Теоретическая подготовка. В основе переработки полимерных материалов в изделия лежат сложные тепловые процессы

В основе переработки полимерных материалов в изделия лежат сложные тепловые процессы. Тепловой баланс процесса экструзии позволяет установить наиболее оптимальные режимы переработки, дает возможность понять влияние технологических параметров на производительность экструдера и качество готовой продукции.

Тепловой баланс экструдера:

Е_н + Е_ш = Е_м +Е₀ +Е_п

Е_н -теплота, поступающая от внешних обогревателей,

Е_ш – теплота, выделяющаяся при работе шнека (внутренняя теплота трения)

Е_м –теплота, которая уходит с нагретым материалом,

Е₀ –теплота, уносимая системой охлаждения (водой, воздухом)

Е_п –потери теплоты в окружающую среду через кожух экструдера.

Количество теплоты, подводимой внешними электронагревателями (Вт) может быть подсчитано по формуле:

Е_н= U² / R

U – падение напряжения, (В)

R – сопротивление проводника, Ом

Так как конечная температура, до которой необходимо довести расплав полимера известна, то Е_н можно определить из уравнения теплового баланса:

Е_н =G_м * c_м* (t_к – t_н) + G_в* c_в *(t_в2 –t_в1)+Eп –E_ш

Е_м=Q_м c_м (t_к –t_н)

G_м –количество полимерного материала, перерабатываемого экструдером в единицу времени, кг/с

c_м –средняя удельная теплоемкость полимера в интервале температуре переработки, Дж/(кг К),

t_к, t_н – конечная и начальная температуры полимера, К

G_в- количество воды, поступающей на охлаждение шнека, кг/с

c_в – удельная теплоемкость воды, Дж/ (кг К)

t_в1 , t_в2 – конечная и начальная температуры воды, К

Е₀ = G_в* c_в *(t_в2 –t_в1)

Размеры шнека и диаметр трубки, по которой подается вода, известны. Тогда

G_в= рFv

Р – плотность воды, кг/м ³

F- площадь поперечного сечения, м ²

v- скорость течения воды, м/с = 0, 1-0, 8

Перепад температур (t_в2 –t_в1) принимают равным 5-10 ⁰ С

Тепловые потери Е_п =F a (t_н –t_с)

F –наружная поверхность корпуса или головки, м²

F=

-диаметр корпуса с изоляцией, м (0, 12)

- длина корпуса, м (25D)

a – коэффициент теплопередачи при свободной конвекции, кВт/ (м² К) для приближенных расчетов

t_н – температура наружной поверхности изолированного корпуса = 50-80 ⁰ С

t_с – температура окружающей среды, ⁰ С

Количество внутренней теплоты трения рекомендуют определять по формуле:

Е_ш= (

- длина напорной зоны шнека, 108 см

-глубина нарезки спирального канала в напорной части шнека, см(можно вместо брать среднее h)

- величина зазора между гребнем шнека и цилиндром, 0, 03см

е –ширина гребня шнека, 0, 7см

=17, 5⁰

Первый член уравнения показывает количество энергии, затрачиваемой на работу сдвига частиц внутри материала, без учета трения материала о стенки цилиндра и шнек

Второй-количество энергии, потребное на проталкивание материала вперед по цилиндру

Третий-количество энергии, которое необходимо затратить на срез расплава в зазоре между гребнем шнека и цилиндра.

Это уравнение позволяет провести качественный анализ параметров, оказывающих влияние на процесс экструзии.