Основные критерии выбора трубной экструзионной линии

Для того чтобы рассчитать скорость отвода трубы и перепад давления в формующей головке, необходимо выбрать типоразмер трубной линии и найти ее производительность. Несмотря на кажущуюся простоту экструдера, определить типоразмер его для производства труб очень сложно, так как отсутствуют четкие критерии выбора, резко возрос их ассортимент и появились принципиально новые конструкции, например экструдеры с передачей вращения на шнек с большой скоростью непосредственно от электродвигателя, наличие винтовых или продольных канавок на поверхности цилиндра, обеспечивающие стабильную работу и повышенную экономичность экструдера, а также двухкаскадные экструдеры и т.д. Осложняется выбор типоразмера экструдера значительными различиями по глубине нарезки шнека, их длине и наличии у них гомогенизирующей зоны.

На начальном этапе необходимо предварительно выбрать производительность агрегата в соответствии с размерами трубы, однако конкретные данные в литературе отсутствуют. Для получения исходных данных автор использовал технические характеристики экструзионных линий для производства труб, приведенные в проспектах различных фирм, которые представлены в виде графической зависимости изменения производительности от диаметра трубы (рис. 5.45). Как показано на рисунке, рекомендуемая различными фирмами производительность значительно различается, но функционально связана с размерами труб, и в этом просматривается общая закономерность.

Если область множества точек ограничить линиями, можно верхнюю линию (пунктирная кривая) использовать для нахождения производительности при производстве толстостенных труб (труб тяжелой серии), а нижнюю — для труб легкой серии. При изготовлении тонкостенных труб легкой серии, если не применяется продольная вытяжка расплава, в формующем канале возникают большие скорости и высокие напряжения сдвига, поэтому требуется снижение производительности. Полученная статистическим методом взаимосвязь производительности и размеров трубы, вероятно, имеет теоретическую основу. Обычно при производстве труб в формующей экструзионной головке создается определенный перепад давления, который необходим для течения расплава и в зависимости от величины которого изменяется процесс гомогенизации расплава в зоне дозирования экструдера. Функциональную зависимость производительности экструдера от диаметра трубы и перепад давления можно описать реологической закономерностью. В качестве исходного уравнения выбираем формулу для расчета перепада давления в кольцевом формующем канале (табл. 5.2). Используя степенное реологическое уравнение, получаем

где h — зазор формующего канала головки; R — радиус мундштука; / — длина формующего канала трубной головки; К — коэффициент реологического уравнения, при изготовлении труб

Зависимость производительности экструдера от наружного диаметра трубы

Рис. 5.45. Зависимость производительности экструдера от наружного диаметра трубы

К= 1,9 • 104 Па; п — показатель степени; V— объемная скорость экструдера, м3/с:

Из полученного уравнения следует, что объемная скорость экструзии пропорциональна произведению радиуса мундштука на глубину формующего канала головки в степени (2п + 1 )/п. При существующих режимах переработки показатель степени для инженерных расчетов можно принять п = 0,5, поэтому величину (2п + 1 )/п можно принять равной (2л+1)/я = 4. Поскольку наружный радиус трубы Rn практически равен радиусу мундштука, а величина формующего зазора равна толщине стенки трубы 8, то опытные данные различных фирм можно представить в двойных логарифмических координатах, в результате этого получаем более четкую зависимость изменения производительности от размеров трубы (рис. 5.46).

Зависимость производительности экструдера от величины М = /?- 5мм

Рис. 5.46. Зависимость производительности экструдера от величины М = /?т- 54мм5: верхняя линия используется для труб с большой толщиной стенки, а нижняя — для тонкостенных, имеющих различное число SDR = 8 /Отр

Полученную зависимость можно описать уравнением где Qo = 32 кг/ч; т ~ 0,178.

Если трубная линия работает на многоручьевую головку, то найденная производительность экструдера умножается на количество формующих каналов. Высокая производительность экструдера не должна вызывать появления эффекта эластической турбулентности. Этот эффект появляется, когда в формующем канале головки возникает большая скорость сдвига у и напряжения сдвига т могут превысить силы адгезии расплава полимера к поверхности канала. В этом случае на выходе из формующего канала происходит периодический срыв расплава со стенок канала и появляется шероховатость поверхности трубы, поэтому объемная максимальная скорость будет равна

где ткр — критическое напряжение сдвига, выше значения которого появляется вероятность срыва расплава, его можно принять равным ткр = 1,6 • 105 Па; К — коэффициент реологического степенного уравнения.

Для того чтобы изделие получалось с гладкой поверхностью, полученная объемная скорость У^ должна быть больше или равна объемной скорости, определенной из производительности выбранного экструдера, Уэ:

где рр — плотность расплава при температуре экструзии (см. прил. 2); с — число параллельных формующих каналов (количество ручьев).

Если это условие не выполняется, может возникнуть шероховатость поверхности трубы (появится срыв потока), поэтому нужно будет выбрать экструдер с меньшей производительностью.

Одновременно следует учитывать, что при работе экструдера с найденной производительностью суммарный перепад давления в формующей головке должен быть в пределах

При низком значении перепада давления, если ZAP < 20 МПа, снижается гомогенизация расплава, что отрицательно влияет на качество изделия. При большом значении перепада давления, если ZAP > 40 МПа, резко снижается производительность экструдера, возникают недопустимые нагрузки на двигатель и все элементы конструкции. Расчет суммарного перепада давления рассмотрен в следующем разделе. При невыполнении этих условий необходимо проанализировать конструкцию формующей головки и за счет изменения сечения подводящих и распределительных каналов снизить или увеличить потери давления.

Когда потери давления велики, а конструкцию головки изменить невозможно, необходимо найти новое значение Утах и выбрать экструдер с меньшей объемной скоростью:

где Fpac — объемная скорость, найденная с учетом предыдущих условий.

После того как проверили найденную производительность по всем рассмотренным условиям, производим сравнительный анализ экструдеров различных фирм. Для этого обычно используют проспекты торговых компаний. Но даже при первом ознакомлении видно, что при равенстве диаметров шнеков производительность различных марок значительно различается. Кроме того, все экструдеры имеют различные отношения длины шнека к его диаметру L/D, различные скорости вращения шнека N и мощности двигателя W, и оценить их весьма сложно.

Поэтому для выбора и оценки экструзионного агрегата можно использовать коэффициент запаса мощности Л"зап. Если мощность, потребляемая экструдером на выдавливание расплава, равна Wn =Q IjAp, тогда коэффициент запаса мощности будет равен

где WA мощность привода шнека.

Однако полученное уравнение показывает, что коэффициент запаса мощности не учитывает скорость вращения и длину шнека, а соответственно и диссипацию энергии от вязкого течения расплава и от трения гранул по каналам шнека и цилиндра. Для оценки экструзионных агрегатов можно рекомендовать коэффициент эффективности (коэффициент удельной мощности) Кэ, учитывающий мощность привода Wa, кВт, количество оборотов вращения шнека N, об./мин, производительность экструдера Q, кг/ч, степень сжатия полимера в каналах шнека i = hJhR и отношение длины шнека к его диаметру L/Dm:

В данном случае предлагаемый коэффициент отражает мощность этого экструдера, приходящуюся на единицу продукции, создаваемой за один оборот скорости вращения шнека, с учетом его диаметра и длины, а также степени сжатия полимера в каналах шнека. Наиболее предпочтительными следует считать экструдеры, имеющие наибольшее значение коэффициента Кэ, так как они имеют больший запас мощности привода и это позволит использовать их при переработке полимеров с более высоким значением вязкости. Зависимость коэффициентов эффективности от диаметра шнека для трубных линий, рассчитанных по проспектам различных фирм без учета значения степени сжатия в каналах шнека /', представлены на рис. 5.47.

Экструдер должен иметь продольные или винтовые канавки на внутренней поверхности цилиндра, что обеспечивает стабильный выход расплава. Отношение рабочей длины шнека к его диаметру должно быть L/D = 28н-32, и желательно, чтобы шнек имел зону гомогенизации. Кроме этого необходимо учитывать такой важный показатель, как надежность конструкции экструдера, а также комплектность поставки и другие технико-экономические показатели.

Зависимость коэффициента удельной мощности от производительности экструдера

Рис. 5.47. Зависимость коэффициента удельной мощности от производительности экструдера

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >