CC BY
40
Рекомендовано до публжаци д-р техн. наук Дуравкн С. В.
Дата надходженнярукопису 27.02.2015
Mohammed Khodayer Hassan Al-Dulaimi, PhD, Department of Software Engineering, Instructor at Al-Rafidain University College, Iraq, Bagdad, Hay Al Mustansurya E-mail: [email protected]
Aymen Mohammed Khodayer Al-Dulaimi, graduate student, Department of Telecommunication Systems, Odessa National Academy of Telecommunications name after A. S. Popov, st. Kovalska, 1, Odessa, Ukraine, 65000 Email: [email protected]
УДК 678.057
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.38997
ЧЕРВ'ЯЧНО-ШЕСТЕРЕННИЙ ЕКСТРУДЕР ПРИ ПЕРЕРОБЦ1 ПОЛ1МЕРНИХ МАТЕР1АЛ1В
© Д. А. Степанюк, М. П. Швед, Д. М. Швед
У cmammi представлено анал1з основних схем екструзшних установок, та наведено ocHoeHi параметри, яК впливають на пульсацiю продуктивностi в черв'ячному екструдерi без шестеренного насосу. Розглянутi анализ та експериментальт до^дження продуктивностi та И коливання в класичному черв'ячному екструдерi та в тому ж екструдерi з шестеренним насосом
Ключовi слова: екструдер, шестеренний насос, гомогенiзацiя, дозування, пульсацiя, полiмер, градieнт тиску, черв'як, зазори, формуючий iнструмент
The paper presents the analysis of the main schemes of extrusion plants, and the main parameters that affect the performance pulsation in worm extruder without gear pumps.
It is considered analysis and experimental research of productivity and its fluctuations in the classic worm extruder and in the same extruder with gear pump
Keywords: extruder, gear pumps, homogenization, dosage, pulsation, polymer, pressure gradient, worm, gaps, shaping tool
1. Вступ
Зростаючi обсяги виробництва та переробки пластичних мас вимагають ввд ra^3i полiмерного машинобудування ошгашзацп процеав та ширшого використання ресурсоенергозбер^аючих технологш.
Найб№ш поширеною залишаеться одночер-в'ячна екструзiя. При цьому одночасно виконуються наступи операци: живлення, стискання, плавления твердого полiмеру, змiшування, створення тиску та дозування розплаву. Ва назваш процеси тюно пов'я-занi Mim собою i виконуються в черв'ячному екстра-дерi одним робочим органом - черв'яком, що усклад-нюе оптимiзацiю процесiв [1]. Така конструкцiя екс-трудера мае суттевий недолiк, так як присутш коливання продуктивностi, якi призводять до перевитрати сировини i енергп.
2. Постановка проблеми
Метою роботи е визначення, аналiз та експере-мнтальнi дослiдження продуктивностi та и коливання в класичному черв'ячному екструдерi та в тому ж екструдерi з шестеренним насосом.
3. Лггературний огляд
Каскаднi установки в порiвияннi з традицiй-ними черв'ячними екструдерами характеризуються кращими питомими показниками та широкою номенклатурою перероблюваних матерiалiв [2].
Використання каскадних установок дозволяе встановлювати рацiональнi режими роботи видшених операцiй при якiсному веденш усього технологiчного процесу. При створенш таких екструдерiв необхiдно вирiшувати ряд наступних завдань [3]:
- видшення з технолопчного процесу переробки основних операцш;
- визначення можливосл !х iнтенсифiкацii;
- вибiр вщповщних агрегапв та вузлiв, якi забез-печують проведения i керування цими операциями;
- визначення можливостей погодження !х су-мiсноi роботи.
На першш стадп каскадних агрегатiв зазвичай використовують одночерв'ячний, дисковий, або дво-черв'ячний екструдери. Як правило, друга стадгя представлена одночерв'ячним екструдером. З метою ефективно! переробки полiмерiв в якосп першого каскаду використовують дисков^ або двочерв'ячнi екструдери, якi забезпечують бiльш якiсне змiшуваи-ня i гомогенiзацiю розплаву, нiж одночерв'ячний екс-трудер.
Технолопя багатостадiйноi екструзй' викорис-товуеться фiрмами Battenfeld, Barmag (Нiмеччина), Buss (Швейцарiя), Mitsubishi Petrochemical (Японiя) та шшими.
Використання каскадних установок мае ряд переваг. По-перше, розмежування операцш дае змогу автономно i бшьш точно корегувати техиологiчнi
режими и пор1вняно просто досягати оптимальных результата на окремих стад1ях, забезпечуючи високу як1сть екструдату за умови максимально! продуктивносп. По-друге, подш екструдера «на дв1 частини» дае змогу ефективно оргашзовувати на пром1жнш дшянщ ix поеднання видалення летких речовин (де-газацш пол1меру), що суттево полшшуе як1сть одер-жуваних нашвфабрикапв i вироб1в (зводиться до мь шмуму можливiсть появи у виробах бульбашок, раковин, каверн та шших дефектiв) [4, 5].
Проте невиршеною залишаеться проблема пульсаци тиску, як1 викликанi флуктуащею парамет-рiв сировини на вxодi в екструдер, вщносною неста-бшьшстю температури в рiзниx зонах екстра-дера, що призводять до перевитрати сировини.
Вирiшенням ще1 проблеми може бути встано-влення мiж екструдером i формуючим iнструментом дозуючого шестеренного насосу, якии мае жорстку напiрну характеристику, що дозволяе зменшити пульсацiю тиску та продуктивносп i, тим самим, заощаджувати полiмер та енергiю на Иого перероб-лення.
4. Основна частина - порiвняльна характер-ристика продуктивной черв'ячного екструдера та такого ж екструдера з шестеренним насосом при переробщ полiмерних матерiалiв
В класичному черв'ячному екструдерi продук-тивнiсть визначаеться зоною дозування i залежить ввд ii геометричних параметрiв, роду матерiалу та опору формуючого iнструменту. В щй зонi вщбува-еться гомогенiзацiя та створення тиску, а ii об'емна продуктившсть визначаеться за формулою [6, 7]:
Q =
U -a-h
2
F -
a-h-AP 12-]-L
(1)
де a - ширина каналу; h - глибина каналу; т] - не ньютошвська в'язшсть, яка залежить ввд швидкосп зсуву та температури; AP - рiзниця тисков на вxодi i виxодi iз зони дозування; L - середня довжина каналу зони; Fd, F коефiцiенти як1 враховують гальмiв-
ну дш бокових стiнок каналу черв'яка; Uz - швид-к1сть рухомо! поверxнi вiдносно неруxомоi в плоско паралельнш моделi.
ПершиИ член в правш частинi рiвняння визна-чае об'емниИ видаток розплаву обумовлений виму-шеною течiею без градаенту тиску уздовж вiсi каналу (прямотечгя). Другий член - це об'емниИ видаток за рахунок течи розплаву тд дiею градiента тиску (про-титечiя), тобто, при вiдсутностi руху мiж шнеком i цилiндром (нульова швидк1сть шнека).
Таким чином, в рiвняннi перший член харак-теризуе величину продуктивносп екструдера, а другий член - перемiшуючу здатшсть зони дозування. При збiльшеннi глибини каналу протитечiя зростае швидше чим прямотечгя, тому продуктивнiсть зни-жуеться, а перемiшуюча здатнiсть зони дозування зростае.
З шшого боку протитечiя стае бшьш чутли-вою до пульсаци тиску в кшщ зони дозування, що
неминуче призводить до пульсаци продуктивность Для того, щоб коливання продуктивносп менше залежали вiд перепащв тиску в формуючому ш-струменл, бiльшiсть шнек1в конструюються так, щоб в зош дозування течiя тд дiею градiента тиску була ввд-носно малою при достатнiИ перемiшуючiИ здатносп. Профiлi швидкостей уздовж вiсi каналу для рiзниx значень градiента тиску представлен на рис. 1 [8].
Рис. 1. Профш швидкостей вздовж ос каналу
Якщо градiент тиску дорiвнюе нулю (ДР=0), то профшь швидкостi лiнiИниИ i вiдповiдае виму-шенiИ в'язк1И течи. Коли перепад тиску негативний (ДР<0), швидк1сть протитечи мiж шнеком i цилшд-ром збшьшить швидкiсть вимушено^' течи. Коли перепад тиску позитивний (ДР>0), в зош течи розплаву створюеться тиск, i сумарна швидшсть змен-шуеться, а протитечгя збiльшуеться покращуючи перемiшування. В випадку якщо градiент тиску зна-чно бiльшиИ нуля (ДР>>0), то продуктивнiсть дорь внюе нулю, i полiмер циркулюе в екструдер^ це означае що екструдер мае закритий вихш та проти-течiя дорiвнюе прямотечи.
Якщо протитечiя складае тiльки 10 % вш зага-льно! продуктивностi екструдера, змша тиску в формуючому шструменп на 50 % призводить пльки до змiни продуктивностi на 5 %. Якщо протитечгя складае 50 % вш загальноi продуктивносп екстрадера, то змiна тиску в формуючому шструменп на 50 % при-веде до змiнi продуктивносп на 25 % .
1снують три шляхи досягнення вщносно низь-ко! чутливостi роботи екструдера до змши тиску, а, вiдповiдно, i до зниження пульсацй' продук-тивностi. ПершиИ шлях - це зменшення глибини каналу в зош дозування шнека, але це призводить до зниження загадьте^' продуктивносп. Другий шлях - зменшення градiента тиску в зош течи розплаву шляхом створення тиску в бшьш раншх зонах екструдера (екст-рудери з пазовими канавками), але тодi добавляються пульсацй', яш визваш нестабiльнiстю процесiв в зонах завантаження i плавлення. ТретiИ шлях - це встановлення дозуючого шестеренного насосу мгж екструдером i формуючим шструментом.
Якщо використовуеться третiИ споаб, то шес-теренний насос, маючи великий гiдравлiчниИ опiр i жорстку напiрну характеристику, слугуе як дросе-люючий пристрiИ, гасячи пульсацй' тиску, температури i продуктивностi на вxодi в шестеренний насос. З шшого боку вш, як об'емниИ насос, забезпечуе точ-не дозування розплаву, яке майже не залежить вш перепадiв тиску в формуючому шструменп. Продук-
тивнють такого насосу може бути розрахована за формулою [9]:
t2
Q = 2-л-в ■ n ■ (R2 - R2--Ц -( в 12
„ AP , ,, U ■ b ■ h
- (-ь ■ h +-),
(2)
12 L
2
де в - ширина шестернi; Re - pagiyc кола виступiв шестернц R - pagiyc основного кола; /0 - крок зачеп-лення 3y6iB по основному колу; n - число обер-пв шестернi, U - швидшсть рухомо! поверхнi; b - ширина зазору; h - висота зазору; АР - рiзниця тискiв на входi i виходi в шестеренному нaсосi; L - середня довжина зазору; 77- неньютошвська в'яз-юсть, яка залежить ввд температури та швидкосп зсуву.
В наведеному вирaзi перша складова ввдобра-жае теоретичну продyктивнiсть шестеренного насосу, яка розраховуеться на основi теори евольвентного зачеплення, або ж це паспортш дaнi заводу виробни-ка насоса, друга i третя склaдовi вiдобрaжaють сума-рнi втрати ще! продyктивностi через зазори мiж ру-хомими та нерухомими поверхнями шестеренного
насосу. Наведенi втрати необхвдш, так як розплав змащуе поверхш тертя в зазорах i повертаеться на вхщ насосу.
Втрати продуктивносп за рахунок протитечп в рiвняннi (1) i сумарнi втрати продуктивносп через зазори шестеренного насоса в рiвняннi (2) залежать вiд опору формуючого iнструмента та геометричних розмiрiв каналiв червяка i шестеренного насоса.
Приймаючи до уваги, що висота каналу в зош дозування черв'ячного екструдера складае 3-8 мм, а в шестеренному насоа висота зазорiв складае (30-80)^10-3 мм, то втрати продуктивносп в екструдерi з шестеренним насосом будуть в сто разiв меншi шж в черв'ячному екструдерi без шестеренного насосу.
5. Апробащя результа^в дослiдження
Проведенi дослвдження на базi класичного чер-в'ячного екструдера та того ж екструдера з шестерен-ним насосом [10] показали, що при сталш частой обер-таиия втрати продуктивносп при змш опору формуючого шструменту ввд 18 до 23 МПа за одних i тих же умов в класичному екструдерi складали 25-30 %, а в тому ж самому екструдерi з шестеренним насосом вони складали не бшьше 5 %, рис. 2.
Рис. 2. Залежносп продуктивносп класичного черв'ячного екструдера та того ж екструдера з шестеренним насосом ввд опору формуючого шструменту
Якщо прийняти, що номшальний тиск при опорi формуючого iнструменту в 20 МПа змшюеться на ±0,5 МПа, що е наслщком нестабiльнiстi процесiв в черв'ячному екструдерi чи змiною температури в формуючш головцi, то це призводить до того, що коливання продуктивносп в класичному черв'ячному екструдерi будуть складати ±2,4^4 %, а в черв'ячному екструдерi з шестеренним насосом ±0,5^1 %.
6. Висновки
Використання шестеренного насоса м1ж чер-в'ячним екструдером i формуючим шструментом дозволяе практично повнiстю згладити пульсацш тиску i стабiлiзувати коливання продуктивносп в екструдер^ що дозволяе мiнiмiзувати допуски на ге-ометричнi розмiри виробiв i, тим самим, зменшити перевитрати сировини та енергп на екструзш.
Лiтература
1. Раувендааль, К. Экструзия полимеров [Текст] / К. Раувендааль; пер. с англ. А. Я. Малкина. - СПб.: Профессия, 2006. - 768 с.
2. Мак-Келви, Д. М. Переработка полимеров [Текст] / Д. М. Мак-Келви. - М.: Химия, 1965. - 442 с.
3. Tadmor, Z. Engineering Principles of Plasticating Extrusion [Text] / Z. Tadmor, T. Klein // Modern Plastics. -1970 - Vol. 1, Issue 6. - P. 46-54.
4. Tag name : Высокоскоростная экструзия [Елек-тронний ресурс] / Все о переработке пластмасс. -Режим доступу : http://plastweb.ru/tag/vyisokoskorostnaya-ekstruziya/
5. Collings, S. Plastics Machinery and Equipment [Text] / S. Collings // Nature. - 1982. - Vol. 5, Issue 2. - P. 26-29.
6. Раувендаль, К. Выявление и устранение проблем в экструзии [Текст] / К. Раувендааль; пер. с англ. В. П. Володина - СПб.: Профессия, 2008. - 328 с.
7. Тадмор, З. Теоретические основы переработки полимеров [Текст] / З. Тадмор, К. Гогос. - М.: Химия, 1984. - 632 с.
8. Радченко, Л. Б. Переробка термопластш методом екструзи [Текст] / Л. Б. Радченко. - К. : 1ЗМН, 1999. - 220 с.
9. Кузьмша, В. О. Дослщження продуктивном! шестеренного насоса в лшп для виробництва руковно1 плiвки [Текст] / В. О. Кузьмша, Я. М. Коршенко, М. П. Швед, Д. М. Швед // Хiмiчна шженер1я, екологiя та ресурсозбере-ження. - 2012. - № 1.
10. Степанюк, Д. А. Черв'ячно-шестеренний екструдер при переробщ итмерних матерiалiв [Текст] / Д. А. Степанюк, М. П. Швед, Д. М. Швед // Одеська нацю-нальна академ1я харчових технологш. - 2014. - Т. 3, № 45. - С. 173-175.
References
1. Rauvendaal, K. (2006). Extrusion of polymers. St. Petersburg, Profession, 768.
2. McKelvie, D. M. (1965). Plastics Processing. Moscow, Chimie, 442.
3. Tadmor, Z., Klein, T. (1970). Engineering Principles of Plasticating Extrusion. Modern Plastics., 6, 46-54
4. Tag name : High-speed extrusion State All about processing of plastics. Available at: http://plastweb.ru/ tag/vyisokoskorostnaya-ekstruziya/
5. Collings, S. (1982). Plastics Machinery and Equipment. Nature, 2, 26-29.
6. Rauwendaal, C., M. (2008). Troubleshooting the Extrusion Process. St. Petersburg, Profession, 328.
7. Tadmor, Z., Gogos, K. (1984). Theoretical foundations of extrusion polymers. Moscow, Chimie, 632.
8. Radchenko, L. B. (1999). Processing of Thermoplastics by Extrusion. Kiev, IZMN, 220.
9. V. Kuzmin, Y., Kornienko, M., Swede, D. (2012). Swede of Research of the productivity of cog-wheel pump is in a line for the production of sleeve tape. Chemical engineering, ecology and pecypco36epexeHHa producing, 1.
10. Swede, M., Swede, D., Stepaniuc, D. Worm-cogwheel extruder at processing of polymeric materials. Odesa national academy of food technologies, producing, 3 (45), 173-175.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук, професор Петухов А. Д.
Дата надходження рукопису 19.02.2015
Степанюк Дарина Андрпвна, кафедра машин та апарапв хГмГчних i нафтопереробних виробництв, Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: [email protected]
Швед Микола Петрович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра машин та апарапв хiмiчних i нафтопереробних виробництв, Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полггехшчний ш-ститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056 E-mail: [email protected]
Швед Дмитро Миколайович, провгдний Гнженер, кафедра машин та апарапв хГмГчних i нафтопереробних виробництв, Нацюнальний техшчний ушверситет Украши «Кшвський полпехшчний шститут», пр. Перемоги, 37, м. Кшв, Украша, 03056
УДК 66.083
DOI: 10.15587/2313-8416.2015.38851
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В БЛОЧНОМУ ТЕПЛООБМ1ННИКУ © Я. Г. Двойное, М. I. Хотинецький
Метою досл1дження е створення науково обтрунтованог методики тженерного розрахунку тепловог потужностi блочного теплообмтника в залежност1 вгд енерговитрат на перекачування теплоносИв, що дозволить виконати економiчно обтрунтований проектний розрахунок. Коректнiсть методики пере-вiрено на експериментальнш до^днш установцi
Ключовi слова: гiдродинамiка, теплопередача, блочний теплообмтник, гiдравлiчний опiр,теплова потужность, мiсцевi опори
The purpose of the research is to create a science-based method of engineering calculation of thermal power block heat exchanger according to the energy consumption for pumping fluids, which will perform economically feasible design calculation. The correctness of method tested in an experimental pilot plant Keywords: hydrodynamics, heat transfer, heat exchanger block, hydraulic resistance, thermal power, local resistance
1. Вступ
Типи, розмiри та поверхня теплообм^ блоч-них теплообмшнишв обирають з нормалi виробника (наприклад фiрми GBH Enterprises [1]), таким чином геометричш розмiри та фiзичнi властивосп матерiалу блоку стандартизован виробником i iнженерна зада-
ча полягае у визначенш типу та шлькосп таких блоков, схеми тдключення, типу та потужносп насосного обладнання. 1нтенсифжащя процесу теплообмiну у блочному теплообмшнику лiмiтуеться термiчним опором матерiалу блоку^. Schou and other [2]), тому досягнення турбулентного режиму у каналах блочно-
