三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究.docx
- 文档编号:24587766
- 上传时间:2023-05-29
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:22.10KB
三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究.docx
《三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究
三螺杆挤出机固体输送理论的实验研究
何和智,赵耀,董国庆,石保虎
(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重点实验室,广东广
州510641)*
摘要:
本文首先研究了啮合区固体输送,得到了啮合区的固体输送率,再通过建立非啮合区的非塞流固体输送物理模型,运用虚功原理得到了固体输送的数学模型。
以三层模型为例对非塞流固体输送模型进行了求解,求得螺槽中物料层的平均速度,进而得到非啮合区的固体输送率。
通过引入转化系数,将啮合区转化为非啮合区,从而将啮合区和非啮合区的固体输送统一为非塞流输送,并得到了转化后的等效螺槽充满度和固体输送率,建立了三螺杆挤出机的固体输送理论,采用粒料(LDPE)和粉料(PP)进行实验验证所建立的固体输送理论并对固体输送的影响因素进行了研究。
关键词:
三螺杆挤出机;固体输送理论;正位移输送;非塞流;产量
ResearchonSolidConveyingTheoryofTri-screwExtruder
HEHe-zhiZHAOYaoDONGGuo-qingSHIBao-hu
(NationalEngineeringResearchCenterofNovelEquipmentforPolymerProcessing,KeyLaboratoryofPolymerProcessingEngineeringofMinistryofEducation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,
510641)
Abstract:
Inthispaper,theintermeshingregionwasstudiedfirstandthroughputwasobtained.Thenphysicalmodelofnon-plugsolidconveyinginthenon-intermeshingregionwasestablishedandmathematicalmodelwasobtainedbytheuseofvirtualworkprinciple.Solidconveyingefficiencyinthenon-intermeshingregionwasobtainedviasolvingthree-layermodelofnon-plugsolidconveyingandgettingaveragevelocityofmaterial.Byintroducingtransformationcoefficient,theintermeshingregionwasturnedintonon-intermeshingregion,thussolidconveyingintheintermeshingregionandnon-intermeshingregionwasintegratedintonon-plugsolidconveying,equivalentscrewchannelfillratioandsolidconveyingefficiencywereobtained.Solidconveyingoftri-screwextruderwasconsistofthese.Someexperimentsweredonewithparticulatematerial(LDPE)andpowdermaterial(PP)inordertoverifysolidconveyingtheoryestablishedandstudytheinfluencingfactorsofsolidconveying.
Keywords:
Tri-screwextruder;Solidconveyingtheory;Positivedisplacementconveying;
Non-plugflow;Throughput
三螺杆挤出机塑化、熔融、混合的能力优异,尤其适合于多相多体系物料的共混改性和挤出成型。
同时,啮合区的增加使得螺杆的碾压剪切面积成倍增加,因而可对物料形成更为高效的剪切、挤压、揉捏作用[1]。
经典的固体输送理论是达涅耳(Darnell)和莫耳(Mol)提出的Darnell-Mol理论,该理论是以固体对固体摩擦的静力平衡为基础,将固体输送段中的物料看成是密实的无内形变的固体塞。
Tadmor等[2,3,4]对经典的固体输送理论作了进一步的完善,并考虑了物料密度和螺槽深度对固体输送的影响。
Darnell-Mol理论和Tedder理论认为,
[5]单螺杆挤出机固体输送的性能是由物料与机筒和螺杆之间的摩擦性能决定的。
而Chung
则认为固体床周围的熔体产生的粘性牵附力决定了固体输送的性能。
房士增等[6]提出了非塞基金项目:
国家支撑计划项目(2009BAI84B05);国家自然科学基金资助项目(51273068);
作者简介:
何和智(1963-),男,汉族,教授,华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心副主任,研究方向为高分子材料成型加工理论及设备。
流固体输送理论。
朱复华等[7,8]进一步提出单螺杆挤出的非塞流固体输送理论,该理论是将螺槽中未压实的物料看成散粒体,建立了非塞流固体输送理论的物理模型和数学模型。
江顺亮等[9,10,11]提出了单螺杆挤出的非塞流固体输送三层模型,该模型将螺槽中的物料沿着螺槽深度方向划分为三层,认为每一层物料是一个固体塞,并得到了产量与压力降的三次方程。
刘春晖[12]对纯UHMWPE树脂粉末在单螺杆挤出机加料段的压力建立进行了研究,建立了非塞流固体输送的n层模型,刘廷华[13]采用全程透明视窗双螺杆挤出机,进行动态可视化挤出实验研究,将非塞流固体输送理论应用于啮合同向双螺杆挤出机,提出了啮合同向双螺杆挤出中非啮合区的固体输送理论模型。
固体输送是挤出过程的重要组成部分,研究固体输送的目的在于研究影响固体输送的因素,找到提高固体输送效率的方法,这对加料段固体输送效率和挤出机生产能力的提高都具有十分重要的意义。
三螺杆挤出机具有优异的塑化混合能力和良好的自洁性,然而,有关其固体输送理论的研究却很少,因此,对其固体输送理论的研究就显得尤为重要。
1啮合区固体输送理论
通过对固体输送过程的观察,我们发现,啮合区的物料受到一种绝对速度方向沿着螺杆轴向的正位移强制推动作用。
螺杆切入棱对螺槽推进面侧物料的作用力在轴向上的分量是啮合区物料向前输送的动力,因此,螺杆每旋转一周,啮合区螺槽中的物料便沿轴向向前输送一个导程的距离[10,13,14]。
在固体输送理论研究中,习惯上用轴向速度与垂直于螺杆轴线的截面积的乘积来计算固体输送的体积流率。
令啮合区固体输送的体积流率为Qsn,于是有:
Qsn?
2?
?
Asn?
Vsn=2?
?
Asn?
n?
T
(1)式中:
?
—螺槽充满度,n—螺杆转速,T—螺杆导程,Asn—啮合区横截面积
2非啮合区固体输送理论
实验研究发现,三螺杆挤出机非啮合区中物料的输送特征颇似于单螺杆挤出中的固相摩擦拖曳输送,所不同的是,三螺杆挤出机中的物料并未完全充满螺槽,不能像单螺杆挤出机那样形成密实、无间隙的固体塞,因而,非啮合区的固体输送可看成是非塞流固体输送。
于是,我们借鉴单螺杆挤出的非塞流固体输送理论,建立三螺杆挤出机非啮合区的固体输送理论。
2.1非啮合区固体输送的物理模型
为建立非啮合区固体输送的物理模型,我们作以下假设[12,14,15]:
(1)螺槽中的物料为理想散粒体,颗粒之间存在着空隙、相对滑动和力的作用;
(2)忽略物料的重力、惯性力和内部弹性变形能;(3)物料颗粒可以抵抗挤压、剪切,但不能抵抗拉伸;(4)固体输送过程稳定,忽略温升对物料形态的影响;(5)物料受螺杆摩擦拖曳沿螺槽向前输送,略去螺杆曲率对固体输送的影响;(6)摩擦因数为常数,物料与螺杆、机筒的摩擦因数可以不同,摩擦力符合库仑定律;(7)固体输送段的螺槽截面为矩形且槽深不变,螺杆和机筒之间的间隙忽略不计;(8)物料体系为线弹性系统,应力—应变关系满足弹性方程;(9)将物料分成N层,每层是一个固体塞,层与层之间存在相对滑动和力的作用;(10)压力始终不变,物料受力均匀,考虑侧压系数。
基于以上假设,我们理想化非啮合区的固体输送系统,将三螺杆挤出机的侧螺槽展开成直槽,可建立非啮合区的非塞流固体输送N层模型[10,12],如图1所示。
图1非啮合区非塞流固体输送的N层模型
Fig.1N-layermodelofnon-plugsolidconveyinginthenon-intermeshingregion
2.2非啮合区固体输送的数学模型
物料受到螺杆的摩擦拖曳作用向前输送,视螺杆为动坐标,第i层物料及其上下层物料将产生相对虚位移?
si、?
si?
1、?
si?
1和相对虚速度vi、vi?
1、vi?
1。
取第i层物料为研究对象,对其进行受力分析,如图2所示[12]。
图2第i层物料的受力分析
Fig.2Forceanalysisofilayermaterial
忽略物料单元内部的弹性变形能,则虚功原理适用于平衡状态下的任意物料单元。
对第i层物料单元使用虚功原理,可得虚功方程如下:
?
H?
H?
?
?
n?
1n?
K?
L?
?
W?
?
f+f?
K?
L?
?
?
f?
K?
?
W?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
i?
1,ii?
1,isz,i?
?
?
?
si?
az?
?
z?
z,i?
azN?
N?
?
(2)?
?
?
?
?
Ka?
Lz?
?
W?
?
?
?
?
si?
1?
fi?
1,i+?
si?
1?
fi?
1,i?
用物料单元的实际速度来替代虚功方程中相应的虚位移,从而可得非啮合区中物料单元的速度—应力方程如下:
?
H?
H?
n?
1?
?
n?
K?
L?
?
W?
?
f+f?
K?
L?
?
?
f?
K?
?
W?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
i?
1,ii?
1,isz,i?
?
?
Vi?
az?
?
z?
z,i?
azN?
N?
?
?
?
?
(3)
?
?
Ka?
Lz?
?
W?
?
?
?
Vi?
1?
fi?
1,i+Vi?
1?
fi?
1,i?
式中:
Ka—接触面积修正系数,Kz—轴向压力面积修正系数,H—螺槽深度
以三层模型为例,对非啮合区固体输送的数学模型进行求解,根据式(3)可求得3个物料层的速度,进而可得非啮合区物料层的平均速度
?
V1?
V2?
V3A2A3B2?
A3B1B2?
V0(4)2233A1A2A3?
A1B1?
A3B1则非啮合区的固体输送率:
Qsc?
?
Asccos(5)
若令固体输送段压力降为零,则非啮合区的固体输送率为:
Qsc?
?
nTAscb1
3b2
(6)
式中:
Asc—非啮合区横截面积,
rfsrfrf
?
k,A2?
2fi?
s?
k,A3?
fb?
fi?
s?
kNNN
141
B1?
fiB2?
fs,b1?
3fbfifs?
3fi2fs?
rfbfs2?
rfifs2?
r2fs3
339
1?
?
1?
?
1?
2?
b2?
?
2fi?
rfs?
?
fb?
fi?
rfs?
?
fi?
fs?
rfs?
?
2fi3?
fbfi2?
fsfi2?
rfsfi2
3?
?
3?
?
3?
3?
A1?
fi?
fs?
3统一的固体输送理论
以上我们理想化地将啮合区和非啮合区分开讨论,将它们看成是互不影响没有联系的独
立输送区,然而,在实际情况之中,两区处在一个整体体系之中,物料不会只停留于某一区中,而会在两区之间不断进行交换,在不断的交换中往前输送,因此,不可能将啮合区和非啮合区分开计算,将啮合区的正位移输送和非啮合区的非塞流固体摩擦输送统一起来,形成一个统一的固体输送理论[14]。
引入转化系数?
将啮合区转化为非啮合区,转化系数?
的定义如下[14]:
?
=
Qsn/AsnQsn/Asn
(7)?
Qsc/Asc(Qs?
Qsn)/Asc
A?
?
Qsn?
Asc?
A?
(8)22
(Qs?
Qsn)?
Asn?
Qsn?
Asc
(9)
转化之后的螺槽充满度为:
?
e?
Asn/?
?
Asc
因此,若压力降为零,三螺杆挤出机固体输送段的固体输送率如下:
Qs?
?
enTAsb1
3b2
为详细考查三螺杆挤出机的固体输送理论,下面对特殊情况下的固体输送率进行讨论。
(1)当fb?
0时,这意味着物料不被机筒所拖曳,此时,固体输送率为:
Qs=
?
27f
2
2
2i
?
12rfifs?
r2fs2?
?
enTAs
2
22
s
32s
27fi?
27rfi?
27rfifs?
12rfifs?
3rf?
rf
(2)当fi?
?
时,这意味着物料颗粒之间不能相互滑动,非塞流固体输送转化为塞流固体输送,此时,固体输送率为:
Qs=
?
enTAs
fbfs+r+1
(3)当fs?
?
时,这意味着物料与螺杆之间的摩擦因数无穷大,此时,固体输送率为:
Qs=
?
enTAs
r?
3
4实验部分
4.1实验原料
低密度聚乙烯(LDPE)粒料,牌号951-050,中国石化股份有限公司茂名分公司,松密度为0.52g/cm3,物料之间的内摩擦因数为0.6,物料与螺杆之间的摩擦因数为0.25,物料与
机筒之间的摩擦因数为0.35。
聚丙烯(PP)粉料,牌号040,湖南长盛石化有限公司,松密度为0.56g/cm3,物料之间的内摩擦因数为0.81,物料与螺杆之间的摩擦因数为0.25,物料与机筒之间的摩擦因数为0.35。
4.2实验设备
三螺杆挤出机,型号TDM25,广州市普同实验分析仪器有限公司。
主要技术参数:
螺杆直径24.5mm,螺杆中心距21mm,螺杆最高转速385r/min,螺杆长径比40:
1。
4.3实验方案
实验采用粒料(LDPE)和粉料(PP)来分别验证理论,实验时直接在常温下挤出固态物料,从而达到验证固体输送的目的。
实验中去掉三根螺杆上所有的捏合块和反螺纹元件,螺杆全长全部使用螺纹元件。
根据实验测得产量,求得理论体积输送率Qs,进而可得各工况条件下的理论产量。
5结果与讨论
5.1理论产量与实际产量比较
产量(g/min)
产量(g/min)
喂料螺杆转速(r/min)
喂料螺杆转速(r/min)
LDPEPP
图3理论产量与实际产量对比
Fig.3Comparisonoftheoreticalthroughputandactualthroughput
图3为理论计算所得产量与实验产量之间的对比。
从图中可以看出,理论产量与实验产量能够较好的吻合,这表明本文所建立的固体输送理论是正确的、合理的。
5.2螺杆转速对产量的影响
产量(g/min)
(g/min)
螺杆转速(r/min)
螺杆转速(r/min)
LDPEPP
图4螺杆转速对产量的影响
Fig.4Effectofscrewspeedonthroughput
图4为螺杆转速与产量之间的关系图。
从式
(1)和(9)可知,若其它参数一定,则固体输送率与螺杆转速成正比关系,因此,可得如图4所示的关系图,即在一定螺槽充满度之下,产量都随着螺杆转速的增大而提高,并且两者之间存在着一定的线性关系。
5.3喂料速度对产量的影响
产量(g/min)
产量(g/min)
喂料螺杆转速(r/min)
喂料螺杆转速(r/min)
LDPEPP
图5喂料速度对产量的影响Fig.5Effectoffeedingspeedonthroughput
图5为喂料速度与产量之间的关系图。
由图中可知,
一定螺杆转速之下,产量随着喂料速度的增大而呈现出不断升高的趋势。
这是因为,喂料速度加大,则单位时间内加入到螺槽中的物料量就增加,可供螺杆输送的物料量就增加,因此,产量也就相应提高。
5.4螺槽充满度对产量的影响
产量(g/min)
螺槽充满度螺槽充满度
LDPEPP
图6螺槽充满度对产量的影响
Fig.6Effectofscrewchannelfillratioonthroughput
图6为螺槽充满度对产量的影响规律图。
从图中可以看出,一定螺杆转速下,产量随着螺槽充满度的增大而提高,原因在于:
螺槽充满度越高,螺槽中可供螺杆输送的物料量就增加,所以产量也就会提高,这与一定螺杆转速下加料速度对产量的影响规律基本相同,这里不再赘述。
5.5摩擦因数对产量的影响
固体输送率是物料内摩擦因数fi、物料与螺杆之间摩擦因数fs以及物料与机筒之间摩擦因数fb的函数,因此,需对摩擦因数与产量之间的关系加以讨论。
令产量系数为M,则
M?
b13b2,现对M与fs、fb、fi之间的关系进行分析。
M
fs
图7物料与螺杆的摩擦因数对产量系数的影响
Fig.7Effectoffrictioncoefficientbetweenscrewandplasticonthroughputindex
图7为物料与螺杆之间的摩擦因数fs(fb=0.35,fi=0.5)对产量系数M的影响规律图。
从图中可以看出,M随着fs的增大而先升后降。
这是因为:
物料与螺杆之间的摩擦力是非啮合区中物料向前输送的动力,物料与螺杆之间摩擦因数越大,两者之间的摩擦力也就越大,这有利于固体物料的输送,因此,fs的适当增大将带来产量系数M的升高。
但若fs超过一定值,产量系数M会随着fs的增大而降低。
可能的原因是,物料与螺杆之间摩擦因数过大,则物料输送时的阻力也就越大,物料输送也就越困难,所以,产量系数M出现了减小的趋势。
M
fb
图8物料与机筒的摩擦因数对产量系数的影响
Fig.8Effectoffrictioncoefficientbetweenplasticandbarrelonthroughputindex
图8为物料与机筒之间的摩擦因数fb(fi=0.6,fs=0.25)对产量系数M的影响规律图。
从图中可以看出,产量系数M随着fb的增大而小幅减小。
三螺杆挤出机的侧螺槽在一般情况下是非充满的,物料由于受到螺杆的螺旋推力而贴靠于螺槽推进面侧,螺槽中的物料未必被机筒所拖曳,物料向前输送的动力主要是靠与螺杆之间的摩擦力,因此,fb的增大会给固体输送带来一些不利影响。
Mfi
图9物料与物料的摩擦因数对产量系数的影响
Fig.9Effectoffrictioncoefficientbetweenplasticandplasticonthroughputindex
图9为物料之间的内摩擦因数fi(fb=0.35,fs=0.25)对产量系数M的影响规律图。
由图中可以看出,产量系数M随着物料之间内摩擦因数fi的增大而先增大后减小。
在一定范围内,内摩擦因数增大则物料之间的相对运动就会削弱,相对运动的削弱将有利于物料的输送,因此,产量系数M出现了逐渐增大的趋势。
但随着物料之间摩擦因数的不断增大,物料之间的相对运动越来越弱,有向塞流转化的趋势,而相对运动很弱的物料团甚至固体塞将不利于输送,因此,随着内摩擦因数的增大,产量系数会有所降低。
6结论
本文建立了三螺杆挤出机的固体输送理论,并采用粒料(LDPE)和粉料(PP)对所建立的固体输送理论进行了实验验证,实验研究显示:
理论产量与实验产量能够较好的吻合,这表明本文所建立的固体输送理论是合理的、正确的。
对固体输送的影响因素进行研究,理论及实验证明:
(1)在一定螺槽充满度下,产量随着螺杆转速的增大而升高,并成线性关系;
(2)在一定螺杆转速下,产量随着喂料速度、螺槽充满度的增大而不断升高;
(3)产量系数M随着fs、fi的增大而先增大后减小,随着fb的增大而减小。
参考文献
[1]瞿金平.聚合物动态塑化成型加工理论与技术[M].北京:
科学出版社,2005:
65-75
[2]E.Broyer,Z.Tadmor.SolidsconveyinginscrewextruderspartI:
Amodifiedisothermalmodel[J].PolymerEngineering&Science,1972,12
(1):
12-24
[3]Z.Tadmor,E.Broyer.SolidsconveyinginscrewextruderspartII:
Nonisothermalmodel[J].PolymerEngineering&Science,1972,12(5):
378-386
[4]L.Kacir,Z.Tadmor.SolidsconveyinginscrewextruderspartIII:
Thedelayzone[J].PolymerEngineering&Science,1972,12(5):
387-395
[5]ChanI.Chung,R.J.Nichols,G.A.Kruder.Screwhorsepowerdependenceonscrewspeedandsize-theoryandexperiment[J].PolymerEngineering&Science,1974,14
(1):
28-37
[6]房士增.非塞流固体输送机理的研究[D].北京:
北京化工学院,1984
[7]朱复华,房士增.单螺杆塑化挤出理论的研究Ⅱ,非塞流固体输送理论(I)[J].高分子材料科学与工程,1987,8(4):
22-34
[8]FangShizeng,ChenLiqin,ZhuFuhua.Studiesonthetheoryofsinglescrewplasticatingextrusion.partII:
Non-plugflowsolidconveying[J].PolymerEngineering&Science,1991,31(15):
1117-1122
[9]江顺亮,朱复华.非塞流固体输送理论的简化[J].中国塑料,1995,9(6):
60-63
[10]江顺亮,朱复华.单螺杆挤出固体输送段非塞流的三层模型法[J].塑料工业,1997,10
(2):
83-88
[11]江顺亮.单螺杆挤出理论研究[D].北京:
北京化工大学,1996
[12]刘春晖.单螺杆挤出进料段非塞流固体输送的挤出压力研究[D].武汉:
武汉工程大学,2010
[13]刘廷华.双螺杆挤出可视化实验研究与非充满固体输送及熔融理论研究[D].北京:
北京化工学院,1995
[14]徐绍宏.向啮合双螺杆挤出的固体输送理论的研究[D].北京:
北京化工大学,1998
[15]赵素合.聚合物加工工程[M].北京:
中国轻工业出版社,2003:
71-74
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 螺杆 挤出机 固体 输送 理论 实验 研究