Математическое моделирование теплопереноса при течении неньютоновских жидкостей в каналах оборудования с учетом диссипации

• Автор: Еремин, Денис Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 260 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В КАНАЛАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ

1.1 ОБЗОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ВЯЗКИХ МАСС

1.2 УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ И ТЕПЛОПЕРЕНОСА ДЛЯ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

1.3 ОСНОВНЫЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ НЕНЬЮТОНОВСКИХ СРЕД

1.4 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛОПЕРЕНОСА ВЯЗКИХ СРЕД В КАНАЛАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.5 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ДИССИПАТИВНОГО РАЗОГРЕВА ВЯЗКОЙ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ

2.1 МОДЕЛЬ АНАЛИЗА ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ

2.2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ТЕЧЕНИИ НЕ НЬЮТОНОВСКОЙ ВЯЗКОЙ СРЕДЫ В ПЛОСКОМ

КАНАЛЕ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
2.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
2.3.1 Моделирование температурного поля для
случая, когда п
2.3.2 Моделирование температурного поля для
случая, когда п
2.3.3 Моделирование температурного поля для
случая, когда п
2.4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НА ПРОЦЕСС ДИССИПАТИВНОГО РАЗОГРЕВА
2.5 ВЫВОДЫ КО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 1 ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОГО
ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ МЕХАНИ
ЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
3.1 ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
3.2 ПОСТРОЕНИЕ ПРИБЛИЖЕННОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ
3.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ С УЧЕТОМ ДИССИПАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
3.3.1 Моделирование температурного поля для случая, когда п
3.3.2 Моделирование температурного поля для
случая, когда п
3.4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НА ПРОЦЕСС ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
3.5 ВЫВОДЫ К ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ НЕНЫОТ ОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
4.2 ПРИМЕР РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПРЕССОВАНИИ МАКАРОННОГО ТЕСТА
4.3 ПРИМЕР РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ ПРИ ЭКСТРУЗИИ РЕЗИНОВОЙ СМЕСИ
4.4 ВЫВОДЫ К ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
В условиях постоянного развития пищевой, химической и других отраслей промышленности возникает необходимость в создании высокоэффективного технологического оборудования. Привлечение к этому процессу методов математического моделирования обеспечивает возможность контролирования, прогнозирования и корректировки тех или иных параметров уже на стадии его разработки.
Широкое применение в указанных отраслях нашли процессы экструзии различных материалов. Например, в шинном производстве на червячных экструдерах проводится переработка и шприцевание резиновых смесей. Многие пищевые продукты например, макаронные и кондитерские изделия в настоящее время изготовляются также экструзионным методом.
Между тем, моделирование экструзионного процесса является достаточно сложным . Это связано, прежде всего, с необходимостью учета многих факторов и особенностей как среды и экструдера, так и самого процесса реологические, вязкостные, геометрические, температурные и т.д
Известно, что некоторые материалы в различных условиях проявляют
те или иные свойства. Например, резиновые смеси обладают одновременно вязкими, пластическими и упругими свойствами. Однако при шприцевании пытаются добиться таких режимов работы экструдера, при которых считают, что резиновая смесь переходит в так называемое вязкотекучее состояние, почти не проявляя при этом свойств пластичности и упругости.
Вместе с тем множество конструктивных особенностей экструдеров также не дает возможности построения единой модели процесса экструзии. Поэтому на практике приходится ограничиваться математическим описанием
только некоторой его стадии.
Одним из основных этапов процесса экструзии является формование. На этой стадии происходит придание окончательной формы получаемому изделию. При этом материал проходит по формующим отверстиям головок экструдеров или формующих матриц прессов.
Актуальность


Для двухчервячных прессов при переработке порошкообразных композиций существует стандарт ОСТ Прессы двухчервячные. Параметры и размеры. В таблицах 1. Например, размер стандартного полиэтиленового листа ПН ГОСТ 6 составляет толщина 1 2 мм, ширина мм, длина 0 мм. Таблица 1. Модель червячного пресса Диаметр червяка. Отношение длины к диаметру, Диапазон частот вращения червяка, обмин Установленная мощность электрооборудования. ЧП 5x 5 . Процессы по переработке резиновых смесей несколько отличаются от процессов по переработке полимеров. Главными особенностями здесь являются различие физикомеханических свойств, поведение и температурные режимы переработки резины. Основными дефектами, возникающими при изготовлении резинотехнических изделий, является их пористость и преждевременная подвулканизация 7, , , . Это объясняется тем, что при экструзии резиновых смесей диссипация механической энергии происходит более интенсивно, и поэтому соблюдение температурного режима в процессе шприцевания является одной из важнейших задач при проектировании и расчете оборудования. Таблица 1. Модель червячного пресса Диаметр червяка, мм Отношение длины к диаметру. Е 2. Е 2. Е 2. Е 2. Для шприцевания резиновых заготовок применяются червячные машины с холодным МЧХ и теплым МЧТ питанием . Главное их отличие состоит в том, что в машинах МЧТ исходный материал в виде ленты перед попаданием в загрузочный бункер разогревается на специальных вальцах. В машинах МЧХ материал в бункер подается не разогретым. Поэтому машина МЧХ должна выполнять большее количество операций размельчение, подогрев, пластикация, гомогенизация, уплотнение и профилирование резиновой смеси. Особенности физикомеханических свойств и температурных режимов переработки резиновых смесей решаются при помощи специальной конфигурации винтовой нарезки червяка, которая обеспечивает хорошую гомогенизацию смеси, не повышая существенно сопротивления потоку и не снижая его скорости , . Температурные режимы переработки резиновых смесей, также как и полимеров, зависят от типа материала и его состава и приводятся в специальной литературе. Так, при шприцевании смеси, на основе которой находится каучук НКСКБ необходимо тщательно поддерживать температурный режим С в головке. В тоже время, например, для смесей на основе НКСКС или 0 СКН изза сильного разогрева требуется непрерывное охлаждение не только головки пресса, но и хвостовой и лобовой частей цилиндра 1. Зависимость рабочего давления АР в головке от диаметра червяка О при шприцевании резиновых смесей приведена в таблице 1. В таблице 1. МЧТ и МЧХ для переработки резиновых смесей РС . ДР. Таблица 1. Процесс формования макаронных изделий в пищевой промышленности по своему характеру схож с экструзией полимерных материалов. Макаронное тесто также обладает вязкими и пластическими свойствами 1, , , и вследствие этого способно к выделению тепла за счет сил внутреннего трения. Конструкция макаронного пресса предусматривает водяную рубашку для охлаждения корпуса цилиндра в зоне наибольшего давления, ближе к головке . Матрицы макаронных прессов представляют собой металлический диск или прямоугольную пластину со сквозными отверстиями, профиль которых определяет форму получаемых изделий. Основные габаритные размеры макаронных матриц представлены в таблице 1. Таблица 1. Размеры отверстий в матрицах для изделий типа лапша составляют по ширине канала мм, по высоте ,6 мм . Хотя макаронное тесто не настолько вязкое как резиновая смесь, но несоблюдение температурного режима при формовании изделий приводит к ухудшению свойств готового продукта , , . Так, при превышении температуры теста допустимого значения С происходит клейстеризация зерен крахмала, денатурация и коагуляция белков. При температуре С тесто белеет и начинает терять свою пластичность , . Рабочее давление при прессовании макаронного теста составляет МПа . Таким образом, присутствие фактора диссипации механической энергии при переработке и формовании высоковязких материалов является в некоторых случаях определяющим. Поэтому важно подчеркнуть необходимость в исследовании факторов, влияющих на процессы такого рода.