Рефетека.ру / Промышленность и пр-во

Лабораторная работа: Расчёт зоны загрузки

Кафедра КТЭИ


Переработка полимеров


Лабораторная работа №4


Расчёт зоны загрузки


Вариант 2


Специальность– электроизоляционная, конденсаторная и кабельная техника


2009

Краткие теоретические сведения


Большинство экструдеров, применяемых в промышленности переработки пластмасс, являются пластицирующими, т.е. полимер загружают в них в виде гранул. Гранулы перемещаются в загрузочной воронке под действием сил тяжести и заполняют канал червяка, в котором они транспортируются и сжимаются за счет сил трения, затем плавятся или пластицируются под действием сил трения.

Таким образом, процесс экструзии включает в себя четыре элементарных стадии, разделенные по зонам: загрузки, задержки плавления, плавления и дозирования.

Рассмотрим зону загрузки. Твердый материал в канале зоны загрузки продвигается вдоль канала за счет сил трения, возникающих между полимером и цилиндрическим корпусом.

Материал, захваченный цилиндрической поверхностью, наталкивается на встречающий гребень шнека и продвигается по винтовому каналу.

Сила трения пропорциональна нормально действующей силе на поверхность, не зависимо от площади контакта:


Расчёт зоны загрузки


Сила трения обусловлена двумя факторами: адгезией (преодоление взаимодействия между молекулами) и пропахиванием частиц одного материала по другому.

Зависимость между нормально действующей силой и силой трения не всегда линейна, т.к. коэффициент трения может зависеть от температуры и давления.

Рассмотрим модель движения пробки по каналу зоны загрузки, представленную на рис.1. Здесь: верхняя пластина (цилиндрическая поверхность корпуса) движется с постоянной скоростью V0, Р – давление в канале, Sa и Sb – площади верхней и нижней пластины


Расчёт зоны загрузкиРасчёт зоны загрузки

Рис.1. Упрощенная модель движения пробки в канале зоны загрузки


Пробка гранул будет перемещаться за счет подвижной границы, если коэффициенты трения между гранулятом и цилиндром, а также гранулятом и червяком реализуются Различными, а именно равными 0.5 и 0.25 соответственно.

Сущность расчета процессов переноса в зоне загрузки заключается в определении изменения температуры и давления по длине зоны и длины зоны загрузки.

Разворачиваем канал на плоскость, используем принцип обращенного движения. Выделим в пробке гранул элементарный объем, рис 2


Расчёт зоны загрузки

Рис.2. Силы, действующие на элементарный объём.


Спроектируем все силы, действующие на элемент на ось z:

Расчёт зоны загрузки; (1)


Расчёт зоны загрузки ; Расчёт зоны загрузки; (2)


Расчёт зоны загрузки;Расчёт зоны загрузки.(3)


где F1 – сила трения на боковых поверхностях;

F2 – сила трения на дне элемента;

Fb – сила трения на внутренней цилиндрической поверхности корпуса;

f1 и f2 – коэффициенты трения на шнеке и цилиндре соответственно.

Подставим выражения (2),(3) в (1):


Расчёт зоны загрузки (4)


Расчёт зоны загрузки;

Расчёт зоны загрузки


Рис.3. Вектора сил и скоростей на подвижной границе канала

U –скорость твёрдой пробки, м/с; Н– высота канала, м; w– ширина канала, м; rи– плотность изолирующего материала, кг/м3; Q– расход материала, кг/с.

Все члены уравнения (5) разделим на Fz:


Расчёт зоны загрузки (5)


Расчёт зоны загрузки


где Р0 – атмосферное давление, МПа.

Расчет зоны загрузки складывается из двух расчетов, которые могут при некоторых допущениях производиться раздельно:

- расчет давления по длине канала;

- расчет температурного поля по высоте и длине канала.

В том случае, когда коэффициент трения зависит от температуры (см. рис. 4), а граничные условия по температуре зависят от давления (давление увеличивается по длине зоны загрузки), то расчет давления и температуры ведут совместно. Задача является связанной, а для решения используют итерационный метод.

Расчёт зоны загрузки

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от температуры для полимеров: 1 – ПВХ; 2 – полиамид 6.6 (сорт А); 3 – полиамид 6.6; 4 – полиамид 6.6 (сорт В); 5 – полипропилен; 6 – полиэтилен.


Уравнение энергии, описывающее процесс теплопереноса в канале имеет вид:


Расчёт зоны загрузки (6)


Граничные условия:


Расчёт зоны загрузки - температура шнека, °С;


Расчёт зоны загрузки - температура корпуса, °С;


Расчёт зоны загрузки - температура загружаемого материала, °С.


Зона загрузки заканчивается там, где около внутренней поверхности цилиндрического корпуса появляется тонкая пленка расплава, т. е. в некоторой точке сечения пробки полимера (прилегающей к поверхности корпуса) температура превышает температуру плавления ТіTпл.

Для решения уравнения (6) с соответствующими граничными условиями следует использовать метод конечных разностей.


Исходные данные


Таблица 1. Параметры полимера

ls

Дж/м/с/Ч°С

rs

кг/м3

cs

Дж/кгЧ°С

0.22 930 1940

Таблица 2. Параметры экструдера

Номер варианта Диаметр шнека, м Угол нарезки, гр. Шаг нарезки, м Ширина гребня, м Высота канала в з. з., м Скорость вращения, об/мин Расход мате-риала, кг/с Темпе-ратура, °С
2 0.12 17.67 0.12 0.011 0.015 55 0.0457 100-185

Расчётная программа

uses crt;

var u,w,fi,r,hr,hz,z,lamdas,teta:real;

t:array [1..25] of real;

t1:array [1..25] of real;

p: array [1..25] of real;

f:text;

i,j:integer;

vb,l,zpl,hg,n,dsh,vbx,vbz,vsz,q,ps,pm,h,vj,lamdam,

tb,f1,f2,k,tm,ts,mu,p0,cs,tsh,lamda,psi,zvar:real;

begin

clrscr;

dsh:=0.12;

n:=100;

teta:=17.67;

ps:=970;

l:=0.12;

h:=0.015;

hg:=0.011;

cs:=1940;

q:=0.0457;

tb:=235;

tm:=140;

ts:=20;

tsh:=130;

f1:=0.25;

f2:=0.5;

k:=0.3;

p0:=5;

lamdas:=0.18;

w:=l-hg;

vb:=3.14*n*dsh/60;

u:=q/(h*w*ps);

fi:=arctan(u*sin(teta*3.14/180)/(vb-u*cos(3.14*teta/180)));

hr:=0.001;

hz:=0.0001;

assign(f,'lab4t1.txt');

rewrite(f);

for i:=1 to 15 do

t[i]:=ts;

t[16]:=tb;

for i:=1 to 16 do

begin

write(f,t[i]:2:2);

write(f,' ');

end;

writeln(f);

z:=0;

j:=0;

while t[15]<=tm do

begin

j:=j+1;

for i:=2 to 15 do

t1[i]:=lamdas*hz/(cs*ps*u)*((t[i+1]-2*t[i]+t[i-1])/sqr(hr))+t[i];

t1[1]:=t1[2];

for i:=1 to 15 do t[i]:=t1[i];

if j mod 10=0 then

begin

for i:=1 to 16 do

begin

write(f,t[i]:2:2);

write(f,' ');

end;

writeln(f);

end;

z:=z+hz;

end;

close(f);

assign(f,'davl.txt');

rewrite(f);

hz:=z/19;

zvar:=0;

for i:=1 to 20 do

begin

p[i]:=p0*exp((-2*k*f1/w-k*f1/h-k*f1*f2*sin(teta*3.14/180+fi)/h+k*f2*cos(teta*3.14/180+fi)/h)*zvar);

zvar:=zvar+hz;

write(f,p[i]:2:2,' ');

end;

close(f);

writeln('Z=',Z:1:3);

readln;

end.


Результаты расчётов


Угол транспортировки Расчёт зоны загрузки0,834 о

Длина зоны загрузки Z=0.447м


Расчёт зоны загрузки

Рис. 5. Распределение температуры по длине зоны загрузки для разной высоты канала

Расчёт зоны загрузки

Рис. 6. Распределение температуры по высоте канала для различных точек зоны загрузки


Расчёт зоны загрузки

Рис. 7. Распределение давления по длине зоны загрузки

Расчёт зоны загрузки

Рис. 8. Зависимость длины зоны загрузки от температуры корпуса


Расчёт зоны загрузки

Рис. 9. Зависимость зоны загрузки от начальной температуры полимера


Расчёт зоны загрузки

Рис. 10. Зависимость длины зоны загрузки от частоты вращения шнека

Расчёт зоны загрузки

Рис. 11. Зависимость давления от частоты вращения шнека


Расчёт зоны загрузки

Рис. 12. Зависимость длины зоны загрузки от расхода полимера

Расчёт зоны загрузки

Рис. 13. Зависимость длины зоны загрузки от коэффициента теплопроводности полимера


Расчёт зоны загрузки

Рис. 14. Зависимость длины зоны загрузки от теплоемкости полимера


Вывод: в ходе данной лабораторной работы мы рассчитали распределение температуры по длине зоны загрузки и по высоте канала, а так же распределение давления по длине зоны загрузки.

По Рис. 5. видно, что верхние слои полимера нагреваются быстрей, это происходит из-за того, что между верхними слоями полимера и корпусом имеются значительные силы трения, а так же верхние слои полимера расположены ближе к источнику тепла (корпус).

Из Рис. 6. видно, что полимер, находящийся в конце зоны загрузки разогрет сильнее, чем полимер в начале зоны загрузки. По мере прохождения полимера по зоне загрузки полимер успевает нагреться.

При прохождении полимера по зоне загрузки (Рис. 7) давление возрастает, так как полимер уплотняется по мере продвижения по зоне загрузки.

При увеличении температуры корпуса (Рис. 8) или температуры полимера (Рис. 9) длина зоны загрузки уменьшается, так как полимеру потребуется меньше времени для перехода в жидкую фазу.

При увеличении расхода материала длина зоны загрузки увеличится (Рис. 12), так как скорость движения пробки возрастёт и полимер не будет успевать прогреться до температуры плавления.

По Рис. 13 видно, что с увеличением коэффициента теплопроводности полимера длина зоны загрузки увеличивается. Это происходит потому, что тепло быстрее распространяется по полимеру, а следовательно полимер быстрее плавится.

При увеличении теплоёмкости полимера (Рис. 14) длина зоны загрузки увеличивается, так как потребуется больше энергии для нагрева полимера, а следовательно он будет дольше плавиться.

Похожие работы:

  1. • Программа регистрации процесса производства для ...
  2. • Фильтрование воды
  3. • Роботизированные технологические комплексы (РТК ...
  4. • Загрузка транспортного средства
  5. • Разработка технологии по изготовлению книжного издания по ...
  6. • Неполадки при загрузке Windows и их устранение. Загрузочная ...
  7. • Определение (выбор) (формы поточного производства)
  8. • Расчет загрузки трансформаторов
  9. • Оптимальная загрузка складов и транспортных средств
  10. • Расчёт зоны плавления
  11. • Расчёт оптимальной загрузки трансформаторов
  12. • Система управления проектами Spider
  13. • Промывка фильтровальных аппаратов
  14. • Определение капитальных вложений
  15. • Принципы построения гибкой системы обработки ...
  16. • Календарное планирование производства
  17. • Безопасность электроустановок. Расчет размера ...
  18. • Технологический расчет зоны ТО-1 для АТП, состоящего ...
  19. • Архитектура IA-32
Рефетека ру refoteka@gmail.com