2785.Теоретические основы переработки полимеров
..pdfРис. 10.36. Форма зубьев шестеренча тых насосов.
ными зубьями. Войдя в зацеп ление, зубья такого типа вы жимают расплав от центра к периферии.
В идеальном случае произво дительность шестеренчатых на сосов определяется величиной перемещаемого объема и, следователь
но, не зависит от реологических характеристик жидкости. Однако в действительности некоторое количество жидкости просачивается между гребнем зуба и корпусом, между торцами шестерни и корпу сом и между сцепленными зубьями шестерен, снижая при этом эф фективность работы насоса. Потоки утечек зависят, конечно, от вязкости жидкости. Давление выхода зависит от сопротивления, установленного на выходе.
Применение шестеренчатых насосов для перекачивания и нагне тания расплавов полимеров сопряжено с рядом ограничений. Подача жидкости на вход насоса под действием силы тяжести или под низ ким давлением (как в случае питания гранулятом) оказывается воз можной только до определенного значения вязкости расплава, выше которого полимер не будет поступать в пространство между зубьями. Это приводит к «голодному» питанию. Другим ограниче нием являются распорные усилия, возникающие между находящи мися в зацеплении зубьями, из-за которых происходит «выдавлива ние» расплава. Эти силы стремятся раздвинуть шестерни и вызы вают их разнос. Эта проблема усугубляется при перекачивании высоковязких расплавов. И, наконец, из-за существования зон за стоя шестеренчатый насос не пригоден для перекачивания расплавов полимеров, чувствительных к перегреву и механодеструкции при сдвиге.
Теоретический анализ механики шестеренчатого насоса вклю чает в себя определение различных потоков утечки с учетом гидро динамического поведения расплава при сжатии между находящимися в зацеплении зубьями и циркуляционного потока в зазорах. Приме нительно к маслам с малой вязкостью потоки утечки были проанали зированы Исхибаши [32]. По-видимому, до сих пор не быдо пред принято ни одной попытки анализа течения при сжатии жидкости между зубьями, где в добавление к простому вязкостному течению существенную роль могут играть как высокоэластические Деформа ции, так и другие неньютоновские эффекты. Циркуляционное тече ние в зазоре тоже подлежит рассмотрению.
На рис. 10.37 приведены экспериментальные характеристики шестеренчатого насоса, предназначенного для перекачивания ПЭНП [33]. Насос имеет двойные геликоидальные шестерни диаметром 14,2 см и шириной 11,4 см, с числом зубьев 14, высотой зуба 1,7 см и углом спирали 30°. Теоретические характеристики насоса имеют вид прямых линий. Экспериментальные точки располагаются выше
Рис. 10.39. Пространственное изображение «сегмен тов» канала, образуемых при зацеплении двух чер вяков.
один виток, он обнаружит, что канал еще раз перекрыт цилиндрическим выступом. Он сообщит, что заключен между твер
дыми стальными стенами, и так как ему ничего не остается лучшего, то он попытается изобразить свое «помещение» в трех измерениях (рис. 10.39). Полученные таким образом сведения показывают, что при зацеплении двух зеркально-симметричных (встречного вра щения) червяков непрерывный винтовой канал разбивается на ко роткие участки, длина которых меньше, чем одного полного витка. Что произойдет, если червяки начнут вращаться? Наш наблюдатель, помещенный на «пятачке», будет вращаться, и у него будет впечатле ние, что все вокруг движется и он постоянно ударяется о стены. Затем прикажем ему двигаться таким образом, чтобы стенки не приближались к нему, несмотря на то что они двигаются параллельно друг другу. Для него это будет довольно легко выполнить, потому что все, что он должен для этого делать — это двигаться с осевой скоростью:
Vi = LaN |
(Ю.11-1) |
где Ls — шаг винта, показанный на рис. 10.32, г; |
N— скорость вращения червяка. |
Что увидит наблюдатель, двигаясь с этой скоростью в осевом направлении? Во-первых, конечно, он скажет, что перемещается с той же скоростью, что и расплав в направлении головки. Во-вто рых, с его точки зрения (лагранжевы координаты), поверхность цилиндра движется со скоростью Vt в противоположном направле нии, а основание червяка — по винтовой линии со скоростью
Vs = NZS |
(10.11-2) |
Здесь Zs — длина спирали для одного полного оборота основа ния червяка, которая определяется по следующему уравнению, аналогичному уравнению (10.3-7):
|
|
Zs = Is/sin 03 |
(10.11-3) |
где 03 — винтовой угол |
при |
основании червяка. |
|
Из трех уравнений, |
приведенных выше, |
получаем: |
|
|
|
V s = V i / S i n 03 |
( 1 0 . 1 1 - 4 ) |
Гребни, конечно, |
будут двигаться в том |
же направлении, что |
и основание червяка. Теперь, когда геометрия процесса ясна, можно рассмотреть детали математической модели. Такая модель имеет ряд особенностей с точки зрения инженерных приложений. Сначала нужно определить соотношение между производительностью или объемным расходом, геометрическими размерами экструдера и пара метрами процесса. Это — относительно простая задача при полностью изолированных сегментах канала, когда, например, экструдер с двумя червяками противоположного вращения является только нагнетающим насосом. При отсутствии связи между сегментами
я (Df — Н) Н за вычетом площади, перекрываемой боковыми гра нями гребней. Таким образом, пренебрегая зазором между гребнем
и корпусом, имеем:
2
Ат = я {Df — И) Н ---- Щ- arccos ^ 1 ---- S Н V H { 2 D ,- H ) |
(10.11-6) |
||
Объемный расход (для |
обоих |
червяков) равен: |
|
Q = nNDLaH |
1 |
% - т г ‘'сс°* (1- т г ) + |
|
" [ ' - - г т |
|
||
+ ± Ъ ( ' - . S r ) V W ^ } |
|
||
где D — средний диаметр. |
|
|
|
|
D = Df — Н |
(10.11-8) |
Фактическая производительность оказывается меньше теорети ческой вследствие наличия потока утечек между соседними камерами. Как установлено ранее, существуют потоки утечек между гребнями червяков и корпусом, между краем гребня одного червяка и основа нием другого и между боковыми поверхностями гребней. Уравнения для этих потоков утечек были получены Добозским [39] и Янсеном с сотр. [38], которые также выполнили эксперименты с ньютонов скими жидкостями, подтверждающие их теоретические результаты. Расчет потребления энергии в случае двухчервячной геометрии дан
Шенкелем [40], который также приводит подробную |
информацию |
о различных двухчервячных экструдерах, сопоставляя |
их эффектив |
ность с эффективностью одночервячных экструдеров. |
|
Пластинчато-рамочная модель *
Установившееся течение внутри одного изолированного сегмента канала или камеры можно рассмотреть в лагранжевых координатах, т. е. с точки зрения наблюдателя, находящегося в камере и движу щегося вместе с ней со скоростью, определяемой по уравнению (10.11-1). Относительно такой подвижной системы координат стенки канала неподвижны. Принимая, что глубина каналов невелика, «смотаем» каждый сегмент канала с червяка и «развернем» его так, как показано на рис. 10.40. Такой развернутый сегмент сверху огра ничен поверхностью корпуса, которая движется со скоростью Vt в направлении, противоположном положительному направлению оси /, а с двух сторон сегмент ограничен выступами нарезки второго червяка (червяк Б), которые вращаются с окружной скоростью nNDs.
|
* Модель, фактически идентичная пластинчато-рамочной модели, была недавно |
|
предложена У. Беркхардтом, X. Геррманом |
и С. Якопиным в издании The Soc. |
|
of |
Plastics Engineers 36th Annual Technical |
Conference, Washington, D. C., 1978, |
p. |
498. Они также предложили модель для двухчервячных экструдеров с червяками, |
|
вращающимися в одном направлении. |
|
Рис. 10.40. Развернутый сегмент винтового канала червяков противоположного вращения:
1 — толкаю щ ий |
червяк В; 2 |
— н аб ега |
||||
ющий |
червяк |
В ; |
3 — толкаю щ ий |
г р е |
||
бень; |
4 — набегаю щ ий гребень. |
|
||||
Снизу |
сегмент |
ограни |
||||
чен поверхностью развертки |
||||||
сердечника |
|
червяка |
Л, |
ко |
||
торая движется |
в направле |
|||||
нии |
развертки |
винтового |
канала со скоростью Vs. |
Конечный результат упрощенной модели таков: гребни нарезки (червяк В на рис. 10.38) образуют «раму», имеющую форму парал лелепипеда. «Рама» располагается между двумя бесконечными па раллельными «пластинами»: поверхностью корпуса и сердечником червяка А. На рис. 10.41 представлены виды сверху и сбоку на эти «пластины» и «раму».
Каждая поддерживающая поверхность движется параллельно своей плоскости. Вектор скорости поверхности корпуса можно раз ложить на две составляющие, одна из которых направлена вдоль оси канала (K/sin0b), а вторая — поперек его (Vt cos 0Ь) в на правлении «толкающей стенки». Скорость червяка представляет собой векторную сумму двух скоростей: тангенциальной скорости сердечника червяка nNDs и скорости корпуса (или наблюдателя) У/. Некоторое представление о характере течения в камере дает рис. 10.41, б. Отметим, что и сердечник червяка, и корпус увлекают расплав по направлению к толкающему выступу червяка В . Пре небрегая краевыми эффектами и считая, что суммарный расход равен нулю (нет утечек), получаем, что эпюра распределения скоростей (vz) должна быть подобна представленной на рис. 10.41, б. Это также означает, что по мере приближения к толкающему выступу нарезки червяка А давление увеличивается.
Профиль скоростей в секции канала, который мог бы видеть такой наблюдатель, связанный с подвижной системой координат, можнолегко рассчитать, если принять следую щие допущения: жид кость ньютоновская, не сжимаемая; течение установившееся и лами
нарное; |
проскальзыва- |
|||||
Рнс. 10.41. |
Вид |
сверху (а) и |
||||
сбоку |
(б) |
на |
развернутый |
|||
канал, |
изображенный |
на |
||||
рис. |
10.40. |
|
|
В; |
|
|
1 — толкаю щ ий |
червяк |
2 — |
||||
набегаю щ ий червяк |
В; 3 |
— т о л |
||||
каю щ ий гребень; |
4 |
— н абегаю |
||||
щий гребень; 5 — корпус; |
6 — |
|||||
стерж ень червяка А . |
|
|
Рис. 10.42. Профили скорости вдоль канала (а) и поперек канала (б) в предположении, что червяк имеет шаг, равный дна*
метру, |
и |
= |
Vi sin Оь |
1, |
||
V8/(Vf sin 0б) |
|
l/(sin 0S |
X |
|||
X |
sin Ob) |
» |
10, |
|
vx (1)/(Vi X |
|
X |
sin 0b) = |
ux |
(1)/(Vi cos Ob) X |
|||
X |
(cos 0b/sin0b) « |
|
vx (\)/(V iX |
|||
X cos 0b) « |
3,13. |
Абсцисса |
при |
|||
5 — 0 — основание |
червяка, |
|||||
абсцисса при |
1—внутренняя |
|||||
поверхность корпуса. |
|
из этих уравнений нельзя определить абсолютную величину давле ния, если только камера не будет частично пустой (в этом случае можно допустить, что пустующая часть находится при атмосферном давлении). В противном случае нужно рассматривать поток утечек и определять профиль давления по всей длине червяка. Подставляя уравнения (10.11-17) и (10.11-16) в уравнения (10.11-15) и (10.11-14), получим:
Р 7 ё в Г “ |
5 < З Е -2 ) |
|
|
(1011-18) |
+ |
|
< 1 - Ч + |
8 |!> |
(10.11-19) |
На рис. 10.42 представлены |
профили |
скоростей для |
червяка |
|
с диаметральным шагом (0 = 17,65°) при Vt sin 0 = |
1. Эти профили |
скоростей указывают на существование интенсивной внутренней циркуляции, в результате которой расплав в нижней части канала увлекается сердечником червяка к толкающему червяку, тогда как в верхней части у корпуса он течет в обратном направлении (проти воположном движению поверхности корпуса). В то же время в пло скости, перпендикулярной направлению канала, существует также циркуляционное течение, так как в верхней части канала расплав увлекается поверхностью корпуса в направлении толкающих греб ней и течет назад в нижней части канала. Взаимное положение этих двух течений исключает возможность существования неподвиж ного слоя. Траектории, описываемые частицами жидкости, зависят от их начального положения и имеют довольно сложные очертания. В принципе эти траектории можно рассчитать, используя уравне ния, описывающие профили скоростей, и, скорее всего, они имеют
форму открытых винтовых |
петель. |
наблюдается |
по соседству |
|||||
Несколько |
более |
сложная |
ситуация |
|||||
с участками |
сжатия |
(рис. 10.43). Вблизи толкающей |
стенки как |
|||||
|
|
|
выступ толкающего червяка В, так и |
|||||
|
|
|
стержень |
червяка |
А увлекают рас |
|||
|
|
|
плав в область сжатия. Это приводит |
|||||
|
|
|
Рис. |
10.43. Схематическое |
представление ли |
|||
|
|
|
ими |
тока вблизи участков |
захвата: |
|||
|
|
|
1 — корпус; 2 |
— толкающий червяк В ; 3 — набе |
||||
|
|
|
гающий червяк В ; 4 — |
червяк |
А . |