CC BY
32
УДК 66-933.6.011:678.542
Проведено чисельне моделюван-ня з використанням експеримен-тальних даних течи полiмерних розплавiв в дшянках каналiв з ура-хуванням умови присттного ковзан-ня. Наведено деяк закономiрностi розподЫу швидкостей та тиску в залежностi вид швидкостi присттного ковзання, показано дощльтсть використання уточнених граничних умов
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ЕКСТРУЗ1ЙНОГО ФОРМУВАННЯ ПОЛ1МЕР1В З УРАХУВАННЯМ ЕФЕКТУ ПРИСТ1ННОГО
КОВЗАННЯ
О.Л. Сокольський
Кандидат техычних наук, доцент* Контактний тел.: (044) 454-92-77, 8-066-218-64-76
E-mail: [email protected]
Ю.В. Бурла
Студентка*
*Кафедра хiмiчного, полiмерного та силкатного
машинобудування Нацюнальний техычний уыверситет УкраТни „КП1" пр-т Перемоги 37, корпус 19, м. КиТв, 03056
1. Вступ
В свт встановився стшкий попит на вироби з полiмерних матерiалiв та композицiй на ix основi та на базi вторинноi полiмерноi сировини. В Украiнi сто'ть особливо гостро проблема переробки вторин-ноi полiмерноi сировини. Виготовлення яюсних по-лiмерниx виробiв, в тому числi з вторинноi сировини, неможливе без використання сучасних чисельних методiв моделювання та оптимiзацii конструктивних i теxнологiчниx параметрiв устаткування та процеив в ньому, а також без урахування впливу пристшних ефектiв, яю мають значний вплив як на переб^ про-цесiв пiд час ix переробки, так i при формуванш виробiв з них.
Пристшш ефекти можуть значною мiрою впли-вати на розподiл основних параметрiв розплаву по всьому перерiзу каналiв i, як наслiдок, на експлу-атацiйнi властивостi виробiв та '¿х матерiалоем-нiсть.
2. Постановка завдання
В даний час в зв'язку з все бшьшим застосуван-ням сучасних методiв розрахунку, обчислювальноi техшки та унiкального програмного забезпечення на математичнш базi методiв скiнченниx елеменив (МСЕ) i контрольних об'eмiв е можливiсть значно пiдвищити точнiсть розрахунюв переробних про-цесiв та технолоНчного обладнання. Нинi в свiтi на базi фундаментальних дослiджень розроблено ряд програмних пакешв для комп'ютерного ана-лiзу процесiв та обладнання переробки пластмас. Проте розрахунки за допомогою таких вщомих обчислювальних систем, як MOLDFLOW, POLY-CAD, COMPUPLAST, IKV, FLUENT POLYFLOW [1-5] мають дуже загальний шдхщ до ршення цих задач i не враховують таких особливостей кон-кретних об'екив як, наприклад, пружш деформацп конструктивних елементiв обладнання, пристшш ефекти та ш.
Проведення чисельних експерименпв з проф^ю-вання формуючих каналiв обладнання набагато ефек-тивнiше й дешевше традицiйних багаторазових дове-день конструкцiй.
Задачею дано! роботи покладено чисельне дослщ-ження протжання розплаву в каналах формуючого устаткування з урахуванням наявностi пристшних шарiв полiмеру, в яких виникають значно вiдмiннi вiд основно! маси умови та властивость Такий тдхщ сприяе бiльш точному врахуванню параметрiв течп та формування виробiв.
Зазвичай тд час гiдравлiчних розрахункiв викори-стовують граничну умову прилипання рщини до твер-дих обмежуючих та рушшних поверхонь. Зрозумiло, що це лише математична абстракщя, iнакше частина рщини, що контактуе зi стшками, нiколи б не вийшла з каналу. Насправдi швидкiсть рiдини на поверхш контакту з тшами декiлька вiдрiзняеться вiд швидкостi цих поверхонь.
Якщо рухома рiдина е низьков'язкою, и властивостi наближенi до ньютонiвськоi i названа умова майже не впливае на точшсть розрахункiв.
Коли дослвджуваними середовищами е такi висо-ков'язк рiдини, як розплави полiмерiв, в'язкiсть за-лежить вiд швидюсно-деформацшного режиму течп. Найбiльшi градiенти швидкосп спостерiгаються в пристiнних шарах рвдини, тому властивостi та на-пружено-деформований стан в рядi випадюв значною мiрою впливае на весь об'ем в перерiзi.
Швидкiсть пристшного ковзання (Uw) залежить вiд природи полiмеру, значення напружень в його пристшних шарах, наявносп рiдких або твердих дис-персних включень, низькомолекулярних фракцш, що витискаються на поверхню пiд час течп, а також ви-користання спецiальних змащувальних домшок, що додають в полiмерну сировину для покращення умов переробки й формування.
Явище пристшного ковзання розплавiв полiмерiв неодноразово дослщжувалось експериментально на простих дiлянках каналiв в рiзних роботах, наприклад [6-8]. Дослщити бiльш складнi об'екти в натурних експериментах майже неможливо, тому дощльно за-мiнити чисельними.
процеси. При цьому можливо розраховувати, а також оптимiзувати технологiчнi параметри процесiв пере-робки полiмерiв по визначених властивостях переро-блюваного матерiалу та заданих параметрах кшцевого виробу.
Для проведення чисельних дослщжень протiкання розплаву полiмеру в простих д^янках каналiв була використана графiчна залежнiсть, отримана в робоп [8] як функцiя Uw розплаву полiвiнiлхлориду (ПВХ) вiд розрахункового значення напруження в полiмерi на стшщ круглого каналу. В данiй робоп перероблю-ваним матерiалом було прийнято ПВХ марки Пл8, рео-лопчт та теплофiзичнi властивостi якого попередньо вводились в систему за даними [10]. Процес вважався iзотермiчним.
Проводилось чисельне моделювання течи полiмеру з заданими витратами за умови сталого температурного режиму на дшянщ задано! геометрп, в результат якого визначався розпод^ швидкостей та напружень в розплавь На основi отриманих даних за залежшстю [8] визначалась Ц, i вводилась в граничш умови, пiсля чого розрахунок повторювався. В частину розрахунюв для порiвняння вводились iншi значення пристiнноi швидкосп, iмiтуючи наявнiсть домiшок або низькомолекулярних фракцш, наприклад частково деструкто-ваного вторинного полiмеру.
Показанi в якосп прикладу на рис. 1 графжи роз-рахованих швидкостей течп полiмеру по перерiзу круглого каналу отримаш за таких умов: температура розплаву - 1400С, дiаметр каналу - 12мм, витрата - 45мм3/с.
4 5 6 7
№ перерву в|д oci
3. Реалiзацiя завдання та аналiз результатiв
Науковцями 1ХФ НТУУ "КП1" розроблено систему автоматизованого проектування VESNA [9] на 6a3i ушверсальних залежностей суцiльних середовищ та МСЕ. В основу побудови алгоритмiв покладено щею iнтеграцii в единому середовишд програмних продук-тiв розрахунку параметрiв теплових i riдродинамiч-них процеав переробки середовищ iз змшними вла-стивостями та взаемопов'язаних з ними розрахунюв на мщшсть i жорсткiсть конструктивних елементiв.
Система дозволяе розглядати будь-яке середовище за ушверсальною методикою, в тому числi для рiзних фазових станiв та переходiв мiж ними, наприклад, плавлення та затвердшня.
Завдяки використанню МСЕ за наявност сучасноi обчислювальноi технiки е можлившть автоматизовано розв'язувати системи з майже необмеженою кiлькiстю диференцiйних рiвнянь, якi описують технологiчнi
Рисунок 1. Розподт швидкостi течи розплаву по радiусу каналу для рiзних швидкостей пристшного ковзання (мм/с): 1 - без ковзання; 2 - 0,0025; 3 - 0,004 (розрахована за [8]); 4 — 0,2
Результати розрахунюв для круглого каналу показали помину рiзницю в розподШ швидкостей по перерiзу за наявност ефекту пристшного ковзання та без нього.
Характер розподшу швидкостей течп впливае на реолопчш властивост полiмеру, а звщти й на витра-тонапорну характеристику дшянки каналу. Аналiз результатiв моделювання течп полiмеру в круглих каналах з рiзними геометричними спiввiдношеннями показав лшшний характер залежностi перепаду тиску при заданш витратi вiд и^ Прикладом тако! залеж-ностi е графж, представлений на рис. 2. Вш був от-риманй за тих же умов, що й графж, показаний на рис. 1. Лшшний вигляд залежноси спостерпався в усьому
4
дослщжуваному дiапазонi дiаметрiв - вiд 3 до 50мм, i в усьому дослщжуваному дiапазонi витрат - вщ 2 до 1500мм3/с.
0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
Висновки
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Швидюсть пристЫного ковзання, им/с
Рисунок 2. Залежжсть перепаду тиску в круглому каналi вiд швидкостi пристiнного ковзання
Рiзниця мiж перепадами тиску, розрахованими за умови прилипання та за Ц,, визначено! з роботи [8], склала в даному прикладi 10%.
Така лшшна залежнiсть спостерiгалась лише для цилшдричних каналiв. Наприклад, в кошчних дь лянках каналу падшня перепаду тиску вiдбуваeться швидше, ашж зростае Uw (див. рис. 3).
0,1
■ 0,09
0,08
г 0,07
5 0,06
0,05
С 0,0184 0,0186 0,0188 0,019 0,0192 0,0194 Швидюсть присттного ковзання, мм/с
Рисунок 3. Залежнють перепаду тиску в кошчному каналi вщ швидкостi пристiнного ковзання
В кошчних каналах Ц, задавалась вздовж твiрноi, але на результати розрахункiв впливае лише радiаль-на и складова.
Отримаш результати показують, що врахування явища пристiнного ковзання при течп полiмеру навiть в каналах просто! геометрп дозволяе суттево уточ-нити результати моделювання процесiв формування виробiв з полiмерних матерiалiв.
Подальшим розвитком роботи буде складання на базi чисельних експерименив критерiальних рiвнянь для рiзних конфiгурацiй найпростiших дiлянок кана-лiв, з яких можна скласти з деякими спрощеннями та апроксимащями будь-який реальний канал i отрима-ти для нього уточнену залежшсть перепаду тиску вiд витрати, не вдаючись до використання спецiалiзова-них програмних продукив, а також виконувати про-ектнi розрахунки екструзiйних головок.
Лиература
1. http://www.compuplast.com.
2. http://www.ikv-aachen.de.
3. http://www.fluent.com.
4. http://www.moldflow.com.
5. http://www.polycad.co.il.
6. Швед Н.П. Экспериментальная установка для исследова-
ния процессов переработки термопластов на каскадном экструдере// Химическое машиностроение. Республ. межведомств. научно-техн. сб.,- Киев,- Техшка,- вып. 29, с. 24-30.
7. Бондаренко В. Н., Кочеров В. Л., Лукач Ю. Е. и др. Экстру-
зионное оборудование для получения полимерных кон-цетратов красителей// В кн.: "Создание прогрессивного оборудования для производства химических волокон".-Тез. докл. Всесоюзной научно-техн. конференции.- ч.1.-Чернигов.- 1982.- С. 104-105.
8. Жданов Ю. А., Иванова Л. А., Рябинин Д. Д. Метод опре-
деления скорости скольжения и истинной кривой течения полимеров по неинвариантным реологическим характеристикам. Химическое машиностроение. Республ. межведомств. научно-техн. сб.,- Киев,- Техшка,- вып. 18, с. 50-57.
9. Сахаров О.С., Щербина В.Ю., Гондлях О.В., Овецький В.1.
САПР. 1нтегрована система моделювання технолопчних процеав 1 розрахунку обладнання х1м1чно! промислово-сл - К.: ТОВ "Пол1граф Консалтинг", 2006. - 156 с.
10. Теплофизические и реологические характеристики полимеров: Справочник / Пахаренко В.А., Привалко В.П., Петрушенко Е.Ф., Хмеленко Г.И., Иванова Л.А. / Под ред. Ю.С. Липатова. - К.: Наукова думка, 1977. - 244 с.
0
