Численный анализ неизотермических процессов течения расплавов полимеров в зоне дозирования экструдера для различных пространственных математических моделей и реологических законов
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.2.13Ключевые слова:
реологические модели, экструзия, зона дозирования, тепломассоперенос, метод конечных элементов, математическая модельАннотация
На сегодняшний день широкое применение в качестве изоляционных материалов находят полимерные композиции на основе полиэтилена и ПВХ. Переработка этих материалов сопряжена с рядом проблем, возникающих при выборе для процесса рациональных технологических режимов. Для минимизации временных и материальных затрат, требующихся определенному режиму, используются методы математического моделирования. Разработанные различные математические модели и анализ на их основе течения и теплообмена в винтовых каналах позволяют оценить как возможность введения упрощающих предположений, так и их влияние на характер течения и параметры рассматриваемого процесса. В данной работе речь идет о воздействии на полимерные материалы экструзионного оборудования. Предлагается трехмерная модель процессов течения и теплопереноса в зоне дозирования имеющего винтовой канал пластицирующего экструдера с учетом зазора над гребнем шнека. С ее помощью осуществляется численное исследование течения расплава полимера в этом зазоре. Опробованы пространственные математические модели с различной геометрией канала: прямоугольным, развернутым на плоскость; винтовым, максимально приближенным к реально применяемому. Изучено связь допущения об обращенном движении шнека с характером течения расплава полимера для протестированных моделей тепломассопереноса. Выявлены закономерности влияния зазора между гребнем шнека и внутренней поверхностью корпуса на распределение температуры в канале. Получены экспериментальные зависимости вязкости от скорости сдвига для полимерных изоляционных композиций и вычислены значения эмпирических коэффициентов для трех реологических законов: степенного, согласно моделям Керри и Кросса. Для этих законов проведено сопоставление результатов расчета течения расплава полимера в условиях сложного сдвига в винтовом канале экструдера при различных геометриях канала. Представлены значения максимальных и средних температур на выходе из канала. Для сравнения приводятся результаты других авторов.
Скачивания
Библиографические ссылки
Труфанова Н.М., Щербинин А.Г., Янков В.И. Плавление полимеров в экструдерах - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2009. - 336 с.
2. Раувендаль К. Экструзия полимеров. - СПб.: Профессия, 2008. - 786 с.
3. Altinkaynak A., Gupta М., Spalding М.A., Crabtree S.L. Melting in a single screw extruder: Experiments and 3D finite element simulations // Int. Polym. Proc. - 2011. - Vol. 26, no. 2. - P. 182-196. DOI
4. Rauwendaal C. Finite element studies of flow and temperature evolution in single screw extruders // Plast. Rubber. Compos. - 2004. - Vol. 33, no. 9-10. - P. 390-369. DOI
5. Fenner R.T. Developments in the analysis of steady screw extrusion of polymers // Polymer. - 1977. - Vol. 18, no. 6. - P. 617-635. DOI
6. Jaluria Y. Heat and mass transfer in the extrusion of non-Newtonian materials // Advances in Heat Transfer. - 1996. - Vol. 28. - P. 145-230. DOI
7. Wtjzer I.I., Jankov W.I. Isotermes flieben einer Viscosen Flussigkeit in den Kanalen konischer Schnecken // Plaste und Kautschuk. - 1979. - Vol. 26, no. 6. - P. 326-328.
8. Вопросы экструзии термопластов / Под ред. А.Н. Левина. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - 332 с.
9. Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф., Николаев И.К. Прямолинейно-параллельное установившееся движение аномально-вязкой жидкости между двумя параллельными стенками // Механика полимеров. - 1965. - T. 1, № 6. - С. 138-145. DOI
10. Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф. Объемный расход в плоском сходящемся вынужденном потоке несжимаемой аномально-вязкой жидкости // Механика полимеров. - 1966. - T. 2, № 1. - С. 116-122. DOI
11. Труфанова Н.М. Переработка полимеров: Учебн. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. - 159 с.
12. Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. - М.: Химия, 1977. - 460 с.
13. Петров И.А., Славнов Е.В. Моделирование течения в шнеке с радиальным зазором как системы с распределенной обратной связью, описываемой дифференциальным уравнением с запаздывающим аргументом // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2012. - Т. 5, № 1. - С. 107-113. DOI
14. Петров И.А., Славнов Е.В. Модель утечек через радиальные зазоры в одношнековом экструдере со слабо линейно изменяющейся по длине геометрией шнека // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2012. - Т. 5, № 4. - С. 461-468. DOI
15. Янков В.И., Труфанова Н.М., Щербинин А.Г. Исследование течения полимерных жидкостей в винтовых уплотнениях // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2005. - № 6. - С. 6-9. DOI
16. Субботин Е.В., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Численный анализ процессов тепломассопереноса полимеров в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2015. - Т. 8, № 3. - С. 329-339. DOI
17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660591, РФ. Программный комплекс по расчету процессов тепломассопереноса полимерных материалов в каналах одношнековых экструдеров («Universal Screw 12») / Субботин Е.В., Щербинин А.Г.; правообладатель ФГБОУ ВПО «ПНИПУ». - № 2012618748 Заявл. 16.10.2012; опубл. 23.11.2012.
18. Янков В.И., Первадчук В.П., Боярченко В.И. Процессы переработки волокнообразующих полимеров (методы расчета). - М.: Химия, 1989. - 320 с.
19. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. - М.: Химия, 1977. - 440 с.
20. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. - СПб.: Профессия, 2007. - 560с.
21. Carreau P.J. Rheological equations from molecular network theories // J. Rheol. - 1972. - Vol. 16, no. 1. - P. 99. DOI
22. Syrjälä S. On the analysis of fluid flow and heat transfer in the melt conveying section of a single-screw extruder // Numer. Heat Tr. A-Appl. - 1999. - Vol. 35, no. 1. - P. 25-47. DOI
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.