2.2.7. Устройства для фильтрации расплава

Между цилиндром экструдера и головкой часто устанавливают решетку с одной или несколькими сетками перед ней. Основное назначение этих элементов – очистка поступающего в головку расплава от случайных включений. Это особенно необходимо при переработке отходов (обрезки пленки, дробленые бракованные изделия), так как даже при соблюдении чистоты в производственных помещениях во время складирования брака и отходов и транспортирования их на переработку материал, электризуясь при взаимном трении, притягивает к себе некоторое количество пыли.

Сетки фильтруют, гомогенизируют и создают сопротивление движению расплава, на них теряется часть давления. Проходя через систему фильтрующих сеток, порции полимерного расплава с большей вязкостью задерживаются на сетках. Этого времени должно хватить для того, чтобы порция расплава достигла нужной температуры.

После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5,0-35 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая определенный профиль, выходит практически под очень небольшим избыточным давлением из фильерной части головки. Количество расплава Q_гол, выходящего через головку, можно представить следующим соотношением:

где ΔР = Р- Р_вых перепад давления в головке (здесь Р - давление на входе в головку - конец зоны III, Р_вых - давление на выходе из головки); η - вязкость расплава в головке; К - постоянная, характеризующая сопротивление течению расплава в каналах и формующей части головки.

Для формования ряда изделий (в первую очередь, тонких пленок) необходима подготовка расплава с повышенной температурной однородностью. В этих случаях решетки с пакетами сеток устанавливают, даже если материал совершенно не имеет инородных включений. Предназначены они преимущественно для удержания неполностью проплавленных частиц материала, периодически появляющихся на выходе из канала червяка. Пребывая на сетках, непроплавленные частицы в конце концов плавятся полностью и проходят через них.

Твердые посторонние включения постепенно забивают сетки, увеличивая их гидравлическое сопротивление. Это приводит к росту давления на выходе из канала червяка и падению производительности экструдера. Как только производительность достигает минимально допустимой величины (как правило, не менее 70% от начального ее значения), производят замену сеток. Если конструкция решетки с пакетом сеток такая, как на рис. 2.6, то требуется остановка экструдера и, следовательно, всего агрегата, в составе которого он работает. После остановки необходимо снять головку, очистить входной ее канал от расплава и только затем вынуть решетку с сетками.

Рис. 2.6. Фильтр закладной конструкции:

1 – экструдер, 2 – головка, 3 – решетка, 4 – сетки

Операция по замене сеток значительно упрощается, если на экструдере установлен фильтр шиберной конструкции, изображенный на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Фильтр шиберной конструкции:

1 – шибер, 2 – сетки, 3, 4 – гнезда для установки решетки с винтами, 5, 11 – шпильки, 6 – корпус фильтра, 7 – фторопластовая прокладка, 8 – сердечник втулки, 9 – втулка, 10 – термопара. 12 – ограничительная плита, 13 – электрообогрев, 14 – решетка, 15 – пружинное разрезное кольцо, 16 – ходовой винт, 17 – опорное кольцо

Прямоугольная пластина 1 шибера имеет возможность перемещаться вправо в прямоугольном пазу, образованном корпусом фильтра 6 и ограничительной плитой 12. Шпильками 5 фильтр крепится к цилиндру экструдера, шпильками 11 укрепляется на фильтре головка. Шибер имеет гнезда 3 и 4 под установку двух комплектов решеток 14 с сетками 2, укрепляемыми в них с помощью пружинных разрезных колец 15. Пока один комплект работает, другой извлекают из гнезда и вставляют в него новые сетки.

Как правило, экструдер работает в едином агрегате с еще несколькими машинами (тянущее и отрезное устройства, каландры и др.), скорость работы которых строго согласуется с производительностью экструдера. Если производительность из-за постепенного засорения сеток монотонно уменьшается. То возникает необходимость постоянной подстройки режимов работы других машин. Однако, если используется фильтр шиберной конструкции, то можно принять следующий режим работы агрегата: не делать многократных коррекций производительности агрегата при снижении производительности экструдера до минимально допустимой величины, а каждый раз вместо коррекции производить замену сеток.

Для некоторых типов изделий (например, часть пленок, потребляемых электротехнической промышленностью) даже минимальное непостоянство расхода, вызывающее продольную разнотолщинность пленки, является недопустимым. Пульсации полностью исчезают, если экструдер работает с фильтром, в котором происходит непрерывная промывка элементов. Пример такой конструкции приведен на рис. 2.8. Каждый из элементов 1 и 2 вращается совместно с приводным валом 3. В зоне «б» каждый из дисковых элементов работает на фильтрацию, а в зоне «а» непрерывно выполняется промывка поступающей в нее загрязненной части элемента. Часть расплава, пошедшая на промывку, сливается в дренажный канал Б. Частота вращения элементов не превышает 1 об/мин.

Рис. 2.8. Фильтр с непрерывной промывкой элементов:

1, 2 – фильтрующие элементы, 3 – приводной вал.

В работающем экструдере различают три потока материала в цилиндре: прямой, обратный и поток утечки.

Прямой поток возникает за счет воздействия стенок винтового канала вращающегося червяка на расплав, заставляя его двигаться вдоль цилиндра в сторону формующей головки. Если бы на пути расплава в цилиндре не было препятствий в виде сеток и головки, то в канале червяка существовал бы один прямой поток, пропорциональный частоте вращения. Такой режим работы одночервячного экструдера называют также насосным. Производительность прямого потока Q_пр (Q_α) определяется скоростью вращения червяка ω_ч и геометрическими характеристиками α винтового канала (глубина, ширина, шаг и угол наклона нарезки, диаметр червяка, профиль канала).

Обратный поток связан с сопротивлением, оказываемым прямому потоку сетками и головкой. При этом создается впечатление, что возникает поток расплава, движущийся в обратном направлении, хотя в действительности течения расплава в обратном направлении не происходит, а противоток представляет собой ограничение прямого потока. Обратный поток Q_об (Q_β) обусловлен сопротивлением движению расплава, которое определяется перепадом давления в головке Δp, и зависит от эффективной вязкости η.

где β – геометрическая константа обратного потока.

Величина константы β зависит от глубины винтового канала, диаметра червяка,

длины зоны дозирования.

Поток утечек также создается перепадом давления Δp в головке, действующим навстречу движению расплава. Он зависит от геометрической константы γ и вязкости расплава η. Следует отметить, что его производительность Q_ут (Q_γ) в десятки раз меньше, чем Q_пр.

Часть материала перетекает в направлении противотока в радиальный зазор между гребнем шнека и внутренней поверхностью цилиндра. Таким образом, производительность Q экструдера с учетом распределения скоростей различных потоков составляет:

,

где Q_α, Q_β, Q_γ - производительности экструдера от прямого потока, противотока и утечек расплава соответственно.

В свою очередь, Q_α, Q_β, Q_γ зависят от технологических параметров и характеристик экструдера:

,

где N - частота вращения шнека; Р - давление на выходе из экструдера (в конце зоны дозирования); η - средняя вязкость расплава; α, β, γ - постоянные коэффициенты, зави­сящие от геометрических параметров шнека, выражающиеся следующими формулами;

; ; ;

где D - диаметр червяка, L - длина его, h - глубина нарезки; φ - угол подъема винтовой линии шнека; δ - зазор между гребнем и поверхностью цилиндра; е - ширина гребня шнека.