Моделювання процесу перероблення полімерів у двочерв'ячних екструдерах

Автор(и)

  • Ihor Mikulionok Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-8268-7229
  • Oleksandr Gavva Національний університет харчових технологій вул. Володимирська, 68, м. Київ, Україна, 01601, Україна https://orcid.org/0000-0003-2938-0230
  • Liudmyla Kryvoplias-Volodina Національний університет харчових технологій вул. Володимирська, 68, м. Київ, Україна, 01601, Україна https://orcid.org/0000-0001-9906-6381

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.139886

Ключові слова:

двочерв’ячний екструдер, різно- та односпрямоване обертання черв’яків, граничні умови, температурне поле

Анотація

Розроблено математичну модель процесу перероблення полімерів у двочерв’ячних екструдерах з одно- і різноспрямованим обертанням черв’яків. Модель враховує теплообмін полімеру з черв’яками й циліндром, а також реальні граничні умови (черв’яки обертаються, циліндр нерухомий).

Для аналізу процесу використано модель виділеного С-подібного об’єму, який обмежено одним витком нарізки кожного із черв’яків і в якому перебуває певний об’єм перероблюваного полімеру. Така модель дає змогу описати процес перероблення як у випадку повного, так і часткового заповнення робочого каналу перероблюваним матеріалом. Це особливо важливо в разі дозованого живлення екструдера полімером, що характерно для сучасного екструзійного обладнання.

Досліджено температурне поле полімеру в робочих каналах екструдерів з одно- і різноспрямованим обертанням черв’яків і виконано порівняння результатів розрахунків з експериментом. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що на відміну від одночерв’ячного екструдера у двочерв’ячному екструдері робочі органи спочатку потрібно інтенсивно нагрівати, а потім охолоджувати (у напрямку від завантажувальної лійки до екструзійної головки).

Розроблена методика була успішно використана під час відпрацьовування режимів перероблення різних полімерних матеріалів на двочерв’ячних екструдерах з одно- і різноспрямованим обертанням черв’яків діаметром 125 і 83 мм, відповідно.

Розбіжність розрахованого та експериментального значень температури на виході двочерв’ячного екструдера з односпрямованим обертанням черв’яків Ø83×30D не перевищує 10 %. При цьому експериментальне значення температури дещо перевищило задане значення. Це можна пояснити тим, що система термостабілізації робочих органів для досліджених режимів переробдення не могла ефективно відводити  теплоту дисипації, що виділялася.

Використання розробленої математичної моделі дасть змогу краще прогнозувати ефективні режими роботи двочерв’ячних екструдерів, особливо під час перероблення матеріалів з низькою термічною стійкістю

Біографії авторів

Ihor Mikulionok, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Доктор технічних наук, професор

Кафедра хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Oleksandr Gavva, Національний університет харчових технологій вул. Володимирська, 68, м. Київ, Україна, 01601

Доктор технічних наук, професор

Кафедра машин і апаратів харчових та фармацевтичних виробництв

Навчально-науковий інженерно-технічний інститут ім. акад. І. С. Гулого

Liudmyla Kryvoplias-Volodina, Національний університет харчових технологій вул. Володимирська, 68, м. Київ, Україна, 01601

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра мехатроніки та пакувальної техніки

Навчально-науковий інженерно-технічний інститут ім. акад. І. С. Гулого

Посилання

  1. Schenkel, G. (1959). Schneckenpressen für kunststoffe. München: Carl Hanser Verlag, 467.
  2. Tadmor, Z., Gogos, C. G. (2006). Principles of polymer processing. Hoboken: John Wiley & Sons, 961.
  3. Rauwendaal, C. (2014). Polymer extrusion. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 950. doi: https://doi.org/10.3139/9781569905395
  4. Mikulionok, I. O. (2015). Classification of Processes and Equipment for Manufacture of Continuous Products from Thermoplastic Materials. Chemical and Petroleum Engineering, 51 (1-2), 14–19. doi: https://doi.org/10.1007/s10556-015-9990-6
  5. Mikulionok, I. O., Radchenko, L. B. (2012). Screw extrusion of thermoplastics: I. General model of the screw extrusion. Russian Journal of Applied Chemistry, 85 (3), 489–504. doi: https://doi.org/10.1134/s1070427211030305
  6. Mikulionok, I. O., Radchenko, L. B. (2012). Screw extrusion of thermoplastics: II. Simulation of feeding zone of the single screw extruder. Russian Journal of Applied Chemistry, 85 (3), 505–514. doi: https://doi.org/10.1134/s1070427211030317
  7. Mikulionok, I., Gavva, O., Kryvoplias-Volodina, L. (2018). Modeling of melting process in a single screw extruder for polymer processing. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (92)), 4–11. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.127583
  8. Todd, D. B. (2000). Improving incorporation of fillers in plastics. A special report. Advances in Polymer Technology, 19 (1), 54–64. doi: https://doi.org/10.1002/(sici)1098-2329(20000117)19:1<54::aid-adv6>3.0.co;2-#
  9. Potente, H., Kretschmer, K. (2001). In 60 Sekunden optimiert. Kunststoffe, 9, 76, 78, 80–81.
  10. Mikulyonok, I. O. (2013). Equipment for preparing and continuous molding of thermoplastic composites. Chemical and Petroleum Engineering, 48 (11-12), 658–661. doi: https://doi.org/10.1007/s10556-013-9676-x
  11. Rauwendaal, C. (1996). The geometry of self-cleaning twin-screw extruders. Advances in Polymer Technology, 15 (2), 127–133. doi: https://doi.org/10.1002/(sici)1098-2329(199622)15:2<127::aid-adv2>3.0.co;2-x
  12. Shearer, G., Tzoganakis, C. (2001). Distributive mixing profiles for co-rotating twin-screw extruders. Advances in Polymer Technology, 20 (3), 169–190. doi: https://doi.org/10.1002/adv.1014
  13. Avalosse, T., Rubin, Y. (2000). Analysis of Mixing in Corotating Twin Screw Extruders through Numerical Simulation. International Polymer Processing, 15 (2), 117–123. doi: https://doi.org/10.3139/217.1586
  14. Bravo, V. L., Hrymak, A. N., Wright, J. D. (2000). Numerical simulation of pressure and velocity profiles in kneading elements of a co-rotating twin screw extruder. Polymer Engineering & Science, 40 (2), 525–541. doi: https://doi.org/10.1002/pen.11184
  15. Rathod, M. L., Ashokan, B. K., Fanning, L. M., Kokini, J. L. (2014). Non-Newtonian Fluid Mixing in a Twin-Screw Mixer Geometry: Three-Dimensional Mesh Development, Effect of Fluid Model and Operating Conditions. Journal of Food Process Engineering, 38 (3), 207–224. doi: https://doi.org/10.1111/jfpe.12154
  16. Mikulionok, I. O. (2013). Screw extruder mixing and dispersing units. Chemical and Petroleum Engineering, 49 (1-2), 103–109. doi: https://doi.org/10.1007/s10556-013-9711-y
  17. Eitzlmayr, A., Khinast, J. (2015). Co-rotating twin-screw extruders: Detailed analysis of conveying elements based on smoothed particle hydrodynamics. Part 1: Hydrodynamics. Chemical Engineering Science, 134, 861–879. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.04.055
  18. He, Q., Huang, J., Shi, X., Wang, X.-P., Bi, C. (2017). Numerical simulation of 2D unsteady shear-thinning non-Newtonian incompressible fluid in screw extruder with fictitious domain method. Computers & Mathematics with Applications, 73 (1), 109–121. doi: https://doi.org/10.1016/j.camwa.2016.11.005
  19. Eitzlmayr, A., Khinast, J., Hörl, G., Koscher, G., Reynolds, G., Huang, Z. et. al. (2013). Experimental characterization and modeling of twin-screw extruder elements for pharmaceutical hot melt extrusion. AIChE Journal, 59 (11), 4440–4450. doi: https://doi.org/10.1002/aic.14184
  20. Eitzlmayr, A., Matić, J., Khinast, J. (2017). Analysis of flow and mixing in screw elements of corotating twin-screw extruders via SPH. AIChE Journal, 63 (6), 2451–2463. doi: https://doi.org/10.1002/aic.15607
  21. Hétu, J.-F., Ilinca, F. (2013). Immersed boundary finite elements for 3D flow simulations in twin-screw extruders. Computers & Fluids, 87, 2–11. doi: https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2012.06.025
  22. Zhang, X.-M., Feng, L.-F., Chen, W.-X., Hu, G.-H. (2009). Numerical simulation and experimental validation of mixing performance of kneading discs in a twin screw extruder. Polymer Engineering & Science, 49 (9), 1772–1783. doi: https://doi.org/10.1002/pen.21404
  23. Lewandowski, A., Wilczyński, K. J., Nastaj, A., Wilczyński, K. (2015). A composite model for an intermeshing counter-rotating twin-screw extruder and its experimental verification. Polymer Engineering & Science, 55 (12), 2838–2848. doi: https://doi.org/10.1002/pen.24175
  24. Mikulionok, I. O. (2011). Technique of parametric and heat computations of rollers for processing of plastics and rubber compounds. Russian Journal of Applied Chemistry, 84 (9), 1642–1654. doi: https://doi.org/10.1134/s1070427211090333
  25. Wilczyński, K., Lewandowski, A. (2014). Study on the Polymer Melt Flow in a Closely Intermeshing Counter-Rotating Twin Screw Extruder. International Polymer Processing, 29 (5), 649–659. doi: https://doi.org/10.3139/217.2962
  26. Basov, N. I., Kazankov, Yu. V., Lyubartovich, V. A. (1986). Raschet i konstruirovanie oborudovaniya dlya proizvodstva i pererabotki polimernyh materialov. Moscow: Himiya, 488.
  27. Mikulionok, I. O. (2011). Pretreatment of recycled polymer raw material. Russian Journal of Applied Chemistry, 84 (6), 1105–1113. doi: https://doi.org/10.1134/s1070427211060371

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-07-31

Як цитувати

Mikulionok, I., Gavva, O., & Kryvoplias-Volodina, L. (2018). Моделювання процесу перероблення полімерів у двочерв’ячних екструдерах. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(5 (94), 35–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.139886

Номер

Том 4 № 5 (94) (2018): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Ihor Mikulionok, Oleksandr Gavva, Liudmyla Kryvoplias-Volodina

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.