с)

A, B и С – константы прямого, обратного потоков и потока утечек, рассчитываемые по формулам:

где m – число заходов шнека, m = 1

t – шаг винтовой нарезки шнека, м (20мм) D – диаметр шнека, м (24 мм)

δ– зазор между гребнем шнека и корпусом цилиндра, м (δ = 0,5мм)

φ– угол подъема винтовой линии шнека, (18 град)

е– ширина гребня шнека, м (5 мм)

L – длина нарезной части шнека, м (190мм) h – высота нарезки шнека, м (4 мм)

Результаты расчета внести в таблицу 2 и построить зависимость

«QT – P» для шнека.

14. Графически определить теоретическое положение рабочей

точки. Сопоставить экспериментальные и расчетные данные по

Глубина винтового канала переменна по длине шнека: умень-

шается по мере удаления от загрузочного окна. В зависимости от перерабатываемого материала и назначения одношнекового экс-

трудера шнеки имеют разное отношение длины к диаметру (L/D).

Наиболее часто используются шнеки с L/D = 20 – 25.

Рисунок2–Вид материального цилиндра и шнеков разныхдиаметров

Материал в виде гранул (крошки) или порошка подается в бункер-дозатор(4), откуда поступает через загрузочное окно в мате-

риальный цилиндр и попадает на витки шнека.

Попав на витки шнека, материал перемещается в винтовом канале, образованном внутренней поверхностью материального цилиндра и нарезкой шнека. При движении по винтовому каналу от загрузочного окна к головке материал уплотняется, расплавля ется, из него удаляется воздух, происходит гомогенизация рас-

плава.

В соответствии с характером процессов, протекающих в одношнековом экструдере в направлении движения материала выделяют 3 зоны (рисунок 3):

зона загрузки (питания) – длиной L1;

зона плавления (пластикации) – длиной L2;

зона дозирования (выдавливания) – длиной L3.

Рисунок3–Схема деленияшнекаэкструдера назоны

Длина зон экструдера может колебаться в значительныхпределахв зависимости от типаперерабатываемого материала (рисунок 4).

В зоне загрузки (I) происходит прием перерабатываемого материала и его перемещение в направлении зоны уплотнения и плавления. Чтобы материал не подплавлялся и не образовывал пробку, загрузочную горловину охлаждают водой.

Перемещение материала по направлению к формующей головке будет происходить только в том случае, если сила трения материал - поверхность шнека будет меньше, чем материал - поверхность материального цилиндра.

интервале, установленном в п.7. Внести результаты расчета в таблицу 2 и построить зависимость «Qт – P» для головки.

Рисунок 4 – Рабочая диаграмма экструзионной установки.

1 – производительность по шнеку; 2 – производительность по головке; т. А – рабочая точка экструдера

Использовать полученные значения Qэ для построения как экспериментальной, а Qт теоретической рабочей характеристики экструдера (количество расходных характеристик для головок построить по указанию преподавателя).

Таблица 2 – Результаты определения теоретической производительности по шнеку и головке.

где Р – давление перед головкой (показания манометра), Па η – вязкость рабочей жидкости, Па с (для глицерина при 25 0С:

динамическая вязкость η = 0,95 Па с, при 200 С η =1,49 Па с;

где b – ширина канала, (зазор, δ изменяемый при выполнении работы), м.

h – высота канала, м (27 мм). L – длина канала, м (150мм).

Полученные расчетные данные внести в таблицу 2.

9. По данным таблицы 1 построить для модели эксперименталь-

ную зависимость расхода от давления перед головкой по шнеку

и теоретическую по головке («Q – P» диаграмму, рисунок 4).

10. Определить экспериментальную рабочую точку экструдера

(т. А на рисунке 4)

11. Рассчитать теоретическую производительность модельной

установки по головке. При этом расчет производительности го-

ловки вести, задавая произвольно 2 - 5 значений давления в

Рисунок 4 – Основные типы шнеков для экструзии термопластов:

а – шнек общего назначения с тремя (I, II, III) зонами;

б – шнек для переработки высококристаллических полимеров, в – шнек для экструзии ПВХ;

Коэффициент трения термопластичных материалов возрас-

тает до температуры плавления (текучести), а затем снижается.

Поэтому при переработке ряда материалов внутри шнека в зоне

загрузки предусматривают охлаждающий канал.

Производительность экструдера по зоне загрузки можно

рассчитать по формуле

где: S – площадь полезного сечения шнека, см2 t – шаг нарезки шнека, см

N – число оборотов шнека, об/мин

ρнас – насыпная плотность гранул или порошка, кг/дм3

6. Изменяя положение заслонки (приоткрывая ее постепенно),

записывать в таблицу 1 ширину проходного сечения головки (м)

и показания манометра, ему соответствующие.

Подставить под головку мерный цилиндр и определить объем жидкости, вытекающей из головки за 30 сек (Q,cм3).

Величину проходного сечения головки изменять последо-

вательно от 0 до 12 делений таким образом, чтобы в данном про-

межутке получить 7 замеров.

Три раза (по 7 замеров, которые могут соответствовать разным значениям δi) определить изменение расхода и давления при изменении ширины щели и записать результаты.

По этим данным построить зависимости Q = f (δi) и P = f (δi) для каждой из трех серий измерений (рисунки 1 и 2). При этом значения δi могут не совпадать в каждой серии измерений.

На полученных графиках найти геометрическим способом средние значения Q = f (δi) и P = f (δi), задав δi, равными 0, 2, 4, 6, 8, 10 и 12 делениям.

Рисунок 1 – Результаты определения P = f (δi),

когда ширина пробки уменьшится до 0,1+0,2 ширины винтового канала червяка, циркуляционное движение в слое расплава, соби рающемся перед толкающей стенкой, разрушает остатки проб-

ки, дробя ее на мелкие куски.

Рисунок 5 – Схема плавления пробки материала в зоне плавления в межвитковом сечении шнека:

1 – стенки цилиндра; 2 – гребень шнека; 3 – потоки расплава полимера; 4 – спрессованный твердый полимер (пробка) в экструдере.

Когда толщина пленки расплава становится равной толщи-

не радиального зазора между стенкой корпуса и гребнем винто-

вой нарезки червяка, последний начнет соскребать слой распла-

ва со стенки, собирая его перед своей толкающей гранью. Это сечение червяка является фактическим концом зоны питания и началом зоны плавления.

Наличие в зоне плавления интенсивныхсдвиговыхдеформа-

ций приводит к выраженному смесительному эффекту. Расплав интенсивно гомогенизируется, а составляющие композицион-

ного материала перемешиваются.

Зона плавления наиболее сложная из зон червяка – характеризуется пребыванием в канале полимерного материала в двух состояниях: расплавленном и твердом

Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых частиц попадаетвзонудозирования.

Уменьшающаяся глубина нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге – для выхода сформованного изделия.

Основной подъем давления расплава (P) происходит на границе зон I и II. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это твердый материал, в зоне II – плавящийся. Наличие этой пробки и создает основной вклад в повышение давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки и формования изделия.

Рисунок 6 – Схема распределение давления по длине шнека

линдр жидкостью, моделирующей расплав полимера. Наблюдать за изменением показаний манометра в процессе заполнения рабочего цилиндра. Отметить максимальное значение давления по манометру и записать его в таблицу 1. Повторить замеры трижды.

5.При вращающемся шнеке полностью открыть заслонку и, продолжая приливать в цилиндр рабочую жидкость, наблюдать за изменением показаний манометра. Записать в таблицу 1 установившееся значение давления при полностью открытой заслонке. Вытекающую жидкость собирать в стакан.

Таблица 1 – Результаты экспериментального определения производительности установки.