Теория и практика экструзии полимеров

АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЛВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ ( ОДНОСТОРОННИМ И ВСТРЕЧНЫМ ВРАЩЕНИЕМ ШНЕКОВ И ПОТОКОВ УТЕЧЕК ЧЕРЕЗ ЗАЗОРЫ ЗАЦЕПЛЕНИЯ

Впервые уравнение для расчета производительности двухшне­ковых экструдеров было предложено автором работы |6| в виде

Стах = iNh(2n-of)(nDtga-e)(D-h), (3.65)

где у — число захолон винтовой нарезки; N — частота вращения шнеков; D, Л. а — наружный диаметр, глубина и угол подъема винтового канала шнека соответ­ственно; а' — угол перекрытия, который определяется по формуле

. , 2h h2

cos а = -—— +----------

D~h 2(1)-

Уравнение (3.65) определяет производительность двухшнеко­вого экструдера для крайнего (предельною) случая, когда С-об - разные секции винтовых каналов полностью изолированы друг от друга, и выражает следующий физический смысл: весь материал, заполняющий объем С-образных секций, выдавливается из каж­дого шнека за один оборот. Однако необходимость обеспечения геометрической совместимости обусловливает наличие зазоров их зацепления и, как следствие, отсутствие изолированности С-об­разных секций. Наличие же сопротивления формующего инстру­мента, на входе которого устанавливается давление Р выжимаю­щего действия сопряженного шнека, а также относительного дви­жения стенок винтовых каналов и цилиндра является причиной возникновения потоков утечек через зазоры зацепления шнеков.

С целью исследования влияния конструкции шнеков и на­правления их вращения на производительность двухшнсковых экструдеров авторы работ 135, 36, 45| проводили исследования их напорно-расходных характеристик. Эксперименты проводились на модельном экструдере с прозрачным цилиндром (рис. 3.38), ос­новным элементом которого является прозрачный корпус /, вы­полненный из оргстекла, с загрузочной воронкой 2 и штуцером 3. Установка была укомплектована набором однозаходных шнеков 4 без компрессии с длиной нарезной части 0,3 м, различной конфи-

I'm I 38. Схема экспсрнчснгалымж установки для исследования рабочих харакк-рн - • 1нк тумпнековмх экструдеров

I рацией и геометрическими размерами поперечного сечения шштоного канала.

[ ж размещения шнеков корпус имел два отверстия диаметром

II II I м и межцентровым расстоянием 0,032 м.

Из табл. 3.1 видно, что шнеки были изготовлены таким обра - <1М, чтобы можно было получить различную степень замкнутости « образных секций винтового канала, варьируя величины меж - II I 1ковых и боковых зазоров зацепления. Плотность зацепления оценивалась коэффициентом К, рассчитываемым как отношение || ющади зазора зацепления S шнеков к суммарной плошали Лу нормальных сечений винтового канала, а также кольцевого зазора. между внутренней поверхностью корпуса экструдера и гребнем н.(резки на длине одного шага (см. рис. 3.38).

Конструкция установки позволяла производить быструю смену шнеков, а универсальный привод 5 позволял плавно изменять час - юту и направление их вращения со встречного на одностороннее.

II. I выходе из модельного экструдера был установлен пробковый »ран 6, с номошыо которого можно было менять давление в голов­ке. а следовательно, и производительность установки. Для опрсде - юния зависимости величины потоков утечек от сопротивления го - ювки модельная жидкость (глицерин вязкостью 9,31 • 10-1 Па с) пи гибкому шлангу 7 нагнеталась во вход установки при непод­вижных шнеках 4 в направлении загрузочного отверстия 2. Экспе­римент проводился при постоянном давлении в головке, комтро - шруемом динамометром 8 и установленными в отверстиях 9 ма­нометрическими трубками 10. Подача модельной жидкости осуществлялась из резервуара 11 под действием сжатого азота, по - ываемого из баллона 12. OiGop глицерина при этом производился через штуцер 3. Манометрические трубки /0 служили также для ui. Mcpa давления по длине экструдера. Прозрачный корпус 1 по - < вол ял визуально исследован» распределение потоков модельной жидкости в рабочей полости экструдера. Эксперименты ироводи - шсь по следующей методике.

Соединив гибким шлангом 7выход из экструдера со штуцером за грузом ною отверстия и обеспечив тем самым рециркуляцию мо­дельной жидкости, с помощью универсального привода устанав­ливалась определенная частота вращения шнеков. После вывода экструдера на стационарный режим работы гибкий шланг отсое­динялся от штуцера загрузочного отверстия, и выходящий поток модельной жидкости направлялся в мерный цилиндр для опреде­ления производительности установки. Подача глицерина в загру­зочное отверстие при этом осуществлялась периодически с по­мощью мерного сосуда с пробковым краном, которым поддер­живался постоянный уровень модельной жидкости в загрузочном отверстии. Распределение давления по длине экструдера р = J{L), начальной точкой отсчета которой являлась середина загрузочной воронки, фиксировалось с помощью манометрических трубок. Производительность экструдера варьировалась пробковым кра­мом. установленным на выходе из экструдера. В каждом экспери - |«тс шмерялись давление р на выходе из экструдера и произво - Iи I' и. пость, при этом получали данные для построения рабочей чммеристики Q - Jp) при N = const. Определение зависимое - 1ги /> jL) и Q = Др) при других значениях частоты вращения мип ков осуществлялось по аналогичной методике. Для выявления

* уммарной величины потоков утечек через зазоры зацепления при игпо шижных шнеках (/V = 0) сжатым газом из резервуара /2 гли - ||( |)мн при р = const нагнетался в экструдер. Гибким шлангом, со-

• мшенным со штуцером загрузочного отверстия, модельная жид - мк п. направлялась в мерный цилиндр. При этом так же, как и мри снятии рабочих характеристик, фиксировалось давление по пине экструдера. Качественная оценка потоков, образующихся мри перемещении материала в винтовых каналах шнеков и зазо - p. ix «кгушествлялась наблюдением за вводимым в поток модель - м..и жидкости индикатором, представляющим собой смесь глице­рина и мелкодисперсной алюминиевой пудры.

На рис. 3.39 и рис. 3.40 представлены данные, полученные в •м периментах по исследованию распределения давления по дли­не шнеков двухшнекового экструдера со встречным и односторон­ним их вращением. Из этих рисунков видно, что как при N = 0 (неподвижные шнеки), так и при /V * 0 для шнеков как односто­роннего, так и встречного вращения изменение давления носит

нелинейный характер, т. с. dp/dL = var, причем с уве­личением длины экструде­ра растет и dp/dL.

С увеличением плот­ности зацепления шнеков (см. рис. 3.39 и 3.40, а так­же табл. 3.1) возрастает гра­диент давления dp/dL по длине шнека.

На рис. 3.41 представле­ны рабочие характеристики двухшнековых экструдеров с односторонним и встречным направлениями вращения шнеков, полученные при N = 0,333 с-1. Из этого рисунка видно, что характеристики экструдеров со шне­ками с разной плотностью зацепления К (см. табл. 3.1 и цифры на кривых) отличаются друг от друга только значениями dQ/dp. Следовательно, величина ЭQ/dp, определяемая как тангенс угла наклона прямых к оси абсцисс, может характеризовать напор­ную способность двухшнекового экструдера. Чем больше вели­чина dQ/dp, тем лучше эксплуатационные показатели двухшне­кового экструдера (больше производительность на единицу дав­ления).

Из рис. 3.42 следует, что при одном и том же значении плотно­сти зацепления транспортирующая способность двухшнскового экструдера со встречным вращением шнеков лучше, чем с одно­сторонним. Рабочие характеристики лвухшнековых экструдеров, полученные при разных значениях частот вращения шнеков неза­висимо от его направления (рис. 3.43), эквидистантны, что свиде-

Шнек N? I. К = 0.3077 (табл. 3.1)

Даплеиие и головке р■ 10 . МПа а

Гм» 3.43. Рабочие характеристики дв>шнскового экструдера:

.1 олиостороннсс вращение шнеков; б встречное крашение шнеков

I и. ствуст об идентичности процессов течения материала в рабо­чих органах машины при разных значениях частот вращения шне­ков.

нализ рабочих характеристик двухшнекового экструдера по­ка ил, что действительная его производительность QR намного меньше теоретической £)тшах, рассчитанной по формуле (3.65) (pin. 3.44). Разность С?”1ач —Qp=q - Л ^соответствует величине но­тка утечек, образующихся в результате наличия перепада давле­ния в С-образных секциях от выжимающего действия витков со­пряженною шнека и относительного движения поверхностей вин - Iоного канала в цилиндре, а разность Qpm0 - Qa = &QP (где Qa — ннствительная, или реальная производительность) — величине потока утечек, обусловлен­ных сопротивлением голов­ки (формующего инстру­мента). Оказалось, что уменьшение производи - кмыюсти па величину AQp равно расходу жидкости че­рез каналы и зазоры зацеп - 1сния при неподвижных шнеках и том же давлении при нагнетании жидкости со стороны головки. Поток утечек из С-образных сек­ций, обусловленный только выжимающим действием витков сопряженного шне­ка, зависит только от плот-

Рис. 3.45. Зависимость Qp~%/QTmtx от ко>ф - фнпнета плотности зацепления шнеков А

мости К их зацепления, характе­ризующей степень замкнутости указанных секций.

На рис. 3.45 приведена зави­симость относительного потока утечек из С-образных секций СУо/СГч от коэ<1>фшшента плот­ности зацепления шнеков К.