Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из наиболее перспективных направлений для многих отраслей современной промышленности является применение полимерных композиций, обладающих уникальными эксплуатационными свойствами. Основным способом переработки подобных нелинейновязких материалов на сегодняшний день остается экструзия, достоинствами которой являются непрерывность и высокая производительность процесса.
Систематическим исследованиям проблем течения полимеров посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов. Но, несмотря на значительные успехи в теории и математическом моделировании процессов тепломассопереноса, при экструзии полимеров, в силу большого разнообразия материалов, конструктивных особенностей аппаратов и технологических режимов, возникает ряд проблем, связанных с перегревами, возникающими при течении расплавов высоковязких пластикатов в винтовых каналах экструзионного оборудования. Это имеет место при экструзии полимеров, свойства которых существенно изменяются в условиях чрезмерного нагрева, например, таких как безгалогенные компаунды, не поддерживающие горение. В подобных случаях ключевой характеристикой, определяющей качество конечного продукта, становится температура потока расплава в экструдере и формующем инструменте.
Экспериментальное определение температурного поля расплава полимера в шнековых аппаратах практически невозможно, поскольку градиенты температур в тонком слое жидкого материала перпендикулярно оси экструдера могут достигать значительных величин (более 50000 К/м). В связи с этим, важнейшее значение приобретает теоретическое изучение влияния различных механизмов терморегуляции на процессы течения и теплообмена при экструзии.
Следует отметить, что на сегодняшний день в открытой литературе практически не представлена информация о влиянии на экструзию процессов теплопе-реноса в шнеке, учет которых необходим для более точного определения температурных режимов. Соблюдение последних является исключительно важным при переработке современных полимерных композиций. Кроме того, поскольку поверхность червяка составляет половину всей поверхности, через которую может происходить теплообмен с пластикатом, охлаждение шнека жидкой средой, наряду с регулированием температуры корпуса, является важным элементом процесса при необходимости снижения температуры расплава полимера в винтовом канале экструдера.
Таким образом, представляет научный интерес и является весьма актуальным совместное решение задач движения, плавления и течения полимера в рабочем канале пластицирующего экструдера и задачи тепломассопереноса в охлаждаемом шнеке.
Цель работы. Разработка математических моделей процессов плавления и течения нелинейновязких полимерных материалов в винтовых каналах экструде-ров с учетом принудительного охлаждения шнека для повышения эффективности терморегулирования процесса экструзии и снижения уровня локальных перегревов.
Задачи исследования. Реализация поставленной цели требует решения следующих задач:
-
Разработать пространственную математическую модель процессов движения, теплообмена и фазового перехода полимерных сред в винтовых каналах одношнековых экструдеров с учетом теплопроводности шнека.
-
Создать математические модели процессов теплопереноса в шнеке с учетом неизотермического течения жидкого теплоносителя в канале охлаждения.
-
Построить алгоритмы и разработать программу для численной реализации совместного решения задач течения и плавления полимеров в рабочих каналах экструзионного оборудования и определения температурного поля шнека с учетом принудительного охлаждения.
-
Проверить адекватность предложенных математических моделей сравнением с реальными процессами.
-
Провести натурные эксперименты по определению реологических и теп-лофизических параметров полимерных композиций с использованием современного испытательного оборудования.
-
Выполнить численные эксперименты для оценки влияния различных механизмов терморегуляции на уровень локальных перегревов в расплаве полимера.
Научная новизна.
-
Построена математическая модель процессов гидродинамики, теплообмена и фазового перехода нелинейновязких полимерных материалов в каналах одношнекового экструдера с учетом теплопроводности шнека.
-
Впервые предложены математические модели процессов теплопереноса в шнеке с учетом неизотермического течения жидкого теплоносителя в канале охлаждения.
-
Разработан и реализован многоуровневый алгоритм итерационных процедур для совместного решения задач тепломассопереноса нелинейновязких полимеров в условиях фазового перехода в винтовых каналах экструдеров и теплообмена в шнеке с учетом принудительного охлаждения.
-
С помощью нового высокоточного оборудования проведен термический и реологический анализ полимеров, получены экспериментальные результаты для теплофизических и вязкостных характеристик современных изоляционных материалов.
-
Выявлены закономерности влияния геометрических характеристик канала охлаждения, свойств теплоносителя, технологических параметров переработки полимеров и процесса охлаждения шнека на величину объемов перегревов в расплаве. Построены напорно-расходные характеристики экструдера с учетом охлаждения шнека.
На защиту выносятся:
-
Пространственная математическая модель тепломассообмена полимерных материалов в условиях фазового перехода и вынужденной конвекции расплава в каналах одношнекового экструдера с учетом теплопроводности шнека.
-
Математические модели процессов течения и теплообмена жидких теплоносителей в охлаждающих каналах шнеков экструзионного оборудования.
-
Алгоритм совместного решения задач гидродинамики, теплопереноса, плавления полимеров в рабочем канале экструдера и теплообмена в шнеке с учетом принудительного охлаждения.
-
Результаты экспериментальных исследований теплофизических и реологических характеристик современных полимерных материалов, применяемых в кабельной промышленности.
-
Результаты численного исследования влияния различных механизмов терморегуляции на закономерности процессов тепломассообмена в полимере и оценка их эффективности.
Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным согласованием с результатами экспериментальных исследований и численными решениями, полученными с помощью других методов.
Практическая значимость работы.
На основе предложенных математических моделей и алгоритмов разработан (в соавторстве) «Программный комплекс по расчету процессов тепломассопере-носа полимерных материалов в каналах одношнековых экструдеров» («Universal Screw 12»), который позволяет:
численно получать картины течения и плавления полимера в каналах экстру знойного оборудования;
учитывать теплоперенос в шнеке и влияние принудительного охлаждения на процессы экструзии;
находить технические решения при разработке новых конструкций шнеков экструдеров, существенно снижая затраты на натурные эксперименты;
подбирать рациональные технологические режимы переработки при переходе на новые полимерные материалы;
снижать уровень локальных перегревов перерабатываемого полимера путем изменения параметров технологического режима и режима охлаждения;
определять дифференциальные и интегральные характеристики работы экструдера с учетом геометрических, технологических параметров и свойств перерабатываемого пластиката;
разрабатывать алгоритмы автоматических систем управления экструзион-ными линиями.
На созданный программный комплекс получено Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности о государственной регистрации.
Внедрение результатов работы.
По результатам работы, проведенной автором, на ООО «Камский кабель» приняты к использованию:
режимы экструдирования при производстве кабелей с пластмассовой изоляцией;
методики и результаты экспериментальных исследований теплофизических и реологических характеристик изоляционных материалов на термогравиметрическом анализаторе TGA Q50, дифференциальном сканирующем калориметре DSC Q2000, ротационном реометре DHR-2;
результаты исследования работы экструзионного оборудования с учетом охлаждения шнека;
- рекомендации по снижению перегревов материала за счет выбора рациональных режимов экструзии.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: 14-ой Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2005 г.); V Международной конференции «Молодые ученые -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (г. Москва, 2005 г); 17-ой Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2011 г.); 5-й Юбилейной Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2011 г.); 10th World Congress on Computational Mechanics (Sao Paulo, 2012), а также на научных конференциях «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2005-2012 г.г.).
Результаты диссертации использованы при выполнении НИР в рамках гранта РФФИ 13-08-96034 р_урал_а.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 153 наименования. Общий объем работы 130 страниц, в том числе 59 рисунков и 15 таблиц.
