Plastics_11_2018

w w w . p l a s t i c s . r u 29 ТЕМА НОМЕРА / ЭКСТРУЗИОННЫЕ РЕКОРДЫ П Л А С Т И К С № 1 1 ( 1 8 4 ) 2 0 1 8 лении основного потока в секции с блоками лепестков модели 1 (рис. 1), состоящей из че- тырех блоков с шестью лепестками каждый. Изменение потока в поперечном направле- нии приводит к отчетливо выраженному гра- диенту скорости движения жидких частиц в осевом направлении (рис. 2А). Пиковые зна- чения скорости лежат в области, находящейся между двумя лепестками (выделена желтым цветом в табл. 1), и примерно в 3 раза пре- восходят те, которые фиксируются в районе, примыкающем к внутренней поверхности цилиндра (голубой цвет в табл. 1). Схожее поведение потока представлено на осевом срезе блока (рис. 2Б). Здесь жидкие частицы разгоняются и замедляются в каса- тельном направлении в процессе движения между лепестками. С другой стороны, между блоками канал кольцевого потока не демон- стрирует характерного градиента скорости в касательном направлении (рис. 2В). Результат 2: потребление давления. Сме- сительные секции обычно потребляют определенное давление. Рис. 3 демонстриру- ет потерю давления в исследуемых секциях с блоками лепестков. Процентные значения относятся к стандартным моделям 3 и 5, для которых спроектированы блоки с десятью лепестками (табл. 1). Цифры показывают, что количество лепестков в блоке является важнейшим фактором, влияющим на то, как смесительная секция потребляет давление. Таким образом, увеличение их числа при- водит к потере давления в большей степени, чем увеличение количества блоков в секции. Если не брать в расчет главный поток, вызы- ваемый вращением шнека, данное явление можно прямо отнести на счет чувствитель- ности обратного течения к геометрии кана- ла. Известно, что высота канала оказывает большее влияние на перепады давления в обратном течении, чем его длина. Более того, вязкость полимерного расплава пропорцио- нальна градиенту давления, и следовательно, при наличии более вязкого расплава для до- стижения соответствующей производитель- ности требуется повысить градиент давления. Результат 3: диссипация (рассеивание). Помимо характеристик, связанных с давле- нием и производительностью, динамика из- менения температуры в канале потока может служить важным индикатором для оценки эффективности перемешивающей секции. На рис. 4 изображено среднее значение рас- сеивания всего потока жидкости в смодели- рованных элементах на рис. 1. Механическая энергия, производимая шнеком, преобразу- ется в тепло благодаря наличию внутреннего трения между прилегающими слоями потока. Это вызывает повы- шение температуры расплава и приводит к появлению в нем температурного гра- диента. Объем тепла, производимого за счет внутреннего трения (теплота вязкой дис- сипации) зависит от вязкости расплава и скорости деформации в канале потока. В результате низкой высоты канала возни- кают высокие скоро- сти сдвига, особенно в областипросветамежду кулачками.Такимобра- зом, общеерассеивание на пути потока расплава в значительной сте- пени зависит от количества просветов между кулачками, которое быстро увеличивается при добавлении новых блоков. Таким образом, величина рассеивания определяется в первую очередь количеством блоков. Результат4: дистри- бутивное смешивание. Для оценки эффектив- ности дистрибутивного смешивания, осущест- вляемого элементами с блоками лепестков на рис. 1, исследовате- ли воспользовались методом отслеживания частиц. На основании рассчитанного поля течения большое количество частиц было по- мещено перед смесительными элементами, а затем их поток отслеживался по траекториям (рис. 5). С целью наглядной демонстрации результатов процесса смешивания половина частиц была условно выкрашена в красный цвет, а другая половина — в синий. На рис. 6 приведено сравнение конечного распределе- ния частиц после прохождения элементов с блоками лепестков моделей 1 и 8. Количество лепестков в блоке Количество блоков N z =6 N z =8 N z =10 N z =12 N s =4 N s =5 N s =6 N s =7 Рисунок 1. Исследуемые смесительные элементы с блоками лепестков (ND=60 мм; конструкция базовых моделей 3 и 5 идентична) Номер модели Количество лепестков в блоке (N Z ) Количество блоков (N S ) 1 6 4 2 8 4 3 10 4 4 12 4 5 10 4 6 10 5 7 10 6 8 10 7 Таблица 1. Исследование моделей смесительных элементов для одношнековых экструдеров (конструкции отличаются количеством лепестков и блоков; модели 3 и 5 идентичны и используются в качестве базовых) Рисунок 2. Поле скоростей в трубе из высокомолекулярных сортов ПЭВП А Б В А — в продольном направлении; Б — в поперечном сечении одного блока; В — в поперечном сечении в промежутке между двумя блоками