Ang tuluy-tuloy na screw extruder ay may mataas na antas ng flexibility at automation. Ang paggamit ng pagpoproseso ng extrusion sa panahon ng pagpoproseso ng polimer ay maaaring epektibong mabawasan ang mga gastos sa pagproseso, mapabuti ang kahusayan sa produksyon at mabawasan ang mga paglabas ng basura.
Kahit na ang mga umiiral na extruder ay maaaring makayanan ang kasalukuyang pagtunaw at paghahalo ng mga materyales sa tornilyo, sa pagtaas ng antas ng industriyalisasyon, ang kanilang mababang kahusayan sa output ay hindi na matugunan ang mga pangangailangan ng hinaharap na industriya. Upang higit pang mapabuti ang kahusayan sa pagpoproseso ng mga polimer, ang disenyo ng mga malalaking extruder ay apurahan.
Gayunpaman, kung direkta kang magdidisenyo ng malakihang kagamitan, haharapin mo ang mga problema tulad ng pag-aaksaya ng mapagkukunan dahil sa hindi sapat na karanasan sa disenyo. Samakatuwid, ang scale-up na teoretikal na pananaliksik sa mga kagamitan sa pagpapalabas ng tornilyo ay naging partikular na mahalaga.
Ang Similarity amplification theory ay isang walang sukat na pangkat ng numero na kumakatawan sa mga parameter na nauugnay sa isang partikular na phenomenon sa system. Kapag ang mga phenomena sa dalawang sistema ay magkatulad, mayroon ding tiyak na pagkakatulad sa pagitan ng mga nauugnay na parameter. Ang pagkakatulad na ito ay maaaring bumuo ng isang walang sukat na pangkat ng Numero, iyon ay, ang pamantayan ng pagkakapareho ay isang pare-parehong halaga. Simula sa theorem ng pagkakatulad, ang paglalapat ng mga empirikal na konklusyon na iginuhit sa maliliit na kagamitan sa malakihang kagamitan sa produksyon ay maaaring matiyak na ang mga walang sukat na pangkat na ginawa sa maliit at malakihang kagamitan ay pantay, sa gayon ay pinapanatili ang walang sukat na mga anyo ng mga solusyon sa iba't ibang pare-pareho ang mga equation. Baguhin. Para sa disenyo ng istraktura ng tornilyo ng malalaking twin-screw extruder, maaaring gamitin ang katulad na teorya ng amplification ng mga extruder. Ang teoryang ito ay maaaring magsimula mula sa pananaw ng geometric na pagkakatulad at magbigay ng isang plataporma para sa disenyo sa pamamagitan ng pag-aaral ng parametric modeling. Ang pag-aampon ng pamamaraang ito ng disenyo ay maaaring maiwasan ang paulit-ulit na pagmomodelo, makatipid sa oras ng disenyo, at sa gayon ay mapabuti ang kahusayan ng produksyon at kalidad ng produksyon.
Sa nakalipas na mga taon, ang pananaliksik sa istraktura ng maliliit na extruder ay malawakang tinalakay, ngunit ang pananaliksik sa malalaking extruder ay nasa yugto pa rin ng eksplorasyon. Sa pamamagitan ng malalim na pagsasaliksik sa mga geometric na parameter at performance index amplification ng eksperimental na modelo, maaari itong magbigay ng teoretikal na batayan para sa pagbuo ng malakihang mga extruder ng tornilyo, sa gayo'y nagpapabuti sa kalidad ng disenyo at rate ng tagumpay. Nilalayon ng artikulong ito na ipakilala ang kasalukuyang gawain at pag-unlad sa larangang ito mula sa katulad na teorya ng amplification na naaangkop sa mga twin-screw extruder.
Twin-screw extruder katulad na teorya ng amplification
Ang mga twin-screw extruder ay may mas mahusay na pagganap ng paghahalo kaysa sa mga single-screw extruder. Pagkatapos ng siyentipikong pananaliksik sa mga katulad na teorya ng amplification ng single-screw extruders, pinalawak nila ito sa twin-screw extruders. Gaya ng ipinapakita sa Figure 2, sa ilalim ng premise na panatilihing hindi nagbabago ang helix angle (φ), ang twin screw ay ibinubuka upang makuha ang diameter na relasyon sa pagitan ng twin screw at ng single screw, tulad ng ipinapakita sa Equation (1). Sa pamamagitan ng hindi pagpansin sa impluwensya ng meshing area (ψ meshing angle ay humigit-kumulang 0), ang pagiging posible ng twin-screw approximation sa isang turnilyo ay higit na inilalarawan.
Figure 2 Katulad na diagram ng twin-screw na humigit-kumulang katumbas ng single-screw flow channel
Ang paghahalo ng pagganap at mga pag-aaral sa kaligtasan ng mga twin-screw extruder ay mahalagang salik para sa matagumpay na disenyo ng extruder. Kinakailangang matukoy ang pamantayan ng amplification para sa mga pangunahing parameter at pag-aralan ang mga amplified effect batay sa mga kalkulasyon ng numero. Sa isang twin-screw extruder, ang materyal ay may bahagyang napuno na seksyon at isang ganap na napuno na seksyon. Ang mga katulad na teorya ng amplification na naaangkop sa mga single-screw extruder ay naaangkop sa twin-screw extruder na may ganap na puno na mga seksyon. Gayunpaman, habang tumaas ang pangangailangan para sa mga distributed mixing extruder at devolatilization na twin-screw extruder, nagsimulang lumitaw ang mga katulad na teorya ng scale-up para sa mga non-meshing na twin-screw extruder na bahagyang pumupuno sa lugar ng channel. Dahil ang antas ng pagpuno ng twin-screw extruder ay isang mahalagang tagapagpahiwatig ng kapasidad sa paghahatid ng tornilyo, ang pamantayan ng twin-screw amplification ay maaaring higit pang hatiin ayon sa iba't ibang antas ng pagpuno ng mga channel ng daloy ng twin-screw extruder.
01Katulad na teorya ng amplification ng kumpletong pagpuno ng channel ng daloy
Ang daloy ng channel ay ganap na puno ay nangangahulugan na ang materyal ay ganap na napuno sa daloy ng channel nang walang anumang mga puwang. Nalaman ng mga mananaliksik na ang haba ng ganap na napuno na seksyon ng extruder ay may malaking epekto sa oras ng paninirahan at paggamit ng kuryente ng extruded na materyal na natunaw sa extruder. Kapag ang daloy ng channel ay ganap na napuno, ang mga katangian ng materyal ay mas matatag kaysa kapag ang tornilyo ay hindi ganap na napuno. Tanging kapag ang tornilyo ay ganap na napuno maaari ang pagkakapare-pareho, kalidad at output ng mga extruded na produkto ay magagarantiyahan. Samakatuwid, ang kasalukuyang mga talakayan ng mga iskolar sa katulad na teorya ng twin-screw extruder ay karaniwang ipinapalagay na ang daloy ng channel ay ganap na napuno.
Gumawa si Li Ao ng komprehensibong paghahambing ng mga katulad na paraan ng amplification para sa ganap na pagpuno sa channel ng daloy, at iminungkahi na ilapat ang paraan ng amplification sa isang single-screw extruder sa isang twin-screw extruder, na naglalagay ng teoretikal na pundasyon para sa pagbabago ng twin-screw na malalaking makina . Berzin et al. naniniwala na ang koepisyent ng paglipat ng init sa isang ganap na napuno na extruder ay napakahalaga. Habang bumababa ang surface to volume ratio sa diameter, bababa din ang heat transfer rate ng extruder. Samakatuwid, ang turnilyo ay madalas na tinukoy bilang adiabatic sa proseso ng pagkalkula ng simulation. estado, gamit ang temperatura ng pagkatunaw bilang isa sa mga pamantayan sa pagsusuri. Dahil ang proseso ng pagpilit ay limitado sa pamamagitan ng paglipat ng init, ang kinakailangang temperatura ng pagtunaw sa seksyon ng pagtunaw ng paghahatid ay hindi madaling makamit. Samakatuwid, maaaring kailanganin ang mga karagdagang eksperimento at pagmomodelo kapag gumagamit ng heat transfer amplification. Ang Matic' ay nagsagawa ng isang eksperimentong paghahambing ng paglipat ng init na katulad na amplification at mga katulad na paraan ng pagpapalakas ng enerhiya at natagpuan na ang temperatura ng pagkatunaw sa bahagyang napuno na lugar ay mas mababa at ang oras ng paninirahan bago at pagkatapos ng amplification sa ganap na napuno na lugar ay magkatulad, na nagpapahiwatig na ang dalawang ito. Ang mga paraan ng amplification ay mas angkop para sa ganap na napunong mga daloy. Sa tunnel, ang pagganap ng paghahalo sa loob ng extruder ay mas mahusay sa oras na ito. Tulad ng ipinapakita sa Figure 3, ang oras ng paninirahan at pamamahagi ng temperatura ng natutunaw sa ilalim ng iba't ibang mga proseso ay ginalugad, at natagpuan na ang oras ng paninirahan at temperatura ng pagkatunaw sa ganap na napuno na channel ng daloy ay may parehong takbo ng pagbabago, at ang pinalakas na temperatura ng pagkatunaw at oras ng paninirahan naging mas malawak, na nagpapahiwatig na Ang kalidad ng produkto na ginawa pagkatapos ng amplification ay katulad ng sa reference na modelo, na lumulutas sa problema ng agnas ng amplified na produkto. Naniniwala si Nakatani na tinutukoy ng adiabatic index at ang non-Newtonian index ang mga kondisyon ng extruder at mga katangian ng polimer. Iminungkahi niya ang isang thermal balance na katulad na amplification gamit ang output amplification index bilang pangunahing variable, at na-verify ang pagiging posible ng pamamaraang ito sa pamamagitan ng pare-parehong temperatura ng pagkatunaw.
Figure 3 Paghahambing sa pagitan ng temperatura ng pagkatunaw at oras ng lokal na paninirahan bago at pagkatapos ng extruder scale-up
Ang twin-screw extruder ay may mahusay na pag-andar ng paghahalo, at ang epekto ng paghahalo ng mga materyales sa twin-screw extruder ay dapat bigyang pansin pagkatapos ng amplification. Ginamit ni Qu Wenbin ang mixing similarity amplification method para palakihin ang disenyo ng mga elemento ng screw sa mixing section ng extruder. Sinuri niya ang paghahalo ng pagganap ng iba't ibang mga configuration ng tornilyo sa ganap na napuno na channel ng daloy at pinatunayan na ang amplification ng screw extruder ay batay sa geometric na pagkakapareho ng istraktura ng tornilyo. Sekswal na pag-uugali. Iminungkahi ni Chen na ang kalidad ng extrudate ay tinutukoy ng mga parameter tulad ng mga geometric na parameter, tiyak na enerhiya, pamamahagi ng oras ng paninirahan, temperatura, at presyon, at tinutukoy ng mga parameter na ito ang pamamahagi ng paghahalo sa panahon ng proseso ng pagpilit. Binuo at sinubukan ni Juan ang pagiging posible ng mga katulad na panuntunan sa pagpapalaki ng geometric ratio gamit ang mga twin-screw extruder na may iba't ibang diameter. Nalaman niya na ang mga pangunahing parameter ng proseso, bilis ng daloy ng materyal at bilis ng turnilyo ay may napakakaunting epekto sa mga katangian ng materyal, habang ang pagsasaayos ng tornilyo ay may mas malaking epekto. Ang pananaliksik sa itaas ay nagpapakita na sa batayan ng pagtukoy ng pagsasaayos ng tornilyo, ang geometric na pagkakatulad na amplification ay maaaring makagawa ng output at matugunan ang mga kinakailangan ng patuloy na paghahalo, ngunit mayroon itong iba't ibang mga pagbabago sa temperatura. Samakatuwid, ang komprehensibong aplikasyon ng maramihang mga katulad na paraan ng amplification ay maaaring mas mahusay na malutas ang problema.
Ang premise para sa komprehensibong paggamit ng maramihang mga katulad na paraan ng amplification ay upang matukoy ang geometric na pagkakapareho ng pagsasaayos ng tornilyo at kumbinasyon ng bariles. Pagkatapos, batay sa layunin ng pagpapalakas ng output sa industriya ng twin-screw, ang katulad na volume amplification ay ginaganap, at sa wakas ang bilis ng turnilyo ng maliit na makina ay baligtad na kinakalkula upang matukoy ang malaking makina. Ang bilis ng tornilyo, ang simulation ng field ng daloy ay ginagamit upang hatulan ang kaligtasan ng amplification at paghahalo ng pagganap. Nagmula si Dong Zhonghua ng teorya ng amplification na pinagsasama ang maraming paraan ng amplification sa pamamagitan ng pagbabalanse sa mga field ng paghahalo at temperatura sa pagitan ng mga materyales, katulad ng komprehensibong thermal balance at paghahalo ng katulad na amplification, at inilapat ito sa mga mixer ng serye ng ZSK. Yue Jinfeng et al. ginamit ang geometry⁃volume⁃shear rate na katulad na paraan ng amplification para magsagawa ng amplification research sa mixed exhaust metering section ng mainframe, at ginalugad ang kaligtasan at performance ng mixing ng amplified model. Bilang karagdagan, batay sa katulad na pagpapalaki ng parallel twin-screw extruders, ang conical twin-screw extruders ay pinag-aralan din at tinalakay sa bagay na ito. Nagsagawa ang Langhorst ng iba't ibang simulation at katulad na pagpapalakas ng bawat functional na seksyon ng espesyal na istraktura ng conical counter-rotating twin-screw extruder. Binuod ni Yin Qingzhen ang mga nauugnay na parameter sa anyo ng mga walang sukat na constant, at idinisenyo at pinalaki ang mga functional na seksyon ng bawat bahagi ng conical twin-screw extruder, na nagbibigay ng mga kondisyon para sa matatag na operasyon ng pinalaki na extruder. Ginamit ni Chen Simeng ang micro-element method para i-discretize ang conical twin-screw extruder para sa mga masipag na materyales, nagtatag ng kaukulang mga teorya ng amplification para sa iba't ibang functional na seksyon, at gumawa ng mga pagwawasto. Sa buod, ang maginoo na katulad na paraan ng amplification ay maaaring palakasin ang mga partikular na parameter ng mga independiyenteng functional na mga seksyon, ngunit may mga pagkukulang pa rin sa pangkalahatang amplification ng screw extruder. Ang na-optimize na katulad na paraan ng amplification ay maaaring ilapat upang pagsamahin ang mga katangian ng iba't ibang functional na seksyon. Aktwal na Produksyon. Kasabay nito, mahalagang paraan ng pag-verify ang paggamit ng orthogonal na eksperimentong disenyo upang komprehensibong balansehin at suriin ang iba't ibang mga parameter sa panahon ng proseso ng pagwawasto upang ma-verify ang pagiging posible ng katulad na amplification at i-optimize ang antas ng parameter ng modelo ng amplification.
02 Pagkakatulad amplification teorya ng bahagyang daloy channel pagpuno
Sa aktwal na pagpoproseso ng screw extruder, ang materyal ay maaari lamang punan ang bahagi ng channel ng daloy, ngunit hindi maaaring ganap na punan ang buong channel ng daloy. Ang pagiging kumplikado ng proseso ng pagpuno ng partial flow channel ay mas malaki kaysa sa single-phase flow kapag ang flow channel ay ganap na napuno. Kapag bahagyang napuno ang channel ng daloy, tataas ang daloy ng daloy at stress ng paggugupit ng materyal, na ginagawang mas kumplikado ang proseso ng pagpilit.
Batay sa mga katangian ng partial filling sa melt delivery section ng isang co-rotating twin-screw extruder, tinalakay ng MEIJER ang lalim ng channel, katulad na amplification ng laminar flow, at katulad na amplification ng heat transfer, sa kaso ng bahagyang pagpuno o mga pagbabago sa lagkit sa panahon ng proseso ng pagpilit ( Non-isothermal, non-Newtonian na kondisyon), mayroong malubhang pagtagas ng daloy. Itinuro ni Ganzeveld na ang rate ng daloy ng pagtagas ay nauugnay sa antas ng pagpuno ng silid sa feed zone. Sa kaso ng bahagyang pagpuno, habang bumababa ang bilang ng ganap na napunong mga silid, naaapektuhan ang daloy ng pagtagas, at bababa ang index ng amplification ng produksyon. Fukuda et al. nagsagawa ng mga pagsubok sa daloy ng paglaban sa proporsyonal na pinalaki na mga elemento ng conveying at mga bloke ng pagmamasa, at iminungkahi ang isang katulad na pagpapalakas ng daloy ng porsyento ng paglaban upang palakasin ang rate ng daloy sa pamamagitan ng pagpapanatiling pare-pareho ang porsyento ng daloy ng paglaban ng tinukoy na elemento.
Dahil ang iba't ibang mga katulad na paraan ng pag-scale para sa kumpletong pagpuno ng mga screw extruder ay iminungkahi, maraming mga mananaliksik ang nagsimulang pag-aralan kung ang mga pamamaraan na ito ay naaangkop sa bahagyang napuno na mga channel ng daloy. Bigio et al. naniniwala na kung ang bahagyang antas ng pagpuno at ang bilis ng paghahalo ng twin-screw extruder ay mananatiling pare-pareho, kung gayon ang mga katulad na paraan ng pag-scale-up na naaangkop sa pagkumpleto ng pagpuno ay magiging pantay na epektibo para sa bahagyang napunong mga channel. Sa isang katulad na scale-up na iminungkahi sa ilalim ng premise ng kumpletong pagpuno, ang screw geometry ay may malaking impluwensya sa paghahalo at daloy na binuo sa loob ng twin-screw extruder. Dryer et al. iminungkahi ang volume similarity amplification theory kapag ang turnilyo ay halos puno. Isinasaalang-alang lamang ng volume similarity amplification ang libreng volume ng buong haba ng turnilyo at pinapanatili ang parehong kapunuan. Gamit ang rate ng daloy ng volume bilang isang variable, ang index ng parameter ng amplification ay kapareho ng sa ilalim ng kumpletong pagpuno. Ang pinaghalong paraan ng pagpapalakas ng pagkakatulad ay magkatulad. Pinatunayan ni Haser na ang amplification ng proseso ng extrusion ng iba't ibang geometries ay maaaring makamit batay sa volume similarity amplification, at pare-pareho ang mga trend ng parameter ng amplification. Maaari itong tapusin na ang naaangkop na mga paraan ng amplification para sa bahagyang pagpuno ng mga channel ng daloy ng mga twin-screw extruder ay kadalasang nagmula sa ganap na pagpuno ng mga channel ng daloy. Ipinapakita ng talahanayan 2 ang mga katulad na paraan ng amplification na karaniwang ginagamit para sa mga twin-screw extruder.
Talahanayan 2 Mga katangian ng karaniwang ginagamit na mga katulad na paraan ng amplification para sa twin screws
aplikasyon
Sa isang teoretikal na batayan, ang isang malaking bilang ng mga mananaliksik ay naglapat ng pagkakatulad na teorya ng amplification sa aktwal na produksyon. Ang paunang pananaliksik ay ginamit upang ihambing ang iba't ibang mga katulad na paraan ng pagpapalakas. Nagsagawa si Chung ng mga eksperimental na pag-verify sa parehong uri ng single-screw extruder para sa unibersal na pagkakatulad na amplification, heat transfer na katulad na amplification at geometric similarity amplification, at nalaman na pagkatapos ng geometric na pagkakatulad Ang scaled-up na modelo ay may output. Inilapat ni Wang Jianping ang "katumbas na diameter" na paraan upang pag-aralan ang tatlong magkakatulad na paraan ng pagpapalakas ng seksyon ng pagtunaw sa meshing co-rotating twin-screw extruder, at ginamit ang teknikal na data ng malalaking twin-screw upang makakuha ng mga resulta na mas pare-pareho sa aktwal na sitwasyon.
Ang Figure 4(a)~(c) ay naglalarawan ng paghahambing ng output, kapangyarihan at bilis sa pang-eksperimentong data sa ilalim ng iba't ibang paraan ng amplification. Napag-alaman na ang takbo ng data ng katulad na paraan ng pagpapalakas ng Maddock ay mas malapit sa pang-eksperimentong data. Sa batayan ng maraming umiiral na mga pamamaraan, ang koponan ng Nastaj ay bumuo ng isang bagong extrusion computer optimization system upang i-optimize ang proseso batay sa isang global screw extrusion model upang i-maximize ang extrusion output at mabawasan ang partikular na pagkonsumo ng enerhiya. , Ang Figure 4(d) ay ang curve ng materyal at proseso ng data na nakuha sa pamamagitan ng pagtulad sa buong seksyon ng extruder. Ang antas ng pagpuno ay mababa sa solidong conveying section, at umabot sa ganap na punong estado pagkatapos mawala ang solidong kama. Sa oras na ito, nangyayari ang mga halatang pagbabago sa presyon at temperatura. Isinasaalang-alang ang polyvinyl chloride bilang isang halimbawa, na-verify ng Menge ang katulad na amplification sa pare-parehong temperatura ng pagkatunaw at pare-pareho ang bilis ng paggugupit sa isang counter-rotating twin-screw extruder. Nakuha ni Richter ang pamamahagi ng laki ng butil ng mga particle sa iba't ibang antas ng pagpuno sa pamamagitan ng katulad na paraan ng amplification. Ang paggamit ng pagsubaybay sa particle upang i-verify ang ligtas na paghahalo sa channel ng daloy ay kasalukuyang isang epektibo at madaling gamitin na paraan.
Batay sa katulad na scale-up ng mga screw extruder, unti-unting umusbong ang mga scale-up na aplikasyon ng mga katulad na kagamitan sa istruktura. Ang mga kagamitan tulad ng mga grinding disc screw extruder, internal mixer, twin-screw refiner, at twin-rotor continuous mixer ay nagsimula na ring bumuo ng mga katulad na scale-up na application. paraan. Gumawa si He Xiaoling ng isang modelo ng disc screw extruder batay sa paghahalo ng pagkakatulad na amplification, at sa parehong oras ay na-optimize ang mga parameter sa tulong ng orthogonal na mga eksperimento at numerical simulation. Chen Kejuan et al. ginamit ang pamantayan ng pagkakatulad ng geometric na pagkakatulad at pare-pareho ang maximum na stress ng paggugupit sa teknolohiya ng pagpoproseso ng tornilyo upang magdisenyo ng panloob na modelo ng mixer. Inihambing ni Hu Dongkui ang mga function at istruktura ng twin-screw extruders at twin-screw refiners, at nalaman na ang twin-screw refiner at twin-screw extruders ay halos magkapareho sa pangkalahatan, at maaaring ma-verify sa pamamagitan ng mga eksperimento, kaya mas mahusay na maunawaan ang twin- mga screw extruder. Ang disenyo ng makina ay may malaking kahalagahan. Ginamit ni Gong Shuyun ang equivalence ng enerhiya bilang criterion upang sukatin ang epekto ng paghahalo, at iminungkahi ang proseso at teoretikal na modelo ng katulad na disenyo ng amplification ng seksyon ng paghahalo ng dual-rotor na tuloy-tuloy na mixer. Ang ideya ng pananaliksik ng katulad na paraan ng pagpapalakas ay nakakakuha ng higit at higit na pansin sa industriya.
Figure 4 Comparative analysis ng katulad na teorya ng amplification sa aktwal na produksyon
Konklusyon
Ang katulad na scale-up na disenyo at aplikasyon ng mga screw extruder ay maaaring makatulong sa pag-optimize ng istraktura ng screw, bilis at iba pang mga parameter ng extruder at pagbutihin ang pagganap ng extruder. Gayunpaman, sa pamamagitan ng pagbubuod ng katulad na pamantayan sa pag-scale para sa mga screw extruder sa loob at labas ng bansa sa mga nakaraang taon, makikita na kahit anong paraan ang gamitin, ang mga eksperimento sa scale-up ay nakabatay sa pagtiyak sa kaligtasan at paghahalo ng screw extrusion.
Gayunpaman, ang mga screw extruder ay nagsasangkot ng mga isyu tulad ng pagkonsumo ng enerhiya, pagtagas, pagganap ng paghahalo, at kaligtasan. Ang mga umiiral na katulad na paraan ng amplification ay hindi maaaring mapakinabangan ang kanilang mga pakinabang. Samakatuwid, ang pag-optimize ng mga pamantayan ng pagkakatulad at mga kadahilanan ng amplification ay napakahalaga. Ang hinaharap na pananaliksik ay dapat na higit pang galugarin ang potensyal ng aplikasyon ng teorya ng pagkakapareho ng amplification sa pag-optimize ng istruktura ng extruder at mga parameter ng proseso, at bumuo ng kaukulang mga praktikal na tool at pamamaraan upang magbigay ng mas kumpletong solusyon para sa mas tumpak na paghubog, disenyo at aplikasyon ng malalaking extruder. suportang teoretikal.