Моделювання процесу екструзії полімерних композицій зі спінюючими наповнювачами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделювання процесу екструзії полімерних композицій зі спінюючими наповнювачами

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема ощадливого використання природних сировинних ресурсів для виготовлення синтетичних полімерів пов'язана з впровадженням ресурсо- і енергозберігаючих технологій. Суттєвий внесок у розв'язання цієї проблеми дає створення композиційних полімерів, у яких завдяки добавкам забезпечується необхідний комплекс фізико-механічних властивостей. Можливість економії сировини та зниження собівартості продукції визначає зростання попиту на полімерні композиції зі спінюючими наповнювачами - спінені полімери. За умов зниження загальних витрат, при малій густині і достатній міцності вони мають високі тепло-, електро - та звукоізоляційні властивості, що обумовлює їх застосування майже у всіх сферах життєдіяльності. Оскільки коефіцієнт теплопровідності спіненого поліетилену на порядок нижчий, ніж у ненаповненого поліетилену, цей матеріал широко використовується в якості теплоізоляції. Зокрема, застосування спінених полімерів у будівництві та реконструкції житлових будинків забезпечує заощадження теплоти до 50% та зменшує негативний тепловий вплив на навколишнє середовище.

Порівняльний аналіз методів виготовлення спінених полімерів вказує на доцільність їх отримання екструзійним методом, переваги якого полягають у можливості переробки відходів виробництв, безперервності процесу, здатності виготовляти вироби із заданими властивостями.

Відмінність екструзії спінених полімерів полягає у необхідності створення умов для введення спінюючого наповнювача, який разом із розплавом полімеру утворює в каналі екструдера гетерогенну систему. Експериментальний підбір режимів переробки таких матеріалів та визначення геометрії робочих органів екструдера потребує значних матеріальних витрат, тому важливого значення набуває моделювання процесу екструзії спінених полімерів з метою пошуку раціональних енерго - та ресурсовитрат, режимів переробки та конструктивних параметрів екструдера.

Існуючі моделі переробки матеріалів у одночерв'ячному екструдері задовільно описують процес екструзії для звичайних полімерів, проте для переробки композицій зі спінюючими наповнювачами вони неприйнятні. Тому розробка фізичної і математичної моделей процесу екструзії спінених полімерів з метою визначення технологічних режимів переробки та конструкції робочих органів екструдера є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до плану науково-дослідної роботи кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв і відповідає напрямку наукових досліджень Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Робота безпосередньо пов'язана з темами: д/б тема №2646-ф «Розроблення теоретичних засад і алгоритмізації детермінованих математичних моделей формування реологічно складних середовищ», номер реєстрації 0103U000206; д/б тема №2759 «Дослідження процесів екструзійного формування виробів із полімерних композиційних матеріалів з застосуванням методів комп'ютерного моделювання», номер реєстрації 0104U000344; д/б тема №2921-ф «Розроблення теоретичних засад проектування обладнання ліній для переробки промислових і побутових відходів полімерів», номер реєстрації 0106U002132.

Мета і завдання дослідження. Метою є створення математичної моделі одночерв'ячної екструзії та експериментальна перевірка адекватності розробленої моделі, а також розробка на основі створеної моделі методики розрахунку обладнання, що дозволить обчислювати геометрію робочих органів та режими переробки, які забезпечують задані показники якості виробів.

Завдання досліджень:

– розробка фізичних моделей процесів, що відбуваються в екструдері при виготовленні спінених полімерів у зонах подачі, плавлення і двох зонах гомогенізації (до і після введення спінюючого агента);

– створення математичних моделей процесів подачі, плавлення та гомогенізації в робочих органах одночерв'ячного екструдера на базі розроблених фізичних моделей;

– створення методики та алгоритмів розрахунку зон подачі, плавлення і гомогенізації;

– створення програми інженерного розрахунку одночерв'ячного екструдера для виготовлення спінених полімерів;

– експериментальне дослідження реології композиції полімеру зі спінюючим наповнювачем;

– експериментальне дослідження процесу виготовлення спінених полімерів методом екструзії;

– проведення числового розрахунку процесу виготовлення спінених полімерів в одночерв'ячному екструдері. Порівняння результатів, отриманих теоретичним і експериментальним шляхом, з метою перевірки адекватності розроблених математичних моделей реальному процесу;

– впровадження результатів досліджень у промисловому устаткуванні.

Об'єктом дослідження є процес екструзії композицій полімерних матеріалів зі спінюючими наповнювачами.

Предметом дослідження є технологічні параметри процесу та геометричні параметри робочих органів екструдера.

Методи досліджень: теоретичний аналіз процесів у функціональних зонах екструдера для виготовлення спінених полімерів, математичне моделювання процесів числовими методами із застосуванням ітераційного підходу, експериментальні дослідження процесу екструзії спінених виробів та реологічних властивостей розплаву; статистичний аналіз дослідних даних; визначення функціональних залежностей і достовірності апроксимацій на основі теорії кореляції.

Наукова новизна одержаних результатів:

- Вперше розроблено фізичні і математичні моделі зон подачі, плавлення і гомогенізації процесу одночерв'ячної екструзії спінених полімерів із врахуванням дисипативних внутрішніх джерел, можливих фазових перетворень спінюючого агента і теплообміну з обмежуючими поверхнями. Розроблені моделі відрізняються від відомих, в яких процеси розглядаються в декартовій системі координат з умовно нерухомим черв'яком і обертовим циліндром тим, що процес розглядається в циліндричній системі координат Лагранжа з обертовим черв'яком і нерухомим циліндром, що краще узгоджується з реальним процесом і дозволяє врахувати умови теплообміну з обмежуючими поверхнями черв'яка і циліндра при розрахунку температурних полів.

- Вперше експериментально встановлено, що в процесах одночерв'ячної екструзії спінених полімерів лімітує друга зона гомогенізації, де відбувається змішування розплаву полімеру зі спінюючим агентом, від параметрів якої для даної продуктивності залежать як геометрія черв'яка, так і режими переробки у всіх зонах екструдера.

- Експериментально досліджено реологічні властивості суміші розплаву полімеру із спінюючим агентом за умов, що відповідають реальному процесу; одержано реологічні рівняння для визначення в'язкості залежно від швидкості зсуву і температури для розплаву поліетилену та композиції полімеру із спінюючим агентом.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено алгоритм і програму інженерного розрахунку процесу одночерв'ячної екструзії спінених полімерів як послідовність моделей подачі, плавлення та двох зон гомогенізації, об'єднаних відповідними умовами їх стикування, що дозволяє для заданої продуктивності обчислювати геометрію черв'яків, число обертів та енергетичні витрати, за яких забезпечується необхідна якість виробу.

За результатами роботи розраховані робочі органи екструзійного обладнання, розроблені рекомендації щодо ефективної експлуатації екструдерів, спроектовано десять промислових черв'яків для виготовлення спінених полімерів, а саме: у ВАТ «УкрНДІпластмаш» (м. Київ) впроваджено спроектовані автором: черв'як 63х30 для спіненого поліетилену (інд. 50271); робочі органи екструдера ЧП45х25 (черв'як для спіненого поліетилену, елементи формувальної головки) (інд. 198207); черв'як 45х25 (інд. 513999); у ТОВ «Энергопласт» (м. Казань, Росія) впроваджено робочі органи екструдера ЧП63х32 (черв'як, комплект дорнів та матриць, пристрій подачі спінюючого агента) (інд. 99790); у ТОВ «НВП» Пластотехніка» (м. Київ) впроваджено: черв'як 90х30 для виготовлення спіненого поліетилену; черв'як 90х25 для виготовлення спіненого поліпропілену; черв'як 90х30 для виготовлення спіненого полістиролу; черв'як 90х30 для переробки поліетилену; у ФОП Романюк І.В. (м. Одеса) автором здійснено: розрахунок геометрії робочих органів екструдера для виготовлення спіненого поліетилену (80х50); розрахунок параметрів екструзії та геометрії формувальних пристроїв для лінії виготовлення спіненого полістиролу (160х25 та 140х30); у ТОВ «Металпласт» (м. Київ) впроваджено: черв'як 63х30 для виготовлення спінених матеріалів; черв'як 63х30 для виготовлення спіненого поліетилену; формувальна головка екструдера ЧП63х30.

За результатами роботи запропоновано нові конструкції обладнання і робочих органів для виготовлення спінених полімерів, які захищені трьома патентами України.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає в постановці мети й задач дослідження, участі у формулюванні фізичних та математичних моделей процесів подачі, плавлення, гомогенізації, розробці математичної моделі, алгоритму і програми розрахунку одночерв'ячного екструдера для виготовлення спінених полімерів, створенні пристрою для реологічних досліджень, розробці методики досліджень і проведенні експериментів; впровадженні результатів роботи у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на: VI Міжнар. науково-практичній конф. «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, 2003); ІІ Міжнар. науково-технічній конф. «Сучасні технології та обладнання для одержання та переробки полімерів, полімерних композиційних матеріалів та хімічних волокон» (м. Київ, 2003); Міжнар. науково-технічному семінарі «Індустрия тари і упаковки» (м. Київ, 2003), Міжнар. науково-практичному семінарі «Індустрія тароупаковки» (м. Київ, 2004); VII Міжнар. науково-практичній конф. «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, 2004); ІІІ Міжнар. науково-технічній конф. «Композиційні матеріали» (м. Київ, 2004); 24-й Щорічній міжнар. конф. «Композиционные материалы в промышленности» (м. Ялта, 2004); VIII Міжнар. науково-практичній конф. «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, 2005); IV Міжнар. конф. «Проблемы промышленной теплотехники» (м. Київ, 2005); IХ Міжнар. науково-практичній конф. «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, 2006), ІІІ Науково-практичній конф. «Новітні технології пакування» (м. Київ, 2007); V Міжнар. конф. «Проблемы промышленной теплотехники» (м. Київ, 2007) та ін.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 31 опублікованій роботі, у тому числі 9 статтях у наукових фахових виданнях України, 19 публікаціях у матеріалах міжнародних конференцій, 3 патентах України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із переліку умовних позначень, вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації становить 217 сторінок, 60 рисунків (з яких 9 на 11 окремих сторінках), 8 таблиць, (з яких 1 на окремій сторінці) і списку літературних джерел зі 153 найменувань (на 15 сторінках), перелік умовних позначень на 3 сторінках, додатки на 39 сторінках.

Основний зміст роботи

полімер промисловий екструдер

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, сформульовані мета та завдання досліджень, наукова новизна та практичне значення результатів роботи, наведена інформація про апробацію роботи, публікації, зв'язок з науковими програмами.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел, виконано аналіз стану наукової проблеми, розглянуто існуючі методи та обладнання і обґрунтовано вибір методу екструзії для виготовлення спінених виробів, проаналізовано існуючі моделі та методики розрахунку екструзії, обґрунтовано вибір залежностей для визначення реологічних і теплофізичних властивостей композиції.

Теорія екструзії пов'язана з фундаментальними дослідженнями Бернхардта Е., Кіма В.С.-Х., Лукача Ю.Ю., Мак-Келві Д.М., Пєтухова А.Д., Рябініна Д.Д., Радченка Л.Б., Тадмора Г., Торнера Р.В., Шенкеля Г. і інших науковців. Існуючі моделі та методики розрахунку задовільно описують процес екструзії ненаповнених полімерів, проте вони не можуть бути використані для розрахунку екструзії спінених полімерів, яка потребує створення умов для введення спінюючого агента та охолодження композиції полімеру зі спінюючим наповнювачем.

Однією з основ розрахунку екструзії є достовірна інформація щодо реологічної поведінки та теплофізичних властивостей розплаву. Такої інформації по композиціям полімерів зі спінюючими наповнювачами в літературі не виявлено.

За результатами проведеного аналізу сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі сформульовано основні положення моделювання процесу екструзії, розроблено фізичні та математичні моделі процесів, що відбуваються в основних функціональних зонах (подачі, плавлення та гомогенізації). Практично у всіх роботах з теорії екструзії процес у каналі черв'яка розглядається в декартовій системі координат, для чого канал черв'яка і циліндр розгортаються в площину з умовно нерухомим черв'яком і рухомим циліндром (обернена модель). Розв'язання рівнянь гідродинаміки у цьому випадку дає обернені профілі компонент швидкості. Це не вносить суттєвих похибок при визначенні гідродинамічних параметрів і продуктивності, але обернені профілі швидкості неприйнятні для розв'язання рівняння збереження енергії із врахуванням теплообміну зі стінкою циліндра, оскільки інтенсивність дисипації біля поверхні циліндра, обчислена за оберненими профілями швидкості, в реальному процесі має місце біля поверхні черв'яка.

При побудові математичних моделей процесів в окремих зонах використана циліндрична система координат Лагранжа з нерухомим циліндром і черв'яком, який обертається (рис. 1).

Для цього об'єм одного кроку гвинтової нарізки умовно здеформовано поворотом його на величину кута гвинтової нарізки (рис. 1, б), у результаті чого він набуває циліндричної форми. У межах цього об'єму розплав обертається в тангенціальному напрямі з профілем швидкості, що відповідає оберненому профілю швидкості умовного прямотоку плоскопаралельної моделі, і циркулює в осьовому напрямі зі швидкістю, що дорівнює оберненій циркуляційній швидкості плоскопаралельної моделі (рис. 1, в). Отже, процес симетричний відносно осі (похідними по можна знехтувати). Для опису швидкісних полів та інтенсивності дисипації кільцевої моделі використані відомі, одержані для плоскопаралельної моделі, профілі складових швидкості, «повернені» на 180 з відповідним узгодженням систем координат.

Кільцевий об'єм переміщується вздовж циліндра в напрямі осі z з середньою швидкістю V_L, а час переміщення t при цьому дорівнює:

, або , (1)

де швидкість сировини вздовж осі L:

, (2)

а кут нахилу гвинтової нарізки:

. (3)

Рівняння збереження енергії в межах кільцевого об'єму в координатах Лагранжа із врахуванням (1) та осьової симетрії має вигляд:

, (4)

де q_V - інтенсивність внутрішніх дисипативних джерел енергії, яка обчислюється за швидкісними полями кільцевої моделі, Вт/м³; - густина сировини, кг/м³; С - питома масова теплоємність, Дж/(кг•К); - коефіцієнт теплопровідності сировини, Вт/(м•К).

Таким чином, рівняння (4) описує процес теплообміну в виділеному кільцевому об'ємі, що рухається вздовж осі черв'яка, деформуючись відповідно до геометрії гвинтової нарізки та умовами теплообміну з поверхнями черв'яка і циліндра в кожній функціональній зоні (подачі, плавлення, першій і другій зонах гомогенізації), крізь яку рухається кільцевий об'єм. У зоні подачі в рівнянні збереження енергії (4) відсутня складова внутрішніх джерел і, крім цього, можна знехтувати теплопровідністю вздовж осі z.

Граничні умови в цьому випадку мають вигляд (див. рис. 2, а):

, (5)

,(6)

, (7)

де q_ч і q_ц - питомі теплові потоки від зовнішніх систем нагрівання (охолодження) черв'яка і циліндра, Вт/м²; Т_вх - температура полімеру на вході в екструдер, С; Т_рч, T_pц - температури охолоджуючих рідин у черв'яку та циліндрі, відповідно, С; _ч, _ц - коефіцієнти тепловіддачі від охолоджуючої рідини до стінки черв'яка та циліндра, відповідно, Вт/(м²К).

, , (8)

де f_ч та f_ц - коефіцієнти тертя полімеру по стінці черв'яка та циліндра; де Р_i - тиск в осьовому напрямку, МПа, К_р - коефіцієнт бокового тиску; V_ч і V_ц - швидкості проковзування полімеру відносно черв'яка і циліндра, м/с, відповідно.

.

У формулі (9) значення А та В визначаються таким чином: (9)

, (10)

. (11)

У зоні плавлення процес екструзії розглянуто за умов, коли плавлення відбувається навколо твердого полімеру (рис. 2, б). До рівнянь (2) - (4), додано відповідні граничні умови для областей твердого полімеру, розплаву та плівок розплаву що утворюються біля осереддя черв'яка, стінки циліндра і гребенів витка.

Граничні умови для твердого полімеру:

; ; (12)

; ; .

де T_пл - температура плавлення полімеру, С.

Граничні умови для області розплаву по координаті z:

; .

Граничні умови по координаті r задані у двох варіантах:

відомі теплові потоки нагрівників q_ч і q_ц: ; ,

відомі температури поверхонь: ; .

У другому випадку, згідно створеної методики, обчислюються теплові потоки, які забезпечують задану температуру поверхонь.

Рівняння збереження енергії для плівки біля поверхні черв'яка:

; (15)

де _ч, м_ч - коефіцієнт теплопровідності (Вт/(мК)) і в'язкості розплаву (Пас) в плівці біля поверхні черв'яка; y - координата по r, в межах плівки розплаву.

Рівняння (15) розв'язується за граничних умов другого роду:

; (16)

або за граничних умов першого роду:

; . (17)

Приріст витрати розплаву біля поверхні черв'яка визначається з рівняння теплового балансу:

. (18)

де _ч - густина розплаву в плівці біля поверхні черв'яка, кг/м³.

Аналогічно для плівки біля поверхні циліндра:

; (19)

де _ц, м_ц - коефіцієнт теплопровідності (Вт/(мК)) і в'язкості розплаву (Пас) в плівці біля поверхні циліндра.

; (20)

або .

Приріст витрати розплаву біля поверхні циліндра: (21)

, (22)

де _ц - густина розплаву в плівці біля поверхні циліндра, кг/м³.

Для першої і другої зон гомогенізації в області розплаву рівняння збереження енергії має вигляд:

; (23)

відповідно теплопровідність крізь стінку циліндра описується рівнянням:

. (24)

Потужність дисипації q_V визначається за відповідним чином оберненими швидкісними полями, обчисленими за рівняннями плоскопаралельної моделі черв'яка. Рівняння розв'язувались за граничних умов першого роду із визначенням теплових потоків, необхідних для підтримання заданих температур поверхонь черв'яка і циліндра, або за граничних умов другого роду за заданою потужністю нагрівників.

У другій зоні гомогенізації (після введення спінюючого агента) приймається, що на вході в зону, в результаті змішування зі спінюючим агентом, має місце вирівнювання і деяке зниження температури, яке визначається за рівнянням теплового балансу. Для обчислення зміни температури внаслідок можливого пароутворення спінюючого агента запропоновано введення умовної температури (температура, яку мала б маса за відсутності перетворень):

, (25)

де x_i та r_пі - масова частка та питома теплота пароутворення і-го компонента сировини, відповідно.

Для дискретизації диференційних рівнянь використано метод скінченних різниць для розв'язання квазілінійних рівнянь. Наведено опис методик розрахунку функціональних зон і алгоритми реалізації на ЕОМ програм, що забезпечують отримання числових розв'язків математичних моделей, наведено результати числового моделювання та їх аналіз.

При проектуванні екструдерів для виготовлення спінених полімерів важливим є визначення координати закінчення процесу плавлення. У програмі розрахунку зони плавлення передбачено розрахунок ширини пробки нерозплавленого полімеру, яка представлена змінною (відношення ширини пробки нерозплавленого полімеру до ширини каналу екструдера). На рис. 3 наведено порівняння результатів розрахунку (суцільна крива) з експериментальними даними та результатами теоретичних досліджень науковців Chang Dae Han та Kee Yoon Lee (штрихові криві). Розрахунки зміни ширини твердої пробки полімеру показали задовільний збіг з експериментальним даними, а розроблена модель більш точно описує реальний стан, ніж результати обчислень згаданих авторів.

Слід зазначити, що розрахунок температурних полів у зонах розплаву і твердого полімеру дозволяє при моделюванні екструдера здійснювати автоматичне стикування зон плавлення і гомогенізації, оскільки область розплаву збільшується, поступово заповнюючи весь канал черв'яка. Числові розрахунки і оцінка їх результатів показали, що процеси біля бічних поверхонь гребенів витків не мають суттєвого впливу на кінцеві результати, а тому при складанні програми розрахунку екструдера похідну по z у рівнянні (4) можна не враховувати.

На рис. 4 зображено температурні поля в зоні гомогенізації за адіабатичних умов (рис. 4, а) та за умов першого роду на поверхні черв'яка і третього роду на поверхні циліндра (рис. 4, б), коли тепловий потік визначається за коефіцієнтом тепловіддачі.

Як видно з рис. 4 а, за адіабатичних умов температурне поле залежить від інтенсивності дисипації, яка у свою чергу визначається профілем швидкості і швидкості зсуву і залежить від продуктивності, геометрії каналу і числа обертів черв'яка, а тому регулювання температурного поля для даної продуктивності є неможливим. За граничних умов першого і третього роду (рис. 4, б) вигляд температурного поля залежить від режиму охолодження черв'яка і циліндра. Через низьку теплопровідність полімеру і малий час його перебування зміна умов охолодження черв'яка і циліндра призводить до зміни температури розплаву лише в пристінному шарі, а в об'ємі маси температура залежить від інтенсивності дисипації. Тому регулювання температурного режиму зміною умов охолодження черв'яка і циліндра слід здійснювати таким чином, щоб температурне поле було рівномірним. Цим пояснюється той факт, що одержання якісних виробів можливе у досить вузькому діапазоні зміни параметрів процесу екструзії. Розроблена програма розрахунку дозволяє числовим моделюванням здійснювати обґрунтований вибір режимів теплообміну зі стінкою циліндра і поверхнею черв'яка.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням процесу екструзії спінених полімерів і реологічних властивостей сировини. Описано установки та методики проведення експериментальних досліджень, наведено аналіз результатів.

Основні дослідження проведено на промисловому екструдері виготовлення спінених полімерів ЧП 63х32 (рис. 5). З метою встановлення впливу геометрії робочих органів на параметри екструзії досліди проводили на черв'яках двох типів.

Базова сировина - поліетилен низької густини марки 10802-020 ГОСТ 16337-77. У якості спінюючого агенту використовували хладон R22.

Експериментально підтверджено, що в процесах екструзії спінених полімерів лімітуючою стадією є змішування розплаву полімеру зі спінюючим наповнювачем у другій зоні гомогенізації, від якої для даної продуктивності залежать як геометрія черв'яка, так і режими переробки у всіх зонах екструдера, що відрізняє процес екструзії спінених полімерів від екструзії ненаповнених полімерів.

Проведений експериментальний добір температурних режимів за різних частот обертання черв'яка показав необхідність охолодження останньої зони екструдера (L₄, L₅, L₆), де відбувається змішування спінюючого агента з розплавом полімеру. Переохолодження розплаву призводить до значних перевантажень двигуна і необхідності створення більшого тиску введення спінюючого агента, а надмірне нагрівання спричиняє спінювання агента в каналі черв'яка, що призводить до погіршення якості продукції.

Експериментальні дослідження реологічних властивостей сировини проведено на спеціальному пристрої на базі одночерв'ячного екструдера. Застосування такого пристрою за робочих умов стаціонарного процесу дозволяє досягти високої точності та значно знизити похибку при числових розрахунках процесу екструзії.

Проведено експериментальні дослідження реології розплаву ненаповненого полімеру та композиції розплаву полімеру зі спінюючим агентом. Наведено опис пристрою для дослідження реологічних властивостей на базі одночерв'ячного екструдера, методику досліджень, результати експериментів та їх аналіз.

У результаті обробки експериментальних даних одержано криві течії для ненаповненого полімеру і композиції розплаву полімеру зі спінюючим агентом (рис. 6).

Результати досліджень розплаву полімеру і композиції полімеру із спінювачем оброблено у вигляді залежності Оствальда де Віля з урахуванням закону Ареніуса для визначення впливу температури.

Остаточно після обробки результатів досліджень реологічна залежність для суміші розплаву полімеру з хладоном R22 (20  мас.) має вигляд:

, (26)

а для ненаповненого полімеру:

. (27)

Для визначення достовірності експериментів проведено порівняння результатів дослідження для розплаву ненаповненого полімеру з літературними даними (прямі 3 і 5 на рис. 8), яке показало задовільну збіжність (похибка не перевищуює 14%).

Встановлено існування граничного значення концентрації спінюючого агента, що подається в екструдер, з точки зору структури спіненого виробу. Для системи поліетилен - хладон R22 відносна масова частка спінювача не має перевищувати 0,25 кг_х/кг_п. Подача більшої кількості спінюючого агенту призводить до руйнування замкнено-коміркового типу структури і пов'язана з ускладненнями технологічного забезпечення.

Основні теплофізичні властивості (, , С, і) оброблено у вигляді поліноміальних рівнянь залежно від температури для поліетилену і хладону для подальшого застосування цих залежностей у програмних розрахунках. Обґрунтовано вибір залежностей для розрахунку теплофізичних залежностей від відносної масової частки спінюючого агента.

У четвертому розділі наведено алгоритм розрахунку процесу одночер'вячної екструзії, розроблений як послідовність моделей подачі, плавлення та гомогенізації в зонах до і після введення спінюючого агента, об'єднаних відповідними умовами їх стикування.

В алгоритмі розрахунку передбачається обчислення глибини нарізки в зоні подачі, яка забезпечує задану питому продуктивність G/n екструдера. Розрахунок глибини нарізки у першій зоні гомогенізації здійснюється виходячи з умови, що градієнт тиску в кінці цієї зони близький до нульового значення. У другій зоні гомогенізації в алгоритмі передбачений пошук глибини нарізки, яка для заданої продуктивності забезпечує задане значення тиску на виході екструдера, що усуває можливість пароутворення спінюючого агента.

При переході від першої до другої зони гомогенізації зроблене припущення, що в області декомпресії внаслідок змішування розплаву зі спінюючим агентом відбувається нагрівання агента за рахунок охолодження розплаву і вирівнювання температурного поля до середнього значення температури, яке приймається далі як початкове для розрахунку другої зони гомогенізації.

За розробленим алгоритмом створено програму розрахунку екструдера, яка дозволяє здійснювати багатоваріантні розрахунки основних параметрів екструзії, проводити інженерні розрахунки для визначення геометрії робочих органів екструдерів за різних умов переробки.

Порівняння геометрії реального черв'яка з розрахованою геометрією за заданих у програмі розрахунку вихідних умов, які мали місце при проведенні експериментів, показує задовільну збіжність. Максимальна похибка становить 16%.

З метою перевірки адекватності створеної програми було проаналізовано зміну масової продуктивності екструдера на різних частотах обертання для різного ступеня наповнення композиції спінювачем (рис. 7).

Порівняння експериментальних і теоретичних параметрів дає задовільну збіжність. Максимальна похибка не перевищує 8%.

Розрахунки показали доцільність моделювання процесу підготовки розплаву в цілому, що дозволяє враховувати взаємний вплив функціональних зон, оскільки масова витрата у всіх зонах постійна, а вихідні параметри однієї зони є вхідними параметрами іншої зони. У цьому випадку зміна параметрів в будь якій зоні автоматично враховується у всіх інших, що найбільш повно відповідає реальному процесу.

У п'ятому розділі розглянуті результати практичного впровадження розроблених у дисертаційній роботі методик і програм розрахунку процесу екструзії спінених полімерів у промисловості.

За результатами роботи розроблена програма інженерного розрахунку яка дозволяє швидко і якісно проводити обчислення геометрії черв'яків для виготовлення спінених полімерів. З використанням створеної програми здійснено розрахунки робочих органів екструзійного обладнання для виготовлення спінених полімерів, розроблено рекомендації щодо ефективної експлуатації екструдерів, спроектовано десять промислових черв'яків для п'яти промислових підприємств.

Висновки

У роботі наведені нові рішення проблеми проектування одночерв'ячних екструдерів для виготовлення виробів із спінених полімерів шляхом розробки математичних моделей окремих функціональних зон процесу екструзії і поєднання їх у єдину послідовність з метою створення алгоритму розрахунку процесу одночерв'ячної екструзії спінених полімерів. Для розв'язання цієї проблеми розроблена фізична модель процесу екструзії і на її основі сформульовано математичні моделі та алгоритми розрахунку процесів, що відбуваються в екструдері. Проведено експериментальні дослідження процесу виготовлення спінених полімерів одночерв'ячною екструзією, на основі яких визначена лімітуюча стадія процесу і встановлені фактори, які мають найбільший вплив на процес і якість виробу. Розроблено алгоритм і програму розрахунку екструдера, виконано числове моделювання процесу. Проведено дослідження реологічних властивостей спінених полімерів, які необхідні для реалізації математичних моделей. Результати числового моделювання показали задовільну збіжність з експериментальними даними. За результатами досліджень розроблено робочі органи екструдера для виробництва спінених полімерів, які впроваджені у промисловість.

За результатами дисертаційної роботи можна сформулювати такі висновки:

1. Аналіз літературних джерел і попередні експериментальні дослідження показали суттєву відмінність процесів виготовлення виробів зі спінених полімерів методом одночерв'ячної екструзії порівняно зі звичайними полімерами. Так, наприклад, питома продуктивність (G/n) при виробництві спінених полімерів, за якої забезпечується необхідна якість, в 3,5 - 4 рази менша. В результаті аналізу розроблено фізичну модель процесу екструзії, відмінністю якої є необхідність запобігання пароутворенню спінюючого агента охолодженням другої зони гомогенізації і підтримки необхідного рівня тиску в цій зоні, що досягається вибором відповідної геометрії черв'яка, частоти його обертання і температурного режиму переробки.

2. Обґрунтовано необхідність побудови моделі процесу екструзії як послідовності моделей зон подачі, плавлення і гомогенізації, що дозволяє врахувати їх взаємний вплив. На основі виконаних розрахунків встановлено, що існуючі моделі, які розроблені для оберненої плоскопаралельної моделі черв'яка з обертовим циліндром і нерухомим черв'яком, не можуть бути використані для розрахунку екструзії спінених полімерів, оскільки вони не дозволяють описати умови теплообміну зі стінкою циліндра з достатньою точністю. Це пояснюється тим, що в плоскопаралельній моделі процеси, які відбуваються біля поверхні черв'яка, умовно переносяться до стінки циліндра.

3. Запропоновано нову математичну модель процесу екструзії спінених полімерів з нерухомим циліндром і обертовим черв'яком, побудовану в циліндричній системі координат Лагранжа, в якій процес теплообміну розглядається у виділеному кільцевому об'ємі, рівному кроку нарізки, що рухається вздовж осі черв'яка, проходячи послідовно зони подачі, плавлення і гомогенізації. На її основі розроблені математичні моделі зон подачі, плавлення і гомогенізації із врахуванням умов теплообміну з поверхнею циліндра і черв'яка і можливості врахування пароутворення спінюючого агента в зоні гомогенізації.

4. Розроблено алгоритми і програми розрахунку зон подачі, плавлення і гомогенізації. Математично описані умови переходу однієї зони до іншої, із їх врахуванням створена програма розрахунку екструдера в цілому.

5. Створено пристрій для експериментального дослідження реологічних властивостей спінених полімерів на базі черв'ячного екструдера, що дозволило провести дослідження за умов, максимально наближених до реальних.

6. Проведено експериментальні дослідження з визначення реологічних залежностей для поліетилену марки 10802-020 та композиції поліетилену зі спінюючим агентом (хладон R22). Одержано криві течії вказаних матеріалів у діапазоні температур переробки (90140 С), які апроксимовані залежностями від швидкості зсуву і температури розплаву. Встановлено, що реологічні залежності, побудовані в логарифмічних координатах, носять практично лінійний характер у діапазоні досліджуваних швидкостей зсуву (5600 с^-1) і при збільшені температури та/або зростанні швидкості зсуву в'язкість зменшується. Слід відзначити також, що в'язкість композиції полімеру зі спінюючим агентом більш чутлива до зміни температурного режиму, ніж в'язкість звичайного полімеру.

7. Встановлено існування граничного значення концентрації спіненого агенту, що подається в екструдер, з точки зору якості спіненого виробу. Для системи поліетилен - хладон R22 відносна масова частка спінювача не має перевищувати 0,25 кг_х/кг_п. Подача більшої кількості спінюючого агенту призводить до руйнування замкнено-коміркового типу структури і пов'язана з ускладненнями технологічного забезпечення.

8. Виконано перевірку адекватності розробленої моделі процесу екструзії порівнянням геометрії реальних черв'яків з розрахованою, вихідними даними для розрахунку якої були параметри, за яких були проведені експерименти. Порівняння показало задовільну збіжність.

9. З використанням результатів досліджень і створеної програми розрахунку екструдерів здійснено розрахунки і робочі креслення десяти промислових черв'яків для виготовлення спінених полімерів, які розроблено і впроваджено на п'яти промислових підприємствах.

Список основних наукових праць за темою дисертації

1. Лукашова В.В., Зубрій О.Г., Радченко Л.Б. Дослідження реології розплаву полімеру з пороутворюючими наповнювачами // Пром. теплотехника. - 2004. - т. 26, №6, С. 45-49.

Внесок здобувача: розробка пристрою для визначення реологічних властивостей розплаву, проведення і обробка результатів експериментальних досліджень.

2. Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Моделювання процесу екструзії із врахуванням фазових перетворень в об'ємі маси // Упаковка. - 2005. - №1, С. 22-25.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу одночерв'ячної екструзії, створення програми розрахунку екструдера, проведення числових досліджень.

3. Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Моделювання процесу плавлення в одночерв'ячному екструдері // Упаковка. - 2005. - №4. - С. 23-27. - №5. - С. 35-37.

Внесок здобувача: аналіз існуючих моделей плавлення полімеру в одночерв'ячному екструдері, створення програми розрахунку, проведення числових досліджень.

4. Лукашова В.В., Радченко Л.Б., Микулёнок И.О., Целень Б.Я. Математическая модель процесса экструзии // Наукові праці. - Одеса: ОДАХТ, 2006. - Вип.28, т. 2, - С. 69-70.

Внесок здобувача: створення методики розрахунку, співставлення результатів отриманих теоретичним і експериментальним шляхами.

5. Будзинська О.С., Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Моделювання процесу неізотермічного живлення одночерв'ячного екструдера. // Наукові праці. - Одеса: ОДАХТ, 2006. - Вип.28, т. 2, - С. 53-55.

Внесок здобувача: проведення числових досліджень, відпрацювання програми розрахунку зони подачі.

6. Лукашова В.В., Мікульонок І.О, Радченко Л.Б. Теоретичне дослідження процесу черв'ячної екструзії // ІІІ Науково-практична конференція «Новітні технології пакування»: Матеріали доповідей. - Додаток до журналу «Упаковка». - 2007. - С. 60-68.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу екструзії спінених полімерів, створення програми розрахунку екструдера, проведено числові дослідження.

7. Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Черв'ячна екструзія. Узагальнена математична модель // Хімічна промисловість України. - 2007. - №1. - С. 32-35.

Внесок здобувача: участь у розробці математичної моделі, апробація програми розрахунку на робочих органах промислових екструдерів.

8. Будзинська О.С., Лукашова В.В., Мікульонок І.О., Радченко Л.Б. Моделювання процесу живлення одночерв'ячного екструдера // Наукові вісті. - 2007. - №1. - С. 49-57.

Внесок здобувача: розробка методики числового моделювання температурних полів, проведення числових досліджень.

9. Лукашова В.В., Радченко Л.Б. Розрахунок екструдера для виготовлення спінених полімерів. // Наукові праці. - Одеса: ОДАХТ, 2007. - Вип.30, т. 1, - С. 77-83.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу екструзії спінених полімерів, створення програми розрахунку екструдера, проведення числових досліджень.

10. Патент України №6007, МПК 7 В29В7/16 В29 В7/42. Черв'ячний прес / Новицька Т.М., Хцинський Р.Р., Лукашова В.В. - №20040604771, Заяв. 17.06.2004, Опубл. 15.04.05. Бюл. №4.

Внесок здобувача: запропоновано геометрію наконечника черв'яка, проведення патентного пошуку.

11. Патент України №4224, МПК В29С47/00, Формуюча головка екструдера / Новицька Т.М., Хцинський Р.Р., Лукашова В.В. - №2004031956, Заяв. 16.03.04, Опубл. 17.01.2005 Бюл. №1.

Внесок здобувача: запропоновано конструктивне виконання філь'єр матриці головки екструдера для виготовлення спінених термопластів.

12. Патент України №5334, МПК В29С47/00. Пристрій для формування листових і блочних матеріалів із спінених термопластів / Новицька Т.М., Хцинський Р.Р., Лукашова В.В. - №2004010385; Заяв. 19.01.04, Опубл. 15.03.2005 Бюл. №3.

Внесок здобувача: проведено патентний пошук, запропоновано спосіб кріплення розсікачів розплаву спіненого термопласту.

13. Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Розрахунок енергосилових параметрів екструзії для виготовлення спінених полімерів одностадійним методом // III Міжнар. наук.-техн. конф. «Композиційні матеріали» (Київ, 2004): Тези доповідей. - К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка»», 2004. - С. 122.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі, створення програми, проведення числових розрахунків визначення температурних полів у каналі екструдера.

14. Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Моделювання процесу екструзії із врахуванням фазових перетворень // Междун. науч.-практ. семинар «Индустрия тароупаковки» (Київ, 2004): Сб. тезисов. - К.: 2004. - C. 35-38.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі екструзії спінених полімерів, розробка алгоритму розрахунку екструдера.

15. Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Математичне моделювання процесу екструзії за умов наявності фазових перетворень // VII Міжн. наук.-практ. конф. «Екологія. Людина. Суспільство» (Київ, 2004): Зб. тез доповідей. - К.: НТУУ «КПІ», 2004. - С. 173.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі процесу екструзії спінених полімерів, розробка алгоритму і програми розрахунку екструдера.

16. Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Розрахунок одночерв'ячного екструдера для виготовлення піноматеріалів // Материалы 24 ежегодной международной конференции и выставки «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2004). - Ялта: 2004. - С. 293-294.

Внесок здобувача: розробка математичної моделі, проведення числових досліджень.

17. Lukashova V., Zubriy O., Radchenko L. A Foming Process of Production of Polymeric Foam's by the Method of Physical Foaming // IV-th International Conference Problems of Industrial Heat Engineering (Kyiv, 2005): Abstracts. - K.: 2005. - p. 152-153.

Внесок здобувача: теоретичне дослідження процесу фізичного спінювання.

18. Зубрій О.Г., Радченко Л.Б., Лукашова В.В. Математичне моделювання процесу плавлення в екструдері // IХ Міжнар. наук.-техн. конф. «Екологія. Людина. Суспільство (Київ, 2006): Тези доповідей - К.: НТУУ «КПІ», 2006. - С. 99.

Внесок здобувача: участь у розробці математичної моделі процесу плавлення у одночерв'ячному екструдері, розробка програми розрахунку, числові дослідження промислового екструдера.

19. Лукашова В.В., Радченко Л.Б., Мікульонок І.О., Целень Б.Я. Математична модель процесу одночерв'ячної екструзії // 26 научн.-практ. конф. «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком, 2006): Тезисы докладов. - Ялта: 2006. - С. 129 - 130.

Внесок здобувача: апробація математичної моделі для екструзії пінополімерів, проведення числових досліджень.

20. Lukashova V., Mikulyonok I., Radchenko L. Research Of The Process Of The Single-Screw Extrusion // V-th International Conference Problems of Industrial Heat Engineering (Kyiv, 2007): Abstracts. - K.: 2007. - p. 91-93.

Размещено на Allbest.ru