11. Дослідження процесу теплопередачі в черв'ячній машині

Мета роботи – вивчити конструкцію установки й експериментально дослідити процес нагрівання черв’ячної машини; визначити коефіцієнт тепловіддачі К в усталеному процесі нагрівання.

11.1. Основні теоретичні положення

У практиці експлуатації устаткування для переробки полімерних матеріалів часто трапляються процеси, в яких робочі органи машин перебувають у статичному стані, а робочі зазори заповнено полімером.

Такі процеси відбуваються, наприклад, під час розігрівання переробного устаткування, заміни формувального інструмента, дрібного ремонту. Основна особливість їх – забезпечення потрібного режиму обігрівання зовнішніми джерелами теплопостачання з метою не допустити перегрівання полімерного матеріалу, який перебуває в робочих зазорах. У пропонованій роботі поставлено завдання – дослідити усталений процес нагрівання черв’ячної машини. Тепловий баланс у цьому разі [4]:

, /11.1/

де – тепло, яке підводять до корпусу машини /парою, нагрітою рідиною або електричними нагрівниками/, Вт; – витрата води, що надходить для охолодження черв’яка, кг/с; – теплоємність води, Дж/(кг∙°С); – відповідно початкова й кінцева температура охолодної води, °С; – втрата тепла корпусом машини в навколишнє середовище, Вт.

Зв’язок між кількістю тепла, що його передають нагрівники і поверхнею теплообміну F описують для усталеного процесу основним рівнянням теплопередавання [3], Вт:

. /11.2/

У разі теплопередавання крізь циліндричну стінку рівняння /11.2/ записують, Вт:

, /11.3/

де – лінійний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м∙°С); – середня різниця температур між корпусом на деякому діаметрі і теплоносієм, що циркулює в охолодних каналах черв’яка, °С; – довжина опірної циліндричної поверхні, крізь яку відбувається теплообмін, м.

Процес теплообміну складний і полягає в здійсненні теплопровідності крізь багатошарову циліндричну стінку, один з шарів якої – полімерний матеріал, що заповнює канал черв’яка, і тепловіддачі від стінки до теплоносія . У цьому разі теоретичний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м∙°С):

, /11.4/

де – сума термічних опорів для багатошарової циліндричної стінки; – діаметри i-ї стінки, м; – теплопровідність i-ї стінки, Вт/(м∙°С ).

Вихідні дані для визначення : – середня температура полімеру в робочому зазорі черв’ячної машини, °С; яка надходить на охолодження черв’яка, кг/с.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до охолодної води визначають з критерію , Вт/(м∙°С ):

. /11.5/

Критерій обчислюють для випадку поздовжньої течії по кільцевому каналу за відповідним критеріальним рівнянням залежно від режиму руху води, який визначається критерієм Рейнольдса:

, /11.6/

де – швидкість води в кільцевому перерізі, м/с, ; , – діаметр охолоджуваного каналу відповідно черв’яка й трубки, якою підводять теплоносій, м, – еквівалентний діаметр кільцевого перерізу, який визначають як , м.

За сталого турбулентного режиму, коли ,

. /11.7/

У разі перехідного режиму, коли ,

. /11.8/

У разі ламінарного режиму, коли ,

. /11.9/

Значення критерію у формулах /11.7/ – /11.9/, а також теплофізичних констант, які входять до /11.5/, /11.6/, вибирають з таблиці теплофізичних властивостей для середньої температури води.

Примітка. Критеріальний параметр , що враховує напрямок теплового потоку, незначно відрізняється від одиниці, і в даному розрахунку його можна не враховувати.