Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших задач научно-технического прогресса в производстве и переработке полимерных материалов является разработка и создание новых, а также совер-нствование существующих технологий.
По оценке специалистов на сегодняшний день до 60% мирового производства пластмасс перерабатываются методом экструзии. Использование в переработке пластмасс шнековых аппаратов обусловлено их высокими технологическими показателями, главными из которых являются непрерывность ведения процесса, относительная простота конструкции и сравнительно небольшие энерго- и металло-затраты. В силу этих преимуществ шнековые машины нашли широкое применение в ряде отраслей промышленности: химической, пищевой, кабельной, резинотехнической и др.
Несмотря на большие успехи в теории и математическом моделировании процессов переработки полимеров, в силу большого многообразия материалов, различных технологических и конструктивных особенностей аппаратов, в настоящее время не разработан единый метод расчета процессов движения, теплообмена и плавления неньютоновских материалов в винтовых каналах пластицирующих экструдеров. Решение этих задач связано не только с вопросами качества продукции, но и с процессами управления и регулирования, внедрением эффективных АСУТП и выявлением ряда особенностей процесса переработки полимеров методом экструзии, важных с точки зрения технологии и при конструировании перерабатывающего оборудования.
Кроме того, до настоящего времени практически не затронуты вопросы стратифицированного течения аномальных вязкоупругих полимеров в каналах фильер при формовании двух и более компонентных изделий (многослойные пленки, бикомпонентные волокна и. др). Особую значимость проблема приобретает для технологии изготовления полимерных оптических волокон, которые благодаря большой информационной емкости, малому весу и высокой гибкости находят все более широкое применение как средства передачи информации. За последнее десятилетие в этой области достигнут значительный прогресс, но остаются проблемы, связанные с высоким уровнем оптических потерь, низкими физикомеханическими свойства-
ми и т.д.
Реализация указанных задач экструзии и формования представляет собой теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имещей важное прикладное значение для разработки рациональных конструкций и технологий, для эффективного контроля и управления технологическими процессами, для сокращения сроков и затрат на проектирование оборудования, для выбора оптимальных режимов работы существующего оборудования.
Исследования в этом направлении, результаты которых изложены в диссертации, проводились по плану ГКНТ СССР по проблеме 010.07.07. Кроме того ряд вопросов, рассмотренных в работе, включены в комплекс перспективных фундаментальных исследований, утвержденных Советом Министров СССР от 30.12.89 N 1474 "О государственных научно-технических программах" и выполняемых в соответствии с координационной программой АН СССР.
Цель работы. Развитие теоретических основ переработки полимеров методом экструзии и формования.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработка математических моделей и методов расчета
движения и теплообмена полимера в зонах загрузки и задержки
плавления екструдера;
математическое описание процессов плавления материалов в шнековых аппаратах с учетом реальной геометрии шнек-винта, нелинейности свойств материала и вынужденной конвекции расплава;
создание общей математической модели одношнекового плас-тицирующего экструдера;
разработка эффективных математических моделей и методов расчета двухслойных неизотермических течений нелинейных вязкоуп-ругих расплавов полимеров в каналах фильер при формовании оптических волокон;
проведение сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных с целью определения степени адекватности разработанных моделей реальным процессам.
Научная новизна работы. В развитие теоретических основ экс-трузионной переработки полимеров создан эффективный расчетный аппарат, позволяющий решать широкий класс задач экструзии.
Разработатна качественно новая пространственная математи-ская модель простого однозаходного пластицирующего экструдера, позволяющая рассматривать работу как отдельно каждой из ?.:> (загрузки, задержки плавления плавления и гззироБзнпл >, тік і: е общей их взаимосвязи и взаимовлиянии.
Предложен и обоснован подход к решению трехмерной і^л-г-п: темпломассообмена в условиях фазового перехода и вынужденной конвекции расплава с учетом нелинейности свойств расплава и изменяющейся геометрии канала.
Установлен ряд отличительных закономерностей процесса и определены оптимальные и неблагоприятные режимы переработки.
Разработана двумерная математическая модель двухслойного осесимметричного течения вязкоупругих жидкостей в каналах фильер при формовании оптических волокон.
Получены теоретически и подтверждены экспериментально зависимости координат поверхности раздела жидкостей от режимов течения, реологических свойств и геометрии канала. Определены длины участков тепловой и гидродинамической стабилизации, получены расходно-напорные характеристики каналов фильэр для совместного течения расплавов полимеров.'
Достоверность 'полученных результатов обеспечила строгой математической постановкой и подтверждена численными экспериментами по оценке сходимости алгоритмов, сопоставлением с существующими точными решениями и решениями других авторов, а также результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы состоит в предложенных методах расчета и реализованных на их основе алгоритмов и вычислительных программ, которые используются при определении технологических режимов экструзии на существующем оборудовании, а также при разработке и проектировании нового экструзионного и формующего оборудования, используемого на предприятиях различныхотраслей промышленности.
Практические рекомендации, данные на основе исследования конкретного перерабатывающего оборудования, внедрены во ВНИИ синтетических волокон (г.Тверь), во ВНИИ машин для производства синтетических волокон (г.Чернигов), на ПО "Камкабель" (г.Пермь). Суммарный экономический эффект составил I млн.327 тыс.руб.
Кроме того, теоретические результаты диссертации использу-
ются в учебном процессе в Пермском государственном техническом университете, а также в УкрНЖпластмаш при проектировании шнековых аппаратов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции по созданию прогрессивного оборудования для производства синтетических волокон (Чернигов, 1982); Всесоюзной школ* молодых ученых по механике сплошных сред (Пермь, 1983, 1969, 1992); IY отраслевой конференции молодых ученых и специалистов химическихволокон (Калинин, 1983); ПІ Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1984); технической конференции но перерабатывающему оборудованию (ГДР, Мерзибург, 1984); Республиканской конференции по процессам переработки материалов (Киев, 1984, 1988); Ш Всесоюзной научно-технической конференции по проблеме повышения качества и эффективности производства химических волокон (Калинин, 1984); Ш Всесоюзном симпозиуме по теории механической переработке полимерных материалов (Пермь, 1985); IY Международном симпозиуме по химическим волокнам (Калинин, 1986); Всесоюзной НТК "Процессы и аппараты производства в полимерных материалов, метода и оборудование для переработки их в изделия" (Москва, 1986); Всесоюзной НТК "Создание прогрессивногооборудования для химических волокон" (Чернигов, 1987); Всесоюзной НТК "Реология и оптимизация процессов переработки полимеров (Минск, 1989); Международном симпозиуме по передовым проблемам и методам в механике жидкостей (Польша, Козубник, 1989); Международном симпозиуме по химическим волокнам (Калинин, 1990); на республиканской конференции "Математическое ческое моделирование в сложных системах" (Пермь,1989, 1990); региональной научно-технической конференции "Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов" (Пермь, 1990); Всесоюзной НТК "Электрическая изоляция кабелей и проводов" (Москва, 1990); Всесоюзной НТК "Опыт приме-не персональных ЭВМ в кабельной промышленности" (Москва, 1990); IIМеждународном форуме по тепломассообмену (Минск, 1992).
Публикации. Основные положения диссертационной работы достаточно полно отражены в 44 печатных работах.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий
объем работы 302 страницы в.том числе 105 страниц машинописного
текста, 149 рисунка, 23 таблиц,- 220 библиографических
наименований. '.