Теория и практика экструзии полимеров
Охлаждение заготовки и изделия в форме
Перераспределение профиля температур в головке в подавляющем большинстве случаев приводит к возникновению «темпера турной негомогенности* расплава и, как следствие, к получении* изделий низкого качества [6—8, 24, 25|. Поэтому при теоретичен ком анализе тепловых процессов выдувного формования исходи i из того, что необходимая температура материала и температурный профиль достигаются уже на конце шнека экструдера, а нагрет» тельные элементы копильника и формующего инструмента слу жат лишь для их поддержания.
При охлаждении заготовки в процессе ее выхода и выдувании происходит перераспределение температурного профиля в маге риале, которое можег оказывать существенное влияние на качс ство изделий. Так как экспериментальное определение профили температуры материала в заготовке сопряжено с большими тех ническими трудностями, большое значение имеют теоретиче» кие опенки распределения и ожидаемых колебаний температуры
Для заготовки обычно принимают, что температуропровол ность а и теплопроводность >, кристаллических полимеров оста ются практически постоянными вплоть до температуры кристал лизации, т. е. не зависят от температуры, как это видно на примере полиэтилена низкого давления из рис. 6.11.
Вне. 6.11. Температурная тависнмость температуропроводности (а) и теплопрово. тности (6) для ПЭНД [44]
11остановка и решение задачи об он|наделении радиального и продольник) температурных профилей материма заготовки для формования полых и «лелий наиболее полно рассмотрены и работах 125, 26]. Для простоты исхо - |ц in из схемы выхода заготовки, пока - миной на рис. 6.12, не учитывающей искажения формы трубчатого элемен - м при высокоэластическом восстановим ти и вытяжке экструдата под дей - мнисм собственного веса. Однако подложенная методика расчетов может быть реализована и дли более i южной конфигурации заготовки.
|
Рис. 6.12. Схема получения трубчатой заготовки: / мундштук; 2 — лори |
Конечная цель расчета — получение значений температур материала в побой точке заготовки по иоперечно - м сечению и по длине. Кроме геометрических параметров заготовки исходными данными для вычислений » |ужат теплофизические константы полимера: теплопроводность X, плотность р, теплоемкость с, температуропроводность а, коэффициен - I i. i теплопередачи от внутренних (а„), наружных (а„) и торцевых (аг) поверхностей (рис. 6.12).
Изменение температуры материала во времени описывается и $вестным уравнением, получаемым при рассмотрении теплового баланса:
|
д2Т |
|
Т адТ + —— + я |
|
дТ 0 = и |
|
(6.18) |
|
г дг Ъг |
Количество тепла, отдаваемое заготовкой окружающему воздуху, определяется из соотношения:
(6.19)
I дс Th и 7„ — температуры соответственно воздуха и поверхности материала.
|
(6.20) (6.21) |
Дифференциальные уравнения (6.18) и (6.19) могут быть решены при следующей формулировке граничных условий |25|:
’
УэтГ *"■' (т... v
|
глс Тх;,-1 - температура в точке с координатами дг и г при времени т; Ти, 7’„ и /, температуры материала в соответствующих точках. |
|
<6 ш |
Дополнительное граничное условие возникает из допущении о постоянстве температурного профиля по сечению заготовки и» выходе из формующей головки:
|
= Tr = const. |
Искомое распределение температур в радиальном и осево правлениях заготовки получается при решении дифференциальных уравнений (6.18) и (6.19).
Конкретные расчеты численным методом температурных про филей в радиальном и продольном направлениях для различный режимов экструзии полиэтилена низкого давления подробно опи саны в работе [25]. Сопоставление результатов к-орегического расчета с экспериментальными данными (рис. 6.13), проведенное на примере продольного профиля температур заготовки (измене ния температур по высоте), свидетельствует о хорошей точности решения задачи (24—26| по описанной методике.
Решающим фактором, определяющим производительность выдувного агрегата, является скорость охлаждения полого изделия н форме. Отбор тепла при охлаждении изделия происходит за счсi воды, охлаждающей стенки формы, и воздуха, поступающего в за готовку при раздуве. Количество отводимого тепла q может бы п. рассчитано по формуле:
|
(6.24) |
q = 3,6л(?Д//,
|
глс п — число гнезд раздувной формы; G — масса изделия; л// ■ (#,, - Ил) — раз ность энтальпий полимера при температурах расплава и извлечения изделия. = 0 50 100 150 200 250 300 0 50 НИ) 150 200 250 300 Рис. 6.13. Изменение температуры внешней поверхности заготовки по высоте без но дачи воздуха (а) и при подаче воздуха внутрь нманга(г)) /.. мм /., мм |
Значения У/р и //„ (в кДж/кг) для важнейших полиолефинов прими 1ятся ниже (температуры формования указаны в скобках) 118):
TOC o "1-5" h z нр //и А Я
11олиэтилен высокого давления < 11ЭВД)... 396 (140 *С) 230 (100 °С) 40
Полиэтилен низкого давления (ПЭНД)............ 564(180 *С) 250(120 'С) 75
Полипропилен (ПП)............................................ 5(Ю(190*С) 230(120*0 65
|
Т3- Тл |
|
Ф |
|
(6.25) |
|
Til Тф |
|
Продолжительность охлаждения определяют по формуле: то = Si In |
I и - 5,, — средняя (номинальная) толшина стенки изделия; а — коэффициент в мпсратуропроволности в рабочем интервале температур; 7 и 7ф — температура ыготовки и формы соответственно; '/], — температура изделия к моменту рас - М'ыгия <|юрмы, обычно принимаемая на 15—20 *С ниже температуры формоус - юмчивости.
