книги из ГПНТБ / Прошков А.Ф. Машины для производства химических волокон. Конструкции, расчет и проектирование учеб. пособие

Ян = рн/р — коэффициент наполнения червяка с учетом его геометрической формы и размеров гранул по­ лимера рн = 0,0s-0,9 — насыпная плотность полимера в межвитковом пространстве);

г)с — коэффициент скольжения транспортируемого материала.

личии противодавления, то по формуле В. А. Силина получают

=Ю— С = 0,9).

Впрактических расчетах необходимую площадь (в м2) нагре­ вательной поверхности плавильной решетки для капроновых гра­ нул без учета оребрения можно находить по эмпирической зави­ симости

тем.

Меньшие значения k принимают при большей температуре нагрева решетки.

С точки зрения достижения максимальной производительности, при минимальных затратах энергии наиболее эффективна плоская решетка с концентрическими ребрами, обеспечивающая макси­ мальную теплоотдачу. Наилучшей формой сечения ребер является

220

трапецеидальная с углом 0,38—0,40 рад [10] и размерами сече­ ния ребра: высота 3,5—7 мм, ширина основания 2,5—3,5 мм; длина ребра должна быть по возможности максимальной.

Шнек, подающий гранулы, не только создает дополнительное давление на плавильную решетку, но и вызывает круговое пере­ мещение гранул в зоне плавления. В результате перепад темпера­ туры расплава в различных точках подрешеточного пространства не превышает ± 1 К. Концентрические ребра постоянного сечения не задерживают расплав и гранулы при их круговом перемещении. Радиальные ребра создают дополнительные сопротивления, что ухудшает перемешивание гранул и расплава.

Решетки с концентрическими ребрами в 2,5 раза эффективнее решеток без ребер.

Радиальные каналы в решетке служат для отвода расплава с решетки в ее центральное отверстие. Число и сечение этих ка­ налов следует брать минимальными, в противном случае эффектив­ ность оребрения снижается. Суммарное сечение каналов должно обеспечить отвод требуемого объема расплава.

Материал решеток должен отвечать следующим требова­ ниям:

иметь хорошие теплофизические свойства, т. е. обладать вы­ соким коэффициентом тепло- и температуропроводности;

быть химически стойким к расплаву при высокой температуре; иметь низкую стоимость; иметь достаточную прочность и легко обрабатываться.

Наиболее полно этим требованиям отвечают серебро, золото, красная медь, алюминий и его сплавы, магний и некоторые дру­ гие металлы.

Однако с экономической точки зрения наиболее подходящими материалами являются алюминий и его сплавы и в первую очередь сплав АК4, Преимущество серебра по сравнению с алюминием и его сплавами заключается в более высоких теплофизических харак­ теристиках, но это слишком дефицитный материал.

Теплофизические свойства сплава алюминия АК4: коэффициент

Надрешеточный конус служит для распределения гранул на нагревательной поверхности плавильной решетки. От формы ко­ нуса зависит не только равномерность поступления гранул на все участки решетки, но и производительность плавильной головки.

Наиболее распространены надрешеточные конусы трех видов

(рис. 156).

Исследования показали, что наиболее удачной конструкцией является конус с углом наклона образующей в 0,52 рад (30°), обеспечивающий наименьшее колебание температуры на поверх-

221

ности плавильной решетки (±3,5 К) и максимальное давление гранул на решетку (1,5— 1,7 МН/м2).

Расчет и проектирование плавильной решетки« По заданной производительности решетки при известных свойствах перераба­ тываемого гранулята находят:

площадь нагревательной поверхности плавильной решетки по уравнению (204);

Рис. 156. Формы надрешеточных конусов:

а, в — цилиндр, переходящий в конус; 6 — усеченный конус

__ Qo

~п ’

где г] — коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду (практика эксплуатации плавильных головок по­ казала, что ц л* 0,75).

По найденной площади F нагревательной поверхности пла­ вильной решетки следует подобрать надрешеточный конус с углом я/6 рад.

Пользуясь приведенными рекомендациями, можно выбрать ма­ териал решетки, профиль и размеры ребер и радиальных каналов.

Расчет и проектирование плавильных устройств экструдерного типа. В последние годы в качестве плавильных устройств приме­ няют пластицирующие экструдеры преимущественно при получе­ нии полиамидных, полиэфирных и полиолефиновых волокон. Экструдеры обеспечивают высокую производительность (до 35 г/с), незначительное время пребывания в них расплава, возможность

222

переработки высоковязких расплавов (до 5000 Н .с/м2) и низкое содержание в волокне низкомолекулярных соединений (до 2,5%).

При переработке термопластичных материалов применяют одно­ шнековый обогреваемый экструдер (рис. 157), состоящий из шнека 6, загрузочной воронки 4, гильзы 8, привода (электродви­ гатель 18, редуктор 1, муфта 2).

Рабочая зона экструдера состоит из трех зон: зона питания (транспортирование гранул), сжатия и выдавливания. Все зоны имеют электрические обогреватели. Температура в первой и вто­ рой зонах обогрева несколько ниже температуры плавления по-

Рис. 157. Одношнековый экструдер:

1 — редуктор; 2 — муфта эластичная; 3 — подшипник упорный; 4 — воронка; 5 — люк;

лимера, в третьей зоне температура постепенно повышается и лишь на выходе температура расплава достигает заданной ве­ личины.

Профиль нарезки и угол подъема паза шнека в зоне питания зависит от формы и свойств перерабатываемого полимера.

Транспортирование полиамидных гранул, их нагрев и уплот­ нение происходят в загрузочной зоне экструдера. Гранулы пере­ мещаются вдоль оси шнека в результате наличия сил трения, воз­ действующих на них со стороны поверхностей гильзы и шнека.

При установившемся движении формулы для определения сил трения Fs и скорости ѵ движения гранул вдоль оси шнека имеют вид [2]:

223

Ф — угол подъема винтовой линии паза шнека; Ѳ— угол между вектором скорости движения гранул и

направлением винтового канала шнека; ѵш— скорость движения канала шнека.

Гранулы двигаются при FB > Fs, а это возможно, если трение гранул о поверхность гильзы (цилиндра) больше, чем о поверх­ ность шнека (червяка). Для удержания гранул от кругового пере­ мещения в гильзе предусматривают продольные пазы. По разме­ рам пазы должны быть соизмеримы с гранулами полимера.

Исследование формулы (205) показывает, что при Ѳ = 0 дви­ жение гранул практически прекращается. Кроме того, при малом угле подъема винтовой линии создаются лучшие условия для транс­ портирования гранул.

Зона сжатия шнека представляет собой участок, на котором объем межвиткового пространства уменьшается за счет уменьше­ ния глубины нарезки. Сжатие расплава необходимо для увели­ чения теплопередачи.

Нагрев и плавление гранул происходят в первых двух зонах шнека. Соприкасаясь с нагретой поверхностью гильзы, гранулы плавятся, и расплав поступает в третью зону экструдера — зону выдавливания. Здесь происходят транспортирование, перемеши­ вание, равномерный нагрев и последующее выдавливание расплава в сборник (чашу). Из сборника расплав поступает в расплавопровод и распределяется к рабочим местам, снабженным дозирующими насосами, которые подают его к фильерам. Роль напорного на­ соса выполняет шнек. Одна плавильная головка обеспечивает рас­ плавом до восьми рабочих мест.

Многочисленные исследования показали, что при выработке капронового волокна целесообразнее применять однозаходные шнеки с короткой зоной сжатия, постоянным углом подъема вин­ товой линии и постоянным зазором между шнеком и гильзой.

Объемная производительность экструдера (см. рис. 157) в см3/с в зоне выдавливания с учетом обратного потока и потока утечки

224

[д, — динамическая вязкость расплава полимера; б — радиальный зазор между гильзой и шнеком

сучетом высоты зуба нарезки;

е= sicos ф — толщина, зуба нарезки вдоль оси шнека (s —

толщина зуба нарезки по нормали).

Анализ формулы (206) показывает, что производительность экструдера зависит от геометрических характеристик шнека (D, h, L, ф, б), технологических параметров (со, р г и р 2) и вязкости расплава. Чем больше зазор б, противодавление р 2 и короче зона выдавливания, тем меньше подача. Производительность макси­ мальна при ф = 0,436ч-0,785 рад. С увеличением h производи­ тельность растет в 3 раза меньше, чем при увеличении со [16]. В меньшей степени влияет на производительность экструдера длина L зоны выдавливания; но величина L существенно влияет на неравномерность подачи при изменении противодавления, а также на перепад температур расплава.

Общая длина рабочей части шнека колеблется в больших пре­ делах: от 15D до 30D. С увеличением L возрастают трудности изготовления шнеков.

Зазор б зависит от длины и диаметра шнека. Для шнеков ма­

к колебаниям противодавления, особенно, при большой глубине нарезки и малой длине зоны выдавливания. В связи с этим глубина нарезки шнека в зоне выдавливания не должна превышать 2,5 мм. При увеличении глубины нарезки не только увеличивается коле­ бание производительности, но и снижается качество расплава из-за большого перепада температуры.

Для получения полиамидного волокна рекомендуется приме­ нять шнек со следующими размерами [16]: общая длина L =

—20D; длина зоны выдавливания LB= 10D; зоны сжатия Lc =

=2D; зоны транспортирования LT = 8D; глубина нарезки в зоне

транспортирования hT = 5 мм, в зоне выдавливания hB = 1,5ч- ч-2,0 мм; угол подъема винтовой линии паза ф = 0,38 рад; шаг винтовой линии паза t = 56 мм. Диаметр D шнека можно брать в пределах 30—50 мм в зависимости от величины передаваемого крутящего момента.

При получении полиолефиновых волокон для плавления гра­ нул применяют и необогреваемые экструдеры с соотношением L : D = 8ч-12. Применение экструдеров с указанными соотноше­ ниями L и D дает возможность установить стабильный темпе­ ратурный режим. Окружная скорость шнека в таких экструдерах в 5 раз и более превышает окружную скорость шнека в обогревае­ мых экструдерах. Время пребывания полимера в зоне высоких

температур уменьшается до 5— 10 с (в других плавильных устрой­ ствах 900 с). Производительность достигает 15— 16 г/с, т. е. один экструдер может обеспечить расплавом до четырех рабочих мест.

§ 5. ДОЗИРУЮЩИЕ НАСОСЫ

Дозирующий насос служит для равномерной подачи раствора или расплава полимера из общего трубопровода к отдельной фильере формовочной машины.

На формовочных машинах в основном применяют зубчатые насосы. В зубчатых насосах раствор или расплав полимера, по­ ступающий из общего трубопровода в камеру всасывания, запол­ няет впадины между зубьями двух сцепляющихся и вращающихся колес. На некоторой длине рабочей линии зацепления в камере нагнетания происходит вытеснение (выдавливание) раствора или расплава из впадин зубьями колес.

Зубчатые насосы выполняют с внешним и внутренним зацепле­ нием.

По назначению насосы делят на следующие группы: дозирующие — подают раствор или расплав полимера к филье­

рам; напорные — подают раствор или расплав полимера к дозиру­

ющим насосам, обеспечивая необходимый подпор в их камере вса­ сывания;

спаренные напорно-дозирующие насосы — два насоса с одним приводным главным валом — первый насос создает необходимый напор в камере всасывания дозирующего насоса, а второй подает раствор или расплав полимера к фильерам.

В настоящее время на формовочных машинах химических волокон для дозирования растворов и расплавов применяют исключительно зубчатые насосы с внешним зацеплением.

Поршневые насосы из-за сложности и высокой стоимости не получили широкого распространения и в последние годы не выпускаются нашей промышленностью.

Основной характеристикой дозирующих насосов является подача за один оборот или единицу времени. Подача насоса за обо­ рот — это объем раствора или расплава, поданный насосом за один оборот главного вала (ведущего зубчатого колеса) в см3/об; м3/об. Подача насоса в единицу времени — это объем раствора или расплава поданный насосом за единицу времени. Обычно определяют секундную подачу в см3/с, м3/с.

К конструкции дозирующего насоса предъявляют следующие основные требования:

постоянная подача насосом раствора или расплава полимера во времени;

постоянная подача насоса при изменении давлений во всасы­ вающей и нагнетающей камерах;

226

отсутствие утечек раствора; малые габаритные размеры и небольшая масса насоса;

износостойкость деталей насоса и устойчивость к воздействию растворов, расплавов и высоких температур;

технологичность конструкции насоса, надежность в работе, удобство обслуживания, возможность регулирования подачи в определенных пределах.

Зубчатые насосы с внешним зацеплением

На рис. 158 и 159 приведены конструкции зубчатых насосов

свнешним зацеплением и боковым зазором для подачи растворов

ирасплавов полимеров. Зацепление без бокового зазора в дози­ рующих насосах обычно не применяют, так как в таком зацепле-

Принцип работы насоса заключается в следующем. Раствор или расплав полимера поступает по специальному каналу в кор­ пусе насоса в камеру всасывания В (рис. 160), заполняя впадины между зубьями колес. Вращающиеся колеса насоса переносят раствор из камеры всасывания В в камеру нагнетания Я, откуда подают раствор к фильере.

Корпус 8 насоса (см. рис. 158) служит для крепления на нем основных деталей и соединения с насосной стойкой. Ведущее

с и d от камеры нагнетания. Следовательно, изменение объема камеры нагнетания равно разности объема Qc6„, вытесненного зубьями а и Ь, и объема <2УД, освобожденного зубьями с и d, т. е.

Q — Фсбл -- <2уд-

Когда зубья а и і входят в зацепление, образуется новая ка­ мера нагнетания, ограниченная боковыми поверхностями зубьев а и Ь и стенками средней пластины.

а объем, на который увеличивается емкость камеры нагнетания,

dQуд = -у- (ri + ra) d<p— r„d(p = ~ {г\ г\ — 2r\) dtp.

Следовательно, объем раствора, поступающего в нагнетающий

229