Исследование гидромеханических характеристик стационарного изометрического потока полимера в расплавопроводах плавильно-формовочных машин

Актуальность темы

В настоящее время химические волокна, являясь одними из широко используемых в промышленности видов выпускаемой продукции, применяются для производства текстильных материалов потребительского, а также специального технического назначения.

Широкое применение химических волокон различных свойств определяет целый ряд проблем совершенствования их качества, которые несмотря на большое количество исследовательских работ в этой области, остаются актуальными до настоящего времени.

Необходимость исследования технологии получения химических волокон с заданными свойствами обусловлена значительными трудностями учета гидродинамических тепловых и структурных преобразований. происходящих одновременно в процессе плавления твердого полимерного сырья, подачи полимера по расплавопроводам к фильерам, истечения из фильер и последующей полимеризации жидкой струи в химическое волокно.

Требования по увеличению производительности плавильно-формовочных машин (1ЕШ), которые решаются путем увеличения рабочих мест машины и, следовательно, увеличением протяженности и объема транспортных магистралей расплавопроводов, накладывают дополнительные требования на обеспечение оптимального времени пребывания жидкого полимера в высокотемпературных полостях ПФМ, исключающего или, по крайней мере, снижающего процессы деполиамидирования.

Совершенствование качества химических волокон предопределило создание принципиально нового процесса получения нитей с помощью процесса высокоскоростного формования, не требующего последующего вытягивания и термической обработки. Получаемые при этом волокна и нити обладают высокой кристалличностью и ориентированностью кристаллов, а также гетерогенностью структуры в поперечных сечениях /1/. Данные структурные свойства повышают пластичность волокон, но в то же время в 2−2,5 раза обуславливают снижение усадки при тер-мовлажностной обработке, например, кипячении в воде, что немаловажно для потребительского успеха текстиля из таких волокон. Повышаются также экологические показатели и адгезионные свойства данной продукции из-за снижения времени пребывания полимера в полостях ШМ за счет увеличения скорости потока полимера от экструдера к фильерам.

Реализация высокоскоростного формования в производстве ставит ряд проблем теоретического, технологического и аппаратного плана.

Теоретические задачи предполагают более детальное рассмотрение гидравлических особенностей потока жидкого полимера, т. е. получение поля скоростей, а также поля давлений высокопроизводительного потока в конструктивно неоднородных и технологически сложных магистралях расплавопроводов.

Задачи аппаратного плана заключаются в совершенствовании конструкции элементов плавильно-формовочных машин: экструдера, расплавопроводов, фильерных блоков, подкачивающих насосов, арматуры и других. Эти задачи многоплановые, их успешное решение зависит от выбора рациональных компоновочных схем, оптимальных конструктивных предложений для разработки узлов устройств, а также качества машиностроительной технологии.

Совершенствование технологического процесса высокоскоростного формования в первую очередь предусматривает высокую степень его автоматизации. Это один из главных и трудоемких вопросов, который необходимо решить для обеспечения уровня технологической культуры, требуемой для производства волокон высокоскоростного формования как продукции нового качества.

Изучение состояния решения перечисленных выше проблем показало ограниченность объема информации отечественных и зарубежных авторов о высокоскоростном формовании.

Из научных источников прямого назначения известна монография /1/, редактором русского перевода которой является К. Е. Перепелкин, а также научная литература с изложением результатов, необходимых для решения вопросов анализа и выбора рациональной конструкции ПФМ, а также оптимальных параметров подачи полимера и формования его в волокна /2/-/8/.

В настоящее время наиболее исследованы и определены модели процессов экструдеров, подкачивающих насосов, а также приводных устройств. Построены они на основе производственных условий технологического процесса классического способа формования при низких и умеренных скоростях подачи полимера. Однако их возможно использовать в качестве первого приближения с последующей адаптацией к высокоскоростному формованию.

Наименее изученными являются процессы в гидравлически сложных полостях расплавопровода, одного из главных элементов при движении расплава полимера по гидротрактам ПФМ.

В /3/ подробно исследовано течение полимера в каналах фильер. Перенос полученных результатов на геометрически подобные полости расплавопроводов при расходах, в несколько порядков превышающих расходы в фильерах, возможен после аналогичного самостоятельного изучения течения полимера в расплавопроводах. При значительной скорости подачи полимера немаловажную роль приобретают такие факторы, как гидравлические потери, определяющие мощность привода и его инерционность при регулировании, а также время пребывания полимера в горячих полостях расплавопроводов.

В настоящей работе приводятся результаты теоретического моделирования гидромеханических процессов, сопровождающих изотермическое стационарное течение полимера в расплавопроводах ПФМ. Граничные условия течения в значительной степени адаптированы к технологическим условиям высокоскоростного формования химических волокон. Полученные теоретические закономерности основаны на количественных данных, определенных в широкомасштабном машинном эксперименте с использованием численного метода контрольных объемов, апробированного на многочисленных прикладных задачах.

Цели, задачи и методы исследований. Целью данной диссертационной работы является разработка математической модели для определения гидромеханических характеристик потока жидкого полимера в расплавопроводах различной геометрической конфигурации. Результаты этих исследований ориентированы на применение их при конструировании ПФМ.

В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель изотермического стационарного потока полимера в конструктивно неоднородных элементах расплавопровода.

2. На основании разработанной математической модели исследованы скоростные и напорные характеристики изотермического потока полимера в рамках гидромеханических режимов экструзии, соответствующих условию высокоскоростного формования.

3. Разработана методика определения времени пребывания расплава полимера в расплавопроводах ШМ.

4. Исследованы потери давления (напора) на различных участках расплавопроводов.

5. Получены эмпирические зависимости длины участка гидростабилизации потока от режима течения и конструктивных особенностей расплавопроводов.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика численного анализа, позволяющая определить расходные и напорные характеристики потока полимера в расплавопроводах различной конфигурации в диапазоне режимов течения, соответствующих условию высокоскоростного формования химических волокон.

2. Разработана методика количественного анализа времени пребывания полимера в полостях расплавопроводов. Методика учитывает неравномерность течения полимера в сечении расплавопровода и таким образом, позволяет выявить степень влияния на величину времени пребывания изменения по потоку геометрических параметров и топологии расплавопроводов.

3. Разработана универсальная для широкого класса геометрически и гидравлически подобных расплавопроводов методика оценки их конструктивного совершенства, обеспечивающего приемлемые энергетические, производительные и экономические показатели ПФМ.

4. Получены результаты исследований характера течения вязкого полимера в геометрически неоднородных каналах расплавопроводов, определяющие зависимость расходных и напорных характеристик от эксплуатационных режимов высокоскоростного формования и позволяющие выработать и обосновать технические требования к совершенству ПФМ нового поколения.

Практическая значимость работы.

1. Совокупность разработанных методик создает научно-техническую основу для анализа конструктивно-эксплуатационного совершенства существующих и вновь создаваемых ПФМ.

2. Полученные статические модели течения вязкого полимера позволяют осуществить первичную техническую экспертизу характеристик расплавопроводов и ШМ в целом, как объекта регулирования.

3. Реализация разработанных в работе методик в практику конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов соответствующего профиля увеличит оперативность научно-исследовательских работ (НИР) по созданию ПФМ и систем их автоматического регулирования.

4. Результаты исследований могут служить основой для НИР по разработке динамической модели гидравлических процессов в распла-вопроводах ШМ.

5. Внедрение результатов в учебный процесс подготовки специалистов по оборудованию машин, производящих химические волокна, повысит его научную основу и будет способствовать росту технологической культуры производства.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на научно-технических семинарах по вопросам литья полимерных деталей обуви в ОАО Машиностроительное объединение им. К. Маркса, ОАО «Скороход», ОАО Специализированное конструкторское бюро кожевенно-обувного машиностроения, АО Проектное конструкторско-технологическое бюро легкой промышленностина международной научно-технической конференции «Прогресс-98» (г.Иваново) — на научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Дни науки» Санкт-Петербургского государственного университета технологии и.

10 дизайна (СПГУТД) — на научных семинарах кафедр «Проектирование машин» и «Автоматизация производственных процессов» СПГУТД.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано четыре научных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов по главам и работе в целом, списка использованных источников. Работа изложена на 141 с машинописного текста, содержит 8 таблиц, 33 рисунка, библиографию из 88 наименований, приложения на 66 с.

Выводы.

Из результатов исследования следует:

1. Время пребывания жидкого полимера прогнозируется на рассматриваемых участках расплавопроводов в зависимости от геометрических параметров последних и режима течения жидкости.

2. При одинаковом режиме течения жидкого полимера в канале с сужением (ос = 85°) ив трубе постоянного радиуса (ос = 0°) время пребывания хП (85°) превышает тП (о°) почти в три раза в диапазоне чисел Рейнольдса Ре от 0,05 до 4.

3. При формовании химических волокон зависимость времени пребывания полимера хп от Ре имеет экспоненциальный характер, что свидетельствует о том, что хп зависит от геометрии расплавопроводов и физических характеристик потока.

4. Во всех вышерассмотренных участках расплавопроводов при течении по ним расплава полимера с числом Ре < 1, длина участка гидростабилизации остается постоянной и имеет свое конкретное значение в зависимости от конструктивных особенностей расплавопровода.

5. При режимах течения с числом Ре > 1 длина участка гидростабилизации потока прямо пропорциональна Ре и числовому коэффици.

130 енту, характеризующему конкретный участок расплавопровода.

6. В связи с тем, что на вход в канал меньшего диаметра, при течении жидкого полимера по прямолинейному каналу переменного диаметра, приходит уже сформировавшийся профиль течения потока, то числовой коэффициент в формуле (25) имеет значение меньшее по сравнению с коэффициентами в формулах (26) — (30).

7. У расплава полимера с большим числом Ре гидростабилизация потока наступает на большем расстоянии от входа в канал, чем у потока полимера с меньшим числом йе. С точки зрения автора диссертации этот факт объясняется тем, что в менее вязких жидких полимерах, а также у потоков расплавов полимеров с высокой скоростью течения, в высшей степени присутствуют эффекты турбулизации потока, которые удлиняют зону формирования поля скоростей.

8. В рамках проведенных опытов самая большая доля гидропотерь приходится на участок сужения расплавопровода с углом захода ос = 85°. Например, потеря давления р при Ре = 4 и ос = 85° эквивалентна Др, затраченному на прохождение жидкого полимера в канале постоянного диаметра участка, равного 26Б при Ре =4.

9. Зависимость Др от Ре представляет собой монотонно возрастающую в сторону больших чисел Ре кривую.

1.31 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработана математическая модель стационарного изотермического течения полимера в расплавопроводах ПФМ. Модель базируется на физических уравнениях классической гидромеханики, представлена с помощью современного численного метода в виде дискретного аналога, удобного для практического применения с целью исследования гидромеханических характеристик потока во взаимосвязи с особенностями конструктивной структуры гидротракта, а также эксплуатационными режимами производства химических волокон. Модель апробирована в сравнении с результатами схожих режимов течения других авторов, что показало ее пригодность к применению в соответствии с целями настоящей работы.

2. В данной диссертационной работе разработана новая методика по определению времени пребывания жидкого полимера в расплавопроводах различной геометрической конфигурации, которая учитывает распределение скоростей в движущемся потоке.

3. На основании данной методики возможно определять время пребывания расплава полимера в соответствии с выбранным режимом течения и геометрическими размерами трубопровода.

4. Не следует использовать угол сужения расплавопровода, а = 85° при числах Ре < 2,5, так как полученные качественные и количественные картины течения в местах непосредственно перед сужением показывают наличие застойных зон, что приводит к снижению качества продукции вследствие деструкции жидкого полимера на молекулярном уровне.

5. Во всех вышерассмотренных участках расплавопроводов при течении по ним расплава полимера с числом Ие < 1, длина участка гидростабилизации остается постоянной и имеет свое конкретное значение в зависимости от конструктивных особенностей расплавопровода.

6. При режимах течения с числом Re > 1 длина участка гидростабилизации потока прямо пропорциональна Ре и числовому коэффициенту, характеризующему конкретный участок расплавопровода.

7. У расплава полимера с большим числом Ре гидростабилизация потока наступает на большем расстоянии от входа в канал, чем у потока полимера с меньшим числом Ие. С точки зрения автора диссертации этот факт объясняется тем, что у менее вязких жидких полимеров, а также у потоков расплавов полимеров с высокой скоростью течения в высшей степени присутствуют эффекты относительного перемешивания потока, которые удлиняют зону формирования поля скоростей.

8. В рамках проведенных опытов самая большая доля гидропотерь приходится на участок сужения расплавопровода с углом захода, а = 85°. Например, потеря давления Др при Ре = 4 и ос = 85° эквивалентна Др, затраченному на прохождение жидкого полимера в канале постоянного диаметра участка, равного 26Б при Ре = 4.

9. На основании результатов расчета поля скоростей их, и поля давления р, полученных в рамках поставленной задачи, разработчик ПФМ может составить рекомендации о местах установки датчиков скорости и давления, а также минимизировать гидравлические потери, не нарушая технологии получения химических волокон.