Введение к работе
Актуальность работы. Полимеры в электротехнической промышленности являются основной составной частью большого числа конструкций и конструкционных материалов, поэтому совершенствование процессов переработки и проектирование нового технологического оборудования представляет собой одну из важнейших задач любого исследования в этой области. На сегодняшний день около 60% мирового производства пластических масс перерабатывается методом экструзии, к преимуществу которого следует отнести непрерывность и возможность совмещения с другими технологическими операциями. Основным рабочим органом экструдера является обогреваемый электрический корпус, внутри которого вращается шнек.
Как правило, используется обычный (классический) шнек, процессы тепломассопереноса в котором достаточно хорошо изучены. Однако иногда приходится сталкиваться с конструкциями, в которых расплав в зоне плавления отделен от твердой части дополнительным (барьерным) гребнем. При этом ныне существующие одномерные математические модели таких шнеков вследствие чрезмерной упрощенности пе способны адекватно описать рассматриваемый процесс.
Тема диссертационной работы совпадает с одним из направлений научных исследований, проводимых на кафедре Конструирования и технологии электрической изоляции Пермского государственного технического университета и является составной частью хоздоговорной работы, проводимой для АО "Камкабель".
Цели работы:
разработка пространственной математической модели процессов тепломассопереноса полимера в экструдерах с неклассической геометрией шнека в условиях фазового перехода, с учетом нелинейности свойств материала и изменяющейся геометрии;
изучение влияния геометрии барьерного шнека, реологических и теплофизических свойств перерабатываемого материала, а также технологических параметров на процесс экструзии.
Задачи исследования.
-
Анализ существующих конструкций шнеков с неклассической геометрией, а также существующих математических моделей для их описания.
-
Разработка пространственной математической модели процессов тепломассопереноса для барьерных шнеков и оценка ее адекватности реальному процессу.
-
Исследование изменения формы пробки полимера вдоль канала, полей температур, функций тока и вихря, распределения градиента давления и давления вдоль канала, а также эпюр скоростей в продольном и поперечном направлениях.
-
Оценка влияния барьерного гребня на процесс экструзии. Сравнение классического шнека с барьерными.
-
Подбор условий переработки при изготовлении кабеля марки КПБП на барьерном шнеке МЕ-90, при которых не возникали бы области локальных перегревов выше 220 С.
Научная новизна. Разработала пространственная математическая модель процессов тепломассопереноса в зоне плавления барьерных шнеков, учитывающая нелинейность свойств материала и вынужденную конвекцию расплава, в которой уравнения гидродинамики решались в двумерной постановке, а уравнение энергии - в трехмерной.
Предложен метод учета максимальной скорости плавления при деформации пробки барьерным гребнем.
Предложен и обоснован метод решения трехмерной нелинейной задачи о тёпломассопереносе полимера в зоне плавления барьерного шнека.
Получены новые результаты по оценке влияния геометрии барьерного гребня на процесс экструзии.
Практическая ценность. Основные научные разработки диссертации могут быть использованы при выборе и совершенствовании технологических режимов экструзии на существующем оборудовании, а также при разработке и проектировании нового экструзионного оборудования.
По заказу АО "Камкабель" исследован режим изолирования кабеля марки КПБП с использованием барьерного шнека МЕ-90. На основании проведенных расчетов предложен технологический режим, позволяющий существенно снизить образование областей локальных перегревов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснованы: теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных законах сохранения массы, энергии и количества движения; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами эксперимента, а также с результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на 8-й Всероссийской научно-технической конференции "Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала", на 11-ой Зимней школе (2-й международной) по механике сплошных сред, на международной научно-технической конференции "Механика на машините" (Болгария, г. Варна), на научных семинарах кафедр: "Конструирование и технология электрический изоляции", "Прикладная
математика", "Вычислительная математика и механика" Пермского государственного технического университета (1998г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы достаточно полно отражены в 8 печатных работах.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (77 наименований) и приложения. Материал изложен на 94 страницах и содержит 43 рисунка, 14 таблиц.
