Пропускна здатність — це параметр, який визначає комерційну життєздатність лінії екструзії листів. Екструзійна потужність діаметра шнека передбачає особливі міркування, які відрізняються від звичайних процесів екструзії. Занадто мало, і наступне обладнання працює нижче потужності, розмиваючи маржу. Занадто багато, і охолоджувальні ролики не можуть досить швидко затвердіти лист, що змушує зменшувати швидкість лінії. У центрі цього розрахунку знаходиться діаметр шнека екструдера — єдина змінна, яка безпосередньо обмежує кількість полімеру, який машина може обробити за годину. Екструзійна потужність діаметра шнека не є фіксованим числом; це залежить від швидкості шнека, властивостей полімеру, геометрії шнека та робочого тиску. Взаємозв'язок між цими змінними описується фундаментальними рівняннями потоку одношнекової екструзії, які поділяють загальний вихід на компоненти опору, тиску та потоку витоку. У цій статті пояснюється теорія, що лежить в основі розрахунків екструзійної потужності, наводяться практичні формули та пропонуються довідкові дані про пропускну здатність для звичайних листових екструзійних полімерів. Більш широкий контекст процесу екструзії див. у посібнику технологія екструзії листів.
Фізика продуктивності екструдера: тяговий потік, потік під тиском і потік витоку
Продуктивність одношнекового екструдера є чистим результатом роботи трьох механізмів потоку. Потік опору — це рух вперед, що виникає внаслідок відносного руху між шнеком і стовбуром. Він пропорційний швидкості шнека, глибині каналу та діаметру шнека та представляє максимальний теоретичний вихід.
Потік тиску діє в протилежному напрямку. Фільєра на кінці екструдера створює опір потоку, створюючи градієнт тиску, який спрямовує зворотний потік від кінця головки високого тиску до кінця подачі низького тиску. Потік тиску пропорційний градієнту тиску та кубу глибини каналу. Потік витоку відбувається через невеликий зазор між наконечниками шнека та стінкою стовбура — як правило, від 0,1 до 0,15 відсотка діаметра шнека — і зазвичай становить менше 5 відсотків від загального виходу.
Загальний об’ємний вихід – це потік опору мінус потік тиску та потік витоку. У спрощеному вигляді: Q = Q_drag - Q_pressure - Q_leakage . Практичний висновок полягає в тому, що продуктивність екструдера є не одним числом, а функцією робочих умов. При заданій швидкості шнека продуктивність зменшується зі збільшенням тиску на матриці. Гвинт з неглибоким каналом має більш плоску характеристичну криву, що означає, що його вихід менш чутливий до змін тиску в матриці; гвинт з глибоким каналом має вищу продуктивність при низькому тиску, але падає різкіше зі збільшенням тиску.
Діаметр гвинта та закон масштабування пропускної здатності
Діаметр шнека впливає на продуктивність через коефіцієнт опору, пропорційний квадрату діаметра. Подвоєння діаметра шнека збільшує теоретичну продуктивність у чотири рази. Гвинт діаметром 150 мм може обробляти приблизно в 2,25 рази більше, ніж гвинт діаметром 100 мм за тієї самої швидкості гвинта. Масштабування не є абсолютно квадратичним, оскільки глибина каналу, співвідношення L/D і допустима швидкість гвинта також змінюються з діаметром. Гвинти більшого розміру зазвичай обертаються на менших обертах, щоб підтримувати ту саму швидкість наконечника, обмежену чутливістю полімеру до зсуву.
Практична пропускна здатність у загальному діапазоні діаметрів дає приблизний орієнтир щодо розмірів. 65-міліметровий одношнековий екструдер, який переробляє ПП, може забезпечити продуктивність 150-250 кг/год. Машина 90 мм: 350-500 кг/год. Машина 120 мм: 800-1200 кг/год. Машина 150 мм: 1200-1800 кг/год. The Конструкція екструзійного шнека Коефіцієнт LD впливає на практичну пропускну здатність: довший L/D забезпечує більшу продуктивність плавлення, дозволяючи вищі швидкості шнека до того, як плавлення стане неповним.
Практичні таблиці пропускної здатності для звичайних листових полімерів
Наступні діапазони пропускної здатності представляють типову продуктивність для добре сконструйованих одношнекових екструдерів, які переробляють звичайні листові полімери при співвідношенні L/D від 28:1 до 33:1. Значення передбачають збалансовану конструкцію шнека з відповідним ступенем стиснення та секцією змішування для полімеру.
Поліпропіленовий (ПП) лист:
65 мм: 150-220 кг/год
90 мм: 320-480 кг/год
120 мм: 750-1100 кг/год
150 мм: 1100-1700 кг/год
Поліетиленовий (HDPE/LDPE) лист:
65 мм: 130-200 кг/год
90 мм: 300-450 кг/год
120 мм: 700-1050 кг/год
150 мм: 1050-1600 кг/год
ПЕТ лист:
65 мм: 120-180 кг/год
90 мм: 280-400 кг/год
120 мм: 650-950 кг/год
150 мм: 950-1450 кг/год
Пропускна здатність ПЕТ нижча, ніж ПП при еквівалентному діаметрі шнека через вужче вікно обробки та двоступеневу конструкцію вентильованого шнека.
Лист полістиролу (PS):
65 мм: 140-210 кг/год
90 мм: 310-460 кг/год
120 мм: 720-1080 кг/год
150 мм: 1080-1650 кг/год
Ці діапазони є відправною точкою для визначення розміру лінії. Фактична пропускна здатність повинна бути перевірена шляхом випробувань екструзії або детальних інженерних розрахунків.
Роль насосів для розплаву в потужності екструзії
Насос розплаву — об’ємний шестеренчастий насос, встановлений між екструдером і матрицею — відокремлює вихідну потужність екструдера від тиску матриці. Екструдер подає насос для розплаву з дещо вищою швидкістю, ніж задане значення насоса, підтримуючи постійний тиск на вході. Насос вимірює точний об’ємний вихід на матрицю, незалежно від коливань тиску матриці чи завантаження сита.
З насосом розплаву екструдер працює проти нижчого, постійного протитиску, і насос бере на себе функцію створення тиску. Це дозволяє розробити гвинт для ефективності плавлення, а не для створення тиску. Потужність насоса майже не залежить від тиску, тому коливання опору матриці не впливають на масову швидкість потоку до матриці. Результатом стає стабільніша товщина листа, особливо під час запуску та переходу між процесами. Для лінії з насосом для розплаву екструдер зазвичай розрахований на 10-15 відсотків більше продуктивності, ніж номінальна продуктивність насоса. The серводвигун стандартний двигун екструзії Вибір приводу для екструдера та насоса розплаву впливає як на точність керування швидкістю, так і на енергоефективність лінії.
Діаметр шнека відповідає наступному обладнанню
Наступне обладнання — каландровий стек, товщиномір і станція намотування або різання — має бути такого розміру, щоб обробляти вихід екструдера на цільовій швидкості лінії. Для даної ширини листа, товщини та щільності полімеру необхідною швидкістю лінії є продуктивність екструдера, поділена на площу поперечного перерізу листа та щільність розплаву. Якщо розрахована швидкість лінії перевищує максимальну швидкість каландрових валків або намотувального пристрою, екструдер є завищеним. Якщо швидкість лінії нижча від мінімальної стабільної швидкості наступного обладнання, екструдер занижений.
Іншим обмеженням є потужність охолодження валків каландра. Тепло, яке необхідно відвести від листа, є добутком пропускної здатності, питомої теплоємності полімеру та перепаду температури від розплаву до твердого стану. Якщо система охолодження валків не може видалити це тепло з необхідною швидкістю, аркуш вийде з каландра вище точки розм’якшення, викликаючи прилипання або деформацію.
Вибір правильного діаметра шнека для заданої цільової пропускної здатності дозволяє уникнути типової пастки, пов’язаної із заниженням або завищенням габаритів екструзійної лінії. JWELL надає детальні розрахунки пропускної здатності та прогнози потужності на етапі специфікації лінії, допомагаючи клієнтам вибрати діаметри шнеків від 65 мм до 200 мм на основі типу полімеру, цільової продукції та вимог до подальшої обробки — консультативний підхід, який гарантує, що вибране обладнання відповідає як поточним виробничим потребам, так і майбутнім цілям зростання.
FAQ
Як обчислюється потужність екструзії за діаметром шнека?
Теоретична продуктивність одношнекового екструдера обчислюється за рівнянням потоку опору: Q = (1/2) * pi^2 * D^2 * N * H * sin(phi) * cos(phi), де D — діаметр шнека, N — швидкість шнека в обертах за секунду, H — глибина каналу в зоні вимірювання, а phi — кут спіралі польоту шнека. Фактична вихідна швидкість — це теоретичний потік опору мінус потік тиску та потік витоку, які залежать від тиску матриці, в’язкості розплаву та зазору.
Яке співвідношення між швидкістю шнека та продуктивністю?
Теоретично продуктивність екструдера прямо пропорційна швидкості шнека. На практиці залежність приблизно лінійна, але не ідеально пропорційна. При дуже низьких швидкостях шнека компонент потоку тиску є більшою частиною потоку опору, і вихід падає нижче лінійної проекції. При дуже високих швидкостях шнека пропускна здатність шнека може обмежити кількість матеріалу, що надходить у стовбур, і продуктивність може стати плато або навіть зменшитися. У межах нормального робочого діапазону 30-80 відсотків максимальних обертів на хвилину вихідна потужність є приблизно лінійною залежно від швидкості шнека.
Чи завжди більший діаметр шнека означає більшу продуктивність?
Так, продуктивність збільшується з діаметром шнека, приблизно як квадрат діаметра. Однак максимальна практична пропускна здатність також обмежена потужністю плавлення шнека, потужністю охолодження наступного обладнання та максимальною швидкістю лінії каландра та моталки. Більший діаметр шнека означає більшу продуктивність, лише якщо розміри всієї лінії відповідають збільшеній пропускній здатності.
Як щільність розплаву впливає на розрахунок виходу?
Об’ємний вихід, розрахований за рівнянням потоку опору, необхідно перетворити на масовий вихід, використовуючи щільність розплаву полімеру при температурі обробки. Через теплове розширення щільність розплаву нижча, ніж щільність твердої речовини. Для поліпропілену щільність розплаву при 230 градусах Цельсія становить приблизно 0,75 г/см3 у порівнянні з щільністю твердої речовини 0,90 г/см3. Використання твердої щільності замість щільності розплаву завищує вихідну масу приблизно на 20 відсотків. Точні значення щільності розплаву при температурі обробки необхідні для правильного розрахунку продуктивності.
