Работа экструдера в сочетании с головкой.

Поскольку экструдер работает вместе с головкой, то и про-изводительность его находится путем совместного решения урав нений (3) и (4) или графически (рисунок. 6) как точка пересече-ния прямых 1 или 2 с прямой 3. Точки пересечения а и б называ-ются рабочими точками.

Упрощенный аналитический расчет Q машины с одним шнеком, уменьшающейся глубиной нарезки канала шнека, с учетом сеток и головки можно производить по формуле

Q = АKN/(К + B + G), (9)

где Q – производительность, см³/мин; А+ B + G – постоянные прямого и обратного потоков и потока утечек, см³; К – постоян-ная головки, сеток, решетки, см³. Для различных головок К раз-лична и рассчитывается по соответствующим формулам общего вида:

K = 1/Σ(1/Ki), (10)

где Кi – коэффициент сопротивления каждого из элементов головки, сеток и решетки.

Реальные зависимости Q – P (см. рисунок 6) не являются прямолинейными. Зоны экструдера, формующей оснастки име-ют различный внешний обогрев, кроме того, в зависимости от интенсивности вращения шнека в расплаве выделяется разное количество тепла. Поэтому такие важнейшие характеристики, как вязкость и плотность расплава зависят от температуры и не являются строго постоянными. Эти, и другие факторы, ведут к отклонению зависимостей (3) и (4) от прямолинейности.

Основные параметры процесса экструзии

К технологическим параметрам процесса экструзии отно-сятся температура переработки полимера по зонам материально-го цилиндра и головки, давление расплава, скорость вращения шнека N, температурные режимы охлаждения сформованного экструдата.

К технологическим свойствам экструдируемого термоплас-та относятся температура плавления (или текучести), темпера-тура деструкции, температура кристаллизации (или температу-ра затвердевания), вязкость расплава при температурах и скорос-тях сдвига при экструзии, насыпная плотность материала и плот-ность расплава.

Основными технологическими характеристиками экструде-ра являются L, D, L/D, геометрический профиль шнека, степень изменения объема канала шнека, мощность привода.

Основной характеристикой формующей оснастки (вместе с фильтрующими сетками) является коэффициент сопротивления течению расплава K. Повышение давления на фильтрующих сет-ках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивле-ния сеток и, следовательно, сигналом к их замене.

Показателем работы экструдера является его эффективность – отношение производительности (Q) к потребляемой мощности:(M)

Э = Q / M

Построение рабочей характеристики одношнекового экструдера

Цель работы: Построение рабочей характеристики экструдера (зависимость производительности экструдера от давления перед формующей головкой).

Используемые материалы: Вязкая жидкость, моделирующая расплав полимера (глицерин, поливиниловый спирт, силиконо-вая жидкость)

Используемое оборудование: Модель одношнекового экст-рудера, снабженная датчиком давления и головкой с изменяе-мым проходным сечением; секундомер, воронка для залива рабочей жидкости; стакан для слива жидкости; мерный цилиндр.

Порядок выполнения работы:

1.Ознакомиться с устройством модели одношнекового экстру-дера. Выполнить эскиз модели с указанием основных геометри- ческих параметров шнека, определяющих производительность экструдера.

2.Подключить к электросети (220 V) через розетку привод моде-ли. Убедиться в свободном вращении шнека. Проверить возмож-ность свободного перемещения заслонки, регулирующей про-ходное сечение головки.

3.При вращающемся шнеке и незаполненном рабочем цилиндре откорректировать показания манометра, замеряющего давление перед головкой. Манометр должен показывать "0" при полнос-тью закрытой заслонке.

4.При вращающемся шнеке и полностью закрытой заслонке го-ловки установить стеклянную воронку в загрузочное окно рабо-чего цилиндра экструдера, под выходное отверстие головки подставить стакан для слива жидкости и заполнить рабочий ци-линдр жидкостью, моделирующей расплав полимера. Наблю-дать 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, про-должая приливать в цилиндр рабочую жидкость, наблюдать за изменением показаний манометра. Записать в таблицу 1 устано-вившееся значение давления при полностью открытой заслонке. Вытекающую жидкость собирать в стакан.

Таблица 1 – Результаты экспериментального определения производительности установки.

№ п/п	Ширина зазора, м	Показания манометра, Па	Время отбо-ра порции жидкости, с	Расход жидкости, Q, м куб
1	δ1,1; δ1,2, δ1,3… δ1ср	Р11 , Р12, Р13 Р1ср		Q11, Q12, Q13 Q1 ср
2	δ2,1; δ2,2, δ2,3 δ2ср	Р21, Р22, Р23 Р2ср		Q21, Q22, Q23 Q2 ср
…	…
7	δ 7,1; δ7,2, δ7,3 δ7ср	Р 71, Р 72, Р7, Р7ср		Q71, Q7,2, Q7,3 Q7 ср

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),

Рисунок 2 – Результаты определения Q = f (δi)

Рисунок 3 – Зависимость Q по шнеку от давления Р

7. Построить график зависимости расхода от давления для шне-ка модельной установки (рисунок 3). При этом значения Q и P для нанесения на график брать по усредненным кривым Q = f (δi)

и P = f (δi) при равных значениях зазора (рисунок 1 и 2).

8. Рассчитать теоретические производительности головок при давлениях, установленных в п. 7, для соответствующих раз-меров проходного сечения головки (δi), по формуле:

Q гол = K^●Р / η, (1)

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; для индустриального масла ИП-40 при 25^оС: кинематическая вязкость μ = 0,69 мм²/с и ρ= 0,888 г/см³).

К – коэффициент сопротивления головки, рассчитываемый для щелевой головки по формуле:

К= b^●h³ / 12^●L, (2)

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 интервале, установленном в п.7. Внести результаты расчета в таблицу 2 и построить зависимость «Q_т – 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 Q_э для построения как экспериментальной, а Q_т теоретической рабочей характеристи-ки экструдера (количество расходных характеристик для голо-вок построить по указанию преподавателя).

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

№ п\п	Ширина зазора, м	Давление, Па	Производи- тельность по шнеку м 3/с	Производи-тельность по головке, м 3/c
1

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:

Q_т = А^●N – В^●Р/ η – С^●P/ η , (3)

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 пото-ка утечек, рассчитываемые по формулам:

A = (π²D²h sin φ cos φ) /2; (4)

B = (π Dh³sin² φ) /12L; (5)

G = (π ²D² δ ³tg φ)/ 10Le, (6)

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 «Q_T – P» для шнека.

14. Графически определить теоретическое положение рабочей точки. Сопоставить экспериментальные и расчетные данные по производительности в рабочей точке. Указать причины, обус-ловливающие расхождение теоретических расчетов и экспери-ментальных данных.

15. Обсудить полученные экспериментальные данные, сравнить экспериментальную рабочую диаграмму экструдера и теорети- ческую, сделать выводы по результатам работы.

Вопросы для подготовки к работе и ее защите:

1. Рассмотреть процесс перемещения материала в рабочем ци-линдре экструдера и изменение его агрегатного состояния. Назвать основные факторы, влияющие на производительность экструдера.

2. Как влияет на производительность экструдера вязкость мате-риала, температура расплава, геометрические параметры шнека и головки?

3. Как изменится производительность экструдера, головки и уста-новки в целом при изменении вязкостных свойств материала, конфигурации головки, геометрических размеров каналов го-ловки при сохранении их конфигурации?

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?