Wie wechselt man vom Minicomputer zum Großrechner? Forschungsfortschritte zur ähnlichen Verstärkungstheorie von Schneckenextrudern

Der kontinuierliche Schneckenextruder verfügt über ein hohes Maß an Flexibilität und Automatisierung. Der Einsatz der Extrusionsverarbeitung während der Polymerverarbeitung kann die Verarbeitungskosten effektiv senken, die Produktionseffizienz verbessern und die Abfallemissionen reduzieren.

Obwohl bestehende Extruder das derzeitige Schmelzen und Mischen von Materialien in der Schnecke bewältigen können, kann ihre geringe Ausstoßeffizienz mit zunehmendem Grad der Industrialisierung den Anforderungen der zukünftigen Industrie nicht mehr gerecht werden. Um die Verarbeitungseffizienz von Polymeren weiter zu verbessern, ist die Entwicklung großtechnischer Extruder dringend erforderlich.

Wenn Sie jedoch Großgeräte direkt entwerfen, werden Sie aufgrund unzureichender Designerfahrung mit Problemen wie Ressourcenverschwendung konfrontiert. Daher ist die theoretische Forschung im Maßstab für Schneckenextrusionsanlagen besonders wichtig geworden.

Die Ähnlichkeitsverstärkungstheorie ist eine dimensionslose Zahlengruppe, die Parameter darstellt, die sich auf ein bestimmtes Phänomen im System beziehen. Wenn die Phänomene in zwei Systemen ähnlich sind, besteht auch eine gewisse Ähnlichkeit zwischen den relevanten Parametern. Diese Ähnlichkeit kann eine dimensionslose Zahlengruppe bilden, d. h. das Ähnlichkeitskriterium ist ein konstanter Wert. Ausgehend vom Ähnlichkeitssatz kann durch die Anwendung der in Kleingeräten gezogenen empirischen Schlussfolgerungen auf Großproduktionsanlagen sichergestellt werden, dass die in Klein- und Großgeräten erzeugten dimensionslosen Gruppen gleich sind und dadurch die dimensionslosen Lösungsformen unterschiedlich bleiben Gleichungen konsistent. Ändern. Für die Schneckenstrukturkonstruktion großer Doppelschneckenextruder kann die ähnliche Verstärkungstheorie von Extrudern verwendet werden. Diese Theorie kann von der Perspektive der geometrischen Ähnlichkeit ausgehen und durch das Studium der parametrischen Modellierung eine Plattform für Design bieten. Durch die Einführung dieser Entwurfsmethode können wiederholte Modellierungen vermieden, Entwurfszeit gespart und dadurch die Produktionseffizienz und die Produktionsqualität verbessert werden.

In den letzten Jahren wurde die Forschung zum Aufbau kleiner Extruder vielfach diskutiert, die Forschung zu großen Extrudern befindet sich jedoch noch im Sondierungsstadium. Durch eingehende Forschung zu den geometrischen Parametern und der Leistungsindexverstärkung des experimentellen Modells kann es eine theoretische Grundlage für die Entwicklung von Großschneckenextrudern liefern und so die Designqualität und Erfolgsquote verbessern. Ziel dieses Artikels ist es, die aktuellen Arbeiten und Fortschritte auf diesem Gebiet anhand der ähnlichen Verstärkungstheorie vorzustellen, die auf Doppelschneckenextruder anwendbar ist.

Doppelschneckenextruder ähnliche Verstärkungstheorie

Doppelschneckenextruder haben eine bessere Mischleistung als Einschneckenextruder. Nach wissenschaftlicher Forschung zu ähnlichen Verstärkungstheorien von Einschneckenextrudern weiteten sie diese auf Doppelschneckenextruder aus. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird unter der Voraussetzung, dass der Spiralwinkel (φ) unverändert bleibt, die Doppelschnecke entfaltet, um die Durchmesserbeziehung zwischen der Doppelschnecke und der Einzelschnecke zu erhalten, wie in Gleichung (1) dargestellt. Durch Ignorieren des Einflusses der Eingriffsfläche (ψ-Eingriffswinkel beträgt etwa 0) wird die Machbarkeit der Doppelschneckennäherung an eine Einzelschnecke weiter verdeutlicht.

Abbildung 2 Ähnliches Diagramm eines Doppelschnecken-Strömungskanals, der in etwa einem Einzelschnecken-Strömungskanal entspricht

Mischleistungs- und Sicherheitsstudien von Doppelschneckenextrudern sind wichtige Faktoren für eine erfolgreiche Extruderkonstruktion. Es ist notwendig, die Verstärkungskriterien für Schlüsselparameter zu bestimmen und die verstärkten Effekte anhand numerischer Berechnungen zu untersuchen. In einem Doppelschneckenextruder hat das Material einen teilweise gefüllten Abschnitt und einen vollständig gefüllten Abschnitt. Ähnliche Verstärkungstheorien, die für Einschneckenextruder gelten, gelten auch für Doppelschneckenextruder mit vollständig gefüllten Abschnitten. Als jedoch die Nachfrage nach verteilten Mischextrudern und Doppelschneckenextrudern zur Entgasung stieg, tauchten ähnliche Scale-up-Theorien für nicht kämmende Doppelschneckenextruder auf, die den Kanalbereich teilweise ausfüllten. Da der Füllgrad des Doppelschneckenextruders ein wichtiger Indikator für die Förderleistung der Schnecke ist, lässt sich das Kriterium der Doppelschneckenverstärkung noch weiter unterteilen nach den unterschiedlichen Füllgraden der Strömungskanäle des Doppelschneckenextruders.

01Ähnliche Verstärkungstheorie der vollständigen Füllung von Strömungskanälen

Vollständig gefüllter Fließkanal bedeutet, dass das Material vollständig und lückenlos im Fließkanal eingefüllt ist. Die Forscher fanden heraus, dass die Länge des vollständig gefüllten Abschnitts des Extruders einen erheblichen Einfluss auf die Verweilzeit und den Stromverbrauch der extrudierten Materialschmelze im Extruder hat. Bei vollständig gefülltem Fließkanal sind die Materialeigenschaften stabiler als bei nicht vollständig gefüllter Schnecke. Nur wenn die Schnecke vollständig gefüllt ist, können Konsistenz, Qualität und Leistung der extrudierten Produkte gewährleistet werden. Aktuelle Diskussionen der Wissenschaftler zur ähnlichen Theorie von Doppelschneckenextrudern gehen daher grundsätzlich davon aus, dass der Strömungskanal vollständig gefüllt ist.

Li Ao führte einen umfassenden Vergleich ähnlicher Verstärkungsmethoden zum vollständigen Füllen des Strömungskanals durch und schlug vor, die Verstärkungsmethode auf einen Einschneckenextruder auf einen Doppelschneckenextruder anzuwenden und damit eine theoretische Grundlage für die Transformation großer Doppelschneckenmaschinen zu legen . Berzin et al. glauben, dass der Wärmeübergangskoeffizient in einem vollständig gefüllten Extruder sehr kritisch ist. Da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen mit zunehmendem Durchmesser abnimmt, verringert sich auch die Wärmeübertragungsrate des Extruders. Daher wird die Schraube im Simulationsberechnungsprozess häufig als adiabatisch definiert. Zustand, wobei die Schmelzetemperatur als eines der Bewertungskriterium verwendet wird. Da der Extrusionsprozess durch die Wärmeübertragung begrenzt ist, ist es nicht einfach, die erforderliche Schmelzetemperatur im Schmelzeabgabebereich zu erreichen. Daher können bei Verwendung der Wärmeübertragungsverstärkung zusätzliche Experimente und Modellierungen erforderlich sein. Matic führte einen experimentellen Vergleich der wärmeübertragungsähnlichen Verstärkungs- und energieähnlichen Verstärkungsmethoden durch und stellte fest, dass die Schmelztemperatur im teilweise gefüllten Bereich niedriger war und die Verweilzeit vor und nach der Verstärkung im vollständig gefüllten Bereich ähnlich war, was darauf hindeutet, dass diese beiden Verstärkungsmethoden eignen sich besser für vollständig gefüllte Strömungen. Im Tunnel ist die Mischleistung im Extruder zu diesem Zeitpunkt besser. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wurden die Verweilzeit und die Schmelztemperaturverteilung bei verschiedenen Prozessen untersucht und es wurde festgestellt, dass die Verweilzeit und die Schmelztemperatur im vollständig gefüllten Strömungskanal den gleichen Änderungstrend und die verstärkte Schmelztemperatur und Verweilzeit aufwiesen wurde breiter, was darauf hinweist, dass die Qualität des nach der Amplifikation erzeugten Produkts der des Referenzmodells ähnelt, wodurch das Problem der Zersetzung des amplifizierten Produkts gelöst wird. Nakatani glaubte, dass der adiabatische Index und der nicht-Newtonsche Index die Extruderbedingungen und Polymereigenschaften bestimmen. Er schlug eine thermische Gleichgewichtsverstärkung unter Verwendung des Ausgangsverstärkungsindex als Hauptvariable vor und überprüfte die Durchführbarkeit dieser Methode durch konstante Schmelztemperaturen.

Abbildung 3 Vergleich zwischen Schmelzetemperatur und lokaler Verweilzeit vor und nach der Vergrößerung des Extruders

Der Doppelschneckenextruder hat eine gute Mischfunktion, und nach der Verstärkung sollte auf den Mischeffekt der Materialien im Doppelschneckenextruder geachtet werden. Qu Wenbin nutzte die Methode der Mischungsähnlichkeitsverstärkung, um das Design der Schneckenelemente im Mischabschnitt des Extruders zu vergrößern. Er analysierte die Mischleistung verschiedener Schneckenkonfigurationen im vollständig gefüllten Strömungskanal und wies nach, dass die Verstärkung des Schneckenextruders auf der geometrischen Ähnlichkeit der Schneckenstruktur beruht. Sexuelles Verhalten. Chen schlug vor, dass die Extrudatqualität durch Parameter wie geometrische Parameter, spezifische Energie, Verweilzeitverteilung, Temperatur und Druck bestimmt wird und diese Parameter die Mischungsverteilung während des Extrusionsprozesses bestimmen. Juan entwickelte und testete die Machbarkeit ähnlicher Regeln zur Verstärkung des geometrischen Verhältnisses unter Verwendung von Doppelschneckenextrudern mit unterschiedlichen Durchmessern. Er stellte fest, dass grundlegende Prozessparameter, Materialdurchflussrate und Schneckengeschwindigkeit nur einen sehr geringen Einfluss auf die Materialeigenschaften haben, während die Schneckenkonfiguration einen größeren Einfluss hat. Die obige Untersuchung zeigt, dass auf der Grundlage der Bestimmung der Schneckenkonfiguration die Verstärkung der geometrischen Ähnlichkeit eine Leistung erzeugen und die Anforderungen einer konstanten Mischung erfüllen kann, jedoch unterschiedliche Temperaturänderungen aufweist. Daher kann die umfassende Anwendung mehrerer ähnlicher Verstärkungsmethoden das Problem besser lösen.

Voraussetzung für den umfassenden Einsatz mehrerer ähnlicher Verstärkungsmethoden ist die Bestimmung der geometrischen Ähnlichkeit der Schneckenkonfiguration und der Zylinderkombination. Basierend auf dem Zweck der Leistungsverstärkung in der Doppelschneckenindustrie wird dann eine ähnliche Volumenverstärkung durchgeführt und schließlich die Schneckengeschwindigkeit der kleinen Maschine umgekehrt berechnet, um die der großen Maschine zu bestimmen. Zur Beurteilung der Sicherheit der Verstärkungs- und Mischleistung werden Schneckengeschwindigkeit und Strömungsfeldsimulation verwendet. Dong Zhonghua leitete eine Verstärkungstheorie ab, die mehrere Verstärkungsmethoden kombiniert, indem er die Mischungs- und Temperaturfelder zwischen Materialien ausgleicht, nämlich eine umfassende thermische Balance und eine mischungsähnliche Verstärkung, und wendete sie in den Mischern der ZSK-Serie an. Yue Jinfeng et al. nutzte die Geometrie-Volumen-Scherraten-ähnliche Verstärkungsmethode, um Verstärkungsforschung am Mischabgas-Dosierabschnitt des Hauptrechners durchzuführen und untersuchte die Sicherheit und Mischleistung des verstärkten Modells. Basierend auf der ähnlichen Erweiterung paralleler Doppelschneckenextruder wurden in diesem Zusammenhang auch konische Doppelschneckenextruder untersucht und diskutiert. Langhorst führte verschiedene Simulationen und ähnliche Verstärkungen für jeden Funktionsabschnitt der speziellen Struktur des konischen gegenläufigen Doppelschneckenextruders durch. Yin Qingzhen fasste die relevanten Parameter in Form dimensionsloser Konstanten zusammen und entwarf und vergrößerte die Funktionsabschnitte jedes Teils des konischen Doppelschneckenextruders, um Bedingungen für den stabilen Betrieb des vergrößerten Extruders zu schaffen. Chen Simeng nutzte die Mikroelementmethode zur Diskretisierung des konischen Doppelschneckenextruders für energetische Materialien, stellte entsprechende Verstärkungstheorien für verschiedene Funktionsabschnitte auf und nahm Korrekturen vor. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die herkömmliche ähnliche Verstärkungsmethode bestimmte Parameter unabhängiger Funktionsabschnitte verstärken kann, es gibt jedoch immer noch Mängel bei der Gesamtverstärkung des Schneckenextruders. Die optimierte ähnliche Verstärkungsmethode kann angewendet werden, um die Eigenschaften verschiedener Funktionsabschnitte zu kombinieren. Tatsächliche Produktion. Gleichzeitig ist es eine wichtige Verifizierungsmethode, orthogonales experimentelles Design zu verwenden, um verschiedene Parameter während des Korrekturprozesses umfassend auszugleichen und zu bewerten, um die Machbarkeit einer ähnlichen Verstärkung zu überprüfen und das Parameterniveau des Verstärkungsmodells zu optimieren.

02 Ähnlichkeitsverstärkungstheorie der Teilströmungskanalfüllung

Bei der eigentlichen Schneckenextruderverarbeitung kann das Material nur einen Teil des Fließkanals füllen, nicht jedoch den gesamten Fließkanal. Die Komplexität des Füllprozesses des Teilstromkanals ist weitaus größer als der der einphasigen Strömung, wenn der Strömungskanal vollständig gefüllt ist. Wenn der Fließkanal teilweise gefüllt ist, erhöhen sich die Fließgeschwindigkeit und die Scherspannung der Materialschmelze, was den Extrusionsprozess komplizierter macht.

Basierend auf den Eigenschaften einer Teilfüllung im Schmelzeabgabeabschnitt eines gleichläufig rotierenden Doppelschneckenextruders erörterte MEIJER die Kanaltiefe, eine ähnliche Verstärkung der laminaren Strömung und eine ähnliche Verstärkung der Wärmeübertragung im Fall einer Teilfüllung oder Änderungen der Viskosität Während des Extrusionsprozesses (nicht isotherme, nicht Newtonsche Bedingungen) kommt es zu erheblichen Strömungsleckagen. Ganzeveld wies darauf hin, dass die Leckstromrate mit dem Füllungsgrad der Kammer in der Einzugszone zusammenhängt. Im Falle einer teilweisen Füllung wird die Leckflussrate beeinflusst, wenn die Anzahl der vollständig gefüllten Kammern abnimmt, und der Produktionsverstärkungsindex nimmt ab. Fukuda et al. führte Widerstandsflusstests an proportional vergrößerten Förderelementen und Knetblöcken durch und schlug eine ähnliche Verstärkung des prozentualen Widerstandsflusses vor, um die Durchflussrate zu erhöhen, indem der prozentuale Widerstandsfluss des angegebenen Elements konstant gehalten wird.

Da eine Vielzahl ähnlicher Scale-Up-Methoden für die vollständige Füllung von Schneckenextrudern vorgeschlagen wurden, haben viele Forscher damit begonnen zu untersuchen, ob diese Methoden in teilweise gefüllten Fließkanälen anwendbar sind. Bigio et al. glauben, dass, wenn der Teilfüllungsgrad und die Mischungsrate des Doppelschneckenextruders konstant bleiben, ähnliche Scale-Up-Methoden, die auf die vollständige Füllung anwendbar sind, auch für teilweise gefüllte Kanäle gleichermaßen wirksam sind. In einem ähnlichen Maßstab, der unter der Voraussetzung einer vollständigen Füllung vorgeschlagen wurde, hat die Schneckengeometrie einen erheblichen Einfluss auf die Mischung und den Fluss, der sich im Doppelschneckenextruder entwickelt. Trockner et al. schlug die Theorie der Volumenähnlichkeitsverstärkung vor, wenn die Schraube größtenteils gefüllt ist. Die Volumenähnlichkeitsverstärkung berücksichtigt nur das freie Volumen der gesamten Schraubenlänge und behält die gleiche Fülle bei. Unter Verwendung des Volumenstroms als einzige Variable ist der Verstärkungsparameterindex derselbe wie bei vollständiger Füllung. Die Methode der gemischten Ähnlichkeitsverstärkung ist ähnlich. Haser hat bewiesen, dass eine Verstärkung des Extrusionsprozesses unterschiedlicher Geometrien auf der Grundlage der Volumenähnlichkeitsverstärkung erreicht werden kann und die Trends der Verstärkungsparameter konsistent sind. Daraus lässt sich schließen, dass die anwendbaren Verstärkungsmethoden zum teilweisen Füllen der Strömungskanäle von Doppelschneckenextrudern größtenteils von der vollständigen Füllung der Strömungskanäle abgeleitet sind. Tabelle 2 zeigt ähnliche Verstärkungsmethoden, die üblicherweise für Doppelschneckenextruder verwendet werden.

Tabelle 2 Eigenschaften häufig verwendeter ähnlicher Verstärkungsmethoden für Doppelschrauben

Anwendung

Auf theoretischer Basis haben zahlreiche Forscher die Ähnlichkeitsverstärkungstheorie in der tatsächlichen Produktion angewendet. Die anfängliche Forschung diente dazu, verschiedene ähnliche Amplifikationsmethoden zu vergleichen. Chung führte experimentelle Überprüfungen für die universelle Ähnlichkeitsverstärkung, die Wärmeübertragungsähnlichkeitsverstärkung und die geometrische Ähnlichkeitsverstärkung mit demselben Einschneckenextrudertyp durch und stellte fest, dass nach der geometrischen Ähnlichkeit das vergrößerte Modell ausgegeben wurde. Wang Jianping wandte die Methode des „äquivalenten Durchmessers“ an, um drei ähnliche Verstärkungsmethoden des Schmelzeförderabschnitts im kämmenden gleichläufigen Doppelschneckenextruder zu analysieren, und nutzte die technischen Daten großer Doppelschnecken, um Ergebnisse zu erhalten, die besser mit denen übereinstimmen tatsächliche Situation.

Abbildung 4(a)~(c) zeigt den Vergleich von Leistung, Leistung und Geschwindigkeit mit experimentellen Daten unter verschiedenen Verstärkungsmethoden. Es wurde festgestellt, dass der Datentrend von Maddocks ähnlicher Verstärkungsmethode näher an den experimentellen Daten liegt. Auf der Grundlage vieler bestehender Methoden entwickelte das Nastaj-Team ein neues Computeroptimierungssystem für die Extrusion, um den Prozess auf der Grundlage eines globalen Schneckenextrusionsmodells zu optimieren und so die Extrusionsleistung zu maximieren und den spezifischen Energieverbrauch zu minimieren. Abbildung 4(d) ist die Kurve der Material- und Prozessdaten, die durch Simulation des gesamten Extruderabschnitts erhalten wurde. Der Füllgrad ist im Feststoffförderbereich gering und erreicht nach dem Verschwinden des Feststoffbetts einen vollständig gefüllten Zustand. Zu diesem Zeitpunkt treten deutliche Druck- und Temperaturschwankungen auf. Am Beispiel von Polyvinylchlorid verifizierte Menge eine ähnliche Verstärkung bei konstanter Schmelzetemperatur und konstanter Schergeschwindigkeit in einem gegenläufigen Doppelschneckenextruder. Mit einer ähnlichen Verstärkungsmethode ermittelte Richter die Partikelgrößenverteilung von Partikeln bei unterschiedlichen Füllgraden. Die Verwendung der Partikelverfolgung zur Überprüfung der sicheren Durchmischung im Strömungskanal ist derzeit eine effektive und intuitive Methode.

Basierend auf dem ähnlichen Scale-up von Schneckenextrudern sind nach und nach Scale-up-Anwendungen ähnlicher Strukturausrüstung entstanden. Geräte wie Mahlscheibenschneckenextruder, Innenmischer, Doppelschnecken-Refiner und Doppelrotor-Durchlaufmischer haben ebenfalls damit begonnen, ähnliche Scale-up-Anwendungen zu entwickeln. Verfahren. He Xiaoling konstruierte ein Modell des Scheibenschneckenextruders auf Basis der Mischungsähnlichkeitsverstärkung und optimierte gleichzeitig die Parameter mithilfe orthogonaler Experimente und numerischer Simulationen. Chen Kejuan et al. nutzte die Ähnlichkeitskriterien der geometrischen Ähnlichkeit und der konstanten maximalen Scherspannung in der Schneckenverarbeitungstechnologie, um ein internes Mischermodell zu entwerfen. Hu Dongkui verglich die Funktionen und Strukturen von Doppelschneckenextrudern und Doppelschneckenrefinern und stellte fest, dass Doppelschneckenrefiner und Doppelschneckenextruder insgesamt am ähnlichsten sind und durch Experimente überprüft werden können, was zu einem besseren Verständnis von Doppelschneckenextrudern führt. Schneckenextruder. Das Design der Maschine ist von großer Bedeutung. Gong Shuyun verwendete die Energieäquivalenz als Kriterium zur Messung des Mischeffekts und schlug den Prozess und das theoretische Modell eines ähnlichen Verstärkungsdesigns des Mischabschnitts des kontinuierlichen Doppelrotormischers vor. Die Forschungsidee einer ähnlichen Verstärkungsmethode findet in der Industrie immer mehr Beachtung.

Abbildung 4 Vergleichende Analyse einer ähnlichen Verstärkungstheorie in der tatsächlichen Produktion

Abschluss

Ein ähnliches Scale-Up-Design und die Anwendung von Schneckenextrudern können dazu beitragen, die Schneckenstruktur, Geschwindigkeit und andere Parameter des Extruders zu optimieren und die Leistung des Extruders zu verbessern. Wenn man jedoch die ähnlichen Scale-up-Kriterien für Schneckenextruder im In- und Ausland in den letzten Jahren zusammenfasst, kann man feststellen, dass Scale-up-Experimente unabhängig von der verwendeten Methode auf der Gewährleistung der Sicherheit und Durchmischung der Schneckenextrusion basieren.

Bei Schneckenextrudern gibt es jedoch Probleme wie Energieverbrauch, Leckage, Mischleistung und Sicherheit. Die vorhandenen ähnlichen Verstärkungsmethoden können ihre Vorteile nicht maximieren. Daher ist die Optimierung von Ähnlichkeitsstandards und Verstärkungsfaktoren sehr wichtig. Zukünftige Forschungen sollten das Anwendungspotenzial der Ähnlichkeitsverstärkungstheorie bei der Optimierung der Extruderstruktur und der Prozessparameter weiter untersuchen und entsprechende praktische Werkzeuge und Methoden entwickeln, um umfassendere Lösungen für eine genauere Formung, Konstruktion und Anwendung großer Extruder bereitzustellen. theoretische Unterstützung.