В статье представлена методика реализации компьютерной модели барьерной секции экструзионного оборудования для переработки вторичных разнородных полимерных отходов. Определены входные данные, выходные показатели и методика построения компьютерной модели. Показан расчет производных геометрических параметров секции. Представлен расчет эпюр скоростей сдвига и линейных скоростей течения полимерного расплава в барьерном зазоре секции. Рассчитана средняя деформация сдвига и толщина полос в расплаве после прохождения им барьерного зазора. Модель работы барьерной секции экструзионного оборудования по переработке разнородных полимерных отходов возможно использовать при разработке конструкций экструдеров с барьерным шнеком, а также эксплуатации экструдеров с данной конструкцией шнека.
Ключевые слова: Компьютерная модель, барьерная секция, линейная скорость, скорость сдвига, зона деформации, средняя деформация сдвига, толщина полос
Моделирование сложных систем
УДК 628.4.04-405
Дядичев В. В., д-р техн. наук, проф.
ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»,
Колесников А. В., канд. техн. наук, доц.
ФГАОУ ВО «СевГУ»
КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ БАРЬЕРНОЙ СЕКЦИИ ЭКСТРУЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ РАЗНОРОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальной научно-практической задачей является определение рациональных конструктивных параметров оборудования по переработке разнородных полимерных отходов.
Необходимое качество вторичной смеси из разнородных полимерных отходов при переработке технологией экструзии, возможно, обеспечить путем использования барьерных секций в конструкции шнеков. [1].
Барьерные секции необходимы для качественного плавления и равномерного перемешивания перерабатываемой полимерной смеси. Принцип работы барьерной секции заключается в следующем: в канале червяка имеется две области: основная и барьерная. Зазор между барьерными элементами и цилиндром больше, чем зазор между главным витком и цилиндром. Зазор барьерных элементов достаточно большой, чтобы полимер плавился и мог переливаться через них, но является слишком маленьким зазором для нерасплавленных частиц полимера, которые могли бы перейти через барьер.
ЦЕЛЬ
Целью построения модели работы барьерной секции экструзионного оборудования является проведение имитационных экспериментов с целью определения рациональных конструктивных и технологических параметров переработки разнородных полимерных отходов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Для адекватного моделирования работы барьерной секции экструдера с многосекционным шнеком в качестве исходных данных используются следующие типы параметров:
– геометрические размеры барьерной секции;
– технологические параметры работы экструдера;
– геометрические размеры экструзионной головки;
– свойства перерабатываемой полимерной композиции.
Геометрические размеры барьерной секции экструдера:
– диаметр шнека, мм – D;
– зазор между цилиндром и гребнем витка шнека, мм – z;
– шаг витка шнека экструдера, мм – t;
– ширина гребня основного витка шнека экструдера, мм – eg;
– длина барьерной секции экструдера, мм – Lb;
– глубина канала в конце барьерной секции экструдера, мм – H2b;
– ширина гребня барьерного витка в барьерной секции экструдера, мм – eb;
– зазор между цилиндром и гребнем барьерного витка шнека, мм – zb;
Технологические параметры работы экструдера:
– частота вращения шнека, 1/сек – n;
– температура в барьерной секции, 0С – tb.
Геометрические размеры каналов экструзионной головки при расчете учитываются коэффициент геометрии экструзионной головки, мм3 – kg.
Свойства перерабатываемой полимерной композиции:
– начальная толщина полос, мм – r0;
– концентрация ключевого компонента – ek;
– константа вязкости, Па∙сек – m0;
– температура определения константы вязкости, 0С – T0;
– индекс течения расплава – nr.
Выходными параметрами математической модели являются следующие показатели переработки полимерных материалов под давлением:
– эпюры линейных скоростей и скоростей сдвига течения полимерной расплава;
– давление, развиваемое конструктивными элементами экструдера;
Величины удельного расхода и давления, рассчитываемые моделью по длине шнека, заносятся в линейные массивы переменных соответственно: q и p.
Для расчета толщины полос компонентов перерабатываемой полимерной смеси используются одиночные переменные, которые по мере расчета выводятся на экран монитора:
– толщина полос компонентов смеси на выходе секции – r;
На основании предложенной методики построение эпюр линейных скоростей и скоростей сдвига течения полимерной расплава необходимо для анализа смешивающих свойств секций экструдера. Для получения эпюр в программе объявлен специальный тип данных rz, представляющий собой запись из следующих полей:
vzy – массив значений линейных скоростей в плоскости ZOY;
Yzy – массив значений скоростей сдвига в плоскости ZOY;
vxy – массив значений линейных скоростей в плоскости ХOY;
Yxy – массив значений скоростей сдвига в плоскости ХOY;
y – массив координат у расчета скоростей;
Lir – расчетная точка длины шнека.
На основании определенного типа создан массив переменных: rez.
С целью реализации метода моделирования в программе вводятся следующие параметры моделирования:
массив рассчитываемых точек длины шнека, мм – Li:array[1..1000] of real;
шаг приращения текущей координаты длины шнека, мм – dl;
номер шага прохождения тела цикла – i.
Расчет параметров работы барьерной секции начинается с расчета ширины канала основного витка по оси l (bob) и глубины канала (hi) для рассчитываемой координаты длины:
, (1)
. (2)
Далее следуют два вложенных цикла расчета эпюр скоростей сдвига и линейных скоростей течения полимерного расплава в барьерном зазоре секции. Внешний цикл производит сравнение заданных координат длины шнека построения эпюр с текущей. Внутренний цикл производит последовательное задание 50 точек по высоте канала для расчета скоростей сдвига и линейных скоростей течения полимерного расплава, расчет этих величин и сохранение в массиве записей rez.
Расчет линейных скоростей и скоростей сдвига течения полимерного расплава производится по следующим зависимостям:
, (3)
, (4)
Далее производится расчет средних значений линейной скорости (vlysr), скорости сдвига (Ylysr) и времени пребывания в зоне деформирования (tsr) по следующим формулам:
, (5)
, (6)
. (7)
Следующим шагом по вычисленным значениям рассчитывается средняя деформация сдвига gl:
. (8)
На основании найденных значений вычисляется толщина полос в расплаве после прохождения им барьерного зазора (r):
. (8)
ВЫВОДЫ
Компьютерная модель работы барьерной секции экструдера с многосекционным шнеком в качестве исходных данных использует геометрические размеры барьерной секции, технологические параметры работы экструдера и свойства перерабатываемой полимерной композиции; выходными параметрами модели являются эпюры линейных скоростей и скоростей сдвига, давление, удельный расход материала и толщина полос компонентов.
Модель работы барьерной секции экструзионного оборудования по переработке разнородных полимерных отходов возможно использовать при разработке конструкций экструдеров с барьерным шнеком, а также эксплуатации экструдеров с данной конструкцией шнека.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. К. Раувендаль Экструзия полимеров. М.: Изд. Профессия, 2012. 635 с.
2. Завгородний С.М. Оборудование для переработки пластмасс. М.: Машиностроение, 1976. 315 с.
3. Ким В.С. Диспергирование и смешение в процессах производства пластмасс. М.: Изд. Химия, 2008. 293 с.
4. Локотош Б.Н., Дядичев В.В., Леваничев В.В. Моделирование процессов соэкструзии. Луганск: Изд. ВУГУ, 1998. 74 с.
5. Лоуренс МакКин Свойства пленок из пластмасс и эластомеров. М.: Изд. Научные основы и технологии, 2014. 526 с.
В статье представлена методика реализации компьютерной модели барьерной секции экструзионного оборудования для переработки вторичных разнородных полимерных отходов. Определены входные данные, выходные показатели и методика построения компьютерной модели. Показан расчет производных геометрических параметров секции. Представлен расчет эпюр скоростей сдвига и линейных скоростей течения полимерного расплава в барьерном зазоре секции. Рассчитана средняя деформация сдвига и толщина полос в расплаве после прохождения им барьерного зазора. Модель работы барьерной секции экструзионного оборудования по переработке разнородных полимерных отходов возможно использовать при разработке конструкций экструдеров с барьерным шнеком, а также эксплуатации экструдеров с данной конструкцией шнека.
Компьютерная модель, барьерная секция, линейная скорость, скорость сдвига, зона деформации, средняя деформация сдвига, толщина полос.
The paper presents a methodology for the implementation of a computer model of the barrier section of the extrusion equipment for the processing of secondary heterogeneous polymer waste. Defined input, output indicators and methods of constructing a computer model. Showed calculation derived geometric parameters section. Diagrams shows the calculation of shear rate and linear flow velocity of the polymer melt in the barrier section of the gap. Calculate the mean shear strain and the thickness of the strips in the melt after passing the barrier gap. Model operation of the barrier section of the extrusion equipment for processing heterogeneous plastic waste may be used in the design of structures with barrier screw extruders, as well as the operation of the extruder with a screw design.
The computer model, the barrier section, the linear velocity, shear rate, deformation zone, the average shear strain, the thickness of the bands.
Библиографическая ссылка
Дядичев Валерий Владиславович, Колесников А. В. КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ БАРЬЕРНОЙ СЕКЦИИ ЭКСТРУЗИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ РАЗНОРОДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ // . – . – № ;
URL: istmu2016.csrae.ru/ru/0-16 (дата обращения:
04.05.2024).
, (1)
. (2)
, (3)
, (4)
, (5)
, (6)
. (7)
. (8)
. (8)