Курсовая работа (т): Расчет производительности экструдера

На рисунке 7 приведена схема одношнекового экструдера.

экструдер полиэтилен пленка

- бункер; 2 - шнек; 3 - цилиндр; 4 - полость для циркуляции воды; 5 - нагреватель; 6 - решетка с сетками; 7 - формующая головка; I - зона загрузки; II -зона пластикации; III - зона дозирования.

Рисунок 7 - Схема одношнекового экструдера

После выхода расплава из кольцевого щелевого зазора включается воздувка подачи воздуха (позиция 8 (1)) в охлаждающее кольцо. Выходящий из головки расплавленный материал интенсивно охлаждается, собирается в единую массу и связывается заправочным шнуром. Шнур предварительно пропускается через приемные валки (позиция11), в направлении к головке экструдера. Открывается кран подачи сжатого воздуха.

Пленочный рукав, собранный в единый узел с помощью шнура со скоростью экструдирования потягивается до предварительно разведенных приемных валков (позиция 11), при этом скорость приемных валков должна быть не более 5 м/мин. Обжимается рукав с помощью специальных металлических пластин (щек) (позиция 10). Сам рукав (позиция 9) имеет форму конуса. Рукав вводится в зазор между валками, после чего валки сводятся, пленка протягивается через намоточное устройство (позиция 12), а утолщенный конец рукава предварительно обрезается с целью исключения возможности повреждения намоточного устройства. Затем пленка заправляется на шпулю (позиция 13), установленную в конусах приемного узла.

Если есть необходимость, то пленочный рукав разрезается с одной или двух сторон специальными ножами (позиция 14). В этом случае намотка пленочного полотна осуществляется на две бобины.

Рукав пленки со скоростью вытяжки вытягивается в продольном направлении. Подачей воздуха внутрь рукава (позиция 8 (2)) обеспечивается раздув до требуемого диаметра, после чего подача воздуха прекращается. С помощью раздува пленка вытягивается в поперечном направлении. [6]

В процессе работы возможна корректировка температурного режима, которая производится по внешнему виду пленки и результатов замеров толщины и ширины. Давление прижима приемных валков 1,2 - 2,0 кг·с/см2 (0,12 - 0,20 МПа).

Для получения пленки с доступными отклонениями по толщине возможна подкалибровка формующего зазора экструзионной головки при помощи калибровочных болтов. При непрерывной работе экструзионной линии необходимо контролировать давление расплава при достижение предельного давления (60 - 70 % от максимально допустимого) производится замена сеток.

Конструкция угловой головки представлена на рисунке 8.

В процессе охлаждения пленочного рукава происходит процесс перехода ПЭ из расплавленного состояния в твердое, в течение которого происходит процесс кристаллизации. Внешне этот процесс сопровождается резким помутнением пленочного рукава. Это граница перехода из вязкотекучего состояния в твердое, называемая линией кристаллизации, является важным показателем технологического процесса. Линия кристаллизации должна располагаться на одной высоте по всему периметру рукава, что гарантирует получение равнотолшинной пленки.

- переходник; 2 - решетка; 3 - сетки; 4 - корпус головки; 5 - дорнодержатель; 6 -вентиль; 7 - воздушный штуцер; 8 - электрообогрев; 9 - обойма головки; 10 - корпус мундштука; 11 - установочные винты; 12,16 - нажимные и отжимные винты; 13 - мундштук; 14 - подпорное кольцо; 15 - дорн; 17 - прижимное кольцо; 18 - байонетный затвор

Рисунок 8 - Конструкция угловой головки для рукавной пленки

Высота линии кристаллизации влияет на усадочные свойства пленки и регулируется количеством воздуха, подаваемой воздуходувкой. Кроме того, физико-механические показатели и величина усадки пленки в продольном и поперечном направлениях зависят от степени раздува и вытяжки пленочного рукава.

При протягивании пленки по направляющим валкам и намотки происходит регулирование натяжения, величина натяжения зависит от размеров и толщины пленки. Для снятия статического электричества возможно применение специального устройства в виде заземленных проводников из цветного мягкого металла (позиция 15). Съем рулонов производится вручную.

Рулоны пленки в виде рукава шириной до 1500 мм массой до 60 кг снимаются с намоточного устройства (позиция 12) и укладываются на стол упаковки (позиция 16), где упаковываются в ПЭ пленку, с торцов перевязываются ПЭ кромкой, взвешиваются. Под упаковку вкладывается этикетка. Рулоны складируются в специально отведенном месте. [4]

Технологические показатели на стадии процесса указаны в таблице 2.

Таблица 2 - Нормы технологического режима

2. Расчетная часть

Рассчитать коэффициент геометрической формы головки и производительности одншнекового однозаходного экструдера для производства пленки из ПЭНП с объемным расходом расплава 10 см3/с и шнеком с постоянным шагом и переменной глубиной спирального канала. Диаметр шнека - 63 мм, температура расплава - 180 0С.  

.1 Расчет коэффициента геометрической формы головки

Дано:

Фильтрующая сетка

.1 Площадь фильтрованного элемента F = 700 см2

.2 Число сеток n = 7

.3 Диаметр отверстий d = 0,007 см

.4 Толщина фильтрующих элементов δ = 7 см

Решетка:

.1 Число отверстий Z = 7

.2 Диаметр отверстий d = 0,21 см

Толщина фильтрующих элементов δ = 0,525 см

Цилиндрический канал:

.1 Диаметр канала d7 = 1,54 см

.2 Длина канала L7 = 11,9 см

Конический кольцевой канал:

.1 Средние радиусы окружности конического кольцевого зазора на входе и выходе: r11 = 0,77 см, r12 = 4,095 см

.2 Толщина зазора на входе и выходе: h11 = 0,49 см, h12 = 0,42 см

.3 Длина канала L1 = 6,44 см

Цилиндрический кольцевой канал:

.1 Средний диаметр d4ср = 7,98 см

.2 Ширина кольцевого зазора b4 = 0,56 см

.3 Наружный и внутренний радиус цилиндрического канала: r4н = 4,27 см, r4вн = 3,71 см

.4 Длина канала L4 = 4,55 cм

Конический кольцевой канал:

.1 Средние радиусы окружности кольцевого зазора на входе и выходе: r21 = 4,06, r21 = 8,4 cм

.2 Толщина зазора на входе и выходе: h21 = 0,42 см, h22 = 0,84 см

Длина канала L3 = 7,35 см Цилиндрический кольцевой канал:

Средний диаметр канала d5ср = 16,8 см

.2 Ширина кольцевого зазора b5 = 0,77 см

.3 Наружный и внутренний радиусы цилиндрического канала: r5н = 8,785 см, r5вн = 8,015 см

.4 Длина канала L4 = 1,26 см

Конический кольцевой канал:

.1 Средние радиусы окружности конического кольцевого зазора на входе и выходе: r31 = 8,4 см, r32 = 10,5 cм

.2 Толщина зазора на входе и выходе: h31 = 0,56 см, h32 = 0,77 см

.3 Длина канала: L3 = 2,1 см

Цилиндрический кольцевой канал:

.1 Средний диаметр канала d6ср = 21 см

.2 Ширина кольцевого зазора b6 = 0,56 cм

.3 Наружный и внутренний радиусы цилиндрического канала r6н = 10,78 см, r6вн = 10,22 см

.4 Длина канала L6 = 1,26 см

Объемный расход расплава Vp = 10 cм3/с

Решение:

Коэффициент геометрической формы головки зависит от профиля и геометрических размеров формующих сечений головки (К1) экструдера, фильтрующей сетки (если она установлена) (Кф.с) и решетки (Кр):

К = К1 + Кф.с + Кр.

Определим К соответствующего элементарного участка и скорость сдвига γi, что позволит рассчитать перепад давления на том же участке.

Фильтрующая сетка:

Кф.с = (n · F · d2) / (32 · δ),

Кф.с = (7 · 700 · 0,0072) / (32 · 7) = 0,2401/224 = 0,00107см3 = 1,07·10-3 см3

γф.с = (128 · Vp) / (n · F · d),

γф.с = (128 · 10) / (7 · 700 · 0,007) = 1280/34,3 = 37,3 с-1

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 37,3 с-1: η = 0,952·103 Па·с.

Тогда потери давления в фильтрующей сетке составят:

∆Рф.с =(Vp · η) / Кф.с,

∆Рф.с = (10 · 0,952 ·103) / 0,00107 = 8,89 МПа.

Решетка:

Кр = (π · Z · d4) / (128 ·δ),

Кр = (3,14 · 7 · 0,214) / (128 · 0,525) = 0,0427/67,2 = 0,000636см3 = 0,636· 10-3 см3

γр = (32 · Vp) / (π · Z · d3),

γр = (32 · 10) / (3,14 · 7 · 0,213) = 320/0,2035 = 1572,48 c-1.

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 1572,48 с-1: η = 0,155 · 103 Па·с.

∆Рр = Vр · η / Кр,

∆Рр = (10 · 0,155 · 103) / (0,636 · 10-3) = 2,43 МПа.

Коэффициент геометрической формы конических кольцевых каналов:

где m - коэффициент, учитывающий геометрические параметры, см-2;

= (2,3 · (r1 - r2)2 / (r1 · h2 - r2 · h1)2) · (lg(r1 · h2) / (r2 · h1)) -

((r1 - r2)(h1 - h2) / ((r1 · h2 - r2 · h1) · h1 · h2)) - ((h12 - h23) / (2 · h12 · h22))= (2,3 · (0,77 - 4,095)2 / (0,77 · 0,42 - 4,095 · 0,49)2) · (lg(0,77 · 0,42) / (4,095 · 0,49)) -

((0,77 - 4,095)(0,49 - 0,42) / ((0,77 · 0,42 - 4,095 · 0,49) · 0,49 · 0,42)) -

((0,492 - 0,422) / (2 · 0,492 · 0,422)) = -8,5389 см-2;

К1 = (3,14 · (0,77 · 0,42 - 4,095 · 0,49)) / (6 · (-8,5389) · 6,44) = 0,016 см3;

γ1 = 22,32 · Vp / π(r1 + r2)(h1 + h2)2.

γ1 = 22,32 · 10 / 3,14(0,77 + 4,095)(0,49 + 0,42)2 = 17,64 с-1

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 17,64 с-1: η = 1,37·103 Па·с.

∆Р1 = Vp · η / К1,

∆Р1 = 10· 1,37 · 103 / 0,016 = 0,856 МПа.= (2,3 · (4,06 - 8,4)2 / (4,06 · 0,84 - 8,4 · 0,42)2) · (lg(4,06 · 0,84) / (8,4 · 0,42)) -

((4,06 - 8,4)(0,42 - 0,84) / ((4,06 · 0,84 - 8,4 · 0,42) · 0,42 · 0,84)) -

((0,422 - 0,842) / (2 · 0,422 · 0,842)) = -1,018 см-2.

К2 =(3,14 · (4,06 · 0,84 - 8,4 · 0,42)) / (6 · (-1,018) · 7,35) = 0,0082 см3.

γ2 = (22,32 ·10) / (3,14(4,06 + 8,4)(0,42 + 0,84)2) = 3,59 с-1

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 3,59 с-1: η = 2,96·103 Па·с.

∆Р2 = (10 · 2,96 · 103) / 0,0082 = 3,61 МПа= (2,3 · (8,4 - 10,5)2 / (8,4 · 0,77 - 10,5 · 0,56)2) · (lg(8,4 · 0,77 / (10,5 · 0,56)) -

((8,4 - 10,5)(0,56 - 0,77) / ((8,4 · 0,77 - 10,5 · 0,56) · 0,56 · 0,77)) -

((0,562 - 0,772) / (2 · 0,562 · 0,772)) = 0,3538 см-2.

К3 = (3,14 · (8,4 · 0,77 - 10,5 · 0,56)) / (6 · 0,3538 · 2,1) = 0,414 см3.

γ3 = (22,32 ·10) / (3,14(8,4 + 10,5)(0,56 +0,77)2) = 2,12 с-1,

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 2,12 с-1: η = 3,83·103 Па·с.

∆Р3 = (10 · 3,83 · 103) / 0,414 = 0,09 МПа.

Коэффициент геометрической формы цилиндрических кольцевых каналов:

Кi = ((π · dср + b) · b3 / (12 · L)),

γi = (5,58 · Vp) / (π(rн + rвн)(rн - rвн)).= ((3,14 · 7,98 + 0,56) · 0,563) / (12 · 4,55) = 0,0824 см3.

γ4 = (5,58 ·10) / (3,14(4,27 + 3,71)(4,27 - 3,71)) = 3,976 c-1.

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 3,976 с-1: η = 2,82·103 Па·с.

∆Р4 = (10· 2,82 · 103) / 0,0824 = 0,34 МПа.= ((3,14 · 16,8 + 0,77) · 0,773) / (12 · 1,26) = 1,616 см3.

γ5 = (5,58 ·10) / (3,14(8,785 + 8,015)(8,785 - 8,015)) = 1,37 с-1

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 1,37 с-1: η = 4,73·103 Па·с.

∆Р5 = (10 · 4,73 · 103) / 1,616 = 0,03 МПа.= ((3,14 · 21 + 0,56) · 0,563) / (12 · 1,26) = 0,772 см3.

γ6 = (5,58 ·10) / (3,14(10,78 + 10,22)(10,78 - 10,22)) = 1,51 с-1

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 1,51 с-1: η = 4,51·103 Па·с.

∆Р6 = (10· 4,51 · 103) / 0,772 = 0,058 МПа.

Коэффициент геометрической формы цилиндрического канала:

К = (π · d4) / (128 · L).

γ = (32 · Vp) / (π · d3).

К7 = (3,14 · 1,544) / (128 · 11,9) = 0,0116 см3.

γ7 =(32 ·10) / (3,14 · 1,543) = 27,9 c-1

По формуле lg η = -0,485 · lg γ + 3,741 находим эффективную вязкость η для ПЭНП при γф.с = 27,9 с-1: η = 1,09·103 Па·с.

∆Р7 = (10 · 1,09 · 103) / 0,0116 = 0,94 МПа.

К’ = 1 / (1/К1 + 1/К2 + 1/К3 + 1/К4 + 1/К5 + 1/К6 + 1/К7),

К’ = 1 / (1/0,016 + 1/0,0082 + 1/0,414 + 1/0,0824 + 1/1,616 + 1/0,772 + 1/0,0116) = = 3,48 · 10-3 см3,

К = К’ + Кф.с. + Кр,

К = 3,48 · 10-3 + 1,07 · 10-3 + 0,636 · 10-3 = 5,186 · 10-3 см3.

∆Р = Рф.с. + Рр + Р1 + Р2 + Р3 + Р4 + Р5 + Р6 + Р7,

∆Р = 8,89 + 2,43 + 0,856 + 3,61 + 0,09 + 0,34 + 0,03 + 0,058 + 0,94 = 17,244 МПа.

Головка экструдера представлена в приложении А.

.2 Расчет производительности экструдера

Шнек экструдера имеет постоянный шаг и переменную глубину нарезки спирального канала рисунок 9.

Рисунок 9 - Шнек экструдера

Исходные данные:

диаметр шнека D = 63 мм;

число заходов нарезки шнека λ = 1;

- коэффициент геометрической формы головки, К = 5,186·10-3 см3.

Решение:

Принимаем степень сжатья шнека из соотношения I = 1÷6,1 = 2,3.

Из двух стандартных соотношений L/D = 20÷25 выбираем L/D = 25.

Тогда длина шнека: = 25D,= 25 · 6,3 = 157,5 cм.

Определяем геометрические параметры шнека:

) глубину спирального канала в начале зоны загрузки (под загрузочной воронкой):

= (0,12 ÷ 0,16) · D, = 0,14 · 6,3 = 0,882 cм.

) глубину спирального канала в зоне дозирования:

= 0,5 · [D - √D2 - (((4h1)/i))(D - h1))],= 0,5 · [6,3 - √6,32 - (((4·0,882)/2,3))(6,3 - 0,882))] = 0,35 см.

) глубину спирального канала в начале зоны сжатия определяем:

= h1 - ((h1 - h3) / L) · L0,= 0,882 - ((0,882 - 0,35) / 157,5) · 78,75 = 0,616 см,

где L - длина шнека, см;- длина шнека до зоны сжатия:= L - Lн,

= 157,5 - 78,75 = 78,75

) среднюю глубину нарезки в напорной зоне шнека:

ср = (h1 + h3) / 2,ср = (0,882 + 0,35) / 2 = 0,616 см.

) рассчитываем длину зоны дозирования Lд и зоны сжатия Lсж. Для определения этого по выберем число витков в зонах дозирования равное 9 и сжатия - 1.

Тогда

д = 9 · D,д = 9 · 63 = 567 мм,сж = 1 · D,сж = 1 · 63 = 63 мм.

) шаг нарезки t принимаем из соотношения t = (0,8 - 1,2) D

= D = 63 мм.

) находим рабочую скорость вращения шнека:

n = (γ · h3) / (π · D),

n = (60 · 0,35) / (3,14 · 6,3) = 1,06 об/с,

где γ - средний градиентскорости (γ = 50 ÷ 110 с-1), принимаем γ = 60 с-1.

) ширину гребня витка находим из соотношения: е = (0,06 ÷ 0,1) D

е = 0,08 · D,

е = 0,08 · 6,3 = 0,504 см.

) радиальный зазор между гребне шнека и внутренней стенкой цилиндра:

δ = (1 · 10-3 ÷ 3 · 10-3) · D = 2 · 10-3 · D,

δ = 2 · 10-3 · 6,3 = 0,0126 см;

) диаметр сердечника шнека у загрузочной воронки:

= D - 2h1,= 6, 3 - 2 · 0,882 = 4,536 см.

) диаметр сердечника шнека в зоне дозирования:

= D - 2h3,= 6,3 - 2 · 0,35 = 5,6 см.

) угол подъема винтовой линии нарезки шнека:

φ = arctg (t / π · D) = arctg (63 / 3,14 · 63) = 17,660.

Коэффициент геометрических параметров шнека:

σ = 1 - ((6,9D) / (2(h2 - h3))) · lg(h2 / h3) + D2 / (2h2h3),

σ = 1 - (6,9· 6,3 / (2(0,616 - 0,35))) · lg(0,616 / 0,35) + 6,32 / (2·0,616·0,35) = 73,025.

Вычисляем коэффициенты а и b:

а = (π² / h2h3) · [(D(h2 - h3)) / (2h2h3)) - 1],= (3,142 / 0,616 · 0,35) · [(6,3(0,616 - 0,35)) / (2 · 0,616 · 0,35)) - 1] = 132 см-2.= (2,3 / (h2 - h3)D3) · lg(h2(D + d3) / h3(D + d1)) + (2h2h3 + (h2 + h3)D) / (2D2h22h32),= (2,3 / (0,616 - 0,35) · 6,33) · lg(0,616(6,3 + 5,6) / 0,35(0,63 + 4,536)) + (2·0,616·0,35 +

+ (0,016 + 0,35)6,3) / (2·6,32·0,6162·0,352) = 1,761 см-4.

Определяем постоянные потоков:

прямого:

A1 = (π3(t - λe)σ) / (a + t2b),

A1 = (3,143(6,3 - 1 · 0,504) · 73,025) / (132 + 6,32 · 1,761) = 64,9 см3,

где λ - число заходов нарезки шнека (λ = 1).

- обратного:

В1 = (π3(t - λe)) / (12Lн(a + t2b)),

В1 = (3,143(6,3 - 1 · 0,504)) / (12·78,75(132 + 6,32 · 1,761)) = 7,63 · 10-3 см3.

Потоком утечки С1 пренебрегаем, так как он еще меньше, чем обратный и практически не оказывает влияния на производительность экструдера.

Вычисляем производительность экструдера, которую может обеспечить выбранный шнек:

объемную:

= (A1 · K · n) / (K + B1 + C1),= (64,9 · 5,186 · 10-3 · 2,675) / (5,186 · 10-3 + 7,63 · 10-3) = 70,25 см3/мин.