Пропускная способность — это параметр, определяющий коммерческую жизнеспособность линии экструзии листов. Производительность экструзии диаметра шнека требует особых соображений, которые отличаются от общих процессов экструзии. Слишком мало, и нижестоящее оборудование работает ниже своей мощности, что снижает рентабельность. Слишком много, и охлаждающие валки не смогут достаточно быстро затвердеть лист, что приведет к снижению скорости линии. В центре этих расчетов находится диаметр шнека экструдера — единственная переменная, которая самым прямым образом ограничивает количество полимера, которое машина может переработать в час. Производительность экструзии диаметра шнека не является фиксированным числом; это зависит от скорости шнека, свойств полимера, геометрии шнека и рабочего давления. Взаимосвязь между этими переменными описывается фундаментальными уравнениями потока одношнековой экструзии, которые разделяют общую производительность на компоненты потока сопротивления, потока давления и потока утечки. В этой статье объясняется теория, лежащая в основе расчета производительности экструзии, приводятся практические формулы и предлагаются справочные данные о производительности для обычных листовых экструзионных полимеров. Более широкий контекст процесса экструзии см. в руководстве по технология экструзии листов.
Физика производительности экструдера: поток сопротивления, поток давления и поток утечки
Продукция одношнекового экструдера является конечным результатом трех механизмов потока. Сопротивляющийся поток — это движение вперед, вызываемое относительным движением между шнеком и стволом. Он пропорционален скорости шнека, глубине канала и диаметру шнека и представляет собой максимальную теоретическую мощность.
Напорный поток действует в противоположном направлении. Матрица на конце экструдера создает сопротивление потоку, создавая градиент давления, который вызывает обратный поток от конца матрицы с высоким давлением к концу подачи с низким давлением. Расход давления пропорционален градиенту давления и кубу глубины канала. Поток утечки происходит через небольшой зазор между кончиками шнеков и стенкой цилиндра — обычно от 0,1 до 0,15 процента диаметра шнека — и обычно составляет менее 5 процентов от общей производительности.
Общий объемный выход представляет собой поток сопротивления минус поток давления и поток утечки. В упрощенном виде: Q = Q_drag — Q_pressure — Q_leakage . Практический смысл заключается в том, что производительность экструдера — это не простое число, а функция условий эксплуатации. При заданной скорости шнека производительность снижается по мере увеличения давления матрицы. Шнек с мелким каналом имеет более пологую характеристику, что означает, что его выходная мощность менее чувствительна к изменениям давления в головке; шнек с глубоким каналом имеет более высокую производительность при низком давлении, но падает более резко по мере увеличения давления.
Диаметр винта и закон масштабирования производительности
Диаметр шнека влияет на производительность через коэффициент сопротивления потоку, пропорциональный квадрату диаметра. Удвоение диаметра шнека увеличивает теоретическую производительность в четыре раза. Шнек диаметром 150 мм может обрабатывать примерно в 2,25 раза больше производительности, чем шнек диаметром 100 мм при той же скорости шнека. Масштабирование не является совершенно квадратичным, поскольку глубина канала, соотношение L/D и допустимая скорость шнека также изменяются в зависимости от диаметра. Винты большего размера обычно работают на более низких оборотах, чтобы поддерживать ту же скорость наконечника, что ограничено чувствительностью полимера к сдвигу.
Практическая производительность в обычном диапазоне диаметров дает приблизительное представление о размерах. Одношнековый экструдер диаметром 65 мм для переработки ПП может производить 150-250 кг/час. Машина диаметром 90 мм: 350-500 кг/час. Машина диаметром 120 мм: 800–1200 кг/час. Машина диаметром 150 мм: 1200–1800 кг/час. Соотношение LD конструкции экструзионного шнека влияет на практический потолок производительности: более длинное L/D обеспечивает большую производительность плавления, что позволяет использовать более высокие скорости шнека до того, как плавление станет неполным.
Практические таблицы производительности для обычных листовых полимеров
Следующие диапазоны производительности представляют типичную производительность хорошо спроектированных одношнековых экструдеров, перерабатывающих обычные листовые полимеры при соотношении L/D от 28:1 до 33:1. Значения предполагают сбалансированную конструкцию шнека с соответствующей степенью сжатия и секцией смешивания полимера.
Лист полипропилена (ПП):
Лист полиэтилена (HDPE/LDPE):
65 мм: 130-200 кг/час
90 мм: 300-450 кг/час
120 мм: 700–1050 кг/ч.
150 мм: 1050–1600 кг/ч.
ПЭТ-лист:
65 мм: 120-180 кг/час
90 мм: 280-400 кг/час
120 мм: 650-950 кг/час
150 мм: 950–1450 кг/ч.
Производительность ПЭТ ниже, чем ПП при эквивалентном диаметре шнека из-за более узкого технологического окна и двухступенчатой конструкции вентилируемого шнека.
Лист полистирола (ПС):
65 мм: 140-210 кг/час
90 мм: 310-460 кг/час
120 мм: 720–1080 кг/ч.
150 мм: 1080–1650 кг/ч.
Эти диапазоны служат отправной точкой для определения размера линии. Фактическая производительность должна быть подтверждена посредством испытаний на экструзию или детальных инженерных расчетов.
Роль насосов расплава в экструзионной мощности
Насос расплава — шестеренный насос прямого вытеснения, установленный между экструдером и матрицей, — отделяет производительность экструдера от давления в матрице. Экструдер подает расплав в насос с немного большей скоростью, чем заданное значение насоса, поддерживая постоянное давление на входе. Насос дозирует точную объемную подачу в головку независимо от колебаний давления в головке или загрузки ситового пакета.
При использовании насоса расплава экструдер работает с более низким постоянным противодавлением, а насос берет на себя функцию создания давления. Это позволяет спроектировать шнек с учетом эффективности плавления, а не создания давления. Производительность насоса практически не зависит от давления, поэтому изменения сопротивления матрицы не влияют на массовый расход к головке. Результатом является более постоянная толщина листа, особенно во время запуска и переходов в технологический процесс. Для линии с насосом расплава экструдер обычно рассчитан на производительность, на 10–15 процентов превышающую номинальную мощность насоса. Выбор стандартного привода экструзии серводвигателя для экструдера и насоса расплава влияет как на точность регулирования скорости, так и на энергоэффективность линии.
Подбор диаметра винта для последующего оборудования
Последующее оборудование — каландровый блок, толщиномер, а также станция намотки или резки — должно быть рассчитано на производительность экструдера с заданной скоростью линии. Для заданной ширины, толщины и плотности полимера требуемая скорость линии равна производительности экструдера, деленной на площадь поперечного сечения листа и плотность расплава. Если расчетная скорость линии превышает максимальную скорость каландров или намоточного устройства, экструдер имеет слишком большие размеры. Если скорость линии ниже минимальной стабильной скорости последующего оборудования, экструдер имеет недостаточный размер.
Еще одним ограничением является охлаждающая способность каландровых валков. Тепло, которое необходимо отвести от листа, является произведением пропускной способности, удельной теплоемкости полимера и падения температуры от расплава до твердого состояния. Если система охлаждения валков не может отводить это тепло с необходимой скоростью, лист выйдет из каландра при температуре, превышающей его температуру размягчения, что приведет к прилипанию или деформации.
Выбор правильного диаметра шнека для заданной производительности позволяет избежать распространенной ошибки, связанной с завышением или занижением размеров экструзионной линии. JWELL предоставляет подробные расчеты пропускной способности и прогнозы мощности на этапе спецификации линии, помогая клиентам выбирать диаметры шнеков от 65 мм до 200 мм в зависимости от типа полимера, целевой производительности и требований к последующей переработке — консультативный подход, который гарантирует, что выбранное оборудование соответствует как текущим производственным потребностям, так и целям будущего роста.
Часто задаваемые вопросы
Как рассчитывается производительность экструзии по диаметру шнека?
Теоретическая производительность одношнекового экструдера рассчитывается по уравнению лобового потока: Q = (1/2) * pi^2 * D^2 * N * H * sin(phi) * cos(phi), где D — диаметр шнека, N — скорость шнека в оборотах в секунду, H — глубина канала в зоне дозирования, а phi — угол витка винта. Фактическая производительность представляет собой теоретический поток сопротивления минус поток давления и поток утечки, которые зависят от давления матрицы, вязкости расплава и воздушного зазора.
Какая связь между скоростью шнека и производительностью?
Теоретически производительность экструдера прямо пропорциональна скорости шнека. На практике зависимость примерно линейна, но не совершенно пропорциональна. При очень низких скоростях шнека составляющая потока под давлением составляет большую долю потока сопротивления, и выходной сигнал падает ниже линейной проекции. При очень высоких скоростях подачи шнек может ограничить количество материала, поступающего в цилиндр, и производительность может остановиться или даже снизиться. В нормальном рабочем диапазоне 30–80 процентов от максимального числа оборотов в минуту выходная мощность примерно линейна в зависимости от скорости шнека.
Всегда ли больший диаметр шнека означает более высокую производительность?
Да, производительность увеличивается с увеличением диаметра шнека, примерно как квадрат диаметра. Однако максимальная практическая производительность также ограничена плавильной способностью шнека, охлаждающей способностью последующего оборудования и максимальной линейной скоростью каландра и намоточного устройства. Больший диаметр шнека приводит к более высокой производительности только в том случае, если вся линия рассчитана на повышенную пропускную способность.
Как плотность расплава влияет на расчет мощности?
Объемный выход, рассчитанный по уравнению сопротивления потоку, необходимо преобразовать в массовый выход, используя плотность расплава полимера при температуре обработки. Плотность расплава ниже плотности твердого тела из-за теплового расширения. Для ПП плотность расплава при 230 градусах Цельсия составляет примерно 0,75 г/см3 по сравнению с плотностью твердого вещества 0,90 г/см3. Использование плотности твердого вещества вместо плотности расплава приводит к завышению выходной массы примерно на 20 процентов. Точные значения плотности расплава при температуре обработки необходимы для правильных расчетов производительности.
