Hoe ga je van minicomputer naar mainframe? Onderzoeksvooruitgang op het gebied van soortgelijke amplificatietheorie van schroefextruders

De continue schroefextruder kent een hoge mate van flexibiliteit en automatisering. Het gebruik van extrusieverwerking tijdens de verwerking van polymeren kan de verwerkingskosten effectief verlagen, de productie-efficiëntie verbeteren en de afvalemissies verminderen.

Hoewel bestaande extruders het huidige smelten en mengen van materialen in de schroef aankunnen, kan hun lage outputefficiëntie, met de toenemende mate van industrialisatie, niet langer voldoen aan de behoeften van de toekomstige industrie. Om de verwerkingsefficiëntie van polymeren verder te verbeteren, is het ontwerp van grootschalige extruders urgent.

Als u echter rechtstreeks grootschalige apparatuur ontwerpt, krijgt u te maken met problemen zoals verspilling van hulpbronnen als gevolg van onvoldoende ontwerpervaring. Daarom is het opschalingstheoretische onderzoek naar schroefextrusieapparatuur bijzonder belangrijk geworden.

De gelijkenisversterkingstheorie is een dimensieloze getallengroep die parameters vertegenwoordigt die verband houden met een bepaald fenomeen in het systeem. Wanneer de verschijnselen in twee systemen vergelijkbaar zijn, is er ook een zekere gelijkenis tussen de relevante parameters. Deze gelijkenis kan een dimensieloze getalgroep vormen, dat wil zeggen dat het gelijkeniscriterium een ​​constante waarde is. Uitgaande van de gelijkheidsstelling kan het toepassen van de empirische conclusies getrokken in kleinschalige apparatuur op grootschalige productieapparatuur ervoor zorgen dat de dimensieloze groepen geproduceerd in kleinschalige en grootschalige apparatuur gelijk zijn, waardoor de dimensieloze vormen van oplossingen voor verschillende problemen behouden blijven. vergelijkingen consistent. Wijziging. Voor het ontwerp van de schroefstructuur van grote extruders met dubbele schroef kan de vergelijkbare amplificatietheorie van extruders worden gebruikt. Deze theorie kan vertrekken vanuit het perspectief van geometrische gelijkenis en een platform bieden voor ontwerp door middel van de studie van parametrische modellering. Door deze ontwerpmethode toe te passen, kan herhaalde modellering worden vermeden, ontwerptijd worden bespaard en daardoor de productie-efficiëntie en productiekwaliteit worden verbeterd.

De afgelopen jaren is er veel discussie geweest over onderzoek naar de structuur van kleine extruders, maar het onderzoek naar grote extruders bevindt zich nog in de verkennende fase. Door diepgaand onderzoek naar de geometrische parameters en versterking van de prestatie-index van het experimentele model kan het een theoretische basis bieden voor de ontwikkeling van grootschalige schroefextruders, waardoor de ontwerpkwaliteit en het succespercentage worden verbeterd. Dit artikel heeft tot doel het huidige werk en de vooruitgang op dit gebied te introduceren op basis van de vergelijkbare amplificatietheorie die van toepassing is op dubbelschroefsextruders.

Dubbelschroefsextruder soortgelijke amplificatietheorie

Dubbelschroefsextruders hebben betere mengprestaties dan enkelschroefsextruders. Na wetenschappelijk onderzoek naar soortgelijke amplificatietheorieën van enkelschroefsextruders, breidden ze dit uit naar dubbelschroefsextruders. Zoals weergegeven in figuur 2 wordt, onder het uitgangspunt van het ongewijzigd houden van de spiraalhoek (φ), de dubbele schroef uitgevouwen om de diameterrelatie tussen de dubbele schroef en de enkele schroef te verkrijgen, zoals weergegeven in vergelijking (1). Door de invloed van het ingrijpingsgebied te negeren (ψ ingrijpingshoek is ongeveer 0), wordt de haalbaarheid van de benadering met een dubbele schroef van een enkele schroef verder geïllustreerd.

Figuur 2 Vergelijkbaar diagram van een ongeveer gelijkwaardig stromingskanaal met een dubbele schroef

Mengprestaties en veiligheidsstudies van dubbelschroefsextruders zijn belangrijke factoren voor een succesvol extruderontwerp. Het is noodzakelijk om de amplificatiecriteria voor sleutelparameters te bepalen en de versterkte effecten te bestuderen op basis van numerieke berekeningen. In een dubbelschroefsextruder heeft het materiaal een gedeeltelijk gevuld gedeelte en een volledig gevuld gedeelte. Soortgelijke amplificatietheorieën die toepasbaar zijn op extruders met één schroef zijn toepasbaar op extruders met dubbele schroef met volledig gevulde secties. Naarmate de vraag naar gedistribueerde mengextruders en devolatilisatie-dubbelschroefsextruders echter toenam, begonnen soortgelijke opschalingstheorieën te ontstaan ​​voor niet-mazende dubbelschroefsextruders die het kanaalgedeelte gedeeltelijk vulden. Omdat de vulgraad van de dubbelschroefsextruder een belangrijke indicator is voor de transportcapaciteit van de schroef, kan het dubbelschroefsversterkingscriterium verder worden onderverdeeld volgens de verschillende vulgraden van de stromingskanalen van de dubbelschroefsextruder.

01Vergelijkbare versterkingstheorie van volledige stroomkanaalvulling

Het stromingskanaal is volledig gevuld, wat betekent dat het materiaal volledig en zonder gaten in het stromingskanaal is gevuld. De onderzoekers ontdekten dat de lengte van het volledig gevulde gedeelte van de extruder een aanzienlijke invloed heeft op de verblijftijd en het energieverbruik van de geëxtrudeerde materiaalsmelt in de extruder. Wanneer het stromingskanaal volledig gevuld is, zijn de materiaaleigenschappen stabieler dan wanneer de schroef niet volledig gevuld is. Alleen wanneer de schroef volledig gevuld is, kan de consistentie, kwaliteit en output van geëxtrudeerde producten gegarandeerd worden. Daarom gaan de huidige discussies van wetenschappers over de vergelijkbare theorie van dubbelschroefsextruders er in principe van uit dat het stroomkanaal volledig gevuld is.

Li Ao maakte een uitgebreide vergelijking van vergelijkbare versterkingsmethoden voor het volledig vullen van het stroomkanaal, en stelde voor om de versterkingsmethode toe te passen op een extruder met enkele schroef op een extruder met dubbele schroef, waarmee een theoretische basis werd gelegd voor de transformatie van grote machines met dubbele schroef. . Berzin et al. zijn van mening dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt in een volledig gevulde extruder zeer kritisch is. Naarmate de oppervlakte-volumeverhouding afneemt met de diameter, zal de warmteoverdrachtssnelheid van de extruder ook afnemen. Daarom wordt de schroef vaak gedefinieerd als adiabatisch in het simulatieberekeningsproces. staat, waarbij de smelttemperatuur als een van de evaluatiecriteria wordt gebruikt. Omdat het extrusieproces wordt beperkt door warmteoverdracht, is de vereiste smelttemperatuur in het smeltaflevergedeelte niet eenvoudig te bereiken. Daarom kunnen aanvullende experimenten en modellering nodig zijn bij gebruik van warmteoverdrachtsversterking. Matic' voerde een experimentele vergelijking uit van de methoden voor soortgelijke versterking van warmteoverdracht en soortgelijke amplificatiemethoden met energie, en ontdekte dat de smelttemperatuur in het gedeeltelijk gevulde gebied lager was en dat de verblijftijd vóór en na versterking in het volledig gevulde gebied vergelijkbaar was, wat erop wijst dat deze twee amplificatiemethoden zijn geschikter voor volledig gevulde stromen. In de tunnel zijn de mengprestaties in de extruder op dit moment beter. Zoals weergegeven in figuur 3 werden de verblijftijd en smelttemperatuurverdeling onder verschillende processen onderzocht, en er werd vastgesteld dat de verblijftijd en smelttemperatuur in het volledig gevulde stroomkanaal dezelfde veranderingstrend vertoonden, en dat de versterkte smelttemperatuur en verblijftijd werd breder, wat aangeeft dat de kwaliteit van het product dat na amplificatie wordt geproduceerd vergelijkbaar is met die van het referentiemodel, wat het probleem van de ontleding van het versterkte product oplost. Nakatani geloofde dat de adiabatische index en de niet-Newtoniaanse index de extruderomstandigheden en polymeereigenschappen bepalen. Hij stelde een soortgelijke versterking voor de thermische balans voor, waarbij hij de uitgangsversterkingsindex als de belangrijkste variabele gebruikte, en verifieerde de haalbaarheid van deze methode door consistente smelttemperaturen.

Figuur 3 Vergelijking tussen smelttemperatuur en lokale verblijftijd voor en na opschaling van de extruder

De dubbelschroefsextruder heeft een goede mengfunctie en er moet na versterking aandacht worden besteed aan het mengeffect van de materialen in de dubbelschroefsextruder. Qu Wenbin gebruikte de menggelijkenisversterkingsmethode om het ontwerp van de schroefelementen in het menggedeelte van de extruder te vergroten. Hij analyseerde de mengprestaties van verschillende schroefconfiguraties in het volledig gevulde stromingskanaal en bewees dat de versterking van de schroefextruder gebaseerd is op de geometrische gelijkenis van de schroefstructuur. Seksueel gedrag. Chen stelde voor dat de kwaliteit van het extrudaat wordt bepaald door parameters zoals geometrische parameters, specifieke energie, verblijftijdverdeling, temperatuur en druk, en dat deze parameters de mengverdeling tijdens het extrusieproces bepalen. Juan ontwikkelde en testte de haalbaarheid van vergelijkbare versterkingsregels voor geometrische verhoudingen met behulp van dubbelschroefsextruders met verschillende diameters. Hij ontdekte dat fundamentele procesparameters, materiaalstroomsnelheid en schroefsnelheid zeer weinig invloed hebben op de materiaaleigenschappen, terwijl de schroefconfiguratie een grotere impact heeft. Uit het bovenstaande onderzoek blijkt dat, op basis van het bepalen van de schroefconfiguratie, geometrische gelijkenisversterking output kan produceren en kan voldoen aan de vereisten van constant mengen, maar dat er verschillende temperatuurveranderingen optreden. Daarom kan de uitgebreide toepassing van meerdere vergelijkbare amplificatiemethoden het probleem beter oplossen.

Het uitgangspunt voor het uitgebreide gebruik van meerdere vergelijkbare versterkingsmethoden is het bepalen van de geometrische gelijkenis van de schroefconfiguratie en de cilindercombinatie. Vervolgens wordt, gebaseerd op het doel van het versterken van de output in de dubbelschroefsindustrie, een soortgelijke volumeversterking uitgevoerd, en tenslotte wordt de schroefsnelheid van de kleine machine omgekeerd berekend om de grote machine te bepalen. Schroefsnelheid, stromingsveldsimulatie wordt gebruikt om de veiligheid van versterking en mengprestaties te beoordelen. Dong Zhonghua heeft een versterkingstheorie afgeleid die meerdere versterkingsmethoden combineert door de meng- en temperatuurvelden tussen materialen in evenwicht te brengen, namelijk een uitgebreide thermische balans en vergelijkbare versterking, en paste deze toe in de mixers uit de ZSK-serie. Yue Jinfeng et al. gebruikte de versterkingsmethode met vergelijkbare geometrie⁃volume⁃afschuifsnelheid om amplificatieonderzoek uit te voeren op het meetgedeelte voor gemengde uitlaatgassen van het mainframe, en onderzocht de veiligheid en mengprestaties van het versterkte model. Bovendien zijn, op basis van de vergelijkbare vergroting van parallelle dubbelschroefsextruders, ook conische dubbelschroefsextruders in dit opzicht bestudeerd en besproken. Langhorst voerde verschillende simulaties en soortgelijke versterkingen uit van elk functioneel gedeelte van de speciale structuur van de conische, tegengesteld draaiende dubbelschroefsextruder. Yin Qingzhen vatte de relevante parameters samen in de vorm van dimensieloze constanten, en ontwierp en vergrootte de functionele secties van elk onderdeel van de conische dubbelschroefsextruder, waardoor voorwaarden werden geschapen voor de stabiele werking van de vergrote extruder. Chen Simeng gebruikte de micro-elementenmethode om de conische dubbelschroefsextruder voor energetische materialen te discretiseren, stelde overeenkomstige versterkingstheorieën op voor verschillende functionele secties en voerde correcties uit. Samenvattend kan de conventionele vergelijkbare amplificatiemethode specifieke parameters van onafhankelijke functionele secties versterken, maar er zijn nog steeds tekortkomingen in de algehele amplificatie van de schroefextruder. De geoptimaliseerde soortgelijke amplificatiemethode kan worden toegepast om de kenmerken van verschillende functionele secties te combineren. Werkelijke productie. Tegelijkertijd is het een belangrijke verificatiemethode om orthogonaal experimenteel ontwerp te gebruiken om verschillende parameters uitgebreid in evenwicht te brengen en te evalueren tijdens het correctieproces om de haalbaarheid van vergelijkbare amplificatie te verifiëren en het parameterniveau van het amplificatiemodel te optimaliseren.

02 Gelijkenisversterkingstheorie van kanaalvulling met gedeeltelijke stroom

Bij daadwerkelijke verwerking met een schroefextruder kan het materiaal slechts een deel van het stroomkanaal vullen, maar niet het gehele stroomkanaal volledig. De complexiteit van het vulproces van het gedeeltelijke stroomkanaal is veel groter dan de eenfasige stroom wanneer het stroomkanaal volledig gevuld is. Wanneer het stromingskanaal gedeeltelijk gevuld is, zullen de stroomsnelheid en de schuifspanning van de materiaalsmelt toenemen, waardoor het extrusieproces gecompliceerder wordt.

Gebaseerd op de kenmerken van gedeeltelijke vulling in het smeltafgiftegedeelte van een co-roterende dubbelschroefsextruder, besprak MEIJER de kanaaldiepte, soortgelijke versterking van laminaire stroming en soortgelijke versterking van warmteoverdracht, in het geval van gedeeltelijke vulling of veranderingen in viscositeit tijdens het extrusieproces (niet-isothermische, niet-Newtonse omstandigheden) is er sprake van ernstige stromingslekkage. Ganzeveld wijst erop dat het lekdebiet samenhangt met de vullingsgraad van de kamer in de toevoerzone. In het geval van gedeeltelijke vulling, naarmate het aantal volledig gevulde kamers afneemt, wordt het lekdebiet beïnvloed en zal de productieversterkingsindex afnemen. Fukuda et al. voerde weerstandsstroomtests uit op proportioneel vergrote transportelementen en kneedblokken, en stelde een soortgelijke versterking voor van het percentage weerstandsstroom om de stroomsnelheid te versterken door het percentage weerstandsstroom van het gespecificeerde element constant te houden.

Omdat er een verscheidenheid aan vergelijkbare opschalingsmethoden voor het volledig vullen van schroefextruders is voorgesteld, zijn veel onderzoekers begonnen te onderzoeken of deze methoden toepasbaar zijn in gedeeltelijk gevulde stroomkanalen. Bigio et al. zijn van mening dat als de gedeeltelijke vullingsgraad en de mengsnelheid van de dubbelschroefsextruder constant blijven, vergelijkbare opschalingsmethoden die van toepassing zijn op volledige vulling even effectief zullen zijn voor gedeeltelijk gevulde kanalen. Bij een vergelijkbare opschaling die wordt voorgesteld onder het uitgangspunt van volledige vulling, heeft de schroefgeometrie een aanzienlijke invloed op de menging en stroming die wordt ontwikkeld in de dubbelschroefsextruder. Droger et al. stelde de volumegelijkenisversterkingstheorie voor wanneer de schroef grotendeels gevuld is. De volumegelijkenisversterking houdt alleen rekening met het vrije volume van de gehele lengte van de schroef en behoudt dezelfde volheid. Door het volumedebiet als enkele variabele te gebruiken, is de versterkingsparameterindex dezelfde als die bij volledige vulling. De gemengde gelijkenisversterkingsmethode is vergelijkbaar. Haser bewees dat versterking van het extrusieproces van verschillende geometrieën kan worden bereikt op basis van versterking van de volumegelijkenis, en dat de trends in de versterkingsparameters consistent zijn. Er kan worden geconcludeerd dat de toepasselijke versterkingsmethoden voor het gedeeltelijk vullen van de stroomkanalen van dubbelschroefsextruders grotendeels zijn afgeleid van het volledig vullen van de stroomkanalen. Tabel 2 toont vergelijkbare amplificatiemethoden die gewoonlijk worden gebruikt voor extruders met dubbele schroef.

Tabel 2 Kenmerken van veelgebruikte vergelijkbare amplificatiemethoden voor dubbele schroeven

sollicitatie

Op theoretische basis heeft een groot aantal onderzoekers de gelijkheidsversterkingstheorie toegepast in de daadwerkelijke productie. Het initiële onderzoek werd gebruikt om verschillende vergelijkbare amplificatiemethoden te vergelijken. Chung voerde experimentele verificaties uit op hetzelfde type enkelschroefsextruder voor universele gelijkenisversterking, soortgelijke versterking door warmteoverdracht en versterking van geometrische gelijkenis, en ontdekte dat na geometrische gelijkenis het opgeschaalde model resultaat oplevert. Wang Jianping paste de "equivalente diameter" -methode toe om drie vergelijkbare amplificatiemethoden van het smelttransportgedeelte in de in elkaar grijpende, meedraaiende dubbelschroefsextruder te analyseren, en gebruikte de technische gegevens van grote dubbelschroeven om resultaten te verkrijgen die meer consistent zijn met de werkelijke situatie.

Figuur 4(a)~(c) toont de vergelijking van output, vermogen en snelheid met experimentele gegevens onder verschillende versterkingsmethoden. Het is gebleken dat de gegevenstrend van Maddock's soortgelijke amplificatiemethode dichter bij de experimentele gegevens ligt. Op basis van veel bestaande methoden heeft het Nastaj-team een ​​nieuw extrusiecomputeroptimalisatiesysteem ontwikkeld om het proces te optimaliseren op basis van een globaal schroefextrusiemodel om de extrusie-output te maximaliseren en het specifieke energieverbruik te minimaliseren. Figuur 4(d) is de curve van materiaal- en procesgegevens verkregen door het simuleren van de gehele extrudersectie. De vulgraad is laag in het vaste transportgedeelte en bereikt een volledig gevulde toestand nadat het vaste bed is verdwenen. Op dit moment treden duidelijke schommelingen in druk en temperatuur op. Met polyvinylchloride als voorbeeld verifieerde Menge een vergelijkbare amplificatie bij constante smelttemperatuur en constante afschuifsnelheid in een tegengesteld draaiende dubbelschroefsextruder. Richter verkreeg de deeltjesgrootteverdeling van deeltjes bij verschillende vulniveaus via een vergelijkbare amplificatiemethode. Het gebruik van deeltjestracking om veilig mengen in het stroomkanaal te verifiëren is momenteel een effectieve en intuïtieve methode.

Gebaseerd op de vergelijkbare opschaling van schroefextruders zijn geleidelijk opschalingstoepassingen van vergelijkbare structurele uitrusting ontstaan. Apparatuur zoals schroefextruders met maalschijf, interne mengers, raffinaderijen met dubbele schroef en continue mengers met dubbele rotor zijn ook begonnen soortgelijke opschalingstoepassingen te bouwen. methode. Hij Xiaoling construeerde een model van de schijfschroefextruder op basis van versterking van de menggelijkenis, en optimaliseerde tegelijkertijd de parameters met behulp van orthogonale experimenten en numerieke simulaties. Chen Kejuan et al. gebruikte de gelijkeniscriteria van geometrische gelijkenis en constante maximale schuifspanning in de schroefverwerkingstechnologie om een ​​intern mengermodel te ontwerpen. Hu Dongkui vergeleek de functies en structuren van dubbelschroefsextruders en dubbelschroefsraffinaderijen, en ontdekte dat dubbelschroefsraffinaderijen en dubbelschroefsextruders over het geheel genomen het meest op elkaar lijken en door middel van experimenten kunnen worden geverifieerd, waardoor een beter begrip ontstaat van dubbelschroefsextruders. schroefextruders. Het ontwerp van de machine is van groot belang. Gong Shuyun gebruikte energie-equivalentie als criterium om het mengeffect te meten, en stelde het proces en het theoretische model voor van een vergelijkbaar versterkingsontwerp van de mengsectie van de continue mixer met dubbele rotor. Het onderzoeksidee van een soortgelijke amplificatiemethode krijgt steeds meer aandacht in de industrie.

Figuur 4 Vergelijkende analyse van vergelijkbare amplificatietheorie in daadwerkelijke productie

Conclusie

Een soortgelijk opschalingsontwerp en toepassing van schroefextruders kan helpen de schroefstructuur, snelheid en andere parameters van de extruder te optimaliseren en de prestaties van de extruder te verbeteren. Door de vergelijkbare opschalingscriteria voor schroefextruders in binnen- en buitenland van de afgelopen jaren samen te vatten, kan echter worden vastgesteld dat, ongeacht welke methode wordt gebruikt, opschalingsexperimenten gebaseerd zijn op het garanderen van de veiligheid en het mengen van schroefextrusie.

Bij schroefextruders komen echter zaken kijken zoals energieverbruik, lekkage, mengprestaties en veiligheid. De bestaande vergelijkbare amplificatiemethoden kunnen hun voordelen niet maximaliseren. Daarom is de optimalisatie van gelijkenisstandaarden en versterkingsfactoren erg belangrijk. Toekomstig onderzoek zou het toepassingspotentieel van de gelijkheidsversterkingstheorie bij de optimalisatie van de extruderstructuur en procesparameters verder moeten onderzoeken, en overeenkomstige praktische hulpmiddelen en methoden moeten ontwikkelen om completere oplossingen te bieden voor het nauwkeuriger vormen, ontwerpen en toepassen van grote extruders. theoretische ondersteuning.