Введение к работе
Актуальность работы. Переработка полимерных материалов и создание необходимого технологического оборудования представляет собой одко из важнейших направлений современной отечественной и зарубежной промышленности. На сегодняшний день около 602 мирового производства пластических масс перерабатывается методом экструзии. Основным преимуществом процесса экструзии является непрерывность и возможность его совмещения с рядом других технологических процессов: пластикацией, смешением и др. В связи с этим процесс экструзии нашел широкое применение в таких отраслях промышленности, как кабельная, химическая и др.
Наиболее широкое применение среди экструзионных машин при переработке полимеров нашли одночервячные пластицирущие екструдери. Основным рабочим органом экструдера является обогреваемый цилиндрический корпус, внутри которого вращается шнек. Одним неэффективных средств исследования процессов тепломассопереноса в канале плзстицирующегоэкструдера в настоящее время является метод математического моделирования. При этом ныне существующие математические модели из-за их чрезмерной упрощенности очень часто неадекватно описывают рассматриваемый процесс. К тому же в большинстве своем модели не описывают взаимосвязно все этапы процесса экструзии полимеров в канале винта, начиная от зоны загрузки и заканчивая зоной дозирования. Основанием для выполнения работы явилась программа технического развития АО "Камкабель".
Цель работы. Разработка пространственной математической модели процессов тепломассопереноса полимера в канале одночервячного шшстицируквдего экструдера в условиях фазового перехода и вынужденной конвекции расплава с учетом нелинейности свойств материала, изменяющейся геометрии шнека и радиального зазора между гребнем нарезки червяка и стенкой цилиндра.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- для каждой функциональной зоны канала экструдера
разработать математические модели процессов тепломассопереноса
полимера;
в математических моделях зон задержки плавления, плавления и дозирования учесть влияние утечек расплава полимера через зазор' между гребнем нарезки червяка и стенкой цилиндра; .
создать общую математическую модель одношнекового плас-
тицирувдего экструдера с учетом потоков утечек через зазор;
- с помощью численных исследований провести проверку адекватности разработанной модели л анализ основных закономерностей процесса экструзии полимера.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана пространственная математическая модель процесса тепломассопереноса полимера в канале одночервячного пластицирувде-го экструдера с изменяющейся геометрией, учитывающая нелинейность свойств материала и вынужденную конвекцию расплава.
Предложен метод учета потока утечек расплава полимера, как аномально-вязкой среды, через зазор между гребнем нарезки червяка и внутренней поверхностью корпуса, обусловленного вынуеденной состовлягацей и перепадом давления, в том числе и в условиях фазового перехода.
Предложен и обоснован метод решения трехмерной нелинейной задачи о тешгомассопереносе полимерз в канале экструдера.
Установлено, что поток утечек оказывает наибольшее влияние на величину градиента давления в начале зоны плавления, где толщина пленки расплава соизмерима с величиной- зазора между гребнем нарезки червяка и внутренней стенкой цилиндра.
Получены напорно-расходныв характеристики экструдера с учетом потока утечек расплава через зазор.
Практическая значимость. Основные научные разработки диссертации могут быть использованы при выборе и совершенствовании технологических режимов экструзии на существующем оборудовании, а также при разработке и проектировании нового экструзионного оборудования.
Практические рекомендации, полученные с помощью численных исследований по предложенной математической модели для реального экструзионного оборудования, внедрена в АО "Намкабель". Экономический эффект составил I млн.100 тыс.руб.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: На областной научноттехнической конференции "Математическое моделирование в сложных системах. /г.Пермь, I989-I99Q г./; на Всесоюзных научно-технических конференциях "Электрическая.изоляция кабелей и проводов" /г.Москва, 1990 г./, "Опыт применения персональных ЭВМ в кабельной промышт ленности" /г.Москва, 1990 г./; на Всесоюзном' научно-техническом семинаре "О концепции стандартизации в электротехнике и энергетике
и путях ее реализации в 13 пятилетке" /г.Тверь, 1990 г./; На П-ом международном форуме по тепломассообмену, /г. Минск, 1992 г./;
Публикации.
Основные положения диссертационной работы достаточно полно отражены в 7 печатных работах.
Структура и обьем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (107 наименований) и приложения, расположенных в общей сложности на 129 страницах. В работе содержится 48 рисунков и II таблиц.