Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования экструзионных машин предприятий полимерных материалов. Учебное пособие.pdf
средних и больших типоразмеров оснащаются обычно электродвигателями постоянного тока. Достаточная степень универсальности шнековых машин обеспечивается при возможности регулирования частоты
вращения шнека в диапазоне 1 : 20.
Рабочий диапазон скоростей вращения шнеков современных машин
в зависимости от их типоразмера находится в пределах 5…250 об/мин
(прил. 1, табл. П.1.1 – П.1.3), а рабочие диапазоны частот вращения
электродвигателей – 400…3000 об/мин, отсюда очевидна необходимость введения в схему привода редуктора.
Наиболее часто в качестве привода шнековых машин используют
электродвигатели постоянного тока с редукторами типа ЦДП или
ЦДПВ и клиноременными передачами со сменными шкивами. В современных отечественных шнековых машинах универсального назначения в приводе используются электродвигатели постоянного тока с
тиристорным типом управления, которые имеют диапазон регулирования от 1 : 15 до 1 : 20. Гидравлические приводы или механические коробки скоростей имеют ограниченное применение.
Описание различных систем приводов экструзионных машин, их
достоинства и недостатки приводятся в работах [2, 7].
31
8. РАСЧЕТ СИСТЕМ ОБОГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ШНЕКОВЫХ МАШИН
Переработка полимерных материалов в изделия на шнековых
агрегатах сопровождается сложными тепловыми процессами. Нагрев
полимерного материала до необходимой температуры происходит в
основном за счет превращения в тепло механической энергии привода
шнека. Внешние обогревающие системы должны лишь компенсировать
разницу между эффективной потребностью в тепле (включая теплопотери за счет излучения и конвекции) и количеством тепла, получающегося путем превращения механической энергии. В свою очередь, величина этого превращения зависит от количества тепла, подводимого от
внешнего обогрева или отводимого охлаждающим устройством. Таким
образом, и привод, и нагревательно-охлаждающая система совместно
воздействуют на перерабатываемый материал, обеспечивая заданные
режимы переработки. На практике в современных шнековых машинах
применяются жидкостные и электрические системы обогрева:
• жидкостной обогрев осуществляется подачей циркулирующей
жидкости в специальную рубашку обогрева машины, а температура
жидкости задается и поддерживается с помощью термостата или теплообменника с насосной станцией;
• электрический обогрев осуществляется элементами сопротив-
ления при прямом контакте с нагревательными поверхностями или с
помощью индукционных нагревателей переменного тока промышленной частоты.
Применение жидких теплоносителей позволяет не только осуществлять равномерный нагрев всей теплоотдающей поверхности, но и
использовать их в качестве охлаждающих жидкостей. В качестве недостатка жидкостного обогрева можно отметить трудность достижения
высоких рабочих температур. Поэтому этот вид обогрева получил широкое применение лишь в шнековых машинах для переработки резиновых смесей.
Обогрев элементами сопротивления имеет следующие преимущества: достижение любых температур переработки, простота регулирования, незначительные габариты и затраты на обслуживание. Недостатком электрообогрева является наличие перепада температур на внутренней и наружной поверхностях обогреваемого цилиндра, что приводит к возникновению температурных напряжений, которые следует
учитывать при прочностном расчете цилиндра машины.
32
Индукционные нагреватели позволяют устранить этот недостаток
и заменить дорогостоящие элементы сопротивления из легированных
сплавов медными или алюминиевыми проводами. Тепло, получающееся от индуцированных вихревых токов в цилиндре или головке, доходит до материала в течение очень короткого времени, что не вызывает
большого перепада температур в обогреваемых элементах машины.
Поддержание заданного температурного режима переработки
осуществляется не только системами обогрева, но и системами охлаждения отводящими избыточное количество тепла.
Материальный цилиндр может охлаждаться воздухом или водой.
Воздушное охлаждение осуществляется обычно по зонам с помощью индивидуальных вентиляторов.
Водяное охлаждение осуществляется по зонам подачей воды в
спиральные каналы на внешней поверхности гильзы, запрессованной в
цилиндр, или с помощью медных трубок, уложенных в спиральные
канавки на наружной поверхности цилиндра без гильзы. Регулирование
охлаждения каждой зоны осуществляется с помощью вентилей изменяющих интенсивность подачи воды.
При переработке большинства термопластичных материалов необходимо охлаждать загрузочную часть цилиндра. Это предотвращает
преждевременное размягчение материала и связанное с ним сводообразование во входном отверстии загрузочного устройства, а также образование корки на первом витке нарезки шнека, что могут вызвать пульсацию или даже прекращение подачи материала в цилиндр. Охлаждение загрузочной части цилиндра защищает также подшипниковый узел
машины от недопустимого перегрева.
Для снижения коэффициента трения перерабатываемого материала о поверхность шнека его охлаждают водой, для чего шнек выполняют полым и помещают в него коаксиальную трубку. Вода поступает
через сальник или специальный затвор в трубку и охлаждает вначале
выдавливающий конец шнека, а затем течет обратно, навстречу потоку
массы. Для измерения температуры стенки материального цилиндра в
каждой зоне обогрева (охлаждения) устанавливается термопара, работающая в комплекте с соответствующим прибором автоматического
регулирования.
При работе шнековой машины можно выделить два основных периода:
• пусковой, когда происходит разогрев машины и формующего
инструмента до заданных температур;
• установившийся период, когда происходит непосредственно
процесс формования изделия.
33
В пусковой период с помощью нагревательных систем (жидкостных или электрических) происходит разогрев частей машины до заданного температурного режима, при этом энергия внешнего обогрева
расходуется не только на нагрев самих частей машины, но и на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду.
Уравнение теплового баланса машины в этот период имеет следующий вид:
Qн = Qц + Qч + Qг + Q
, (8.1)
пот
где Qн – количество тепла, подведенное с помощью системы внешнего
обогрева; Qц + Qч + Qг – соответственно, количество тепла, необходимое для разогрева цилиндра, шнека и формующей головки машины;
Q
– тепловые потери в окружающую среду цилиндром машины и
пот
головкой.
Решение уравнения теплового баланса в этот период сводится к
определению мощности электронагревателей цилиндра и головки или
расходу теплоносителя, необходимых для разогрева машины до заданной температуры с учетом необходимого времени разогрева, которое в
зависимости от типоразмера машины составляет (30...60) мин.
Мощность электронагревателей, необходимая для разогрева цилиндра Wц и головки машины Wг (кВт) определяется из соотношений:
τ++
QQQ
нагрпот.цгц
=
W
ц
W
860τ
нагр
τ+=QQ
г
860τ
нагр
, (8.2)
нагрпот.гг
. (8.3)
В случае применения жидких теплоносителей потребное количество теплоносителя для обогрева цилиндра G
определяется из соотношений:
=
G
т.ц.
=
G
т.г.
QQQ
)( τ−
ttС
τ+
QQ
нагрпот.г.г
)( τ−
ttС
и головки G
т.ц.
τ++
нагрпот.ц.гц
; (8.4)
нагрвыхвхт
. (8.5)
нагрвыхвхт
(кг/ч)
т.г.
Составляющие уравнения теплового баланса (8.1) могут быть определены по следующим соотношениям:
34
)(
ttCGQ −= ; (8.6)
где G
, Gч и Gг – соответственно, массы цилиндра, шнека и формующей
ц
головки, кг; С
, С
, Сг – соответственно, удельная теплоемкость мате-
ц
ч
риала цилиндра, шнека и головки, ккал/(кг
нкццц
)(
ttCGQ −=
; (8.7)
нкччч
)(
ttCGQ −=
; (8.8)
нкггг
)(
ttFQ −α=
; (8.9)
вк.к.ццпот.ц.
)(
ttFQ −α=
, (8.10)
вк.г.ггпот.г.
град); tн и tк – соответственно, начальная и конечная температуры нагрева машины, оС; Fц и Fг –
соответственно, площади наружной поверхности цилиндра и головки, м2.
Если цилиндр и головка покрыты слоем изоляции, то площадь определяется по поверхности изоляции. t
и t
– соответственно, температу-
к.к
к.г
ры наружной поверхности цилиндра и головки, оС. Если цилиндр и головка покрыты слоем теплоизоляции, то температура наружной поверхности задается в пределах (40...80) оС; t – температура окружающей среды (окружающего воздуха) оС; αц и αг – соответственно, коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции для цилиндра и формующей головки, ккал/(м
2
град).
Значения коэффициентов теплоотдачи αц и αг могут быть опреде-
лены по методике, описанной в работе [7].
Определяются значения критериев конвекционного теплообмена
Грасгофа (Gr) и Прандтля (Рr) по соотношениям:
3
gl
Gr
Pr
t
; (8.11)
2
c
, (8.12)
где l – геометрический (определяющий) размер, м. В качестве определяющего размера необходимо выбирать тот геометрический размер,
который оказывает решающее влияние на протекание рассматриваемого процесса;
– коэффициент кинематической вязкости жидкости (газа), м2/ч; β – коэффициент объемного расширения жидкости (газа),
1/град; γ – удельный вес жидкости (газа), кг/м3; с – теплоемкость жидкости (газа), ккал/(кг
сти (газа), ккал/(м
град); λ – коэффициент теплопроводности жидко-
ч
град); ∆t – разность температур между температу-
рой теплоотдающей поверхности и температурой жидкости (газа), °С.
35
В зависимости от произведения (Gr ⋅ Рr) по табл. 8.1 выбирается
l
λ
критериальное уравнение Нуссельта, описывающее режим при свободной конвекции в неограниченном пространстве в виде
CттPr)Gr(Nu =
n
. (8.13)
В качестве определяющей температуры принята средняя темпера-
тура пограничного слоя tт = 0,5(tw + tf), где tw – температура теплоотдающей поверхности;
t
– температура воздуха на достаточном удале-
f
нии от поверхности.
Определяющий линейный размер, входящий в уравнение (8.11)
зависит от вида и расположения поверхности. Для цилиндрических
поверхностей при горизонтальном расположении в качестве определяющего линейного размера принимается наружный диаметр D, при
вертикальном расположении – высота Н; для плоских поверхностей
при горизонтальном расположении принимается ширина (меньший
размер), а при вертикальном расположении – высота Н.
Критериальные уравнения свободной конвекции в неограниченном пространстве представлены в табл. 8.1.
Исходя из значения критерия Нуссельта (Nu), характеризующего
теплообмен на границе твердое тело – жидкость (газ) и рассчитанного
по соответствующему критериальному уравнению, определяют значение коэффициента теплоотдачи α ккал/(м
Nu
=α
2
⋅ ч ⋅
град):
. (8.14)
Если плоская теплоотдающая поверхностью обращена вверх, то
полученное значение α увеличивается на 30 %, а если теплоотдающая
поверхность обращена вниз, то α уменьшается на 30 % [7].
Таблица 8.1
Режим (Gr Рr)т С п Уравнение
Переходный
Ламинарный
Вихревой
1 ⋅ 10–3…5 ⋅ 102
5 ⋅ 102…2 ⋅ 102
20 ⋅ 106…10 ⋅ 10
1,18 1/8 Nuт = 1,18 (Gr Рr)
0,54 1/4 Nuт = 0,54 (Gr Рr)
12
0,135 1/2 Nuт = 0,134 (Gr Рr)
1/8
1/4
1/2
36
После определения обшей мощности нагревателей на головке и
цилиндре или расхода теплоносителя задаются числом зон обогрева
головки и цилиндра и проводят расчет электронагревателей каждой
зоны. Количество зон обогрева цилиндра машины для переработки
термопластов принимается равным n = (4...10), чем чувствительнее материал к перегреву, тем больше необходимо зон обогрева. На практике
цилиндры шнековых машин имеют от четырех до пяти зон обогрева с
длиной зоны (4...5) D, их температурный режим поддерживается с помощью приборов автоматического регулирования.
Формующий инструмент имеет в зависимости от вида выпускаемого изделия и конструкции минимум две (простые головки для экструзии шлангов) и максимум до десяти зон (щелевые головки с шириной щели более 2 м) обогрева.
Предварительный нагрев цилиндра и головки необходим для аккумулирования тепловой энергии в большой массе металла цилиндра
машины и головки, чтобы избежать резких колебаний температуры
перерабатываемого материала.
В установившийся период нагреватели работают в импульсном
режиме для покрытия теплопотерь в окружающую среду и теплопотерь
с охлаждающей водой, а также для частичного разогрева перерабатываемого материала в каналах шнека и головки.
В установившийся период работы шнековой машины уравнение ее
теплового баланса можно представить в следующем виде:
QN + Qк + Qг = Qм + Q
пот.ц
+ Q
пот.г
+ Q
п.з
+ Q
, (8.15)
п.ч
где QN – количество тепла, выделяющегося в перерабатываемом материале за счет потребления мощности N; Qк – количество тепла, подводимое к цилиндру машины за счет внешнего обогрева; Qг – количество
тепла, подводимое к головке извне; Qм – количество тепла, необходимое для разогрева перерабатываемого материала до заданной температуры; Q
Q
– количество тепла, отводимое водой в зоне загрузки машины;
п.з
Q
– количество тепла, отводимое водой, охлаждающей шнек.
п.ч
пот.ц
и Q
тепловые потери цилиндра и головки машины;
пот.г
Решение уравнения теплового баланса в установившийся период
сводится к определению количества тепла необходимого для подвода к
цилиндру машины от внешних нагревателей.
Составляющие уравнения теплового баланса определяются по
следующим соотношениям [7].
37
Количество тепла, выделяющееся в перерабатываемом материале
(
)
при потреблении мощности N
Q = 860 N, кДж, (8.16)
где N = N1 + N2 – мощность, превращающаяся в тепловую энергию, кВт.
Количество тепла, необходимое для разогрева перерабатываемого
материала до заданной температуры:
0
0
мкммм
)(
ttСGQ −=
, (8.17)
мн
где Gм – производительность шнековой машины, кг/ч; См – средняя
теплоемкость перерабатываемого материала в диапазоне температур
0
0
t
и
t
мк
, ккал/(кг ⋅ град);
мн
0
0
t
и
t
мн
– начальная и конечная температу-
мн
ры перерабатываемого материала, °С.
Тепловые потери цилиндром машины Q
и головкой Q
пот.ц
пот.г
опре-
деляются аналогично как для пускового периода.
Температура формующей головки обычно принимается равной
температуре последней зоны цилиндра или даже меньшей нее. При
движении перерабатываемого материала по головке наблюдается повышение его температуры вследствие дросселирующего воздействия
головки.
Количество тепла, подводимое к головке машины от перерабатываемого материала, будет равно
0
0
)(
ttСGQ −=
, (8.18)
н
0
где
t
– конечная температура полимера после выхода из головки, °С;
к
0
t
– температура полимера перед входом в головку, °С.
н
кммг
Количество тепла, отводимое водой, на охлаждение шнека
0
ttСGQ −=
, (8.19)
1в02вввп.ч
где Gв – расход воды на охлаждение шнека, кг/с; Св – теплоемкость
0
воды, Дж/(кг ⋅ град); (
0
t
–
t
) – перепад температуры охлаждающей
2в
1в
воды, который для расчета принимается равным (5...10) °С.
Расход воды Gв определяется из соотношения
Gв = fV 3600 γ, (8.20)
38
где f – площадь кольцевого канала между внутренней полостью шнека
n
и трубкой для подвода воды, м2; V – скорость движения воды в охлаждающем канале, которая выбирается в диапазоне (0,1...0,8) м/с; γ –
удельный вес воды, кг/м3.
Количество тепла, отводимое водой в зоне загрузки Q
рассчиты-
п.з,
вается аналогично охлаждению шнека.
После нахождения количества тепла, необходимого для подвода к
цилиндру машины в установившийся период Qк, принимают число зон
обогрева и определяют мощность одной зоны
Q
к
Q
=
п
, (8.21)
где n – число зон обогрева цилиндра.
Исходя из наибольшей потребной мощности для пускового и установившегося периодов, производят подбор нагревателей.
39
9. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ
∆
ШНЕКОВЫХ МАШИН
Прочностные расчеты деталей шнековых машин выполняются
после предварительного выбора геометрических размеров шнека и расчета технологических параметров. Прочностные расчеты выполняются
с учетом вида силовой нагрузки и режима работы. Целью прочностного
расчета является определение размеров основных деталей машины
(толщины стенки цилиндра, размеров соединительных элементов,
максимального прогиба шнека), выбор и расчет упорно-опорных элементов и др.
Прочностной расчет производится на максимально возможные
усилия, возникающие в шнековых машинах.
1. Максимальное давление развиваемое шнеком (Р
). Макси-
max
мальное давление развивается шнеком, когда отверстие в головке закрыто и нет выхода материала из машины (производительность равна
нулю)
P
max
β−α
FnF
βα
ii
µ
, (9.1)
0
=
ср
откуда
µα
nF
α
max
β
i ср
=
P
, (9.2)
F
β
i
где µср – средняя по длине шнека вязкость перерабатываемого материала; αi и βi – постоянные прямого и обратного потоков для шнеков с постоянной или переменной глубиной нарезки в зоной дозирования или
переменным шагом; n – скорость вращения шнека; Fα и Fβ – коэффициенты формы прямого и обратного потоков (при переработке термопластичных материалов принимают Fα = Fβ = 1).
Значение средней вязкости материала µср определяют из следующего соотношения
P
общ
β−α=
где Q – производительность машины;
FnFQ
βα
ii
, (9.3)
µ
ср
P∆ – перепад давления в го-
общ
ловке.
40