9

конденсату через шар матеріалу і нагріває його. Аналогічно відбувається процес у касетних установках, які складаються з декількох форм.

Для кінцевого здимання заготовок полімерних композитів використовують парові або водяні камери.

Процес термообробки полімерних листів у камері поділяють на три періоди: І — підйом температури, ІІ — ізотермічна витримка, ІІІ — охолодження (рис. 10.14).

Рис. 10.14

Підвищення температури починається з моменту пуску пари в камеру і закінчується з досягненням температури, потрібної для проведення процесу. У перший період пара потрапляє в камеру у вигляді конденсату і проникає в пори матеріалу заготовки. Найшвидше нагрівається поверхня заготовки, яка отримує виділену приховану теплоту пароутворення. Температура в камері дорівнює 83…85 ºС. Для підвищення її до 95…98 ºС трохи підвищують загальний тиск, який складається з парціальних тисків пари Р'п та повітря Р'пов в камері до запуску туди пари:

Pзаг = Pп′ + Pпов′ .

Оскільки парціальний тиск пари менший за атмосферний, то і температура в камері буде меншою за 100 ºС. Замість підвищення тиску пари у камері можна створити вакуум, тобто зменшити Р'пов.

У другому періоді температуру в камері підтримують постійною, такою, яка дорівнює максимальній, досягнутій у першому періоді.

Тривалість другого періоду від τ1 до τ2 визначається часом, потрібним для рівномірного прогрівання всіх шарів матеріалу.

У третьому періоді відбувається процес охолодження холодною водою, яка надходить у камеру.

241

Тепловий розрахунок камери проводять для всіх трьох періодів. У першому та другому періодах задача теплового розрахунку — визначити кількість теплоти, потрібної для забезпечення камери теплотою в циклі підігрівання та ізотермічної витримки.

Витрати теплотиупершому періоді зачасτ1 складаються зтаких витрат:

∑QІ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5,

де Q1, Q2, Q3 — кількість теплоти, витраченої відповідно на нагрівання матеріалу, металевих частин камери та стінок камери; Q4 — втрати у навколишнє середовище; Q5 — невраховані втрати, які становлять

10—15 % від (Q1 + Q2 + Q3 + Q4).

Витрати пари в першому періоді за час τ1

де іп, ік — ентальпія відповідно пари та конденсату.

Витрати теплоти в другому періоді за час τ2 складаються із втрат теплоти у навколишнє середовище та неврахованих втрат:

∑ QII = Q4 +Q5 .

Витрати пари визначають аналогічно за формулою (10.101).

У третьому періоді треба визначити кількість води для охолодження матеріалу та камери.

Аналогічно розрахунку камери розраховують автоклавні установки, які працюють під тиском 0,12…0,15 МПа.

Для попереднього неперервного здимання матеріалу використовують черв’ячні, барабанні та карусельні машини. Витрати теплоти у черв’ячних та барабанних машинах можна визначити за формулою

Q = Qн + Qвт,

де Qн — кількість теплоти, витраченої на нагрівання матеріалу; Qвт — втрати у навколишнє середовище.

Витрати пари визначають за формулою

P = iп Q−iк .

Повні витрати теплоти за весь цикл процесу здимання та спікання у карусельній машині можна розрахувати за формулою

Q = Qн + Qф + Qвт,

де Qн, Qф — витрати теплоти відповідно на нагрівання матеріалу та форми; Qвт — втрати у навколишнє середовище.

242

Стабілізація розмірів виробів після їх виготовлення. Після пере-

робки полімерні матеріали здебільшого перебувають у напруженому, нерівноважному стані. Цей стан стабілізується протягом тривалого часу — виріб зменшує свої розміри, що характерно для кристалічних полімерів. Швидке охолодження відформованого виробу призводить до того, що більша частина аморфної фази залишається некристалізованою. У процесі зберігання та експлуатації цих виробів аморфна структура переходить у кристалічну. Наприклад, кристалічність поліетилену підвищується на 6 % за 1300 діб. Процес переходу супроводжується об’ємною усадкою виробів, яка виникає також унаслідок орієнтації молекул у матеріалі. Залишкові напруження полімерних виробів можуть призводити до появи волосяних тріщин, зміни міцності, зниження температури, за якої матеріал починає жолобитись. У зв’язку із цим виникає питання про зняття напружень та отримання стабільних розмірів виробу одразу після його виготовлення.

Релаксація напруженого стану прискорюється в багато разів, якщо додатково підігріти матеріал. Тривалість релаксації можна визначити за залежністю об’єму матеріалу від температури переробки.

Рівняння для визначення часу релаксації має такий вигляд:

де Vр — рівномірний питомий об’єм матеріалу; V — об’єм, який треба отримати після часткового або повного зняття напруженого стану; V0 — об’єм у початковий момент часу, з якого починається релаксація напружень; k — стала швидкості ізотермічного розширення матеріалу; τ — тривалість релаксації залежно від температури, за якої відбувається процес.

Підвищуючи температуру термічної обробки полімерних виробів, можна зменшити тривалість релаксації.

Для розрахування кривої теплообробки потрібно знати залежність зміни об’єму полімерного матеріалу від температури та константу швидкості ізотермічного розширення матеріалу. На підставі цих даних можна розрахувати тривалість теплової обробки за визначеної температури. Зазначені величини теоретично визначити не вдалося, що не дозволяє провести тепловий розрахунок стабілізації розмірів полімерних виробів. Тому на практиці використовують дані, отримані на підприємствах під час виробництва цих деталей.

243

Розділ 11 Шляхи інтенсифікації,

автоматизації та керування тепловими процесами під час переробки полімерних матеріалів

Процеси теплопередачі у теплообмінних апаратах описують рівнянням теплопередачі:

Q = kF∆tcp ,

тобто кількість теплоти, перенесеної через поверхню F, прямо пропорційна площі поверхні F, коефіцієнту теплопередачі К та середньому температурному напору:

∆tcp = ∆tδ −∆∆tδtм . ln ∆tм

Отже, можна накреслити такі способи інтенсифікації теплообмінних процесів:

—збільшення площі поверхні, яка віддає теплоту, чого досягають утворенням на теплообмінній поверхні різних розгалужень;

—збільшення мінімального α у процесі (тому що коефіцієнт термопередачі менший за найменший коефіцієнт тепловіддачі — K < αmin);

—зменшення товщини стінки і збільшення її теплопровідності;

—використання протитечії, оскільки у цьому разі ∆tср буде максимальним.

Процес сушіння можна інтенсифікувати за рахунок:

—збільшення температури сушильного агента;

—збільшення швидкості сушильного агента;

—розгалуження поверхні та зменшення товщини матеріалу, який сушать.

244

Процеси нагрівання або охолодження тіл різної форми описують диференціальними рівняннями нестаціонарної теплопровідності і роз- в’язують переважно у вигляді критеріальних графоаналітичних залежностей

θ = ϕ(Bi, Fo).

Оскільки тривалість нагрівання або охолодження тіл входить у критерій Фур’є

Fo = aL2τ ,

легко помітити, що час τ менший, коли менший критерій Fo, і особливо там, де менший визначальний розмір L. Критерій Fo, як свідчать аналізи графіків, зменшується зі збільшенням велечин Bi та θ. Отже, чим більше значення критерію Bi, тим менша величина Fo.

Проаналізуймо критерій Bi:

Bi = αλL .

Коефіцієнт λ змінюється з температурою (для полімерів) незначно, його використовують у розрахунках як середньоінтегральну величину в діапазоні температур переробки полімерів, отже, суттєво не впливає на процес інтенсифікації нестаціонарної теплопровідності. Визначальний розмір L зменшує значення Bi; оскільки на критерій Fo він впливає у квадраті, то за рахунок L, особливо коли задано розміри тіла, інтенсифікувати процес неможливо.

Очевидно, для інтенсифікації процесу через критерій Bi слід використовувати двостороннє охолодження порожнистих виробів або підвищувати інтенсивність тепловіддачі α.

Слід знати, що α за вільної конвекції буде малим. За ламінарної течії рідини у каналах α менший, ніж за перехідного і турбулентного режиму руху рідини. Значення α за подовжнього омивання виробу менше, ніж за поперечного. За поперечного омивання менше, ніж за конденсації, кипіння.

Якщо теплоносієм слугує повітря, інтенсивність тепловіддачі нижча, ніж з використанням води. У цих процесах слід також враховувати тепловіддачу за рахунок випромінювання, хоча α випромінювання порівнянна для полімерів з α у разі вільної конвекції.

245

Збільшити тепловіддачу можна також за рахунок використання холоднішого теплоносія, тобто за рахунок збільшення перепаду температур

тверде тіло — рідина.

Переробка полімерних матеріалів — процес, пов`язаний з урахуванням великої кількості параметрів, до яких належать температура переробки, тиск неньютонівських рідин та ін.

Сучасний рівень розвитку промисловості потребує розглядати теплову установку, а також контрольно-вимірювальну апаратуру та регулювальні прилади як взаємозв`язану систему, яка забезпечує технологічні вимоги щодо переробки полімерних матеріалів.

Теплову установку називають об’єктом автоматизації, а регулювальні прилади — автоматичним регулятором. Температура в зонах машини для переробки полімерів, тиск у формувальному інструменті та інші фактори, які визначають в установці процес впливу на матеріал, називають параметрами автоматизації. Як оцінку теплоносія обирають відповідні вхідні і вихідні параметри, наприклад tвх, tвих або Рвх, Рвих тощо. Потік енергії характеризується деякими вхідними і вихідними величинами, вимірювання яких у процесі переробки матеріала визначальне.

Щоб з’ясувати властивості об’єкта автоматизації для економічно обґрунтованої і технологічно правильної розробки системи контролю, керування й регулювання, потрібно установити головну задачу автоматизації, визначити параметри автоматизації, установити відповідні місця контролю і регулювання параметрів, встановити взаємозв’язок обраних параметрів та відповідний ступінь їх автоматизації.

Розгляньмо першу групу установок, у яких матеріал розігрівають за рахунок пластичної деформації. У цих установках теплота виділяється під час переміщення матеріалу під дією прикладеної механічної сили. Теплота у матеріалі виділяється нерівномірно щодо поперечного перерізу установки і залежить від швидкості зміщення та динамічної в’язкості. Виділена теплота поширюється за рахунок теплопровідності по матеріалу, передається до металевих частин установки і втрачається від них у навколишньому середовищі. До таких установок належать вальці, адіабатичний екструдер.

Характеристику процесу — властивості першої групи — визначають з рівняння теплового балансу:

де Q1 — кількість теплоти, підведеної до системи (дорівнює продуктивності внутрішнього джерела теплоти)

Q1 = qдV ;

246

Q2 — втрати у навколишнє середовище; Q3 — кількість теплоти, витраченої на нагрівання матеріалу до визначеної температури. Питома продуктивність внутрішнього джерела теплоти:

qд = τн − dV .dr

Напруження зміщення

n

τн = K dV ,dr

де К — константа, яка характеризує властивості матеріалу змінювати свою форму; dVdr — градієнт швидкості; п — індекс плинності розплаву.

Якщо врахувати, що

У формулах (11.2) і (11.3) µ — динамічна в’язкість матеріалу; L — довжина установки; P1 — сила тиску, під дією якої матеріал переміщується по установці; P2 — сила тиску, яка заважає матеріалу рухатися.

Втрати в навколишнє середовище Q2 можна визначити за відомим виразом

і вважати постійними для процесу в цьому приміщенні. У рівнянні (11.4) К — коефіцієнт теплопередачі від полімера до навколишнього середовища через стінку; F — поверхня теплообміну; ∆tcp — перепад температур.

Кількість теплоти на нагрівання Q3 визначають за законом Ньютона:

Q3 = GC(tк −tп) .

Отже, визначивши значення складових рівняння (11.1), запишемо загальне рівняння теплового балансу для обладнання першої групи:

KV (r P12µ−LP2 )n+1 = A +GC(tк −l н) .

247

Звідси, знаючи tп, C, G та задавшись значеннями tк та P2 з технологічних умов, можна визначити P1 = f (tк). Отже, головна задача автоматизації установок першої групи — забезпечити сталість кінцевої температури матеріалу tк за рахунок сили, докладеної ззовні до матеріалу, тобто основним параметром автоматизації буде tк, а вхідним — P1. Крива зростання температури матеріалу до значення tк матиме постійний характер, тому обладнання першої групи рідко використовують у промисловості.

Розгляньмо другу групу теплового обладнання, яка характеризується виділенням внутрішньої теплоти від прикладеної сили під час транспортування матеріалу по установці з одночасним підведенням теплоти до матеріалу ззовні через стінку установки. До такого обладнання належать каландри, вальці, екструдери, литтєві машини. Для цієї групи обладнання рівняння теплового балансу

KV (r P12µ−LP2 )n+1 +Qзов = A +GC(tк −tп) ,

де K — константа деформації; V — об’єм матеріалу; P1 — сила тиску на одиницю поверхні, під дією якої матеріал рухається по устаткуванню, P2 — сила, яка перешкоджає матеріалу рухатися; µ — динамічна в’язкість; r, L — радіус та довжина устаткування; n — індекс плинності розплаву; Qзов — кількість теплоти, підведеної до матеріалу ззовні;

У цьому разі процес стає керованим, тобто за рахунок підведення теплоти ззовні можна змінити температурну криву матеріалу по всій довжині устаткування. Вихідним параметром автоматизації залишається температура матеріалу tк, а вхідний параметр складатиметься з двох параметрів:

qзов та qд = K (r P12µ−LP2 )n+1.

Якщо qд визначає якусь сталу криву наростання температури матеріалу по довжині устаткування, то змінюючи qзов, можна змінювати цю криву. Отже, обладнання другої групи з погляду технології та автоматизації більш перспективне та економічно доцільне, оскільки витримує різні теплові впливи та дозволяє отримати матеріал очікуваної якості.

Обладнання третьої групи — це сушильні апарати. Єдиний принцип автоматизації цього обладнання — підведення теплоти безпосередньо до матеріалу тільки ззовні, без дії механічної енергії. В обладнанні відбуваються складні процеси тепломасообміну. Параметри регулювання в сушарці можна звести в таку таблицю:

248

проблем — неодмінна умова поліпшення якості продукції, підвищення техніко-економічних показників та скорочення чисельності обслуговуючого персоналу.

Використання мікропроцесорної техніки дозволяє управляти технологічними параметрами та підтримувати складні залежності між ними. Гнучкість програмування, точність контролю та управління, простота налагодження, а також постійне зниження вартості мікропроцесорів забезпечує повне керування процесом екструзії без втручання оператора. Для створення високоефективної системи керування на базі обчислювальної техніки, потрібно мати математичний опис процесу екструзії, на основні якого розроблюють відповідні алгоритми (закони) керування та програмне забезпечення.

Створення математичного опису об’єкту потребує точного уявлення про технологічний процес, зокрема знання таких його критеріїв та характеристик: типу перероблюваного матеріалу, його реологічних властивостей, діапазону допустимої зміни температури, тиску та обертової частоти черв’яка, відповідної температурної гомогенності розплаву, продуктивності обладнання, взаємозв’язку між всіма цими параметрами.

Одна з найважливіших експериментальних характеристик процесу екструзії — визначення передатної функції, яка зв’язує зміну обертової частоти черв’яка з температурою і тиском розплаву в головці. На підставі отриманого математичного опису процесу розробляють алгоритми керування технологічною лінією. Мета керування полягає в оптимізації роботи обладнання. Критерій оптимальності може бути різним залежно від конкретних вимог, наприклад: отримання максимальної продуктивності, поліпшення якості виробів, зниження енерговитрат, робота з мінімальними допусками розмірних показників та ін.

Крім того, використання мікропроцесорної системи керування сприяє досягненню повної повторюваності технологічного процесу та, якщо треба, швидкої перебудови на новий технологічний регламент, інший сортамент виробів, матеріал.

У пам’яті системи можуть зберігатися десятки різних програм, що дозволяє, якщо треба, вибирати будь-яку, яка відповідає певному технологічному регламенту. Для керування технологічними процесами обов’язкова наявність надійної системи збору даних вимірювань. При цьому особливу увагу належить звертати на точність, відтворюваність, надійність та довговічність датчиків вимірюваних величин.

Системи керування екструзійним обладнанням на базі ЕОМ, як і інших промислових об’єктів, будують за ієрархічним принципом.

На нижньому рівні — датчики контролю технологічних параметрів об’єкта керування. На наступному рівні — локальні регулятори (аналого-

250