Численный анализ неизотермических процессов течения расплавов полимеров в зоне дозирования экструдера для различных пространственных математических моделей и реологических законов
Автор: Труфанова Наталия Михайловна, Ершов Сергей Викторович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
На сегодняшний день широкое применение в качестве изоляционных материалов находят полимерные композиции на основе полиэтилена и ПВХ. Переработка этих материалов сопряжена с рядом проблем, возникающих при выборе для процесса рациональных технологических режимов. Для минимизации временных и материальных затрат, требующихся определенному режиму, используются методы математического моделирования. Разработанные различные математические модели и анализ на их основе течения и теплообмена в винтовых каналах позволяют оценить как возможность введения упрощающих предположений, так и их влияние на характер течения и параметры рассматриваемого процесса. В данной работе речь идет о воздействии на полимерные материалы экструзионного оборудования. Предлагается трехмерная модель процессов течения и теплопереноса в зоне дозирования имеющего винтовой канал пластицирующего экструдера с учетом зазора над гребнем шнека. С ее помощью осуществляется численное исследование течения расплава полимера в этом зазоре. Опробованы пространственные математические модели с различной геометрией канала: прямоугольным, развернутым на плоскость; винтовым, максимально приближенным к реально применяемому. Изучено связь допущения об обращенном движении шнека с характером течения расплава полимера для протестированных моделей тепломассопереноса. Выявлены закономерности влияния зазора между гребнем шнека и внутренней поверхностью корпуса на распределение температуры в канале. Получены экспериментальные зависимости вязкости от скорости сдвига для полимерных изоляционных композиций и вычислены значения эмпирических коэффициентов для трех реологических законов: степенного, согласно моделям Керри и Кросса. Для этих законов проведено сопоставление результатов расчета течения расплава полимера в условиях сложного сдвига в винтовом канале экструдера при различных геометриях канала. Представлены значения максимальных и средних температур на выходе из канала. Для сравнения приводятся результаты других авторов.
Реологические модели, экструзия, зона дозирования, тепломассоперенос, метод конечных элементов, математическая модель
Короткий адрес: https://sciup.org/14320842
IDR: 14320842 | УДК: 679.743.1-519.63 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.2.13
Comparative analysis of heat and mass transfer processes in the extruder dosing zone with the use of different spatial mathematical models and rheological law
At present, polymer compositions based on polyethylene or PVC are widely used as insulating materials. The processing of these materials is associated with a number of problems in the choice of rational processing modes. In order to minimize the time and cost necessary to determine a particular technological regime, methods of mathematical modeling are used. Development and analysis of various mathematical models of the flow and heat transfer in helical channels allows us to evaluate the possibility of using simplifying assumptions and their effect on flow pattern and process parameters during processing of polymeric materials in extrusion equipment. In this work, a three-dimensional model of flow and heat transfer processes in the dosing zone of a plasticizing extruder taking into account the clearance above the crest of the screw is developed, and the numerical study of a polymer melt flow in this zone is presented. The analysis of spatial mathematical models with different channel geometry (a rectangular channel deployed on plane and a screw channel having much in common with that used in the actual process of recycling) is carried out. The influence of assumptions of the inverted movement of the screw on the polymer melt flow character for the considered spatial models of heat and mass transfer process is evaluated. The effect of the clearance between the crest of the screw and the inner surface of the housing on the temperature distribution in the channel is investigated. Experimental plots of viscosity versus shear rate for the insulating polymer compositions are obtained and the empirical coefficients for the three rheological laws (power law, Kerry model and Crosse model) are determined. A numerical comparison of the calculation results obtained for this rheology models of polymer melt under complex shear in the extruder screw channel is performed. The values of maximum and medium temperature at the outlet of the channel and a comparison with the results obtained by other authors are given.
Список литературы Численный анализ неизотермических процессов течения расплавов полимеров в зоне дозирования экструдера для различных пространственных математических моделей и реологических законов
- Труфанова Н.М., Щербинин А.Г., Янков В.И. Плавление полимеров в экструдерах -М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2009. -336 с.
- Раувендаль К. Экструзия полимеров. -СПб.: Профессия, 2008. -786 с.
- Altinkaynak A., Gupta М., Spalding М.A., Crabtree S.L. Melting in a single screw extruder: Experiments and 3D finite element simulations//Int. Polym. Proc. -2011. -Vol. 26, no. 2. -P. 182-196.
- Rauwendaal C. Finite element studies of flow and temperature evolution in single screw extruders//Plast. Rubber. Compos. -2004. -Vol. 33, no. 9-10. -P. 390-369.
- Fenner R.T. Developments in the analysis of steady screw extrusion of Polymers//Polymer. -1977. -Vol. 18, no. 6. -P. 617-635.
- Jaluria Y. Heat and mass transfer in the extrusion of non-Newtonian materials//Advances in Heat Transfer. -1996. -Vol. 28. -P. 145-230.
- Wtjzer I.I., Jankov W.I. Isotermes flieben einer Viscosen Flussigkeit in den Kanalen konischer Schnecken//Plaste und Kautschuk. -1979. -Vol. 26, no. 6. -P. 326-328.
- Вопросы экструзии термопластов/Под ред. А.Н. Левина. -М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. -332 с.
- Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф., Николаев И.К. Прямолинейно-параллельное установившееся движение аномально-вязкой жидкости между двумя параллельными стенками//Механика полимеров. -1965. -T. 1, № 6. -С. 138-145.
- Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф. Объемный расход в плоском сходящемся вынужденном потоке несжимаемой аномально-вязкой жидкости//Механика полимеров. -1966. -T. 2, № 1. -С. 116-122.
- Труфанова Н.М. Переработка полимеров: Учебн. пособие. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. -159 с.
- Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1977. -460 с.
- Петров И.А., Славнов Е.В. Моделирование течения в шнеке с радиальным зазором как системы с распределенной обратной связью, описываемой дифференциальным уравнением с запаздывающим аргументом//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 1. -С. 107-113.
- Петров И.А., Славнов Е.В. Модель утечек через радиальные зазоры в одношнековом экструдере со слабо линейно изменяющейся по длине геометрией шнека//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 4. -С. 461-468.
- Янков В.И., Труфанова Н.М., Щербинин А.Г. Исследование течения полимерных жидкостей в винтовых уплотнениях//Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2005. -№ 6. -С. 6-9.
- Субботин Е.В., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Численный анализ процессов тепломассопереноса полимеров в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека//Вычисл. мех. сплош. сред. -2015. -Т. 8, № 3. -С. 329-339.
- Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660591, РФ. Программный комплекс по расчету процессов тепломассопереноса полимерных материалов в каналах одношнековых экструдеров («Universal Screw 12»)/Субботин Е.В., Щербинин А.Г.; правообладатель ФГБОУ ВПО «ПНИПУ». -№ 2012618748 Заявл. 16.10.2012; опубл. 23.11.2012.
- Янков В.И., Первадчук В.П., Боярченко В.И. Процессы переработки волокнообразующих полимеров (методы расчета). -М.: Химия, 1989. -320 с.
- Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. -М.: Химия, 1977. -440 с.
- Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. -СПб.: Профессия, 2007. -560с.
- Carreau P.J. Rheological equations from molecular network theories//J. Rheol. -1972. -Vol. 16, no. 1. -P. 99.
- Syrjälä S. On the analysis of fluid flow and heat transfer in the melt conveying section of a single-screw extruder//Numer. Heat Tr. A-Appl. -1999. -Vol. 35, no. 1. -P. 25-47.
