Пространственные неизотермические течения в рабочих и охлаждающих каналах пластицирующего экструдера

• Автор: Субботин, Евгений Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 132 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
L ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
1.1. Реологические и теплофизические свойства полимеров
1.2. Процессы тепломассообмена в каналах экструдеров
1.2.1. Тепломассоперенос в зоне питания экструдера
1.2.2. Процессы плавления полимеров в каналах пластицирующих экструдеров
1.2.3. Течение полимеров в винтовых каналах экструдеров
1.2.4. Особенности процессов теплопереноса в каналах одношнековых экструдеров
1.3. Выводы по главе и постановка задач исследования
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ В РАБОЧИХ И ОХЛАЖДАЮЩИХ КАНАЛАХ ОДНОШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА
2.1. Математическое моделирование процессов тепломассообмена полимеров в винтовом канале экструдера, с учетом теплопроводности шнека..
2.1.1. Постановка задачи
2.1.2. Метод решения
2.1.3. Алгоритм работы программы
2.1.4. Проверка адекватности математической модели и алгоритма работы программы
2.2. Математическое моделирование процессов тепломассообмена полимеров в винтовом канале экструдера, с учетом принудительного охлаждения шнека
2.2.1. Постановка задачи
2.2.2. Метод и алгоритм решения
2.2.3. Исследование сходимости решения ANSYS
2.2.4. Упрощенная математическая модель неизотермического течения жидкого теплоносителя в канале охлаждения шнека

2.3. Выводы по главе
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ
3.1. Экспериментальное исследование теплофизических параметров полимерных материалов
3.2. Экспериментальное исследование реологических свойств полимерных материалов
3.3. Выводы по главе
4. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ В РАБОЧИХ И ОХЛАЖДАЮЩИХ КАНАЛАХ ОДНОШНЕКОВОГО ЭКСТРУДЕРА
4.1. Основные закономерности процессов тепломассопереноса полимеров в рабочих каналах пластицирующих экструдеров с учетом теплопроводности шнека
4.2. Численное исследование влияния различных механизмов терморегуляции на процессы пластицирующей экструзии
4.2.1. Регулирование температурного режима экструзии с помощью принудительного охлаждения шнека
4.2.2. Совместное влияние на процессы переработки полимеров темпе-
ч ратуры цилиндра экструдера и принудительного охлаждения шнека.
4.3. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее перспективных направлений для многих отраслей современной промышленности является применение полимерных композиций, обладающих уникальными эксплуатационными свойствами. Основным способом переработки подобных нелинейновязких материалов на сегодняшний день остается экструзия, достоинствами которой являются непрерывность и высокая производительность процесса.
Систематическим исследованиям проблем течения полимеров посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов. Но, несмотря на значительные успехи в теории и математическом моделировании процессов тепломассопереноса, при экструзии полимеров, в силу большого разнообразия материалов, конструктивных особенностей аппаратов и технологических режимов, возникает ряд проблем, связанных с перегревами, образующимися при течении расплавов высоковязких пластикатов в винтовых каналах экструзионного оборудования. Это имеет место при экструзии полимеров, свойства которых существенно изменяются в условиях чрезмерного нагрева, например, таких как безгалогенные компаунды, не поддерживающие горение. В подобных случаях ключевой характеристикой, определяющей качество конечного продукта, становится температура потока расплава в экструдере и формующем инструменте.
Экспериментальное определение температурного поля расплава полимера в шнековых аппаратах практически невозможно, поскольку градиенты температур в тонком слое жидкого материала перпендикулярно оси экструдера могут достигать значительных величин (более 50000 К/м). В связи с этим, важнейшее значение приобретает теоретическое изучение влияния различных механизмов терморегуляции на процессы течения и теплообмена при экструзии.
Следует отметить, что на сегодняшний день в открытой литературе практически не представлена информация о влиянии на экструзию процессов теплопереноса в шнеке, учет которых необходим для более точного опреде-

с диаметром 63 мм и 38 мм, автор оценил воздействие геометрического фактора на распределение скоростей, температуры и давления в канале. Исследование влияния величины зазора показало, что при малых его значениях температура в потоке над гребнем ниже, чем в винтовом канале, за счет отвода тепла через цилиндрический корпус. В работе даны практические рекомендации по величине зазора - 0,003 от диаметра шнека экструдера.
В связи с непрерывным увеличением мощности вычислительной техники, стало возможным рассматривать трехмерные задачи тепломассообмена в канале экструдера.
Первый анализ течения и теплообмена в одношнековом экструдере для конечной ширины канала был представлен Мартином [114] почти три десятилетия назад. Заметным исключением, однако, является вклад Лаувал, Кельйон [115] и Ялуриа с соавторами [116]. Оба этих исследования использовали маршевую процедуру вместе с конечно-элементным подходом для решения систем параболических уравнений.
В [117-119, 120, 116, 121, 122] методом конечных элементов решены задачи стационарных течений вязких жидкостей с использованием пространственной математической модели.
1.2.4. Особенности процессов теплопереноса в каналах одношнековых экструдеров
При переработке полимеров с помощью пластицирующих экструдеров достаточно часто возникают серьезные проблемы, связанные с перегревами и термодеструкцией материала в винтовом канале, что вызывает необходимость снижения температуры расплава (управления процессом). В ряде работ, при рассмотрении указанных проблем, был проведен подробный анализ влияния свойств материалов, геометрии экструдера, технологических параметров и вида граничных условий для поверхности шнека на процесс тепломассообмена в различных зонах пластицирующего экструдера.