Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов)

дение червяка отсутствует). Тем не менее он был использован при построении номограммы (рис. VIII. 58), по которой предваритель­ но определяют диаметр червяка. При этом у червяков, предназна­ ченных для переработки полиэтилена низкой и высокой плотности, полипропилена, полиамида 6,6 и высокопрочного полистирола, длина зоны дозирования составляет около половины общей длины черняка.

На червяках, предназначенных для переработки полистирола, сухой смеси пластифицированного поливинилхлорида и отходов полиолефинов, может быть установлен смесительный наконечник (торпеда), который повышает гомогенизирующую способность черняка и снижает флуктуации производительности экструдера.

VIII. 23. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ СВОЙСТВ СЫРЬЯ НА СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗМЕРОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСТРУДАТА

Предположим, что нестабильность свойств сырья проявляется в основном в изменениях параметров цо и п, в то время как темпе-

-ратурный коэффициент b остается практически постоянным. В этом случае анализ влияния колебаний свойств сырья сведется к иссле­ дованию влияния этого изменения на расположение рабочей точки. Следует иметь в виду, что такое влияние носит весьма сложный характер. Здесь трудно надеяться на получение каких-либо общих выводов. В каждом случае для выявления характера влияния не­ обходимо проводить специальное исследование. Поэтому автор не пытается давать никаких общих рекомендаций, излагая ниже ме­ тод исследования, применение которого позволяет почувствовать особенности конкретной установки, представляющей сочетание

экструдера и формующей головки.

В качестве примера такого исследования на рис. VIII. 59 в ло­

Рис. VIII. 61. Внешние характеристики червяка (температура корпуса 7^= 4 8 0 К; JV-60 об/мин; РО равно:

врабочей точке.

Впределах этого участка характеристики червяков имеют различ­ ную форму, перекрещиваясь в области давлений 12—16 МПа. При

уменьшении индекса течения резко возрастает функция диссипа­ ции, а это приводит к сильному разогреву расплава. Из сопостав­ ления температур расплава в точке со сравнительно малым проти­ водавлением (Рг ~5М П а) видно, что по мере роста п от 2 до 4 температуры расплава располагаются в следующем порядке: 633, 533, 453 К. Рабочие точки экструдера рассчитывались для гипоте­ тической щелевой головки с размерами w = 45 см, h = 0,05 см и L = 5 см. Соответственно, значения коэффициента сопротивления головки были равны:

Рассчитанные графо-аналитически относительное изменение расхода и абсолютное изменение температуры в зависимости от индекса течения приведены на рис. VIII. 60.

Заметим, что поскольку все три рабочие точки для головки ма­ лого сопротивления расположены левее точки перекрещивания, а

сильно влияет на температуру расплава. Давление экструзии из­ меняется на 20—25% (рис. VIII. 62, а). Изменение производитель­ ности при этом не превышает 15% (рис. VIII. 62, б).

VIII. 24. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

О ДИНАМИКЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ПОЛИМЕРОВ

Повышение качества и стабильности характеристик готовых изде­ лий— одна из наиболее существенных задач современной техно­ логии переработки полимеров. Применительно к экструзии это означает поддержание стабильности трех основных параметров процесса: объемной производительности, давления и температуры расплава.

Из опыта известно, что в реальных процессах экструзии ни один из этих параметров не остается неизменным. Так, экспери­ ментальные исследования [73, 75, 107] показывают, что темпера­ тура и давление расплава на выходе из червяка колеблются, при­ чем в зависимости от конструкции червяка и режима работы ам­ плитуда этих колебаний может достигать 30—50 К и 1,0—1,5 МПа. Аналогичные исследования [108, 112] показывают, что при работе в определенных режимах наблюдаются весьма существенные коле­ бания производительности, достигающие ±30%.

Изучение причин возникновения этих колебаний и поиски мето­ дов их снижения — типичная задача динамики процесса, которая выходит за рамки изложенных выше методов расчета, статичных по своей природе. Первая попытка создания динамической модели процесса экструзии содержится в работе [ИЗ], основанной на ме­ тоде, описанном в монографии [114].

Для характеристики динамической устойчивости процессов транспортировки вводится понятие скорости относительной пуль­ сации производительности:

где AQS— изменение объемной производительности зоны питания; dQ0(t)/dt — скорость изменения объемной производительности зоны дозирования.

Чем меньше значение n'(Q), тем выше стабильность процесса, поскольку при одинаковых изменениях условий входа реакция си­ стемы на них оказывается меньшей. В зависимости от соотноше­ ния между производительностями зон питания, плавления и дози­ рования каждая из них может оказывать доминирующее воздей­ ствие на величину пульсаций. Если доминирует влияние зоны пи­ тания, то одной из причин возникновения пульсаций может быть нестабильность коэффициентов внешнего трения. Проведенный анализ показал, что при изменении коэффициента трения червяк — полимер в диапазоне 0 ^ fs ^ 1 зависимость QJN = f(ф) носит экстремальный характер (рис. VIII. 63). При этом с уменьшением коэффициента трения максимум смещается в область больших

не будет целиком заполнен расплавом. Существование сопротив­ ления головки при работе в таком режиме приводит к тому, что какая-то часть червяка, необходимая для создания давления экс­ трузии, примерно пропорционального эффективной длине зоны до­ зирования, оказывается заполненной расплавом.

В связи с тем что производительность зоны питания весьма чувствительна к изменениям коэффициента трения, длина запол­ ненного участка зоны дозирования будет соответственно изме­ няться. Это означает, что все колебания производительности зоны

витка периодически изменяется (рис. VIII. 65). Соответственно из­ меняется и эффективная длина зоны загрузки, обеспечивающей по­ дачу материала. Если предположить, что длина винтового канала, заполненного нерасплавленным материалом, остается постоянной, то периодическое изменение длины зоны питания /а должно приво­ дить к периодическому изменению длины зоны дозирования /д.

Если принять, что объемная производительность зоны питания не зависит от длины и остается в течение полного оборота червяка неизменной, то изменение длины зоны дозирования должно прояв­ ляться в виде периодических пульсаций давления и температуры расплава на выходе из червяка. Из рис. VIII. 65 следует, что фак­ тическая длина зоны дозирования равна:

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛИТРОПИЧЕСКОЙ ЭКСТРУЗИИ НЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ (ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ФЛУКТУАЦИИ)

При анализе динамики экструзии будем считать, что несмотря на наличие периодических флуктуаций давления и температуры, про­ изводительность экструдера остается практически постоянной. (Ниже будет показано, что это условие соблюдается далеко не всег­ да, однако при правильном выборе режима оно справедливо.) Следовательно, при установившемся режиме работы dQ/dт = 0.

Фактическое приращение температуры определится выраже­ нием:

Амплитуда колебаний любого параметра процесса определится как разность его максимального и минимального значений. В дан­ ном случае амплитуды колебаний температуры и давления соот­ ветственно равны разности значений этих параметров в моменты т = 0 и т = 1/N: