Содержание к диссертации
Основные условные обозначения 4
Введение 5
ГЛАВАІ Обзор и анализ основных методов и технологического 10
оборудования производство полимерных плёнок. Выбор направления
исследования
1.1. Особенности производства полимерных плёнок 10
1.2.Обзор технологического оборудования для производства рукавных
плёнок 11
1.3. Анализ, классификация и требования к системам формования и
охлаждения полимерных плёнок 20
1.4.Постановка задачи исследования 32
ВЫВОДЫ 34
ГЛАВА 2 Теоретическое исследование процесса формирования
полиэтиленовых плёнок 35
Выбор основных показателей качества полиэтиленовой плёнки 35
Описание течения расплава полимера внутри щелевого зазора
формующей головки 37
2.2.1.Уравнение состояния расплавов полимеров 37
2.2.2.0сновные уравнения динамики для расплава полимера 39
2.3. Распределение температуры (вязкости) полиэтиленовой плёнки в
зоне кристаллизации 63
ВЫВОДЫ 71
ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование воздушной системы
охлаждения с разделёнными секторами 72
3.1. Методика проведения эксперимента 72
Выбор метода экспериментальных исследований 72
Описание экспериментальной установки 74
3.1.3. Обеспечение достоверных экспериментальных исследований 78
3.2. Определение статических характеристик испытательной системы.. 79
3.2.1. Область допустимых температур охлаждающего воздуха 79
3.2.2.Максимально-достаточная мощность теплового потока 81
3.2.3, Расчет процесса охлаждения полимерной пленки 83
3.2.4.Поиск адекватных зависимостей толщины конечного продукта от
параметров охлаждающего воздуха 85
3.3. Определение динамических характеристик испытуемой системы... 90
ВЫВОДЫ 93
ГЛАВА 4 Разработка и внедрение автоматической системы
обеспечения равнотолщинности рукавных плёнок 94
4.1 .Определение характеристик объекта регулирования 94
4.2. Автоматизированное секторальное охлаждающее кольцо для
получения равнотолщинной полиэтиленовой плёнки .. 96
Конструктивные и схемные особенности системы охлаждения... ^ 96
Определение оптимальных настроек регулятора температуры воздуха 100
Алгоритмы работы установки 103
Пути повышения производительности линии рукавной плёнки с секторальной системой охлаждения 106
Результаты внедрения секторальной системы охлаждения 108
Перспективы развития диссертационной работы 109
ВЫВОДЫ по
Заключение 111
Список используемой литературы 113
Приложения 117
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Р- давление, М11а ;
У- удельный объем полимера, м*1кг ;
to- удельный объем полимера при 0С, л*3/к? ;
?- температура, С; р - плотность, кг1мъ;
М - толщина плёнки, мм;
Q - производительность вентилятора охлаждения , мъ! v;
G - мощность ТЭНа, Вт;
v- скорость протяжки плёнки, міс;
Т - время, с;
г - время релаксации, с;
ЛРП - линия рукавной плёнки;
УРП - установка рукавной плёнки;
ВР - вентилятор радиальный;
БУСТ - блок управления тиристорами, симисторами;
ССО - секторальная система охлаждения;
ПВДнП - полиэтилен высокого давления низкой плотности;
ПНДвП - полиэтилен низкого давления высокой плотности;
Введение к работе
Полимерные плёнки изготавливают из природных, искусственных и синтетических полимеров. Наиболее обширную группу составляют полимерные плёнки из пластических масс на основе синтетических полимеров.
Переработка синтетических полимеров - одна из важнейших и непрерывно развивающихся отраслей промышленности пластмасс - в последнее время приобретает все более прочный теоретический фундамент. В настоящее время подход к технологии переработки пластмасс только как к совокупности эмпирических приемов, позволяющих получать изделия хорошего качества, означал бы сведение деятельности в этой области и ремесленничеству и ограничение прогресса рамками накопления навыков и знаний стандартных случаев производственной практики.
Наиболее плодотворным в технологии переработки является разумное сочетание ценного опыта инженерной практики с выявлением общих закономерностей поведения полимеров в процессе формования изделий - механико-химических явлений, законов аномально-вязкого течения упруго-вязких жидкостей, ориентационных эффектов и т. д. Только при этом может быть обеспечено значительное повышение эффективности производства и качества изделий, оптимизация существующих и разработка принципиально новых интенсивных технологических процессов.
В области переработки полимеров технологическая практика до сих пор всегда опережала теорию. В последние годы положение в области переработки пластмасс меняется, рядом исследователей созданы теоретические предпосылки для интенсификации технологических процессов. В частности, разработка теории сложного сдвига и доказательство того, что при сложнонапряженном состоянии полимера можно обеспечить его более интенсивное течение, стимулировали поиск конструкций машин с повышенной скоростью формования, получаемой на основе реализации этого эффекта. Успехи в изучении ориентацион-
ной кристаллизации полимеров сулят в ближайшем будущем освоение промышленной технологии получения сверхпрочных плёнок.
Известно несколько способов получения пленок из полиолефинов. До начала широкого промышленного производства пленок из термопластов наиболее распространенными методами их изготовления были пролив и каландрирование. Развитие экструзионно-раздувного способа получения пленок связано прежде всего с широким развитием полиэтилена высокого давления ( ПЭВД ). В настоящее время экструзия с раздувом - безусловно самый простой, производительный и, следовательно, самый экономичный метод изготовления пленок высокого качества [1]. Созданы агрегаты на базе экструдеров со шнеками диаметром 200 мм и более, обеспечивающие получение рукавных пленок шириной 24 м при производительности до 800 кг/ч и выше.
Качество пленок из высших кристаллизующихся полиолефинов может быть существенно улучшено (повышение прочности и морозостойкости, прозрачности и способности к значительной усадке), и во многом это зависит от того, насколько успешно будет крепнуть теоретический базис технологии. В последнее время процессы и оборудование для переработки пластмасс претерпели значительные качественные изменения: технологические линии стали более сложными, технически оснащёнными, с высокой степенью автоматизации. Учитывая специфичность экструзионно-раздувного метода переработки полиолефинов, представляется целесообразным разработка и исследования системы автоматического регулирования процесса получения полиэтиленовой плёнки с возможностью улучшения качества выходного продукта.
Цель диссертационной работы: повышение качества полиэтиленовой плёнки, производимой экструзионно-раздувным методом путём создания оптимальных режимов узла формирования плёнки (кольцевая формующая головка и система охлаждения) с использованием математических моделей.
Научная новизна:
Выявлена новая зависимость толщины полиэтиленовой плёнки от параметров системы охлаждения (расход и температура), позволяющая прогнозировать изменения качества конечного продукта.
Создана система охлаждения, с секторальным разделение воздушного потока, позволяющая с большой точностью обеспечивать необходимую толщину полиэтиленовой плёнки при её производстве. Получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Заявка № 2004122878/22(024959). Название полезной модели "Устройство для получения рукавных полимерных плёнок экструзионно-раздувным способом".
Предложен новый подход к решению проблемы уменьшения разнотолщинно-сти полиэтиленовой плёнки, базирующийся на основных свойствах полимеров и управления системой охлаждения.
Промышленная ценность. Предложена методика исследований и инженерных расчётов автоматизированного контроля и регулирования толщины полиэтиленовой плёнки при помощи секторальной системы охлаждения, выполнена конструктивная разработка, проведены испытания и промышленное внедрение автоматического секторального охлаждающего кольца. Предложен способ регулирования толщины полиэтиленовой плёнки, который возможно использовать как отдельно, так и в совокупности с уже существующими способами.
Реализация в промышленности. Результаты исследований использованы при разработке автоматизированного секторального охлаждающего кольца, предназначенного для контроля и регулирования толщины полиэтиленовой плёнки при её производстве экструзионно-раздувным методом. Кольцо внедрено в производство на ООО предприятии Нижполимерупак (г. Дзержинск, Нижегородской обл.).
Материалы работы могут быть использованы предприятиями и организа-
циями производящими пленку экструзионно-раздувным методом, как из полиэфиров, так и из поливинилхлоридов (ПВХ).
В первой главе выполнен анализ методов получения полиэтиленовой плёнки и конструкций систем охлаждения. Отмечено, что возможности метода охлаждения при помощи охлаждающего кольца в существующих линиях рукав-ных плёнок используются не в полной мере и показаны пути их усовершенствования.
Сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе рассматриваются литературные источники, посвященные исследованию реологических свойств полиэтилена и поведения полимерного расплава при экструзии и формовании плёнки через щелевой зазор формующей головки. Показана недостаточная изученность и сложность теоретического описания этих процессов.
В результате исследований предложен новый метод снижения разнотол-щинности плёнки основанный на применении системы охлаждения плёночной заготовки с использованием обдувочного кольца с разделенными секторами.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния параметров охлаждающего воздуха на толщину полиэтиленовой плёнки. Предложена адекватная математическая модель и даны рекомендации по установке режимов системы охлаждения с разделёнными секторами.
В четвёртой главе рассмотрена реализация результатов исследований. Определены динамические характеристики испытуемой системы. Подробно рассмотрены основные технические решения, заложенные в установку, приведено описание алгоритмов её функционирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе докладывались на XV Международной научной конференции « Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002.), четвертой Всероссийской научно-технической конференции « Методы и сред-
ства измерений» ( Нижний Новгород, 2002 г.), региональной молодежной научно-технической конференции « 7 нижегородская сессия молодых учёных (технические науки)» (Нижний Новгород, 2002 г.), региональной молодежной научно-технической конференции « Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород, 2003 г.), региональной молодежной научно-технической конференции « 8 нижегородская сессия молодых учёных (технические науки)» (Нижний Новгород, 2003 г.), региональной молодежной научно-технической конференции « 9 нижегородская сессия молодых учёных (технические науки)» (Нижний Новгород, 2004 г.), III молодёжной научно-технической конференции Будущее технической науки (Н. Новгород 2004г,),
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи, 9 тезисов докладов и получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель "Устройство для получения полимерных плёнок экструзионно-раздувным способом *\
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Математические модели процесса экструзии расплава полимера. 2.Математическая модель влияния температуры и расхода охлаждающего воздуха на локальное изменение толщины полиэтиленовой плёнки. 3.Процедура проверки адекватности полученных математических моделей с помощью тестового набора данных.
4.Адаптивное управление расходом и температурой охлаждающего воздуха в системе охлаждения линий рукавных плёнок.
5.Программно-логическое управление процессом получения равнотолщинной плёнки.
Г Л А В A I. Обзор и анализ основных методов и технологического оборудования производства полимерных плёнок. Выбор направления исследования
1.1. Особенности производства полимерных плёнок
Многообразие видов применяемых плёнок определяет разнообразие методов их производства. Основной объём изготовляемых в мире полимерных плёнок приходится на плёнки из расплавов пластических масс, основу которых составляют полимеры, способные при нагреве переходить в вязкотекучее или высокоэластическое состояние, не подвергаясь при этом термической деструкции.
Метод производства плёнки определяется химической природой полимера и назначением готовой продукции. В настоящее время можно выделить четыре группы методов изготовления плёнки из полимера, находящегося в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии: экструзия, каландрирование, производство комбинированных плёнок, физико-химическое модификация плёнок [2].
Наиболее распространённым методом получения полимерных плёнок, на сегодняшний день, является экструзия. Экструзией называется технологический процесс формования изделий непрерывным или периодическим продавливани-ем материала в пластическом или вязкотекучем состоянии через формующий инструмент - головку. Профиль оформляющего отверстия головки определяет конфигурацию изделия [3].
В промышленности пластмасс метод экструзии широко используется для производства труб, профильных изделий, листов, пленок и волокон, для нанесения покрытий на рулонные материалы (бумагу, ткань, металлическую фольгу, полимерные пленки), пищевой и промышленной упаковки, проволоки и кабелей, а также для получения выдувных изделий [3].
Своё большое распространение на практике метод получил благодаря простоте реализации и способностью перерабатывать в плёнки такие наиболее распространённые полимеры как: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид,
полиэтилентерефталат и т.д.
Экструзия полимерных пленок осуществляется двумя способами:
плоско щелевым, используемым главным образом для нанесения покрытий на рулонные материалы, а также для получения аморфной пленки (заготовки) из кристаллических полимеров, которая подвергается дальнейшей обработке при производстве пленочных волокон и ориентированных пленок;
рукавным (экструзионно-раздувной метод), при котором трубчатая заготовка, выходящая из кольцевого отверстия головки, раздувается изнутри сжатым воздухом. Этим способом получают подавляющую часть пленок из полиэтилена низкой плотности [1];
Выбор способа и его конструктивное оформление зависят главным образом от перерабатываемого материала и назначения пленки.
Наибольший интерес для исследований представляет производство полиэтиленовых плёнок экструзионно-раздувным методом. Оборудование, основанное на данном методе постоянно находится в процессе доработок и модификаций, направленных на увеличение производительности и повышения качества продукции, а полиэтилен является наиболее распространённым материалом при получении различных видов пищевых, упаковочных, термоусадочных, парниковых, и т.д. типов плёнок.
1.2.>бзор технологического оборудования для производства рукавных плёнок
Способ экструзии полимерного рукава раздувом выгодно отличается простотой и экономичностью при производстве широкого ассортимента плёнок. Промышленностью освоено несколько способов производства рукавной плёнки: - способ получения рукавной плёнки по схеме снизу-вверх применяют при изготовлении плёнок любой ширины (рис. 1.2.1.).
Рис. 1.2.1. Конструктивно-технологическая схема агрегата для получения раз-
дувной плёнки с отводом рукава вверх:
1-экструдер; 2-пульт управления; 3- угловая кольцевая головка; 4- обдувочное кольцо; 5-эстакада; б- приспособления для складывания рукава; 7- валковое приёмное устройство; 8- намоточная станция.
способ получения рукавной плёнки по схеме сверху-вниз, используется ДЛЯ производства узких, тонких плёнок (рис. 1.2.2.).
горизонтальный приём рукава представляет интерес при производстве толстых газонаполненных (вспененных) плёнок (рис. 1.2.3.).
Самый распространённый - вертикальный отбор пленки (рис. 1.2.1.) преимущественно снизу вверх применяется при получении рукавных пленок из полиэтилена и поливинилхлорида. Высокая скорость отбора обеспечивается соответствующим режимом экструзии и эффективным охлаждением рукава.
Рис. 1.2.2. Конструктивно-технологическая схема агрегата для получения раз-дувной плёнки с отводом рукава вниз:
1-экструдер; 2-бункер; 3- фильтр; 4-кольцевая головка; 5-трубопровод; б-складывагощее устройство; 7-тянующие валки; 8-эстакада; 9-обдувочное кольцо; 1 Q-промежуточный вал; 11 - намоточная станция.
Рис 1.2.3. Конструктивно-технологическая схема агрегата для получения раз-дувной плёнки с горизонтальным приёмом рукава:
1-дозатор сырья; 2-экструдер; 3;-прямоточная кольцевая головка; 4-рамка со складывающим приспособлением; 5- тянущие валки; 6-устройство для снятия статического электричества; 7- отжимные валки; 8- намотчик.
Горизонтальный отбор рукавной пленки (рис. 1.2.3.) применяется значительно реже (например, в производстве пленки «саран» или пенополистироль-ной) из-за провисания рукава под действием собственного веса, а также из-за потребности больших производственных площадей.
Калибрование толщины пленки
Одним из самых важных показателей качества полиэтиленовой пленки является калибрование ее толщины (объяснение в главе 2). Так как расчет механической прочности изделий из пленки производится по наиболее тонкому сечению, то, очевидно, что увеличение разнстолщинности пленки приводит к неоправданному перерасходу полиэтилена (1% разнотолшинности соответствует 1% перерасхода), удорожанию изделия, а иногда и к ухудшению его эксплуатационных характеристик.
Для получения одинаковой толщины пленки, по всему периметру плёночного рукава, расплав должен выходить из формующего зазора головки с одинаковыми объемной скоростью и постоянной вязкостью, в любой единице объема; при таких условиях раздувание цилиндрической заготовки постоянным давлением воздуха внутри рукава в условиях равного периферийного охлаждения (без каких-либо местных охлаждающих или горячих потоков воздуха) может привести к получению более или менее равнотолщинной пленки [1,5].
Условия получения равнотолщинной пленки 1. Обеспечение одинаковой по всем участкам кольцевого зазора объемной скорости экструзии. Это условие легко выполняется на прямоточных головках (для труб). Угловые же головки, применяемые в производстве пленки, имеют существенный конструктивный недостаток; неодинаковую длину путей, проходимых частицами расплава от конца шнека до различных участков формующего зазора. Эти различия в практике стараются сгладить поворотом потока в широком сечении канала и созданием существенного перепада давления в вертикальной части кольцевого канала. Однако даже и в этих случаях избыточный поток рас-
плава на участках зазора, примыкающих к цилиндру, приходится гасить искусственным сужением формующего зазора в этой части при так называемой калибровке зазора. Для торможения потока, кроме общей регулировки величины зазора с помощью центрующих болтов, применяют торможение различных участков потока с помощью деформируемых формующих колец. Обычно расширение или сужение зазора с помощью вытяжных и нажимных болтов осуществляют по результатам кругового обмера толщины пленки, вычерчиваемым на специальных круговых диаграммах.
2. Постоянство температуры (вязкости) расплава. Для поддержания постоянной
вязкости расплава необходимо применение однородного полиэтилена по моле
кулярному весу, индексу расплава и гранулометрическому составу. Чем меньше
допускаемые отклонения по этим показателям, тем больше вероятность получе
ния равнотолщинной пленки [3].
В связи с реологическими свойствами полимера, температура расплава имеет качественное влияние на вязкость полиэтилена и скорость его движения. Повышение температуры приводит к большему утончению пленки за счет падения вязкости и увеличению времени охлаждения и растяжения пленки до кристаллизации. Практически раздувание рукава прекращается в момент кристаллизации полиэтиленового расплава при 100-110С, что проявляется в заметном помутнении и побелении прозрачного до этого рукава. Волнистая конфигурация линии кристаллизации указывает на наличие более горячих более холодных участков рукава (при неодинаковой температуре выходящей массы на разных участках по периметру рукава). Конструкция головки должна обеспечивать равномерность обогревания потока и постоянство потерь тепла потоком расплава по всему периметру сечения.
3, Конечной точкой в процессе формирования рукава является система охлаж
дения. Постоянство и равномерность охлаждения горячей заготовки должно
быть обеспечено конструкцией обдувачного кольца. При идеальных условиях
подготовки расплава и его формования, дефект системы охлаждения может привести к появлению разнотолщинности.
Из сказанного выше видно, что калибрование толщины пленки связано с большими трудностями. Изменение одного параметра технологического процесса влечет за собой изменение целого ряда факторов, влияющих на процессы течения, раздувания и охлаждения пленки.
Например, во время калибрования при уменьшении зазора на каком-либо участке щели одновременно происходит:
1) уменьшение выхода расплава полиэтилена;
относительное увеличение выхода за счет возрастания скорости сдвига и уменьшения при этом эффективной вязкости;
повышение выхода за счет некоторого возрастания температуры в результате увеличения скорости сдвига;
изменение выхода за счет изменения температуры расплава вследствие изменения продолжительности течения массы в данном участке головки;
усиление раздувания пленки за счет уменьшения ее толщины и вязкости выходящего из головки расплава;
ослабление раздувания за счет более быстрого охлаждения в шахте тонкого участка;
слияние на данный участок пленки при течении и раздувании соседних участков пленки или расплава;
Поэтому даже лучшие конструкции современных пленочных головок пока не обеспечивают равнотолщинность пленки, получаемой способом выдувания, меньше величины 5%, и такое оборудование требует больших капиталовложений [5].
Однако вышеперечисленные проблемы оборудования, основанного на данном методе, постоянно находится в процессе решения, доработок и выплёскиваются в модификации отдельных узлов и механизмов оборудования.
Наибольший интерес для исследования представляет узел формирования плёнки (формующая головка и система охлаждения), и его возможность влиять на качество плёночного рукава (объяснение в главе 2).
Для охлаждения пленочного рукава используют в основном обдувочные кольца, через которые подается охлаждающий воздух, но для интенсификации процесса и расширения ассортимента пленок, требуется использование систем водяного охлаждения.
ii"l)^14yW^»
сз
Рис. 1.2.4. Низкая и (а) и высокая (б) линии затвердевания плёночного рукава: 1 - головка экструдера; 2 - обдувочное кольцо; 3 - линия затвердевания.
Большое значение имеет расположение обдувочного кольца, а также направление потока холодного воздуха. Для интенсивного охлаждения пленки обдувочное кольцо располагается как можно ближе к головке, однако расстояние между головкой и линией «затвердевания» полимера (рис. 1.2.4), должно быть достаточным для обеспечения необходимой степени раздува. Линия «затвердевания» - граница пластического и твердого состояния полимера, выше которой рукав приобретает стабильную цилиндрическую
форму [6]. Условия охлаждения в зоне расширения рукава и в зоне выше линии
ния в зоне расширения рукава и в зоне выше линии « затвердевания» различны. Выходящий из головки расплав подвергается деформации растяжения вплоть до критической температуры, момент достижения которой характеризуется линией «затвердевания». Дефекты поверхности, возникающие при выходе пленки из головки, при этом сглаживаются, пленка становится прозрачной и сохраняет прозрачность при условии интенсивного охлаждения.
Для высококристаллических полимеров (например, полипропилена) интенсивность воздушного охлаждения недостаточна, поэтому рекомендуют различные типы водяного охлаждения рукава в зоне кристаллообразования (выше линии «затвердевания»).
/ s ^ .
Т.С
Рис .1.2.5. Зависимость теплосодержания Н от температуры Т:
1-полиэтилен низкой плотности; 2-полипропилен; 3-полистирол; 4-поливинилхлорид;
Выше линии «затвердевания» прозрачность пленки из кристаллических полимеров меньше, чем в пластической зоне, вследствие роста кристаллитов [6]. Охлаждение рукава в этой зоне способствует образованию мелкокристал-литной структуры и предотвращает его слипание в сжимающих валках и при намотке.
Скорость отвода тепла от экструдируемой пленки может ограничивать производительность процесса. На скорость теплообмена влияют теплофизиче-ские свойства перерабатываемого материала и их изменение с температурой. Из кривых зависимости теплосодержания от температуры для различных полимеров (рисі.2.5.) очевидно, что количество отводимого тепла значительно выше для кристаллических полимеров, причем полиэтилен требует более интенсивного охлаждения из-за высокого теплосодержания, несмотря на более низкую температуру плавления, чем у полипропилена [4].
Направление потока охлаждающего воздуха существенно сказывается на производительности машины и качестве пленки. Большие потоки воздуха, направленные перпендикулярно поверхности рукава, приводят к образованию дефектов в пленке, находящейся в пластическом состоянии, и ухудшают теплообмен. При движении воздуха вдоль рукава производительность повышается благодаря увеличению расхода воздуха и улучшению условий теплообмена. В следствии чего, воздух подают параллельно и возможно ближе к поверхности рукава. Повышают производительность, понижая температуру охлаждающего воздуха до 10 С, дальнейшее понижение нежелательно, так как ведет к конденсации влаги на поверхности пленки [7].
Чтобы устранить влияние тепловыделения от экструдера при движении пленки снизу вверх, подача воздуха из обдувочного кольца со стороны экструдера должна быть более интенсивной.
Преимущества рукавного метода по сравнению с другими методами получения плоской пленки заключаются в возможности получение значительной
ширины (до 12 м) с высокими механическими свойствами, в простоте и экономичности изготовления мешков и пакетов из рукавной пленки, меньших потерях материала.
К недостаткам рукавного метода относятся меньшая производительность, трудность регулирования толщины и ширины пленки, что ведет к складкообразованию при ее намотке, худшие оптические свойства пленки из кристаллических полимеров, значительная высота здания (при вертикальном отборе пленки) или большие производственные площади (при горизонтальном отборе)[1,7].
1.3. Анализ, классификация и требования к системам формования и охлаждения полимерных плёнок
Процесс формообразования пленки из расплава полимера происходит в условиях ее непрерывного охлаждения и вытяжки. Параметры и конструктивные особенности устройств охлаждения и вытяжки определяются режимами процесса формообразования.
От работы системы охлаждения (интенсивности и распределения охлаждения) во многом зависят производительность технологической линии и качество получаемой пленки. Именно в зоне между линией затвердевания (кристаллизации) и формующей головкой закладываются в основном физико-механические и оптические свойства пленки [2].
К системам охлаждения и формообразования пленки предъявляют следующие основные требования:
система охлаждения должна обеспечивать заданную интенсивность охлаждения, согласованную с производительностью экструдера с учетом теплофизиче-ских свойств полимера;
температурные условия и условия деформации полимера при формообразовании должны обеспечивать заданную структуру полимерной пленки;
распределение охлаждения пленки по периметру должна обеспечивать заданные размерные допуски по толщине и ширине;
- размеры системы охлаждения должны соответствовать нормам условий обслуживания установки, т. е. не должны быть затруднены пуск и техническое обслуживание узла формования пленки н установки в целом.
Системы охлаждения рукавных пленок можно классифицировать по виду хладагента на воздушные, водяные и смешанные.
Наиболее широко распространены системы воздушного охлаждения пленки (в линиях для производства пленки пшриной от 50 до 6000 мм в сложенном виде). Эти системы отличаются простотой и надежностью в работе. Охлаждение воздухом высоковязкого расплава полимера, образующего при течении в экс-трудере и головке неравномерную (объяснение в главе 2) по реологическим свойствам заготовку, в так называемом мягком режиме способствует сглаживанию локальных утолщений в процессе формообразования. При охлаждении в потоке воздуха утолщенные места пленки могут оказаться более тонкими, так как, из-за повышенной энтальпии будут дольше и интенсивнее растягиваться под воздействием усилий в зоне формования.
Система охлаждения и формообразования рукавной пленки в потоке воздуха приведена на рис.1.2.6.. Система состоит из вентилятора, нагнетающего воздух в охлаждающее кольцо 3, пленочного рукава 4, выходящего из формующей головки 1, складывающих и тянущих устройств, которые замыкают систему формообразования рукавной пленки.
Поток воздуха, захватываемый вентилятором из окружающей среды, подается в охлаждающее кольцо через трубопровод 2 и далее, равномерно распределяясь по камере кольца 3, выходит из щели кольца в направлении пленочного рукава 4. Воздух для раздува рукава до необходимых размеров подается через канал головки.
*
Рис. 1.3.1.Система охлаждения и формообразования рукавной пленки в потоке воздуха. Охлажденный потоком воздуха пленочный рукав равномерно вытягивается по периметру тянущим устройством. Для перевода цилиндрической формы рукава в плоскую, служит складывающее устройство 5, которое также оказывает определенное влияние на равномерность режима формообразоваиия. Основным элементом системы является обдувочное кольцо 3. Оно состоит из распределительной камеры, образованной верхней 8 и нижней 9 губками кольца.
Конструктивные особенности охлаждающих колец и их основные характеристики представлены на рис. 1.3.2.. Следует отметить, что во многих конструкциях охлаждающих колец используется регулируемый угол наклона выходной щели кольца в пределах от 0 до 90 . Величина этого угла определяет стабильность положения пленочного рукава, а также интенсивность охлаждения (в пределах до 10%).
Рис. 1.3.2. Конструкции обдувочных колец
а - стационарное (Н/В=2,..3); б - вращающееся; в - с коническим зазором (охлаждение стекающим слоем жидкости), 1/Ь > 20; г - с радиальным формующим зазором; д - элементы выходных губок (1-е обдувом матрицы, 2-е сеткой на конце, 3-е регулируемым углом); 1/Ь > 4; е—устройство из дросселирующих шайб для стабилизации потока воздуха при внутреннем охлаждении; ж-перфорированное устройство для стабилизации потока воздуха внутри рукава.
При выборе размеров распределительной камеры и каналов кольца важно согласовать предельную скорость обдува пленки с гидравлическим сопротивлением кольца. Экспериментальными исследованиями [3] установлено, что наиболее равномерный скоростной поток воздуха из кольца создается без лабиринтной конструкцией каналов кольца при соблюдении необходимых соотношений геометрических размеров камеры. При использовании в процессе охлаждения и формообразования аэродинамического эффекта струи обдувочное кольцо снабжают дополнительными элементами, позволяющими создать в определенных местах пленочного рукава повышенные скорости течения потока воздуха. Именно за счет локального увеличения скорости течения воздуха в зазоре между элементами кольца и пленочным рукавом создается дополнительное разрежение (давление на рукав в этом месте становится меньше атмосферного), способствующее стабилизации положения рукава. С этой целью используют ирисовые диафрагмы (или сменные шайбы) на охлаждающем кольце (рисЛ.3.3.а), различные многоступенчатые системы повышенной мощности для подачи струи воздуха по высоте зоны формования (рис. 1.3.3. б), просто насадки на кольце (рис.1.3.3.,в) и т.п.
~|~
шфрагма,'
/
Рис. 1.3.3. Схемы охлаждения и формообразования плёнки с использованием аэродинамического эффекта струи воздуха.
Для использования аэродинамического эффекта струи предусматривают (см. рис. 1.3.1.) коническую насадку 7, а для регулирования угла наклона выходной щели предназначена вставка 10. Охлаждающее кольцо, при использовании аэродинамического эффекта струи, работает следующим образом. Поток воздуха, выходящий из щели кольца, попадает в камеру "а", образованную пленочным рукавом 4 и насадкой 7. Камера "а" сужается в направлении течения воздуха. Ее размеры и форма определяются углом наклона выходной щели воздуха (т. е. положением вставки 10) и высотой конической насадки. В узком зазоре выходной щели камеры "а" скорость потока воздуха возрастает, что и способствует возникновению дополнительного стабилизирующего усилия в этом месте. Положение зазора определяется формой насадки 7, а также размерами и формой пленочного рукава 4. Размер рукава зависит от количества подаваемого внутрь рукава воздуха, а высота до зазора - от производительности экструдера. Стабилизация положения пленочного рукава за счет аэродинамического эффекта струи позволяет увеличить скорости обдува пленки воздухом в 2-2,5 раза. Описанная система охлаждения универсальна. Она охватывает определенный диапазон ширины пленки. Эту систему используют как с аэродинамическим эффектом струи (например, для пленок толщиной до 120 мкм из полиэтилена низкой плотности), так и без него. При отсутствии насадки 7 для охлаждения необходимы большие количества воздуха (ширина щели кольца порядка 6-20 мм зависит от ширины пленки), а стабилизация положения рукава достигается механическими ограничителями [8].
Более эффективны (скорость обдува пленки может быть повышена до 50 м/с и более) охлаждающие кольца, в которых аэродинамический эффект струи усиливают подачей дополнительной струи в определенном месте зоны формования (рис. 1.3.2.). На этом принципе основана работа кольца, конструкция которого показана на рис. 1.3.4.
Рис. 1.3.4. Двух щелевое охлаждающее кольцо с аэродинамическим эффектом струи
Рис. 1.3.5. Выходные щели двух щелевого кольца для широких плёнок.
Двух щелевое охлаждающее кольцо состоит из корпуса 1, на котором закреплены верхняя 7, средняя 8 и нижняя 4 губки, образующие две распределительные камеры 2 и 3 и выходные щели, а для воздуха (верхнюю и нижнюю). Воздух подводится через патрубки 5. Сопротивления камер 2 и 3 подобраны таким образом, что основная часть потока проходит через верхнюю щель. В процессе работы при увеличении степени раздува пленки положение пленочного рукава 6 может изменяться, ^го приводит к изменению сопротивления движе-
нию потока воздуха, выходящего из нижней щели. При этом происходит самонастройка, так как часть потока перетекает в верхнюю щель, что способствует устойчивости процесса формообразования. Промышленные испытания конструкции кольца для мешковальной пленки (шириной 500-600 мм и толщиной 0,18-0,25 мм) из полиэтилена показали возможность повышения производительности в 1,5-2 раза по сравнению с кольцами без использования аэродинамического эффекта струи [3]. В случае использования таких охлаждающих колец для широких пленок (1500 мм в сложенном виде и более) расположение выходных щелей кольца изменяют (рис. 1.3.5.).
Отличительная особенность современных систем охлаждения и формообразования в потоке воздуха - использование устройств внутреннего охлаждения (рис. 1.3.6.). Различают два вида устройств внутреннего охлаждения: при замкнутом пленочном рукавном объеме воздуха и при обмене воздуха внутри рукава с внешней средой, В первом случае пленка внутри рукава охлаждается через теплообменник, установленный на формующей головке. Основной недостаток этих устройств - малая эффективность охлаждения при большей энергоемкости (термический КПД при охлаждении воздуха через металлическую стенку весьма низкий).
Более совершенна (хотя и более сложна) система внутреннего охлаждения пленки путем полного обмена воздуха внутри рукава (рисЛ.3.6.), с внешней средой. В этом случае система охлаждения и формообразования пленки состоит из: кольца наружного охлаждения 4, нагнетающего 5 и отсасывающего 7 вентиляторов, магистралей подачи и отсоса воздуха внутрь рукава, системы контроля и регулирования ширины пленки 3, связанной с регулирующей заслонкой 6, распределительного устройства 9, устройства 10 стабилизации положения рукава, закрепленного на формующей головке 5, тянущих валков 1 и устройства 2 складывания рукава.
Функцией распределительного устройства 9 является стабилизация потока
воздуха в зоне формования. При отсутствии этого устройства рукав сжимался бы к центру. Основные конструкции этого устройства показаны на рис. 1.3.1. Изменение конструкции устройства не влияет существенно на интенсивность теплообмена.
Рис. 1.3.6. Система охлаждения и формообразования рукавной пленки с использованием устройств для внутреннего охлаждения.
Основой системы является устройство контроля и регулирования ширины и толщины пленки и, следовательно, поддержания заданного режима работы вентиляторов подачи и отсоса воздуха внутрь рукава. При этом контролируются и регулируются следующие параметры: диаметр рукава на линии затвердевания,
высота установки датчиков диаметра рукава, расходы воздуха на входе и выходе вентиляторов подачи и отсоса воздуха, конечная толщина и ширина пленки
[П.
Скорость вытяжки пленки также можно контролировать при использовании систем автоматического поддержания заданного режима производства пленки.
Системы контроля и регулирования диаметра рукава (поддержание равенства расходов воздуха на входе и выходе из рукава), различают по следующим признакам: независимое регулирование диаметра рукава от системы регулирования расходов воздуха на входе и выходе из рукава Второй принцип более простой и поэтому используется более широко. При этом время запаздывания, которое, зависит от высоты линии затвердевания и скорости вытяжки пленки, определяется положением датчика диаметра, относительно формующей головки.
При выборе параметров системы охлаждения и формообразования необходимо определить длину зоны формообразования и параметры системы охлаждения (расход хладагента, скорость его течения, параметры насоса для хладагента и т. п.).
При определении длины зоны формообразования и охлаждения различают проектный и проверочный расчеты.
Проектный расчет заключается в согласовании параметров системы охлаждения с условиями процесса формообразования пленки. Так, при производстве рукавной пленки скорость движения струи хладагента в месте контакта с пленкой должна быть согласована с «прочностью» самого расплава полимера (превышение этой скорости вызывает дополнительную, неуправляемую деформацию расплава в зоне формообразования). При этом система охлаждения должна обеспечивать заданную длину зоны формообразования.
Для технологических расчетов необходимо знать такие параметры процес-
са формообразования, как скорость деформации, время пребывания материала в зоне формообразования, напряжения, действующие в зоне формообразования, и т. п.
Следовательно, для расчета и конструирования систем охлаждения и формообразования необходимы зависимости, описывающие влияния параметров охлаждающего воздуха на теплообмен при заданных гидродинамических условиях течения жидкости с одной стороны и реологию процесса формования - с другой [6,7].
Рис. 1.3.7. Система охлаждения и формообразования при охлаждении стекающим слоем жидкости.
Непосредственный контакт рукавной пленки с жидкостью реализуют окунанием пленки в ванну или подачей стекающего по рукаву слоя жидкости. В первом случае охлаждающую жидкость подают и внутрь рукава. Этот метод используют при последующем разрезании пленочного рукава на плоские полотна, что позволяет решить вопрос удаления влаги с внутренней поверхности [ 1].
Эффективность охлаждения при жидкостном методе можно значительно повысить при использовании стекающего слоя жидкости. В этом случае система охлаждения и формообразования несколько изменяется (рис. 1.3.7.). Система состоит из охлаждающего кольца 1, образующего кольцевой слой (пленку) жидкости вокруг выходящего из формующей головки 9 пленочного рукава 2, ванны 5 для сбора охлаждающей жидкости, насоса 7 подачи жидкости в охлаждающее кольцо 1 (при замкнутой системе циркуляции охлаждающей жидкости). Выходящий из головки расплав на расстоянии, примерно равном диаметру рукава омывается тонким слоем охлаждающей жидкости, которая собирается в ванну 5, установленную ниже вытяжных валков 4, и насосом 7 через фильтр 6 подается в кольцо 1 по трубопроводу 8. Постоянная температура охлаждающей жидкости в ванне поддерживается подачей и отводом воды из водопроводной сети через трубки 3 (обмен жидкости в ванне). Конструктивные особенности элементов кольца (см. рис Л .3.1.). При выборе параметров такой системы важно согласовать расход охлаждающей жидкости с реологическими свойствами полимера, чтобы усилие вытяжки, развиваемое самой жидкостью, не превышало усилия растяжения пленок. При этом экспериментально установлено [4], что стабильность процесса формообразования пленки зависит также от степени раздува пленочного рукава. Для этого вида охлаждения степень раздува пленки обычно не должна быть более 2. Скорость охлаждения пленки может быть повышена на несколько порядков (примерно в тысячу раз) при замене воздушной охлаждающей среды на водяную [6]. На рис. 1.3.7. показана схема водяного охлаждения. При наружном охлаждении используют кольца, из которых вода стекает тонким
слоем по рукаву в водяную ванну. Охлаждающая водяная рубашка (снаружи рукава) позволяет создавать строго определенные условия охлаждения пленки, но ограничивает степень раздува.
Водяное охлаждение поверхности рукава (рис. 1.3.7.) позволяет получить пленки с лучшими оптическими свойствами и хорошей механической прочностью.
Смешанное охлаждение представляет собой сочетание воздушного и водяного охлаждения на разных участках зоны формообразования. При этом конструктивные особенности систем не изменяются.
Однако, аэродинамическое несовершенство приспособлений скоростного и равномерного охлаждения рукавных плёнок и сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи полиэтилена значительно ограничивают производительность производства плёнок и могут быть источником воздействий, который увеличивает разнотолщинность.
1.4.Постановка задачи исследовании
Анализ тенденций развития линий рукавной плёнки показывает, что благодаря применению специальных методов управления, эксплуатация экструзион-ных установок становиться еще более эффективной и экономичной. При разработке технических средств нового поколения, управляющих оборудованием, фирмы производители принимают в расчет актуальные тенденции и наработки в области промышленных средств автоматизации. В то же время к средствам автоматизации и контроля линий рукавных плёнок предъявляются высокие требования, т.к. возможности экструзионно-раздувного метода используются не в полной мере. В первую очередь это касается поддержанию одинаковой толщины плёнки на всех её участках. Предельные отклонения от номинальной толщины плёнки не должны превышать 20% - высший сорт и 30% - первый сорт, по ГОСТ 10354-82, Однако требования рынка к качеству плёнок ужесточились и производителям необходимо изготавливать плёнки меньшей разнотолщинно-
стью.
Ставится задача создания системы автоматического регулирования процесса получения равнотолщинной полиэтиленовой плёнки используя систему охлаждения плёночной заготовки.
Учитывая сложные взаимосвязи параметров экструзионно-раздувного метода, необходимо использовать методы математического моделирования. Имея в виду важнейшую задачу повышения качества полиэтиленовой плёнки, требуется рассмотреть основные способы её решения.
В итоге основные задачи диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:
провести теоретические и экспериментальные исследования процесса получение полиэтиленовой плёнки экструзионно-раздувным методом, в том числе установить взаимосвязь параметров системы охлаждения плёночной заготовки с основными показателями качества плёнки;
построить математическую модель влияния системы охлаждения на локальные изменения толщины полиэтиленовой плёнки;
провести процедуру адекватности полученных математических моделей;
опираясь на полученные модели разработать алгоритм автоматического поддержания равнотолщинности плёнки;
разработать и внедрить в производство устройство, позволяющее автоматически регулировать толщину полиэтиленовой плёнки на основе микропроцессорной техники;
выводы
Рассмотрены основные методы получения полиэтиленовой плёнки, нашедшие применения в производстве. Отмечено, что ведущие позиции в практике получения полиэтиленовой плёнки занимают установки, основанные на экстру-зионно-раздувном методе, с использованием воздушной системы охлаждения.
В результате анализа публикаций по производству полимерных плёнок установлено, что в них не нашли должного освящения вопросы автоматического поддержания толщины полиэтиленовой плёнки. В связи с этим, выявлена необходимость в проведение теоретических и экспериментальных работ по увеличению функциональных возможностей узла формирования плёнки и охлаждающих устройств.
С использованием предложенных в работе классификационных признаков, составлена классификация систем охлаждения линий рукавных плёнок, позволяющая наметить пути повышения качества полимерных плёнок и производительности оборудования.
Установлены особенности схем охлаждения плёночной заготовки, дающие возможность создавать устройства охлаждения с более высокими функциональными возможностями.
Сформулированы основные задачи исследования, заключающиеся в установлении теоретических и экспериментальных зависимостей между параметрами системы охлаждения (расход и температура охлаждающего воздуха) и показателями качества полиэтиленовой плёнки, производимой экструзионно-рыздувным методом, а также использование полученных взаимосвязей при разработке установок регулирования толщины полиэтиленовой плёнки.
Похожие диссертации на Система управления процессом получения равнотолщинной полиэтиленовой пл#нки
