автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование процессов течения и теплообмена расплавов термопластичных полиуретанов в каналах экструзионных головок грануляторов

ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. ЛЕНИНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА РАСПЛАВОВ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИУРЕТАНОВ В КАНАЛАХ ЭКСТРУЗИОННЫХ ГОЛОВОК ГРАНУЛЯТОРОВ

05. 17. 08 - Процессы и аппараты химической технологии

На правах рукописи

УЛЬЕВ Леонид Михайлович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1991

/О/ - * / /г- С *

? I V ' / .! '

Работа выполнена в Украинском ордена Трудового Красного £ мени научно-исследовательском и конструкторском институте химиг кого машиностроения, г. Харьков.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Пономаренко В. Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ткач Г. А.

- кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Трошенькин Б. А.

Ведущее предприятие - научно-производственное объединен

"Полимерсинтез", г. Владимир.

Защита состоится " фа^о^алЛ 1992 г. в 4Ъ часо

на заседании специализированного совета К 068. 39. 03 в Харьковском политехническом институте имени В. И. Ленина ( 310002, г. Харьков , ГСП, ул. Фрунзе 21 )

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института.

Автореферат разослан - 15 1ээ£ г.

Ученый секретарь

специализированного совета Якименко Г. Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. При производстве и переработке термоплас-чных полимеров часто встречаются процессы, когда материал непре-вно продавливается через фильерные отверстия, которые могут быть нической, цилиндрической или составной коническо- цилиндрической рмы. Примером такого процесса может служить производство гранули-ванных термопластичных полиуретанов (ТПУ), когда выдавливаемая из яьер стренга расплава разрезается на гранулы. Для выбора оптима-ных параметров процессов гранулирования и последующей кристалли-ции гранул необходимо знать распределение температуры и скорости ;плава на выходе из фильеры. Кроме этого, многие технологические эаметры процесса синтеза полимера и конструктивные параметры обо-цования определяются перепадом давления на экструзионной головке анулятора. Для преодоления сопротивления на существующих констру-1ях фильерных плит используются громоздкие опорные подшипники и фавлические системы подпора шнеков. В связи с чем возникла необ-;имость создания новой конструкции фильерной головки.

В свою очередь расплавы ТПУ являются высоковязкими термочувст-гельными жидкостями, при течении которых происходит значительная :сипация механической энергии, вследствие чего может наступить >модиструкция полимера. Поэтому для определения оптимальных усло-I работы гранулятора необходимо детальное исследование процессов [зотермического течения расплава в каналах фильеры. Работа выполнялась в соответствии с постановлениями СМ СССР № от 15.06.1983 г., № 888 от 19.09.1985 г., № 1129-332 от 1.1985 г., № 65 от 14.01.1987 г.

Целью работы является изучение процессов течения и теплообмена :оковязких жидкостей с аррениусовской зависимостью реологических 1Йств от температуры в круглых цилиндрических и конических кана:, а также каналах, составленных из них, разработка эффективного ода расчета течения и теплообмена в каналах экструзионных голо-грануляторов. Создание надежного способа обработки эксперимен-ьных данных, полученных на вискозиметрах переменного давления с ью определения реологических свойств полимеров. Создание новой трузионной головки, которая позволяет упростить конструкцию гра-ятора.

Научная новизна. Разработан метод расчета процессов неизотер-еского течения высоковязких жидкостей в осесимметричных каналах, орый можно характеризовать как интегро-интерполяционный метод с

частичной дискретизацией области решения. Исследовано влияние ра: личной интенсивности теплообмена с внешней средой на характеристш течения расплава в цилиндрическом канале. Получено решение зада' неизотермического течения в круглом конвергентном канале с теплов! ми граничными условиями третьего рода. Получено решение задачи не1 зотермического течения высоковязкой жидкости в составном коничесю цилиндрическом канале при переменной термической активности стен) канала вдоль течения. Изучено неизотермическое течение термопласт] чных бингамовских жидкостей в зависимости от интенсивности теплое мена с окружающей средой. Разработан эффективный способ обработ: вискозиметрических данных, полученных на капиллярном вискозимет; переменного давления.

Практическая ценность работы. Результаты работы позволяют зн чительно увеличить точность и надежность выбора оптимальных конст рукторских и технологических параметров грануляторов ТПУ. На осн вании проделанных работ подана заявка об изобретении устройства п дводного гранулирования, на которую) получено положительное решени Прогнозируемый экономический эффект от внедрения заявленного ус ройства для двух промышленных установок суммарной производительн стью 240 кг/час гранулята Витур Т-12К составляет „780 тыс. руб. /го

Результаты работы были использованы при разработке гранулят ров ТПУ в УкрНИИхиммаше г. Харьков и в НПО "Полимерсинтез" г. Вл димир.

На Казанском химическом заводе в течении 2- лет эксплуатируе ся разработанное устройство на машинах АШ-90 для синтеза ТПУ.

На защиту выносятся:

- результаты и метод решения задачи неизотермического течения выс ковязкой жидкости с аррениусовской зависимостью вязкости от темп ратуры в круглой трубе с учетом теплоты диссипации, поперечных ко вективных потоков теплоты и для тепловых граничных условий третье рода;

- метод и результаты решения задачи о неизотермическом течении е соковязкой жидкости в круглом конфузоре с учетом диссипации, поп речного конвективного теплопереноса и при тепловых граничных уел виях третьего рода;

- метод и результаты решения задачи неизотермического течения выс ковязкой жидкости в канале фильеры гранулятора, состоящем из кон$ зора и цилиндра;

- метод и результаты решения задачи неизотермического течения те мопластичных бингамовских жидкостей в круглых цилиндрических кa^

ix с учетом диссипации, поперечного конвективного теплопереноса и шловых граничных условиях третьего рода;

результаты определения оптимальных конструкторских и технологи-юких параметров фильеры гранулятора ТПУ и ее конструкция; метод обработки экспериментальных данных, полученных на автомати-îckom капиллярном вискозиметре.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы 'кладовались на Всесоюзной научно- технической конференции "Роль 'лодых исследователей и конструкторов химического машиностроения в ализации целевых комплексных программ и важных научно-технических облемм в свете решений XXVI съезда КПСС" (г. Полтава, 1983г.), на есоюзной конференции "Химия и технология производства, переработ-и применения полиуретанов и сырья для них" (г.Владимир, 1984г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Роль молодых исследо-телей и конструкторов химического машиностроения в реализации це-вых комплексных программ, направленных на ускорение научно- тех-ческого прогресса в области" (г. Северодонецк, 1986г.), на Респу-иканской конференции "Повышение эффективности, совершенствование оцессов и аппаратов химических производств" (г. Львов, 1988 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шес-глав, выводов и обозначений. Изложена на 188 страницах машино-:ного текста, содержащего 53 рисунка. Библиография включает 222 шенования работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, дано обоснование ги работы и основных положений, выносимых на защиту.

В первой главе для характерных параметров переработки полиме-1 проведено упрощение систем дифференциальных уравнений, описыва-ix ламинарное течение и теплообмен высоковязких ньютоновских жид-:тей в круглых цилиндрических и конических каналах, а также опи-ающих ламинарное течение вязкопластичных жидкостей в круглых ка-ах. Сделан обзор существующих решений задач конвективного тепло-ена в осесимметричных каналах, на основании чего сформулированы ачи исследования.

Во второй главе проводится исследование течения и теплообмена илиндрических каналах расплавов ГПУ, которые в пределах измене-параметров переработки ведут себя, как высоковязкие ньютоновс-жидкости. Для таких жидкостей длина участка релаксации механи-ких возмущений много меньше длины участка тепловой релаксации.

Учитывая это, систему уравнений, описывающих движение и теплообме расплавов полимеров, можно записать:

ЗП _д Гтду1

д^ -ТП-1Ш1 1 д

и 5у ?

1 д

дУ

т.

о,

5 3?И*

(1 (2

V V

где х =р. € =£. V =-5-, ы =

Г° Го \ \

П =-

Р =-

,(р-ро)гс 2-1

ш =ехр

—1-

1+ рэ]

Ф

С граничными условиями

« шип

V = О,

О,

и = О, 0.

ав _

Щ

=-В1

[0-Эа],

?= 1. €= о,

Х= О,

(3

дч _ п 58 3? " Щ

П = 0, 8 = 0,

и условия постоянства расхода 2]у (£)£(!£= 1.

Для решения этой системы сопряженных уравнений область течен условно разбивается на N концентрических цилиндрических слоев, каждом из которых вязкость считается постоянной и равной вязкост взятой при средней температуре этого слоя. В результате получим с стему ЗМ уравнений гидродинамики и теплообмена, а к условиям (4-добавится.7(N-1) условий сопряжения составляющих скорости, напряж ния сдвига и условий теплообмена на границах слоев.

Из уравнений гидродинамики получаем выражения для составляш скорости в слоях и градиента давления

'-м-

гсЪ_рг Ы-1¿2 р2

ш

1 = 1

ш

1+к

где

n

I 1 = 1

^1-1

и=1

сШ 8 ¿X Б*

(^-значение на 1- границе для о>, v - средь

по поперечному сечению 1-°слоя значение продольной скорости в эт слое, а усредняя (3) по поперечному сечению слоя, получим систе обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих измене! средних температур в слоях:

й01_ 2

О*

^ Сп

[€. К"5Ч) К-0..!]-?,-!

(8)

У4Ре

где

Ми.

5^ = —"и -безразмерные коэффициенты теплообмена

между соседними слоями, которые определяются из рассмотрения стационарного теплообмена между тремя соседними слоями

Ни

Ми

(

^111

1г -Д-. 1. ^ -

р2

«I 2

^ определяется усреднением (4)

Ч'Чп-г1 ^

1п

£ - £ £

В1

(9)

(10)

Полученные соотношения полностью определяют решение задачи. Система уравнений (7, 8) решалась численно методом Гира с автоматическим выбором шага интегрирования и порядка аппроксимации.

С помощью разработанного метода проанализировано четыре варианта течения в цилиндре при параметрах Ре=1528; рис 1 Сп=21,18; /3 =4, З65х10"3; В1 =

Эволюция распределения продоль- 3,75 для температур 0 =0, Э =

3.007 и в =-3.007, а также ратурного поля—с вдоль канала: а) а

цля случая с В1=0; б) при 0а=-3,007. для адиабатического течения.

Определено влияние теплоты диссипации и теплообмена с окружаю-

цей средой на динамику течения расплава. Получены распределения

температуры и скоростей в канале (Рис.1). Показано, что существует

цлина канала, при которой профиль скорости на выходе является наи-

Рис.2. Изменение безразмерного давления вдоль канала. 1- для случая с Э = 0; 2-е в =3, 007; 3- с 0 = -3,007; 4-а для течейия с адиабатической стенкой;5-расчет сФ=0и8=3,007; 6- течение жидкости с постоянйыми свойствами.

более наполненным, а при этом получается наиболее качественный продукт. Оптимальная длина канала зависит от условий теплообмена, что создает дополнительные возможности управления качеством получаемого продукта. Точно также можно регулировать давление в канале при од-

ном и том же расходе, т.е. числе Ре (Рис.2). Найдены распределен! теплового потока на стенке канала вдоль продольной координаты. П< казано, что для случая с 8а>0 тепловой поток на некотором рассто; нии от входа меняет свое направление, хотя среднемассовая темпер; тура жидкости Э < 8ав этом месте. Это говорит о том, что примен< ние инженерных методов для расчета конвективного теплообмена п] течении расплавов ТПУ может привести к абсурдным результатам.

Для каналов с Ьа 20го (г0~1,5х 10"3 м) получены немонотоннь

-ЛР'/О,

Па

т

300

200

too

ч ----- — — —

/ а \ Л

$ -Лг-

У

0.2

ОЛ

0.6 V,"/c

Рис. 3.

Зависимость перепада давления в цилиндрическом канале длиной L=

0,118 м. и г=1,5*1(Т5м. от средней скорости течения. 1- течение при 8 =-3, 007; 2-8 =-1, 5; 3-8 = 0;

напорно-расходные зависимое' (Рис.3). Это объясняется суще« твованием двух режимов течение низкотемпературного и высок» температурного, т. е. эффект! аналогичных тепловому гидрод] намическому взрыву. Одна! здесь изменение вязкости прои( ходит в основном вблизи грани! и определяется как расходом ж> дкости и ее свойствами (при м; лых энергиях активации течет наблюдаются только mohotohhi зависимости), так и условия: теплообмена. Отмечается, ч1 игнорирование этих эффектов п] конструировании экструзионн: головок может привести к негативным результатам.

Для течения с адиабатической стенкой можно отметить интересн; связь: максимальный ДР соответствует расходу, при котором длина к; нала близка к 1н Т-При меньших расходах зависимость АР(V) возра тающая, при больших - убывающая.

Сравнение результатов, полученных описанным методом с ране^ опубликованными, дает хорошее согласие.

В третьей главе исследуется течение и теплообмен расплавов круглом конфузоре при граничных условиях третьего рода. Систе уравнений гидродинамики и теплообмена , записанная в сферических к ординатах после соответствующих упрощений, приобретает вид:

/EZa

Вт

4-8 =1,5;

5-8 =3, 007; 6-8*=

6; 7-

ЭП

ЛГ

= 2!

К

Вт av

г ч

тт 3v 72 Вт'

(1

¡h г а ♦ ьна- i feH- ? у«2- ]-1 kí^ ь1,21

_ i ^-Í/T^el» !_ r(l-rfl 1

;2 a?1- J £3т1 J Pe?2 axL1- J9T .

Gn + - Ф, Pe

(13)

R

де £=-, t=cos9, П= R„

<P"P0)Ro

v- ve - Q

f0Vo Vo Vo 2n[l-cos90jR0r*

2-, га..л2

>=тЦ-|4у2+ [1-т2] [д^] г*-радиус усеченной части конфузора.

Разбивая канал на концентрические конические слои и применяя [етод, развитый во второй главе, получаем выражения для составляю-1их скорости в слоях и систему обыкновенных дифференциальных урав-ений, определяющих средние температуры и давления в слоях:

Ui Н'= ¡T^f Э^-'йг т' *т *Ti-1' (

14)

(15) i= 1,2,...N,

0.0 ll+Gn^i dITl. 3%kN Г. f_2,_ * 1

0> ¡Гад? i1

де Ui№ л rhñ + si - ij, Sl-f J-- [*j.

л [v1]

n

I

k=1

тн[[ТК-ТК)-[ТК-ГТК-1]]

2 \ р2Ы

L p2 Ы

r^twi]

Nu,

. St =-i. 1 Pe

Эм+1=Эа-температура окружающей среды, dü /d£ вычисляется дифферен-ированием средней величины и и' в итоге выражается через d0 /d£ .

Безразмерные коэффициенты теплообмена между слоями находятся

з анализа теплообмена между тремя соседними коническими слоями.

Полученная система уравнений интегрировалась численно методом ира, для параметров Л=8, 67х10~2; 2во=30°; /3 = 1,44x10"2; Ре = ,02x104; Gn = 1,654; Bi= 169,8 и для различных температур окружаю-эй среды: 1) 8а=0; 2) Ва=1,5; 3) Ва=-1,5, а также течения с адиа-зтической стенкой. При Э =0 в начале течения распределения темпе-

ратуры, скорости (Рис.4) и перепада давления (Рис.5) почти не отли-

11 Рис.4. Распределение по угловой координате скорости (а) и температуры (б). Левая половина: сплошные линии для течения при 0а=О; штрихпунктирные при адиабатической стенке. Правая половина: сплошные линии при 8а=1, 5; пунктирные при =-1, 5;

штрихпунктирные для хидкости с постоянной вязкостью при 8а=-1,5. 1-£=1; 2-0, 2; 3-£=Л.

чаются от изотермических. При Эа=1,5 жидкость нагревается (тепловой поток q= ВК0м-8а) отрицательный (Рис.6)), но из-за малой теплопроводности только в тонком периферийном слое, что ведет к уменьшению вязкости и уплощению профиля скорости, а при 0а= -1,5 остывает (тепловой поток положительный), вследствие чего вязкость на периферии увеличивается, а профиль радиальной скорости вытягивается (Рис.4).

1Г&

в <2

■ 1 *л*ю -з

— --

г2ч

Рис.5. Зависимость безразмерного давления от 1-Эа=-1,5; 2-адиабатическое течение; 3-0;

4-0 =1,5; 5-течение при ц=сопз1.

Дальнейшее течение приводит к увеличению средней по поперечному сечению канала скорости. Это ведет к увеличению градиента скорости, особенно в периферийной области, и, следовательно, к росту диссипации энергии у стенок канала, повышению там температуры и уменьшению вязкости (Рис.4). Профиль радиальной скорости становится более наполненным, что приводит к еще

Рис.6. Зависимость безразмерного теплового потока через стенку конфузора от Сплошные линии- жидкость с переменной вязкостью, пунктирная- без учета диссипации энергии,штрихпунктирная- течение жидкости с д=сопз1 и учетом диссипации.

большему увеличению градиента скорости у стенок канала.

На некотором расстоянии от входа эффекты, связанные с диссипацией энергии, становятся преобладающими, и, хотя перепад давления возрастает, модуль его градиента уменьшается по сравнению с изотермическим течением во всех случаях (Рис.5). Тепловой поток

7 Ь/0а=О;

Ч00\_ 2 8а--/5; 3 9а:/5;

-200

эсь сильно увеличивается, а при 0^1,5 меняет направление (Рис.6).

Кроме этого рассмотрены течения при различных углах раствора и я разных расходов жидкости.

Исследовано также влияние поперечного конвективного переноса плоты. Отмечается, что для адекватной оценки влияния теплоты дис-иации необходимо в числе Сп за масштаб скорости принимать среднюю эрость расплава на выходе из конфузора.

Сравнение результатов, полученных развитым методом, с ранее убликованными дает хорошее совпадение.

В четвертой главе рассматривается практическое использование

Рис. 7. Распределение безразмерного давления (1,2,3,4) вдоль канала фильеры; 5, 6,7,8- распределение безразмерной температуры в стенке фильеры; 1,5- фильера без обогрева; 2,6- температура 0 =0; 3, 7-0 =- 4, 96; 4, 8- 0 =9, 02. ЗИштрихованйые области-теплоизоляционный материал.

20

полученных в работе результатов. С помощью раз-10 витого метода исследуется течение расплава в фильере гранулятора, состоящей из конфузора и цилиндра. Сопряжение решений проводится в тороидальных координатах, при этом данные на выходе 20 из конфузора являются начальными данными для расчета течения в цилиндре. Рассмотрено несколько вариантов фильерной доски. Основные из них это конструкция, в которой имеется канал с теплоносителем, кото-1 окружает фильеру (Рис. 7). Этот канал теплоизолирован от распла-

10

-

Г

'.6

кТг^Г' -

Ж 1

1.6

8 ИОм

Рис. 8. Распределение безразмерного теплового потока (1,2,3,4) на границе канала и средней температуры жидкости (5,6,7,8) вдоль канала. 1,5- фильера без канала с теплоносителем; 2,6- температура теплоносителя 0=0; 3, 7- 0 = -4, 96; 4, 8-0 =9?02. 3

3

ва и охлаждающей воды двумя прослойками. И конструкция без канала V (Рис.7) с одной прокладкой со стороны выхода.

Для расчета теплообмена в фильере используется граничное условие третьего рода-где Тя-температура корпуса изменяющаяся вдоль

с7г~ -а экструзионной головки,

[ьеры от Т расплава со стороны смесителя до Т охлаждающей воды.

Как отмечалось выше, большой интерес представляет выясн

ние возможности управления неизотермическим течением в кана

Рис.9, а- зависимость безразмерного перепада давления на фи льерной доске от температуры теплоносителя в канале (Рис.7). б- зависимость перепада давления на фильерной доске от числа-Gn, при Ре = 1591,5; Bi = 0 для всего» канала;

п_ р = 0>1437. 1п_ ^ _ 8,55x10 .

фильеры. Для этого проанализированы 4- ва рианта: 1) течение в фильере без канала теплоносителем; 2) течение с 8 =0;

S

8д=-4,96; 4) 8s= 9,02 и для параметров з; дачи: Ре=1591,6; Gn=21,2; ß=l,44x lö" 6,65; R„= 5,33х10~2м;

______ .= 6,65; К = S.JJxlU "м; г,

500 с, rheol * ' О ' I

4,57x10 м; г = 1,5х10"2м., 26 =38°. За ма<

0

штаб скорости выбрана величина v =—

о пг

а линейным масштабом выбран rQ, и тог; n=(P-P0)r0/,i0V0. а А=1.

В главах 2 и 3 рассматривалось влияние реологических свойств i течение в конических и цилиндрических каналах. На рис.9 показа! зависимость перепада давления на канале фильеры (Рис.7) от числа ( при постоянном расходе расплава. Столь сильная зависимость nepenaj давления от свойств расплава может непозволить применять одну и же фильерную плиту для различных марок ТПУ. Но поддерживать необхс димые режимы работы можно, не меняя экструзионной головки, а изм( няя температуру теплоносителя 8s в канале (Рис. 7а).

Данные расчетов также необходимы для исследования кинетш кристаллизации получаемых гранул.

Используя развитые выше методы, была разработана новая конст рукция фильерной плиты и рассчитаны режимы работы гранулятора rj ТПУ с различными реологическими свойствами [6].

В пятой главе рассматривается неизотермическое течение расплг вов ТПУ, которые ведут себя как термопластичные бингамовские жидкс сти. Применяя описанный ранее метод, запишем уравнение движеш для них в виде:

эп Зх

= üi £

где ßj=

а

85

R*T,

В1±

J

. э.

-А

?

(1Е

R*T„

и =ехр

1+ßjS

t =ехр

0

остальные переменные и уравнения такие же, как в главе 2.

Граничные условия останутся теми же, что и для ньютоновской

жидкости, кроме условий постоянства напряжений на границах раздела ЭУ ЗУ

^ л. » * - <г (17)

И11-1+ т1-1

-И^ п>1

€ =

1 а?

и условия на границе квазитвердого ядра ^ = О,

а?

Безразмерный радиус квазитвердого ядра определится соотношением ГЭП

(18)

«о=- гшАт- (19)

Из уравнений гидродинамики получим выражения для скоростей в

слоях и градиента давления: n

ап — =-8 дХ

1=1 _

ап

и . .

/г И1

у.(£) =--+ И ? +С,,

4п1 дх в1

(20)

К=1

N-1

N-1

где С,-

Общее выражение для ь>1 останется (10). После дискретизации уравнения теплопереноса получим систему уравнений (8) для описания средних температур в слоях условного деления вязкой области течения, и к ним добавится уравнение, описывающее изменение средней температуры квазитвердого ядра

(10п 1 г 1 г т

20о- М*,] + 2А0 ^О(0Г0О) • (21)

Рассмотрено несколько вариантов течения и теплообмена расплавов для параметров Ре = 1590; Сп = 15,8; И = 0,136; 1,925х10~3-

Р2= 3,385x10"

В1 = 3,75, но основные закономерности можно наблюдать при течении с адиабатической стенкой.

л, --------- .„)

Рис.10. Распределение по безразмерному радиусу для адиабатического течения: а)- продольной составляющей безразмерной скорости; б)- безразмерных: вязкости- сплошные линии, предельного напряжения сдвига -штриховые в) - безразмерной температуры; г) - плотности энергии диссипации. 1- распределение при Кг 0; 2- при % =3; 3 - х = 20; 4- % = 100; 5- х = 266.

В данном случае неизотермич-ность течения определяется дисси-

пацией энергии, наибольшее количество которой выделяется у стенок канала, где наибольший градиент скорости (Рис.10а). Там хе начинает увеличиваться температура (Рис.10в), а это приводит к уменьшение вязкости и предельного напряжения сдвига (Рис.106). Профиль скорости вследствие этого становится более наполненным, из-за чего скорость сдвига на периферии еще больше возрастает, и выделение энергии у стенок еще увеличивается, а это ведет к снижению др и tq. Дальше вдоль канала профиль скорости становится еще более плоским, что приводит к локализации тепловыделения на периферии течения, но за счет уменьшения цр и tq снижается мощность источников энергии

Показана необходимость учета температурной зависимости т0> а также изучено влияние условий теплообмена на изменение £ вдоль канала (Рис.11).

При расчете течения с учетом теплообмена на границе показано, что профиль осевой составляющей скорости становится все более наполненным с увеличением § и после достижения максимальной наполненности начинает вы т ягива т ься (Рис.11), а максимальная наполненность соответствует оптимальным условиям получения гранул. Наиболее наполненный профиль скорости наблюдается, когда Э&>0. Радиус квазитвердого ядра в этом случае также наибольший, но меньше, чем при Bi = 0. Интересно отметить, что, хотя градиент давления вдоль течения падает во всех случаях, радиус квазитвердого ядра, достигнув максимального значения, начинает уменьшаться во всех случаях, кроме случая с т0= const.

Отмечается, что неизотермический аналог кривой консистентности отличается от изотермической кривой- она становится похожа на рас-ходно-напорную зависимость для течения высоковязкой ньютоновской жидкости в круглом канале.

Сравнение результатов, полученных развитым методом, с ранее опубликованными дает хорошее совпадение.

В шестой главе изложен метод определения реологических параметров вязких и вязкопластических жидкостей с помощью интегральной

(Рис. Юг) и градиент давления.

Рис. 11. Изменение скорости на оси трубы (1-5) и радиуса квазитвердого ядра (/-11) по длине: 1,7- для случая с в = 0; 2,8- в

= 2, 244; 3, 9- в =-2,а244; 4, Ю-" &

с адиабатической стенкой; 5,11-случай с В1= 0 и т = const; 6-изотермическое течение.

¡работки экспериментальных данных, полученных на автоматическом шиллярном вискозиметре. Реологические свойства находятся из усло-[я минимума среднеквадратичного отклонения между ¿ксиериментальной 1ИВ0Й движения поршня вискозиметра и кривой, полученной из решения ютветствующей изотермической гидродинамической задачи для различие температур жидкости. Выбирая для обработки различные участки спериментальных кривых, можно получить в принципе неограниченный бор значений реологических параметров для каждой температуры. Да-е, считая эти значения экспериментальными данными, строятся линии грессии для аррениусовской зависимости вязкости от температуры и ределяются энергии активации вязкого и пластического течения.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе рассмотрено неизотермическое течение сплавов ТПУ в осесимметричных каналах. Основные результаты, полу-нные в работе, состоят в следующем:

1. Разработан численный метод решения задач неизотермического чения высоковязких ньютоновских и вязкопластичных жидкостей в есимметричных каналах, который можно охарактеризовать, как интег-- интерполяционный метод с частичной дискретизацией области реше-я.

2. С помощью разработанного метода исследованы основные зако-мерности течения и теплообмена жидкости с аррениусовским законом менения вязкости в цилиндрическом канале фильеры при различной пловой активности окружающей среды с ут«™»» -мт^ргии диссипации и перечного конвективного переноса теплоты. Изучено влияние неизо-рмичности на динамику течения расплавов ТПУ. Найдены распределе-я скорости, температуры и давления в круглом канале фильеры гра-лятора ТПУ при тепловых граничных условиях 3-° рода. Полученные зультаты позволяют выбрать оптимальную длину цилиндрического кала фильеры гранулятора.

Установлена немонотонность расходно-напорной характеристики я цилиндрического канала при течении в нем расплава ТПУ.

3. Впервые исследовано течение высоковязкой жидкости с аррени-овской зависимостью вязкости и учетом теплоты трения в круглом нфузоре. Изучены основные закономерности течения и теплообмена в ком канале, получены распределения скорости, давления и темпера-ры для тепловых граничных условий третьего рода.

4. Исследовано неизотермическое течение расплава ТПУ в фильер-м канале экструзионной головки гранулятора, состоящем из конфузо-

и цилиндра, при переменной тепловой активности среды вдоль тече-

ния. Получены распределения скорости, температуры и давления пру течении расплава в таком канале.

5. С помощью разработанного численного метода исследованс структурное неизотермическое течение в круглом канале расплаво! ТПУ, которые ведут себя как бингамовские жидкости. Получены распределения скорости, температуры и давления в таком канале для тепловых граничных условий 3-° рода. Показано существование немонотонно! зависимости напорно- расходной характеристики для участка цилиндрического канала.

6. Сравнение результатов, полученных с помощью предложенногс метода, с ранее опубликованными показывает согласие не хуже (1+5)%.

7. Предложен метод определения реологических параметров вязки! и вязкопластичных жидкостей с помощью интегральной обработки экспериментальных данных, полученных на автоматическом капиллярном вискозиметре. Найдены численные значения реологических параметров ТПУ, течение которых исследуется в работе.

8. Результаты работы использованы: в НПО "Полимерсинтез", г. Владимир; в УкрНИИхиммаше, г. Харьков.

9. Изготовлена новая экструзионная головка для устройства подводного гранулирования, позволяющая управлять течением расплава I фильере с помощью подвода или отвода теплоты. Правомерность работ! данной конструкции доказана опытом двухлетней промышленной эксплуатации.

Основные обозначения.

Е-энергия активации течения, Дж/моль; К- коэффициент теплопередачи,

Вт/игК; 1н т-начальный тепловой участок; т -безразмерный коэффи

циент вязкости; Р - давление. Па; Р2(т)- функция Лежандра первой

рода, второго порядка; д=ВН0-8 )- безразмерный тепловой поток н;

э *

границе канала; 0 - расход расплава, м /с; И-универсальная газовая постоянная, Дж/моль К; г- радиальная координата в цилиндрическс системе координат; г0~ радиус капилляра, м; И - радиальная координата в сферической системе координат; I- безразмерное предельно! напряжение сдвига; Т- температура. К; Т - температура расплава н; входе, К; ДТ- температурный масштаб К; V- скорость жидкости, м/с; V - масштаб скорости, м/с; и- множитель в значении радиальной сос тавляющей скорости при течении в конфузоре, ,зависящий от углово] координаты; г- продольная координата в сферической системе коорди нат, м; Э, {^-безразмерные температурные коэффициенты вязкости пластической вязкости и предельного напряжения сдвига; в- углова. координата в сферической системе; 0 - половина угла раствора конфу

>ра; Э- безразмерная температура; ц- ньютоновская вязкость, Па с; - вязкость на входе в канал. Па с; безразмерная радиальная ко->дината в сферической и цилиндрической системах координат; £ - бе-эазмерный радиус квазитвердого ядра; П- безразмерное давление; т-зедельное напряжение сдвига, Па; ф- безразмерная диссипт1 чая фу-сция; х~ безразмерная продольная координата в цилиндрической сис-эме; со— безразмерная радиальная составляющая скорости в цилиндре и 'ловая составляющая в конфузоре;

т(Т0)г0 Кг

= .. Iт - число Ильюшина; В1= —- -безразмерный коэффициент

V ]0И0 _ А

ц V (I V Е эплопередачи; Сп = —— = °>° - критерий Нема-Гриффит-

ААТ . . АИ Т„

гЬео1 О

з; N4 - безразмерные коэффициенты теплообмена между слоями жидко-

V г Ии

ги; Ре= а - критерий Пекле; р^- -критерий Стентона для

условных слоев жидкости; AT

г he ol

уШ

L9XJ11 т=т - лт ' R

rheol О

Индексы.

- относящиеся к величинам на входе в канал; а- относящийся к окру-ающей среде; 1- номер слоя; р-пластическая; r,z- обозначают ради-пьную и продольную составляющую вектора в цилидрической системе эординат; я.б-обозначают радиальную и продольную составляющую век-эра в сферической системе координат, s- для температур теплоноси-еля в канале фильеры.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях.

Пономаренко В.Г., Житинкин А.А., Потебня Г.Ф., Ульев Л.М. Гидравлическое сопротивление при неизотермическом течении высоковязкой ньютоновской жидкости в цилиндрическом канале// Пром. теплотехника. 1986. Т. 8. № 3, с. 55-58.

Пономаренко В.Г., Потебня Г.Ф., Ульев Л.М. Определение оптимального режима работы фильеры гранулятора ТПУ// Тезисы докл. УП Республ. конф."Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств."- Львов, 1988, Ч. 1. с. 40-41.

Пономаренко В.Г., Потебня Г.Ф., Ульев Л.М. Особенности течения высоковязких жидкостей в цилиндрических каналах// Пром. теплотехника. 1985, Т. 7. № 1, с. 9-16.

Пономаренко В.Г., Потебня Г.Ф., Ульев Л.М. Течение и теплообмен расплавов термопластичных полимеров в круглом конфузоре// Тезисы докл. УП. Республ. конф. "Повышение эффективности, сове-

ршенствование процессов и аппаратов химических производств."-Львов, 1988, ч. 1, с. 95.

5. Пономаренко В. Г., Потебня Г. Ф., Ульев JI.M., Житинкин A.A., Ольховиков 0.А. Определение реологических свойств высоковязких жидкостей с помощью автоматического капиллярного вискозиметра. -Деп. в ВИНИТИ /Л СССР, Per. № 1224-В90, И с.

6. Пономаренко В.Г., Житинкин A.A., Запорожец О.Л., Звездин А.Г., Ильин М.И., Потебня Г.Ф., Страхов В.В., Ульев Л.М. Харченко М.А. Погружное устройство для гранулирования термопластов. Заявка № 43051Б9/ 23-05 СССР. Решение о выдаче от 28.01.88 г.

7. Ульев Л.М. Определение оптимальных конструкторских и технологических параметров фильеры для производства ТПУ-12К // Тезисы докл. У Всесоюзн. научн. техн. конф. "Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ, направленных на ускорение научно-технического прогресса в области".- М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986, с. 60.

8. Ульев Л.М. Особенности гидравлического сопротивления при неизотермическом течении высоковязкой ньютоновской жидкости в круглом цилиндрическом канале при теплообменнике с окружающей средой// Там же. С. 31

9. Ульев Л. М. Численно-аналитическое исследование конвективного теплообмена расплава ТПУ-12К в круглом конфузоре фильеры грану-лятора // Там же. С. 32.

10. Ульев Л.М. Численное исследование конвективного теплообмена в аппаратах термической обработки жидкости// Тезисы докл. 1У Всесоюзн. научн. -техн. конф."Роль молодых исследователей и конструкторов химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ и важнейших научно-технических проблем в свете решений XXVI съезда КПСС".- М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1983, с. 38.

11. Ульев Л.М., Пономаренко В.Г., Потебня Г.Ф., Запевалова Ю. Б. Течение расплава ТПУ-12К в круглом цилиндрическом канале// Тезисы докл. конф. "Химия и технология производства, переработки и применения полиуретанов и сырья для них".-Владимир, 1984, с.

12. Ponomarenko V.G., Potebnya G.F., Uliev L.M. Peculiarities of Flow and Heat Exchange of High-Viscosity Liguids in Cylindrical Canal// Fluid Mechanics. Soviet Research. 1985. V. 14, No. 4. pp. 40- 50.

130-131.