Теория и практика экструзии полимеров

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ В С-ОБРАЗНЫХ СЕКЦИЯХ И ЗАЗОРАХ ЗАЦЕПЛЕНИЯ ШНЕКОВ

Для теоретического анализа работы двухшнековых экструдеров необходимо знание распределения потоков утечек перерабатывае­мого материала в С-образных секциях и зазорах зацепления шне­ков. Метод отбора проб с контрастными красителями, использо­ванный в работах |1, 26|, исключает возможность исследования механизма возникновения и распределения потоков утечек в вин­товых каналах.

Прозрачный цилиндр из органического стекла, использован­ный в молельном двухшнековом экструдере |45| (рис. 3.38), на­много упрощает визуальное наблюдение картин течения жидко­сти, по распределению красителя в которой возможно получение непрерывной информации о направлении потоков утечек. Визу­альные наблюдения в этих экспериментах показали наличие сле­дующих потоков жидкости при работе лвухшнековых экструдеров (рис. 3.46): поршневого (принудительного) потока Qp и Qd, потока (У в валковом (радиальном) зазоре между гребнями и сердечни­ками сопряженных шнеков, потока Q/ в зазоре между боковыми поверхностями винтовых нарезок, потока Q6 в аксиальном зазоре между гребнем шнека и внутренней поверхностью цилиндра.

Поршневой поток состоит из так называемых С-образных сек­ций, образованных боковыми поверхностями витков и охватыва­ющего цилиндра и ограниченных с обоих концов валковыми и бо­ковыми зазорами, которые двумя рядами продвигаются к форму­ющему инструменту. При неизменных геометрических размерах винтовых каналов, что характерно для зоны дозирования (выдав­ливания), картина движения вязкой жидкости во всех секциях идентична. Относительное движение боковых стенок винтового канала и сердечника шнека вызывает появление вынужденного потока Qd, а выжимаюшее действие витков сопряженного шнека и наличие сопротивления формующего инструмента обусловливает 294

icinic потока под давлением Qp внутри отдельной С-образной

• • г ним (см. рис. 3.46).

Продольный градиент давления (Эp/dz)k* являющийся резуль - |iiiIiM воздействия витков сопряженного шнека и сопротивления формующего инструмента, является причиной возникновения по - ю> он утечек через зазоры зацепления шнеков — боковой б5 и меж-

• ■«!||ковый 5q. Кроме того, на формирование потоков утечек через

1. 1МИНЫС зазоры большое влияние оказывают относительное пни сине боковых сгснок винтовых каналов и цилиндрических поп» рмюстей сердечника и выступа нарезки шнеков.

Следовательно, потоки утечек через боковые и межвалковые зазоры складываются, в свою очередь, из вынужденного потока и потока иод давлением.

Наблюдения показали, что в боковых зазорах зацепления шне­ков течение жидкости является прямолинейным — параллельно стенкам зазора, и его можно рассматривать как поток между двумя вращающимися плоскими сегментами при одновременном дей­ствии градиента давления. Это является свидетельством правиль­ности постановки и решения задачи течения жидкости через бо­ковой зазор, рассмотренной в предыдущем разделе.

Известно, что у толкающей (напорной) стенки винтового кана­ла давление больше, чем у пассивной. Обычно в зацеплении шне­ков напорная стенка одного шнека является смежной для пассив­ной стенки другого, в результате чего возникает перепад давления между ними.

Этот перепад начинает действовать на 1/8 от максимальной длины бокового зазора [45|. В этой области прямолинейность дви­жения потока искажается, и он направляется в смежную С-образ - ную секцию того шнека, боковая поверхность нарезки которою, ограничивающая зазор, является в то же время пассивной стенкой канала.

Одновременно некоторая часть материала, находящаяся у толкающей стенки в области зацепления, под действием того же перепада давления переходит через боковой зазор, сливаясь там с основным потоком, в смежную секцию (см. рис. 3.46). Именно этот дополнительный поток влияет на вид эпюры ско­ростей в плоскостях / и 5 (см. рис. 3.9). Плоскость / находится у активной стенки канала (см. рис. 3.9), а переток из этой обла­сти в смежную секцию ослабляет обратный поток, следователь­но, уменьшает его скорость в направлении оси z. У пассивной стенки (плоскость 5) происходит обратное явление, т. е. на об­ратный поток накладывается дополнительный из бокового зазо­ра, увеличивая, соответственно, и скорость. Следует отме­тить, что утверждение автора работы |1б|, который считал, что движение материала в смежную секцию под действием перепа­да давления между толкающей и пассивными стенками капала сопряженных шнеков происходит по аксиальному зазору, оши­бочно, так как этот переток осуществляется через крайнюю об­ласть бокового зазора.

Поток утечек Qв валковом зазоре б0 между гребнем одною шнека и сердечником другого, обусловленный наличием градиен­та давления между отдельными С-образными секциями и относи­тельным движением плоскостей, имеет сложный характер. Карти­на течения материала во входном участке и в самом зазоре анало­гична таковой при несимметричном вальцевании. Активная циркуляция жидкости на входе в валковый зазор (см. рис. 3.23) интенсифицирует процесс смешения, а градиент давления в

«i. i 11 nihim зазоре является при­нтом возникновения ДОПОЛ­НИМ - Н. мою потока утечек из i обратной секции.

I темпе в аксиальном зазо - I•«* о ничем не отличается от inнока н кольцевом зазоре, од­нако под действием движения ноигрчиостей выступа траек - (орпя движения частиц по м« ре удаления от области за­мен н мия отклоняется от оси шпека в сторону вращения пип-ков (см. рис. 3.46). Сте­пп и. отклонения зависит от ч. и югы вращения шнека и ве­тчины аксиального зазора 6.

Дли количественного опи - • амия расхода утечек из С-об - р. имой секции необходимо танце направления элемен - I ipm. ix потоков и их движу­щей силы. С этой целью проанализируем распределение давле­ния развиваемого в отдельной С-образной секции (рис. 3.47) nil немом V = V2 = V. Толкающие стенки винтового канала поме­чены цифрой «2», а пассивные — цифрой «1». Аналогичным обра­ти обозначены стенки и в конце, и в начале секции. При этом ин - н-ксы «к» и «н» означают конец и начало секции, / и // — сопряга - | мим и сопрягающий шпеки, а /, /—I и т. д. — /-ю, (/— 1 )-ю секции пинтового канала (отсчет от формующего инструмента). Так, на­пример, /?2к,7 означает давление у толкающей (активной) стенки 2 и п конце7-й секции сопрягаемого шнека I.

11струяно убедиться в следующих очевидных соотношениях:

I Мри одностороннем вращении шнеков (рис. 3.46, а):

I ^ РнИ ^ РкИ'

-) РиШ ^ РкШг ' * Рн11 ~ РнШ РкИ = А///»

}) Pi hi/ >PHih

5) fhfj/ >РкМ-

II. При встречном вращении шнеков (см. рис. 3.47):

1) РнИ > Pxih

2) Ръм > PKih

> PlKii>

)Рш! ~ РшП РкИ > Ptulh 5)РшП > РкШ

Па основе анализа потоков утечек из С-образной секции и шижуших сил составлены табл. 3.2 и 3.3. Следует отметить, что

Движущая сила множа

Движущая смло потока

Движущая сила потока

Из начала (i+ 1)-й секции шнека / через валковый зазор в конец l-й секции того же шнека через валковый зазор

Из начала i-й секции шнека II через боковой зазор 2 н конец /• й секции шнека I через боковой зазор I

(Эр)

Я2н(|+1)/ ~ Pin/ ~ ^

Рш1 ~ P2kiI ~

dx

Из начала (i+ 1)-й секции шнека II через боковой зазор / в конец i-й секции шнека II через боковой зазор 2

Из начала (/+ 1)-й секции шнека / через боковой зазор / в конец l-й секции того же шнека через тот же зазор

Из начала (/+ 1)-й секции шнека / через боковой зазор 2 в конец Z-й секани того же шнека через тот же зазор

Из начала (/+ 1)-й секции шнека / через боковой зазор I в конец i-й секции того же шнека

Из начала (i-H)-fi секции шнека / через боковой зазор 2 в конец i-й секции того же шнека

Из начала (/+1 )-й секции шнека / через валковый зазор в конец i-й секции того же шнека

II'-

Р2н(1+)1 ~ P2tul

-I dP) /

Р2и{1*)1 ~Pltal “I I *c

Вязкое трение

To же

Гис. Л.49. Схема потоков утечек в С-образных секциях при одностороннем вращении тисков (ем. таб.1. 3.2)

табл. 3.2.) вращением шнеков. При этом 60— валковый зазор, 8Л» и 6j2— боковые зазоры у стенок / и 2 шнеков (рис. 3.46, 6 и рис. 3.47). С помощью указанных блок-схем можно составить количественное описание потоков утечек через зазоры зацепления шнеков, необходимое для расчета действительной производитель­ности лвухшнековых экструдеров.