Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и тенденции развития смесительного оборудования и способы моделирования процесса смешения 13
1.1. Оборудование для приготовления высоковязких полимерных композиций 13
1.1.1. Характеристика процесса смешения 13
1.1.2. Оборудование для приготовления высоковязких полимерных композиций 15
1.1.3. Современные тенденции конструирования смесителей 28
1.2. Способы моделирования течения неньютоновских жидкостей в каналах смесителей непрерывного действия 30
1.2.1. Физическая картина процесса смешения и факторы, влияющие на его эффективность 30
1.2.2. Основные задачи моделирования процесса смешения 32
1.2.3. Моделирование и расчет смесительных элементов 35
1.2.4. Принципы создания модельных установок для исследования процесса смешения 37
1.2.5. Программное обеспечение для симуляции процессов смешения 40
1.3. Выводы 42
1.4. Постановка задач исследования 43
2. Математическое моделирование течения неньютоновских жидкостей в различных зонах смесителей и оптимизация процесса смешения 45
2.1. Общие подходы к моделированию 45
2.2. Продольная составляющая трехмерного потока материала в смесителе 47
2.3. Течение материала в поперечном сечении смесителя 54
2.4. Минимизация длины рабочих органов смесителя 64
2.5. Выводы 67
3. Экспериментальные исследования и техника эксперимента 68
3.1. Экспериментальная установка 68
3.2. Характеристика исследуемых материалов 73
3.3. Методики проведения и обработки результатов экспериментов 75
3.3.1. Определение реологических характеристик
исследуемых материалов 76
3.3.2. Методика определения коэффициента неоднородности смеси в режиме реального времени 80
3.3.3. Методика экспресс-анализа коэффициента неоднородности композиции 85
3.3.4. Определение технологической мощности,
затрачиваемой на процесс смешения 92
3.4. Выводы 95
4. Инженерная методика и программное обеспечение для расчета и оптимизации конструкции рабочих органов смесителей 96
4.1. Методика инженерного расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия 96
4.2. Принципы создания и использование программного обеспечения для автоматизации исследований и расчетов 98
4.2.1. Программа Анализатор-Самописец 99
4.2.2. Программа Composite Express 101
4.2.3. Программа MixerCAD 101
4.3. Пример расчета 105
4.4. Выводы 109
Основные выводы и результаты 110
Список использованных источников 112
Приложения 123
- Способы моделирования течения неньютоновских жидкостей в каналах смесителей непрерывного действия
- Продольная составляющая трехмерного потока материала в смесителе
- Методики проведения и обработки результатов экспериментов
- Принципы создания и использование программного обеспечения для автоматизации исследований и расчетов
Введение к работе
Переход от периодических к непрерывным процессам получения высоковязких клеевых композиций позволит устранить многие из недостатков периодических процессов и обеспечить высокий уровень механизации и автоматизации, уменьшить нестабильность физико-механических показателей получаемых смесей в разных партиях, снизить пожаро- и взрывоопасность производства, уменьшить металло- и энергоемкость, повысить экологическую чистоту и эргономичность производств.
Одним из наиболее перспективных видов оборудования для описанных целей являются двухшнековые смесители непрерывного действия. Они обладают существенными достоинствами: высокая производительность при высоком качестве смешения, большие значения создаваемых в материале скоростей и напряжений деформаций сдвига и растяжения при малом времени обработки, возможность полной механизации и автоматизации процесса и повышения экологической чистоты производств.
Несмотря на большой опыт, накопленный различными исследователями и значительное количество работ, посвященных вопросам поведения полимерных материалов при их течении в двухшнековых машинах и конструированию данного типа машин, из-за значительной сложности потоков перерабатываемых материалов в каналах рабочих органов до настоящего времени отсутствуют надежные инженерные методики, которые позволяли бы рассчитывать основные технологические и конструктивные параметры процесса и оборудования на основе принципов его конструирования и гидромеханического анализа. Такое положение вещей не позволяет при проектировании производств, с одной стороны, обойтись без выполнения соответствующего объема трудоемких экспериментальных и конструкторских работ на промышленных образцах, а с другой, быть уверенным, что разработанная конструкция действительно характеризуется - оптимальными параметрами.
Актуальность темы. Как известно, проектирование смесителей непрерывного действия в настоящее время требует выполнения большого объема трудоемких и дорогостоящих экспериментальных и конструкторских работ на модельных и промышленных образцах.
Вместе с тем, эффективные методы моделирования процессов смешения высоковязких полимерных композиций в смесителях непрерывного действия позволили бы существенно снизить время и затраты, необходимые для проектирования такого оборудования.
Существующим сейчас теоретическим работам и методикам инженерного расчета, посвященным описанному вопросу, присущи следующие основные недостатки:
- в большинстве работ исследуется течение полимерных материалов в винтовых каналах шнеков, тогда как все большее распространение приобретает блочно-модульный способ конструирования, в соответствии с которым рабочие органы смесителей компонуются из различных (не только шнековых) насадок;
- в существующих методиках и программах для расчета . смесительного оборудования не рассматриваются вопросы оптимальной компоновки рабочих органов и оптимизации геометрических параметров проектируемых смесителей.
В связи с этим, проведенные в настоящей работе исследования по созданию математической модели непрерывного процесса получения высоковязких полимерных композиций и разработка инженерной методики и программного обеспечения для расчета и конструирования двухшнековых смесителей непрерывного действия имеют актуальное научное и практическое значение.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (код 201. Производственные технологии), 2001-2002 гг.
Предмет исследований. Непрерывный процесс приготовления . вьтсоковязких клеевых композиций. Методика обработки экспериментальных данных и получения математической модели объекта с применением современных информационных технологий. Инженерная методика расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия с учетом минимизации длины рабочих органов.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена разработке технологии и оборудования для непрерывного процесса получения высоковязких клеевых композиций.
Задачи работы. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- анализ современного состояния и направлений развития непрерывных процессов и конструкций смесительного оборудования для приготовления высоковязких полимерных композиций;
- изучение физической картины процесса течения перерабатываемых материалов в каналах рабочих органов;
- разработка математической модели процесса течения неньютоновских жидкостей в каналах шнеков, оснащенных различными . смесительными насадками и вращающихся в одну сторону;
- разработка экспериментальной установки для исследования процесса смешения высоковязких полимерных композиций в зонах с различной геометрией рабочих органов;
- разработка методики инженерного расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия для получения высоковязких клеевых композиций;
- создание программного обеспечения, позволяющего автоматизировать расчет смесительного оборудования и определять минимальную длину рабочих органов, обеспечивающую требуемое качество смешения.
Методы исследования. Для решения сформулированных задач в работе использованы методы математического моделирования и оптимизации (в частности, метод конечных элементов), экспериментально-аналитические методы конструирования смесительного оборудования, моделирование процесса смешения на персональном компьютере, проведение исследований в лабораторных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- создана математическая модель процесса смешения высоковязких клеевых композиций в двухшнековых смесителях непрерывного действия, позволяющая рассчитывать производительность смесителя и динамику коэффициента неоднородности для зон с кулачковыми насадками заданной конфигурации и минимальную длину рабочих органов, обеспечивающую требуемое качество смешения;
- разработана экспериментальная установка, позволяющая определять реологические свойства перерабатываемых полимерных материалов, динамику коэффициента неоднородности и мощность, затрачиваемую на смешение, в зонах с различной конфигурацией смесительных кулачковых насадок.
Практическая ценность. Разработаны методика инженерного расчета и рекомендации по проектированию вновь разрабатываемых и модернизации существующих двухшнековых смесителей непрерывного действия для получения резинового клея, рабочие органы которых оснащены смесительными кулачками заданного типа. Методика позволяет уменьшить длину рабочих органов существующих смесителей до 17% при условии обеспечения заданного качества смешения.
Предложенная в работе математическая модель может быть также использована и для исследовании процессов смешения и диспергирования промышленных резиновых смесей различных шифров.
Создано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс расчета основных технологических и конструктивных параметров двухшнековых смесителей непрерывного действия и обрабатывать экспериментальные данные на стадии реологических исследований, а также проводить экспресс-анализ качества смешения.
Реализация работы. Разработанная методика инженерного расчета . внедрена на ОАО "НИИРТмаш" и ОАО "Тамбоврезиноасботехника" (г.Тамбов) при проектировании смесителей типа СН. Программное обеспечение для автоматизации обработки экспериментальных данных на стадии реологических исследований и расчетов двухшнековых смесителей непрерывного действия внедрено в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 170500 и магистрантов по программе 551826.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы доложены на межреспубликанских и международных научных конференциях «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных . соединений» (Казань, 1998, 2001 гг.), на V Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Казань, 1999 г.), на региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии Центрально-Черноземного региона РФ» (Липецк, 1997 г.), на областной научно-технической конференции «Экология-98 (Инженерное и информационное обеспечение экологической безопасности в Тамбовской области)» (Тамбов, 1999 г.), на 7-й региональной научной конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Тамбов, 1999 г.), на научно-технической конференции . «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии» (Москва, 2000 г.), на III, IV и V научных конференциях, проведенных в Тамбовском государственном техническом университете в 1996-2000 гг., на Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и ресурсосбережения при переработке и восстановлении изношенных шин» (Москва, 2001 г.), на 4-й Международной теплофизической школе (Тамбов, • 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2001 г.), на XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.), на Международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Воронеж-Сочи, 2002 г.), на 8-й Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2002» (Уфа, 2002 г.), на 4-й Российской научно-технической конференции «Авиакосмические технологии «АКТ-2003» (Воронеж, 2003 г.) и на VII Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2004 г.).
Публикации. Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах (в их числе 1 монография (в соавторстве), 1 патент РФ и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, . основных выводов и результатов, списка использованных источников, включающего 127 наименований, и 2 приложений. Основная часть диссертации изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 50 рисунков и 3 таблицы.
Способы моделирования течения неньютоновских жидкостей в каналах смесителей непрерывного действия
Получение на экструзионном оборудовании качественной композиции, в которой наблюдается высокая однородность всех физических характеристик, обеспечивается: а) равномерным распределением компонентов по всему объему смеси со статистически случайным распределением; б) однородными по размерам частиц компонентами; в) ориентацией наполнителя относительно действия сдвиговой деформации.
Поскольку смешиваемые компоненты могут находиться в различном агрегатном состоянии, а также их агрегатное состояние меняется в различных функциональных зонах экструзионного оборудования, моделирование рассматриваемых процессов следует проводить при различном сочетании агрегатных состояний компонентов: жидкость + жидкость; твердое тело + твердое тело; твердое тело + жидкость.
Анализ имеющихся литературных данных показывает, что смешение и диспергирование компонентов в экструзионном оборудовании осуществляется в основном за счет сдвиговых деформаций или изменения направления деформации.
При этом процессы смешения практически во всех случаях рассматриваются как основные для данного вида оборудования и принимаются меры для их интенсификации.
Перемешивание высоковязких жидкостей является следствием деформаций сдвига и растяжения, накапливаемых в объеме материала при взаимодействии рабочих органов машины с перерабатываемой средой. Величина деформации сдвига, которой подвергается каждый элементарный объем материала, определяется как произведение средней скорости сдвига на соответствующее значение времени пребывания элементарного объема материала в деформируемом состоянии:
Приведенное уравнение средней деформации сдвига характеризует перемешивающую способность смесительных машин [28].
Из уравнения (1.14) следует, что интенсивность перемешивания в смесительном оборудовании может быть достигнута путем увеличения средней скорости сдвига в обрабатываемом материале и (или) ростом времени пребывания материала в рабочем объеме.
Увеличение времени обработки материала связано с увеличением масштаба оборудования или увеличением количества его единиц. Это приводит к увеличению финансовых затрат и ухудшению других экономических показателей производства.
Следовательно, более эффективным способом повышения эффективности перемешивания является увеличение средней скорости деформации сдвига в перерабатываемом материале. Однако при этом возникают и некоторые отрицательные явления, например, за счет увеличения давления и трения соответственно повышаются требования к прочности и возникает необходимость отвода тепла для избежания термодеструкции полимера.
Другим направлением повышения эффективности смесительного оборудования является совмещение в одном агрегате отдельных операций, таких, как предварительное набухание полимера, смешение, дегазация и т.д. [29]. Это может значительно сократить длительность технологического цикла и повысит общий технический уровень оборудования.
Одним из важнейших требований технического прогресса в настоящее время является оптимизация проводимых научных исследований с последующим оперативным внедрением их результатов в промышленность. Эффективную роль в выполнении этого требования все больше играет моделирование. Так, использование моделирования при расчете, анализе и перспективном прогнозировании химико-технологических процессов, убедительно подтверждает его целесообразность и преимущества [30-34].
Тем не менее, при исследовании процессов получения и переработки полимерных композиций, в частности, экструзионных процессов, несмотря на их значимость, недостаточно применяются различные методы моделирования. Объясняется это тем, что многофункциональные возможности экструдеров обуславливают многообразие их конструктивного оформления. Последнее, в свою очередь, значительно увеличивает сложность моделирования процессов, происходящих в различных зонах подобного оборудования (транспортировку в зоне загрузки, гомогенизацию, смешение, диспергирование, многомерность течения в каналах сложной конфигурации).
Именно поэтому в большинстве работ, посвященных смешению полимеров, либо описываются известные конструкции, основные узлы или конструктивные особенности оборудования, либо рассматриваются процессы переработки каких-то конкретных материалов. Разработка же оборудования и освоение новых технологических процессов осуществляются в основном экспериментальным путем.
Общим недостатком подобных работ является отсутствие в них достаточных теоретических представлений и выводов, обеспечивающих возможность обоснованного подхода к проектированию двухшнековых смесителей непрерывного действия с различными смесительными насадками. В то же время любая теоретическая предпосылка для подтверждения своей объективности требует обязательной практической проверки до ее широкого внедрения в производство. Однако проведение исследований на промышленном оборудовании трудоемко и сопряжено с большими материальными и временными затратами. Очевидно, что оптимальное решение данной проблемы заключается в корректном моделировании процесса смешения.
Уже самые первые работы, проведенные в этом направлении [35-40], целью которых была попытка получить адекватное описание течения полимерных материалов в пространстве смешения, подтвердили правомочность использования моделирования в построении теории смешения. Так, математическая модель работы одночервячных экструдеров [41], основанная на приближенном решении уравнений движения вязкой жидкости в винтовом канале червяка, позволила связать основные показатели этих машин - производительность и мощность - с конструктивными параметрами червяка и свойствами перерабатываемого материала.
Современные результаты применения моделирования для выяснения закономерностей процесса смешения полимерных композиций и их теоретического описания полностью убеждают в целесообразности его использования [41,42].
Продольная составляющая трехмерного потока материала в смесителе
При этом, если удовлетворяются некоторые условия полноты, то с увеличением числа конечных элементов и уменьшением их размеров поведение дискретной системы приближается к поведению "непрерывной системы", то есть рассматриваемой сплошной среды. Таким образом, учитывая сказанное выше, для моделирования процесса смешения в поперечном сечении рабочих органов было предложено использовать МКЭ, модифицированный применительно к данному случаю. В итоге, на основании анализа продольной составляющей трехмерного потока определялось среднее время пребывания материала в зонах с различными конфигурациями смесительных элементов (кулачков).
Далее, зная это время и рассчитав смесительное воздействие для каждой из зон и, следовательно, изменения в степени неоднородности композиции в начале и конце каждой зоны можно определить качество смешения, получаемого в смесителе с конкретными конструктивными характеристиками. Для оценки качества смешения принят коэффициент неоднородности смеси (1.15). 2.2. Продольная составляющая трехмерного потока материала в смесителе Средняя условная скорость перемещения перерабатываемого материала вдоль оси аппарата с рабочими органами в виде винтовых шнеков может быть определена по формуле: где L — общая длина рабочей зоны смесителя; / — среднее время пребывания материала в смесителе. Общее среднее время пребывания материала в смесителе складывается из времен пребывания его в различных зонах: где t - общее время пребывания материала в смесителе tt - время пребывания материала в і-й зоне и - количество зон Для расчета /, можно использовать формулу где Vi - объем 1-М зоны Qv - объемная производительность і-й зоны Подставив (2.3) в (2.2), получим: Учитывая, что где Qm - массовая производительность і-й зоны Pi - плотность композиции в і-й зоне Так как рассматривается установившийся процесс, то производительность каждой зоны Qm равна производительности смесителя Кроме того, где Lt - длина і-й зоны S1, - площадь поперечного сечения і-й зоны Таким образом, окончательно имеем: Следовательно, условную скорость перемещения материала в продольном направлении можно определить из соотношения: Однако здесь необходимо учесть и тот факт, что рабочие органы помимо напорных и обратных шнековых насадок набраны также и из смесительных кулачков.
Поэтому для корректного использования описанного выше подхода следует рассчитать дополнительное гидравлическое сопротивление, появившееся после того, как если бы мы мысленно заменили часть винтового шнека смесительными кулачками. Так как после напорных винтовых насадок материал последовательно проходит через зоны, представляющие собой совмещенные цилиндрические каналы, перекрытые кулачками различной формы, то для расчета гидравлического сопротивления логичным представляется аналогия между этими каналами и формующей головкой. Иными словами, гидравлическое сопротивление той части шнека, которая расположена за напорными насадками проводим по методикам, предназначенным для расчета гидравлического сопротивления формующих головок. Далее, оценивая уменьшение продольной скорости перемещения материала из-за увеличения гидравлического сопротивления, будем искать зависимость изменения производительности для данного рабочего органа относительно "полностью" винтового шнека от изменения перепада давлений на участке со смесительными насадками в виде: где к = У (ДР) — коэффициент, зависящий от перепада давлений на участке со смесительными кулачками. В итоге формула для определения фактической продольной скорости перемещения материала запишется в виде: Производительность двухчервячного смесителя с зацепляющимися однозаходными шнеками можно рассчитать по формуле [7]: где a = arccos угол сопряжения шнеков. Реальная производительность будет меньше рассчитанной по этой формуле на величину, вызванную потоками утечек. Назовем условно ту часть шнека, которая набрана из винтовых насадок, "транспортирующей", а набранную из кулачковых насадок - "смесительной". Определим вначале коэффициент геометрической формы смесительной части шнека. При этом ее профиль в разных зонах будем рассматривать как состоящий из каналов простейших форм. Коэффициенты геометрической формы каналов простейшей формы с произвольным сечением (рис.2.2) могут быть определены по соотношению [19]: где Ff — площадь сечения канала, м ; Lj - длина зоны, м; ПІ - периметр канала, м.
Перепад давления в головке канала простейшей формы при известных значениях производительности машины и коэффициенте геометрической формы головки определим по следующему соотношению: где Qy — объемная производительность г-й зоны, м /с; МІ средняя эффективная вязкость материала в канале простейшей формы, Па-с. Принимаем зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига f и температуры Г, полученная с использованием уравнения Аррениуса в виде [83-86]: где то - коэффициент, зависящий от природы жидкости, МПа/сп (7,45-10"8 МПа/сп для натурального каучука); Е—энергия активации, кДж/моль (96 кДж/моль для натурального каучука); /?=8,31 Дж/(кмоль-К) - универсальная газовая постоянная; Г-температура, К (в описываемых исследованиях 293 К); п — индекс течения (0,49-=-0,53 для исследуемых растворов натурального каучука в нефрасе С2-80/120).
Методики проведения и обработки результатов экспериментов
Так как исследовался политропный процесс приготовления высоковязких клеевых композиций, все эксперименты проводились при температуре окружающей среды. В смесительную камеру загружалось такое количество исследуемого материала, чтобы она была полностью заполнена.
Измерение каждого параметра в одних и тех же условиях проводилось не менее пяти раз [116-117]. Масса раствора натурального каучука в нефрасе С2-80/120 при испытаниях составляла 37-5-91 г.
Для оценки технологической мощности, затрачиваемой в процессе приготовления высоковязких полимерных композиций, необходимо знание величины эффективной вязкости композиции в зависимости от скорости сдвига и температурных режимов обработки. Для проведения реологических исследований обычно используют капиллярные или ротационные вискозиметры различных типов, к недостаткам которых можно отнести ограниченный диапазон скоростей сдвига и формы поверхностей рабочих элементов ротационных приборов.
Поэтому для оценки интенсивности деформационного воздействия смесительных элементов различной конфигурации на перерабатываемый материал по отдельным рабочим зонам смесителя был использован модернизированный пластограф Брабендера с заменой редуктора смесительной камеры и рабочими валами с вращением в одну сторону. Установка на валах пластографа рабочих элементов различных конфигураций (рис.3.3) позволяет моделировать и оценивать характер силового воздействия на материал по аналогии со смесителем непрерывного действия, однако сложная геометрия и неравномерность скоростей сдвига затрудняют пересчет получаемой зависимости вращающего момента от скорости вращения рабочих органов в реологические единицы - напряжения и скорости сдвига. Для интерпретации результатов измерений могут быть использованы поправки, вычисленные калибровкой прибора по ньютоновской жидкости, вязкость которой не зависит от характера силового воздействия и зависимостям вязкости от скорости сдвига для полимерных композиций.
Реологические исследования свойств растворов высоковязких полимерных композиций с различной концентрацией проводились методом ротационной вискозиметрии на приборе "Реотест-211, что позволило расширить рабочий диапазон скоростей сдвига. Полученные зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига показали, что исследованные материалы относятся к неньютоновским жидкостям, описываемым степенным законом вида т — купь а обработка кривых течения позволила определить реологические константы кип этого закона в диапазоне скоростей сдвига от 40 до 400 с"1.
Исследования, проведенные на ротационном вискозиметре "Реотест-2", позволили представить и обработать данные, полученные на пластографе Брабендера с целью непосредственной оценки реологических свойств полимерных композиций при различных режимах их обработки.
Зависимости крутящего момента от скорости вращения роторов для эллиптических, эксцентриковых, треугольных и шестеренчатых кулачков представлены соответственно на рис.3.6-3.9.
Далее был осуществлен переход к реологическим кривым г = р(у) для исследуемых материалов. Для этого использовался следующий подход. Пусть зависимость Мкр от со описывается некоторой функцией/: М = f(co). Необходимо найти поправочную функцию у/ такую, что г = f-y/. Так как с другой стороны т= р(у), то/ \//= ), то есть у/= p/fy что и требовалось найти. Для определения параметров и вида функций была проведена аппроксимация зависимости М = f(o ) ДЛЯ 50%-ного раствора каучука в нефрасе С2-80/120. Было выяснено, что функция вида достаточно корректно описывает исходные экспериментальные данные. С другой стороны, реологические исследования на приборе "Реотест-2", как это указано выше, позволили сделать вывод, что течение исследуемой композиции подчиняется степенному закону: т = куп9 т.е. где к - коэффициент консистентности, п - индекс течения. Как видно, уравнения (3.1) и (3.2) различаются только коэффициентами. Таким образом, зная коэффициенты С. = — и С2 = — (постоянные пластографа), достаточно умножить коэффициенты а и b в уравнении (3.1) соответственно на С/ и С?, чтобы получить уравнение искомой реологической кривой. Для исследуемых растворов при использовании эллиптических насадок упомянутые постоянные пластографа Брабендера С/ и Сг соответственно равны 8-Ю"4 и 1,44. Далее с помощью этих постоянных и экспериментальных зависимостей Мкр от со были получены реологические кривые для растворов с различными концентрациями натурального каучука в нефрасе С2-80/120, после чего производилась их проверка на ротационном вискозиметре. При этом разница между экспериментальными и расчетными данными не превышала 5 %, что позволяет говорить об адекватности использованного способа перехода от зависимостей М = f{N) к реологическим кривым. Полученные таким образом реологические кривые могут быть использованы, например, для расчета мощности, затрачиваемой на процесс смешения и прогнозирования процесса растворения полимера в ходе . смешения.
Принципы создания и использование программного обеспечения для автоматизации исследований и расчетов
Необходимость дальнейшего развития современного производства и подготовки квалифицированных кадров для него требуют все более эффективного использования компьютерных информационных технологий в научных исследованиях, конструкторских разработках и учебном процессе. Вместе с тем, как уже отмечалось, в последнее время при разработке профаммного обеспечения все более отчетливой становится тенденция объединения в одном профаммном продукте возможностей для автоматизации всех стадий конструирования и расчета оборудования.
На основании описанных выше подходов сформулированы основные функции, которые должно выполнять данное профаммное обеспечение. автоматизация обработки опытных данных на стадии реологических исследований на разработанной экспериментальной модельной установке, а также на ротационных и капиллярных вискозиметрах; - моделирование поперечного и продольного потоков перерабатываемых материалов в рабочих органах смесителя; - минимизация длины рабочих органов двухшнековых смесителей непрерывного действия. Разрабатываемое профаммное обеспечение также должно быть достаточно универсальным в плане возможности анализа процессов смешения различных материалов и в зонах с различной конфигурацией смесительных насадок. Как уже упоминалось, в рамках данного подхода был разработан соответствующий пакет профаммного обеспечения. Он состоит из программ: Анализатор-Самописец, Composite Express и MixerCAD. На последнюю программу было получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "Система автоматизированного проектирования двухшнековых смесителей непрерывного действия MixerCAD" №2001611816 [122]. Остановимся на этих программах более подробно. Данный пакет состоит из 2-х программ, ориентированных на работу с платой расширения персонального компьютера АЦП НВЛ-08 и может работать в двух режимах: "анализатор" (рис.4.1) и "самописец" (рис.4.2). Первый дает возможность одновременного отслеживания до трех различных поступающих на линейные входы АЦП сигналов с графическим отображением изменения во времени их уровня и записью данных в файл протокола. Так можно контролировать потребляемую мощность, скорость вращения рабочих органов и концентрацию полимера в камере по заранее заданным законам преобразования исходных сигналов в конечные величины.
В настоящее время реализовано отслеживание двух параметров: коэффициента неоднородности и скорости вращения шнеков. Для отслеживания второго из упомянутых параметров на ось собственного тахометра-генератора платографа Брабендера был установлен второй тахометр. Во втором режиме программа работает следующим образом. Очевидно, что на начальных стадиях смешения, когда концентрации растворяемого полимера в разных точках сильно отличаются, разным будет и световой поток, регистрируемый фотометрической головкой. То есть, зная соответствие между концентрацией полимера в данной точке пространства и его светопоглощающей способностью, то, снимая через определенные промежутки времени сигнал с блока измерений ФПЧ-БУ, можно перейти от . дисперсии выборки напряжения к коэффициенту неоднородности смеси Vc (п.3.3.2). По мере приближения к гомогенному состоянию значение Vc стабилизируется. Одновременно с регистрацией коэффициента неоднородности данные записываются в файл на жестком диске компьютера в виде таблично заданной функции Vc=f(t). Идея написания этой программы основывается на следующем факте: визуальный осмотр перерабатываемой композиции на разных стадиях смешения и диспергирования совершенно определенно позволяет сказать о том, что по мере гомогенизации смеси различия в цвете различных ее участков также нивелируются. Выше (п.3.3.3) были получены соотношения, которые заложены в основу работы данной программы. Интерфейс программы приведен на рис.4.3. Данная программа [122] разработана в соответствии с принципами, изложенными в п.4.2 и современными рекомендациями по разработке программного обеспечения для операционной системы Windows [123-127]. Блок-схема структуры этой программы изображена на рис.4.4, а интерфейс главного окна — на рис.4.5. Программа обладает следующими возможностями. Автоматизация обработки экспериментальных данных на стадии реологических исследований на ротационных и капиллярных вискозиметрах связана со следующими трудностями. При проведении упомянутых исследований большое количество времени уходит на рутинные математические расчеты, причем велика вероятность погрешности, связанной с невнимательностью оператора или ошибкой округления.
Поэтому в качестве возможного решения этой проблемы в состав функций программного обеспечения была включена возможность обработки результатов экспериментов. Если говорить более подробно, здесь поддерживаются исследования на ротационном вискозиметре "Реотест-2" и капиллярном вискозиметре ИИРТ-М. В частности, определение коэффициента консистентности и индекса течения растворов и расплавов полимеров и построение реологических кривых для подобных классов неньютоновских жидкостей. Имеющийся в составе программы "Конструктор элементов" позволяет в интерактивном режиме конструировать смесительные элементы, задавая их форму и размеры и наглядно наблюдая за симуляцией вращения шнеков (рис.4.6). При моделировании смешения в режиме "Моделирование потоков" работа осуществляется в следующем порядке. Сначала исходя из геометрических размеров рабочих органов определяется производительность смесителя (рис.4.7). Затем по данным, характеризующим реологию перерабатываемых материалов и конфигурацию и смесительных кулачков по методике, изложенной в п.2.3, рассчитывается прогноз динамики коэффициента неоднородности смеси для каждой зоны в виде таблично заданной функции (рис.4.8). Аппроксимировав полученную зависимость с помощью уже упоминавшейся программы Systat Table Curve 2D 5.01 и определив порядок расположения зон по методике, изложенной в п.2.4, рассчитывают минимальную длину рабочих органов, обеспечивающую заданное качество смешения.
Похожие диссертации на Разработка технологии и оборудования для непрерывного процесса получения высоковязких клеевых композиций
