автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Метод расчета сдвиговых головок для диссипативного разогрева резиновых смесей при экструзии

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВИНОКУРОВА Елена Анатольевна

МЕТОД РАСЧЕТА СДВИГОВЫХ ГОЛОВОК

ДЛЯ ДИССИПАТИВНОГО РАЗОГРЕВА РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ЭКСТРУЗИИ

05.04.09 — Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и химических производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль 1996

Работа выполнена на кафедре «Полимерное машиностроение> .Ярославского государственного технического университета.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Гончаров Г, М., ¡кандидат технических наук, доцент Ломов А. А.

.доктор технических наук, профессор Скуратов В. К.

(Московская государственная академия химического

машиностроения),

кандидат технических наук^-доцент Гохберг Г. С.

'(Ярославский государственный технический университет).

Ведущее предприятие: АО «Резинотехника».

Защита состоится « Ж апреля 1996 года в У^^асов на заседании специализированного совета Д 063.69.01 в Ярославском ■государственном техническом университете, по _адресу 150053, Ярославль, Московский проспект, 88, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ярославского государственного технического университета.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета .доктор химических наук

В. А. Подгорнова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Основной технологической схемой реализации процесса получе-шя длинномерных резинотехнических изделий является профилирова- . те заготовки из резиновой смеси, непрерывная вулканизация, от-¡ор, упаковка и складирование. Получение заготовки осуществляет-:я методом экструаии, далее следует вулканизация в средах газообразного или жидкого теплоносителя, в поде СВЧ и т.д. На этой зтадии процесса происходит доразогрев экструдируемой заготовки (о необходимой температуры. В силу слабой теплопроводности рези-ювой смеси этот процесс достаточно длителен, что либо ограничи-5ает общуп производительность процесса, либо требует установки ■ромоздкого (по длине) оборудования и значительных капитальных иохений. Кроме того вулканизация в среде жидких теплоносителей (расплавах солей) экологически вредна и поэтому существует необ-(одимость проведения специальных защитных технологических мероп-зиятий. Быстрого и равномерного разогрева удается достичь в поле ЗВЧ, однако, этот метод применим только для резиновых смесей на хзнове полярных каучуков. В результате ряда исследований было юказано, что одним из наиболее перспективных направлений интен-зификации процессов разогрева полимерных материалов является их гереработка в условиях сложного сдвига, который реализуется в 'оловках к червячным машинам за счет вращения или вибрации эле-кентов головок, а также наложением ультразвуковых колебаний на перерабатываемый матерная в сдвиговом сечении. Интенсивная сдви--овая деформация в головке способствует снижению вязкости мате-зиала, обеспечивает дополнительную гомогенизацию расплава и его быстрый разогрев.

Вопросы деформирования полимерных материалов в условиях зложного сдвига рассматриваются в трудах М.Л.Фридмана, А.Н.Про-*унина, Г.В.Виноградова, А.В.Попова, Н.В.Тябина. Однако в этих заботах отсутствует комплексный подход, учитывавший термодинамику и технологические особенности процесса, а также нелинейность звойств перерабатываемого материала. Поэтому при разработке но-зых конструкций и устройств, выбор параметров их работы в боль-пинстве случаев может основываться лишь на практических рекомен-

дациях, что не исключает преждевременной подвулканизации резиновой смеси. Для корректного же описания процесса течения необходимо учитывать двумерность винтового потока, . неизотермичность процесса, специфику области деформации и особенность граничных условий.

В связи с этим очевидна актуальность настоящей работы, посвященной разработке и созданию научно-обоснованной методики расчета технологических и конструктивных параметров головки, на основе описания динамики изменения поля температур, гидродинамических и энергосиловых характеристик течения резиновой смеси при экструзии с использованием диссипативНой головки и экспериментальной проверки адекватности разработанной математической модели и методики расчета реальному процессу.

Цель работы:

на основании теоретического и экспериментального исследования диссипативного разогрева резиновой смеси в экструэионной сдвиговой головке создание методики.расчета температурного распределения, гидродинамических и знергосиловых характеристик процесса и конструктивных параметров головки^

Научная новизна: - математическая модель винтового течения аномально-вязкой жидкости в кольцевом канале сдвиговой головки при экструзии с учетом неизогермичносги процесса;

-алгоритм и программа, позволяющие численно исследовать влияние технологических и конструктивных параметров процесса и оборудования на температуру экструдата, гидродинамические и энергосиловые характеристики;

-метод расчета оптимальных технологических параметров процесса экструзии и конструктивных размеров сдвиговой головки, обеспечивающих заданную степень разогрева материала при минимальной мощности привода головки.

Практическая ценность. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования процесса позволили создать методику расчета и проектирования оптимальных параметров процесса и оборудования для произ* чства длинномерных резинотехнических изделий методом экструзии с использованием диссипагивной головки.

Разработана оригинальная конструкция головки, позволяющая

расширить технологические возможности профилирования РТИ за счет предотвращения проскальзывания материала и срыва его с поверхности цилиндра головки. Конструкция (защищена авторским свидетельством 1537559. Разработана конструкция диссипативной головки для производства сложнопрофилькых изделий, позволяющая увеличить скорость экструзии в 1,5-2 раза при улучшении качества поверхности получаемого экструдата. Головка внедрена на опытном производстве УНИКТИ "ДИНГЭМ" (г.Днепропетровск). Методика расчета диссипативной головки к червячной машине использована при проектировании червячно-валкового агрегата на Костромском машиностроительном заводе им. Красина.

Автор защищает:

-математическую модель винтового течения аномально-вяакой жидкости в кольцевом канале диссипативной головки при экструзии с учетом кеизотермичности процесса;

-метод расчета гидродинамических и энергосиловых параметров течения аномально-вязкой жидкости в цилиндрическом кольцевом канале головки;

-метод расчета оптимальных технологических и конструктивных параметров процесса и оборудования для разогрева экструдируемой резиновой смеси с применением диссипативной головки;

-результаты численного расчета температуры перерабатываемого материала, давления в головке и мощности привода головки;

-методику, и.результаты экспериментального исследования влияния конструктивных и технологических параметров процесса на степень разогрева экструдата, давление в головке, мощность, потребляемую приводом головки.

Апробация работы.

Отдельные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях "Современное оборудование и процессы переработки полимерных материалов" (Киев 1988г.), "Реология и оптимизация процессов переработки полимеров" (Ижевск, 1989г.), "Реология и оптимизация процессов переработки полимерных материалов давлением" (Пермь 1990г.)

Публикации.

По теме диссертации, опубликовано 8 статей, получено 1 авторское свидетельство СССР на изобретение.

Объем работы.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 138 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Список литературы включает 119 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации и цель работы, сформулированы основные положения, выдвигаемые на сещи-

ту.

В первой главе приводится анализ научно-технической литературы по сосгоянк.^ технологии и оборудования для переработки резиновых смесей в изделия методом экструзии. Изучение современных методов получения длинномерных резинотехнических изделий позволило сделать вывод о том, что с целью сокращения времени на технологический процесс производства РТИ и устранения сред с экологически вредными агрессивными веществами, используемыми при вулканизации в расплавах солей, можно быстро нагревать перерабатываемый материал до температуры вулканизации непосредственно.на выходе из червячной машины, используя для разогрева - материала диссипагивную головку, где реализуется эффект сложного сдвига за счет вращения или вибрации элементов головок. В головке мате-» риал вовлекается в сложное движение, являющееся результатом интерференции поступательного и тангенциального течений и подвергается интенсивному деформационному воздействию. В результате диссипации механической энергии анергия трения сдоев перерабатываемого материала превращается в тепловую, аккумулируемую материалом, способствуя его быстрому разогреву.

Аналитический обзор научных исследований показал, что в настоящее время сложный сдвиг изучен недостаточно, практически отсутствуют методы расчета винтового течения материала в кольцевом канале с учетом двумерности и неиэотермичности процесса. Это ограничивает возможности проведения научно обоснованного г"огно-аирования поведения материала в кольцевом канале головки и определения конструктивных размеров оборудования и технологических параметров процесса. На основании анализа состояния проблемы

ставятся задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели и метода расчета винтового неиэотермического течения резиновой смеси в кольцевом канале диссипативной головки при экструзии. Для решения этой задачи приняты следующие допущения: -процесс установившийся, стационарный; -движение в головке ламинарное, поступательно-винтовое; -материал несжимаем;

-реологическое уравнение состояния перерабатываемолго материала подчиняется "степенному закону" Оствальда-де-Билля;

-температуры цилиндров и теплоносителя однородны по длине и

координаты, радиальная составляющая скорости отсутствует.

На рис.1 представлена расчетная схема кольцевого канала сдвиговой головки, где перерабатываемый материал вовлекается в сложное движение под действием давления напорного течения и »под действием вращающегося цилиндра. Траектория движения частицы среды представляет собой винтову» линию.

Анализ уравнений гидродинамики с вышеперечисленными допущениями позволил сформулировать поставленную задачу в виде следующей системы уравнений: уравнение движения

радиусу;

-давление в области деформации зависит только от продольной

урав!

(1)

(2)

уравнение неразрывности (постоянство расхода)

(3)

реологическое уравнение

•Уравнения движения решаются с использованием граничных условий прилипания

при £.2 / о , О ;

при

Для решения уравнения энергии используются граничные условия , вытекающие из условий теплообмена и анализа условий теплового баланса: на границах поверхностей и с окружающей средой теллолеренос осуществляется теплопередачей, в перерабатываемом материале - теплопроводностью в радиальном направлении и конвекцией в направлении течения, наружный вращающийся цилиндр непосредственно контактирует с окружающей поедой, предполагается, что тонкий воздушный зазор между ним и кс /хом отсутствует:

при »Ял 2, ' \

при х Цъ^-- (6)

при 2= о

Температуры стенок и определяются из уравнений теплового баланса и имеют усредненные по радиусу и длине температуры в силу их незначительной толщины и большой теплопроводности.*

Таким образом система уравнений 1-4 с граничными условиями. 5,6 представляют собой математическую модель двумерного неизотермического течения резиновой смеси в кольцевом канале сдвиговой гшовки. Анализ системы уравнений показывает, что уравнение движения возможно решить независимо от уравнения энергии и определить продольную и тангенциальную составляющую скорости и градиент давления в осевом направлении течения. Решение осуществляется методом конечных разностей. С этой целью кольцевой канаа делится прямоугольной сеткой равномерно по каждому иа элементов с узлами ).

Методика расчета знергосиловых и гидродинамических характеристик процесса течения резиновой смеси в кольцевом канале дис-сипативной головки при экструзии включает в себя следующие этапы. Фиксируя сечение по продольной координате z (j»const), предполагаем известным дискретное распределение температуры по радиусу^" в узлах сетки этого сечения Tj. Затем вычисляются коэффициенты итерационных формул и расчитываются скорости , , и градиент давления ciP/dz на каждом слое.

В результате решения получены следующие выражения для расчета гидродинамических характеристик: ч.

Ь(Т-Х) ^ d*.

(7)

(8)

А (9)

Определив гидродинамические характеристики, решаем уравне-ше энергии.

Для расчета температуры уравнение энергии (2) апроксимиру-гтся разностным уравнением:

Л-Д^ - С.Т» * ЬГГ-.и - --Р; (ю)

где

^

Для решения конечно-разностного уравнения энергии используется метод прогонки.

При известном распределении температуры в сечении 2 (3-сопги аналогично переходим к последующему сечению г»А2(3+1). Продолжая этот итерационный процесс, вычисляются все гидродинамические и энергосиловые характеристики.

Расчет темг~ратуры, мощности и давления по предложенной математической модели показал, что наибольший вклад в прирост температуры вносит величина зазора кольцевого -канала и скорость вращения цилиндра головки. Показано, что прирост температуры может достигать 50-70 °С.' Отмечено падение давления в головке (в 2-2,5 раза) в исследуемом диапазоне изменения скоростей вращения цилиндра (рис.2). Изменение мощности привода головки в зависимости от частоты вращения цилиндра нелинейно и имеет максимум, что связано с нелинейностью зависимости вязкости перерабатываемого материала ог скорости сдвига (рис.3).

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию про-, цесса диссипативного разогрева реаиновой смеси в кольцевом канале сдвиговой головки при экструзии и проверке адекватности математической модели и метода расчета температурных, энергосиловых и гидродинамических параметров реальному процессу экструзии.

С этой целью Сьиа сконструирована оригинальная прямоточная диссипативная гсшовка на базе червячной машины МЧТ-63 (рио.4), разработана методика проведения экспериментов.

В качестве объекта исследования были выбраны два типа реаи-новых смесей широко применяемых на заводах резиновой промышленности с различными реологическими характеристиками на основе каучука СКИ-3.

В процессе экспериментальных,, исследований проводились измерения температуры экструдата на выходе из головки, давления на входе в головку, регистрировалась мощность двигателя привода головки, путем отбора экструдата и взвешиванием образцов определи-

лась производительность.

Проведено экспериментальное исследование влияния различных режимных и конструктивных параметров (частоты вращения цилиндра головки, скорости экструзии, величины зазора кольцевого канала, длины зоны диссипации) на температуру перерабатываемого материала, давление и мощность, потребляемую приводом головки. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что наибольший вклад в прирост температуры вносят величина зазора кольцевого канала и частота вращения цилиндра головки, что подтверждает выводы теоретических исследований. Исследования .влияния различных параметров на давление и мощность привода головки показали, что при увеличении частоты вращения цилиндра, мощность, потребляемая ее приводом растет, давление, в результате снижения вязкостных параметров резиновой смеси, падае^, способствуя увеличению производительности процесса (рис.6).

Таким образом можно сделать вывод об адекватности предложенной математической модели реальному процессу экструзии.

В четвертой главе приведены результаты практической реализации, исследований, . которые ' нашли свое отражение в конструкции головки для формования длинномерных заготовок из резиновой смеси, позволяющей расширить технологические возможности профилирования сложнопрофильных изделий, внедренной на опытном - роизводс-тве УНИКТИ "ДИНТЭМ" (г.Днепропетровск). Некоторые конструктивные решения выполнены на уровне изобретения, на которые получено авторское свидетельство 1537559. . Методика^ расчета оптимальных параметров процесса и головки использована при проектировании червячно-валкового агрегата для производства полотна толщиной 25мм на Костромском машиностроительном заводе им. Красина.

Здесь же осуществлена постановка и решение задачи оптимизации процесса экструзии о использованием диссилагивной головки к червячной машине с целью определения конструктивных и режимнню? параметров, обеспечивающих разогрев резиновой смеси до температуры вулканизации при минимальной мощности, потребляемой приводом головки, при конструктивных ограничениях на величину зазора кольцевого канала области диссипации. Чис..о управляющих параметров ,1 и т.д.) определяются в зависимости от конкретных ус-' ловий процесса экструзии резиновой смеси черев диссипативную головку. Определение минимума модности осуществлялось методом по-

координатного спуска.

Разработана инженерная методика проектирования и расчета сдвиговой головки к червячной машине.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1.На основании изучения производственных данных, анализа научно-исследовательской и патентной литературы показана перспективность использования диссипативного разогрева резиновых смесей в сдвиговых головках для профилирования длинномерных резинотехнических изделий. Обоснована актуальность создания метода расчета и проектирования диссипативных головок, сформулированы задачи исследования.

2.Разработана математическая модель винтового течения аномально-вязкой жидкости в цилиндрическом кольцевом канале дисси-пативной головки, с учетом двумерности и неизотермичности процесса деформирования. Предложен метод решения полученной системы уравнений, позволяющий рассчитать поле температур, а также распределение гидродинамических и энергосиловых характеристик процесса в области винтового течения.

3.Разработан алгоритм и программа, позволяющие численно исследовать влияние технологических и конструктивных параметров процесса и оборудования, реологических свойств резиновых смесей на диссипативный разогрев перерабатываемого материала, гидродинамические и энерго-силовые характеристики процесса. Установлено, что наиболее существенное влияние на прирост температуры экструдата оказывает частота вращения цилиндра головки и величина зазора кольцевого канала.

4.Установлено, что дополнительные затраты мощности на осуществление сдвиговой деформации в головке компенсируются снижением энергозатрат установки на ведение процесса.

5.Разработана экспериментальная установка для исследования процесса экструзии резиновой смеси. Создана методика и проведены экспериментальные исследования зависимости температуры материала и давления в головке от конструктивных параметров головки и технологических характеристик процесса экструзии. Эксперт/' ;н-тально доказана возможность быстрого разогрева резиновых смесей в головке до температуры 150...200°С. Установлено, что интенси-

фикация сдвиговой деформации в головке приводит к падению давления на входе в головку (в исследуемом диапазоне изменения скоростей оно составляет 40-6031), способствуя увеличению производительности процесса экструзии. Проверка на адекватность экспериментальных и теоретических результатов показала их удовлетворительную сходимость (при доверительной вероятности 0.95 максимальное расхождение не превысило 20Х).

6.Разработан метод расчета оптимальных технологических параметров процесса экструзии и основных конструктивных размеров области диссипации головки, обеспечивающих заданную степень разогрева перерабатываемого материала при минимальной мощности ведения процесса.

. 7.На основ"нш результатов теоретических и экспериментальных исследований создана инженерная методика расчета и проектирования диссшативных головок к червячным машинам, позволяющая определять их оптимальные конструктивные, технологические и энергосиловые параметры.

8. Теоретические и экспериментальные результаты работы нашли отражение в конструкции головки для производства уплотнительного шнура, внедренной на опытном производстве УНИКТИ "ДИНТЭМ" (г.Днепропетровск). Особенности конструкции головки защищены авторским свидетельством 1537559. Методика расчета оптик"льных параметров работы головки использована при проектировании червяч-но-валкового агрегата для производства резинового полотна толщиной 25мм на Костромском машиностроительном заводе им. Красина.

Используемые обозначения

-текущий радиус точки среды;

0.-вязкость материала;

-скорость в направлении -г ; -скорость в направлении & ;

Р -давление; § -плотность материала;

С -теплоемкость; Т*-температура материала;

А -коэффициент теплопроводности; -коэффициент коисистентности;

jf0-коэффициент консистентности при температуреТ„; Ь -температурный коэффициент;

коэффициенты теплоотдачи материала сталь-воадух,

' п 1

мат е риал-сталь, теплонос итель-сталь; Туу4~Са-температуры внутреннего и наружного цилиндров; "fe -температура материала на входе в еону деформации; с£) -частота вращения цилиндра головки; -индекс течения; Rj^-внутренний и наружный радиусы кольцевого канала; Q -расход материала.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Винокурова Е.А., Ломов А.А., Гончаров Г.М. Исследование процесса экструзии резиновой смеси через диссипативную головку // САПР оборудования для переработки полимерных материалов в изделия: Медвуз, сб. науч. тр./ ЯрПИ.-. Ярославль, 1989.-с.15-17.

2. Винокурова Е.А., Ломов A.A., Сахаев А.И., Гончаров Г.М. К расчету винтового течения неньютоновской жидкости в кольцевом канале диссипативной головки экструдера // Химия и химическая технология.- 1991.- N 9.-е. 91-94.

3. Винокурова Е.А., Ломов A.A., Сахаев А.И., Гончаров Г.М. Решение задачи неизотермического течения неньютоновской жидкости в кольцевом канале сдвиговой головки // Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов: Тез. докл.- Пермь, 1992.- с. 140.

4. Винокурова Е.А., Ломов A.A., Гончаров Г.М. Моделирование процесса экструзии композиционных материалов на основе резиновой смеси, подвергаемых диссипативному разогреву // Математическое моделирование технологических процессов обработки матег риалов давлением: Тез. докл.- Пермь, 1990.- с.

5. Винокурова Е.А., Ломов A.A., Гончаров Г.М. Диссипативный разогрев резиновой смеси при экструзии через сдвиговую головку // Реология и оптимизация процессов переработки полисов: тез. докл.-Ижевск, 1989.-е.

6. Винокурова Е.А., Ломов A.A..Гончаров Г.М. Эксперименталь-

нов исследование работы диссипативных головок к червячным машинам при переработке резиновых смесей // Современное оборудование и процессы переработки полимерных материалов: тез.докл.-Киев, 1988.-с.

7. Винокурова Е. А., Ломов A.A., СахаевА.И., Гончаров Г. М. Исследование и расчет тепловых процессов при экструзии резиновой смеси через диссипативную головку // Каучук и резина:-1092.- N.J.- с. 11-13.

8. Винокурова Е.А., Ломов A.A., Гончаров Г.М. Исследование и расчет тепловых процессов при экструзии резиновой смеси через диссипативную головку //Пластические массы.-1991.-НИ, О. 40-42.

9..A.C. 153755? СССР, МКИ В29 С 47/20.

£-0 50

Ло

50

20

(О о

Тьы*

Рис.1. Расчетная схема кольцевого канала сдвиговой головки.

\

Ш Щ

Л

у' — \ > 5

за 50

г5

го 20

15 45

10 10

5 5

о

<5. »м

с а ю « п & « во.

Рис.2. Зависимость прироста температуры и давления в головке от частоты вращения цилиндра и величины зазора кольцевого канала.

Рис.3. Зависимость модности привада гсидоки от частоты вращения цилиндра и величины зазора кольцевого канала.

Рис.4. Обвдй вид диссипативной головки. 1-червяк, 2-корпус червячной машины, 3-корпус головки, 4-кольца, 5-дорн, б-вращажщийся цилиндр, 7-крышка, в-фигурн^й винт, 9-гай-ка, 10-шестерня, 11-мундатук, 12-редуктор, 13-упорный подшипник, 14-подшипник скольжения, 15-сверления для подвода теплоносителя.

Г,'С

-РЭ

СО

на т <о

1 1-4

ы

✓

Л

—г!

11Г ■ Г-. I 3 а м

А ?

1

5 к л

2

о. с

1-

■у *

у

< /

А г

г

Г i ■ < и е<

Рис.5. Зависимость температуры экструдата от частоты вращения цилиндра головки, — -теория, • -эксперимент.

Рис.6. Зависимости прироста давления в головке от частоты вращения цилиндра, ---теория, в-эксперимент.