Comment passer du mini-ordinateur au mainframe ? Progrès de la recherche sur une théorie d'amplification similaire des extrudeuses à vis

L'extrudeuse à vis continue présente un haut degré de flexibilité et d'automatisation. L'utilisation du traitement par extrusion pendant le traitement des polymères peut réduire efficacement les coûts de traitement, améliorer l'efficacité de la production et réduire les émissions de déchets.

Bien que les extrudeuses existantes puissent faire face à la fusion et au mélange actuels des matériaux dans la vis, avec le degré croissant d'industrialisation, leur faible rendement de production ne peut plus répondre aux besoins de l'industrie future. Afin d'améliorer encore l'efficacité du traitement des polymères, la conception d'extrudeuses à grande échelle est urgente.

Cependant, si vous concevez directement des équipements à grande échelle, vous serez confronté à des problèmes tels que le gaspillage de ressources en raison d'une expérience de conception insuffisante. Par conséquent, la recherche théorique à grande échelle sur les équipements d’extrusion de vis est devenue particulièrement importante.

La théorie de l'amplification de similarité est un groupe de nombres sans dimension qui représente les paramètres liés à un certain phénomène dans le système. Lorsque les phénomènes dans deux systèmes sont similaires, il existe également une certaine similitude entre les paramètres pertinents. Cette similarité peut former un groupe de nombres sans dimension, c'est-à-dire que le critère de similarité est une valeur constante. En partant du théorème de similarité, l'application des conclusions empiriques tirées des équipements à petite échelle aux équipements de production à grande échelle peut garantir que les groupes sans dimension produits dans les équipements à petite et à grande échelle sont égaux, conservant ainsi les formes de solutions sans dimension à divers équations cohérentes. Changement. Pour la conception de la structure à vis des grandes extrudeuses à double vis, la théorie d'amplification similaire des extrudeuses peut être utilisée. Cette théorie peut partir de la perspective de la similarité géométrique et fournir une plate-forme de conception grâce à l'étude de la modélisation paramétrique. L'adoption de cette méthode de conception peut éviter une modélisation répétée, gagner du temps de conception et ainsi améliorer l'efficacité et la qualité de la production.

Ces dernières années, la recherche sur la structure des petites extrudeuses a été largement discutée, mais la recherche sur les grandes extrudeuses en est encore au stade exploratoire. Grâce à des recherches approfondies sur les paramètres géométriques et l'amplification de l'indice de performance du modèle expérimental, il peut fournir une base théorique pour le développement d'extrudeuses à vis à grande échelle, améliorant ainsi la qualité de la conception et le taux de réussite. Cet article vise à présenter les travaux en cours et les progrès dans ce domaine à partir de la théorie d'amplification similaire applicable aux extrudeuses bi-vis.

Théorie d'amplification similaire à l'extrudeuse à double vis

Les extrudeuses à double vis ont de meilleures performances de mélange que les extrudeuses à vis unique. Après des recherches scientifiques sur des théories d'amplification similaires des extrudeuses monovis, ils l'ont étendue aux extrudeuses bivis. Comme le montre la figure 2, dans le but de maintenir l'angle d'hélice (φ) inchangé, la double vis est dépliée pour obtenir la relation de diamètre entre la double vis et la simple vis, comme le montre l'équation (1). En ignorant l'influence de la zone de maillage (l'angle de maillage ψ est d'environ 0), la faisabilité de l'approximation à double vis d'une seule vis est illustrée davantage.

Figure 2 Schéma similaire d'un canal d'écoulement à double vis approximativement équivalent à une seule vis

Les performances de mélange et les études de sécurité des extrudeuses à double vis sont des facteurs importants pour une conception réussie de l'extrudeuse. Il est nécessaire de déterminer les critères d'amplification des paramètres clés et d'étudier les effets amplifiés sur la base de calculs numériques. Dans une extrudeuse bivis, le matériau présente une section partiellement remplie et une section complètement remplie. Des théories d'amplification similaires applicables aux extrudeuses monovis sont applicables aux extrudeuses double vis avec des sections entièrement remplies. Cependant, à mesure que la demande d’extrudeuses à mélange distribué et d’extrudeuses à double vis à dévolatilisation augmentait, des théories similaires de mise à l’échelle ont commencé à émerger pour les extrudeuses à double vis sans maillage qui remplissaient partiellement la zone du canal. Étant donné que le degré de remplissage de l'extrudeuse à double vis est un indicateur important de la capacité de transport de la vis, le critère d'amplification de l'extrudeuse à double vis peut être subdivisé en fonction des différents degrés de remplissage des canaux d'écoulement de l'extrudeuse à double vis.

01Théorie d'amplification similaire pour le remplissage complet des canaux d'écoulement

Le canal d'écoulement est complètement plein signifie que le matériau est complètement rempli dans le canal d'écoulement sans aucun espace. Les chercheurs ont découvert que la longueur de la section complètement remplie de l'extrudeuse a un impact significatif sur le temps de séjour et la consommation d'énergie du matériau extrudé fondu dans l'extrudeuse. Lorsque le canal d'écoulement est complètement rempli, les propriétés du matériau sont plus stables que lorsque la vis n'est pas complètement remplie. Ce n'est que lorsque la vis est entièrement remplie que la cohérence, la qualité et le rendement des produits extrudés peuvent être garantis. Par conséquent, les discussions actuelles des chercheurs sur la théorie similaire des extrudeuses à double vis supposent essentiellement que le canal d'écoulement est complètement rempli.

Li Ao a effectué une comparaison complète de méthodes d'amplification similaires pour remplir complètement le canal d'écoulement et a proposé d'appliquer la méthode d'amplification sur une extrudeuse monovis à une extrudeuse bivis, jetant ainsi une base théorique pour la transformation de grandes machines à double vis. . Berzin et coll. Je pense que le coefficient de transfert de chaleur dans une extrudeuse entièrement remplie est très critique. À mesure que le rapport surface/volume diminue avec le diamètre, le taux de transfert de chaleur de l'extrudeuse diminuera également. Par conséquent, la vis est souvent définie comme adiabatique dans le processus de calcul de simulation. état, en utilisant la température de fusion comme l'un des critères d'évaluation. Etant donné que le processus d'extrusion est limité par le transfert de chaleur, la température de fusion requise dans la section de distribution de matière fondue n'est pas facile à atteindre. Par conséquent, des expériences et une modélisation supplémentaires peuvent être nécessaires lors de l’utilisation de l’amplification par transfert thermique. Matic' a effectué une comparaison expérimentale des méthodes d'amplification similaire au transfert de chaleur et d'amplification similaire à l'énergie et a constaté que la température de fusion dans la zone partiellement remplie était plus basse et que le temps de séjour avant et après l'amplification dans la zone entièrement remplie était similaire, ce qui indique que ces deux les méthodes d'amplification sont plus adaptées aux écoulements complètement remplis. Dans le tunnel, les performances de mélange à l'intérieur de l'extrudeuse sont meilleures à ce moment-là. Comme le montre la figure 3, la distribution du temps de séjour et de la température de fusion sous différents processus a été explorée, et il a été constaté que le temps de séjour et la température de fusion dans le canal d'écoulement complètement rempli avaient la même tendance de changement, et que la température de fusion et le temps de séjour étaient amplifiés. est devenu plus large, indiquant que la qualité du produit obtenu après amplification est similaire à celle du modèle de référence, ce qui résout le problème de décomposition du produit amplifié. Nakatani pensait que l'indice adiabatique et l'indice non newtonien déterminaient les conditions de l'extrudeuse et les propriétés du polymère. Il a proposé une amplification similaire du bilan thermique utilisant l'indice d'amplification de sortie comme variable principale et a vérifié la faisabilité de cette méthode grâce à des températures de fusion constantes.

Figure 3 Comparaison entre la température de fusion et le temps de séjour local avant et après la mise à l'échelle de l'extrudeuse

L'extrudeuse à double vis a une bonne fonction de mélange et l'effet de mélange des matériaux dans l'extrudeuse à double vis doit être pris en compte après amplification. Qu Wenbin a utilisé la méthode d'amplification de similarité de mélange pour agrandir la conception des éléments à vis dans la section de mélange de l'extrudeuse. Il a analysé les performances de mélange de différentes configurations de vis dans le canal d'écoulement entièrement rempli et a prouvé que l'amplification de l'extrudeuse à vis est basée sur la similitude géométrique de la structure de la vis. Comportement sexuel. Chen a proposé que la qualité de l'extrudat soit déterminée par des paramètres tels que les paramètres géométriques, l'énergie spécifique, la distribution du temps de séjour, la température et la pression, et que ces paramètres déterminent la distribution du mélange pendant le processus d'extrusion. Juan a développé et testé la faisabilité de règles d'amplification de rapport géométrique similaires en utilisant des extrudeuses à double vis de différents diamètres. Il a constaté que les paramètres de base du processus, le débit du matériau et la vitesse de la vis ont très peu d'impact sur les propriétés du matériau, tandis que la configuration de la vis a un impact plus important. La recherche ci-dessus montre que sur la base de la détermination de la configuration de la vis, l'amplification de similarité géométrique peut produire un résultat et répondre aux exigences d'un mélange constant, mais elle présente des changements de température différents. Par conséquent, l’application complète de plusieurs méthodes d’amplification similaires peut mieux résoudre le problème.

Le principe de l'utilisation complète de plusieurs méthodes d'amplification similaires est de déterminer la similarité géométrique de la configuration de la vis et de la combinaison du barillet. Ensuite, dans le but d'amplifier la sortie dans l'industrie des vis doubles, une amplification de volume similaire est effectuée, et enfin la vitesse de vis de la petite machine est calculée de manière inverse pour déterminer la grande machine. La vitesse de la vis et la simulation du champ d'écoulement sont utilisées pour juger de la sécurité des performances d'amplification et de mélange. Dong Zhonghua a dérivé une théorie d'amplification qui combine plusieurs méthodes d'amplification en équilibrant les champs de mélange et de température entre les matériaux, à savoir un bilan thermique complet et un mélange d'amplification similaire, et l'a appliquée aux mélangeurs de la série ZSK. Yue Jinfeng et coll. a utilisé la méthode d'amplification similaire à la géométrie⁃volume⁃taux de cisaillement pour mener des recherches sur l'amplification sur la section de mesure des gaz d'échappement mixtes de l'ordinateur central, et a exploré la sécurité et les performances de mélange du modèle amplifié. De plus, sur la base de l'élargissement similaire des extrudeuses à double vis parallèles, des extrudeuses coniques à double vis ont également été étudiées et discutées à cet égard. Langhorst a réalisé différentes simulations et amplifications similaires de chaque section fonctionnelle de la structure spéciale de l'extrudeuse conique à double vis contrarotative. Yin Qingzhen a résumé les paramètres pertinents sous la forme de constantes sans dimension, et a conçu et agrandi les sections fonctionnelles de chaque partie de l'extrudeuse conique à double vis, fournissant ainsi les conditions d'un fonctionnement stable de l'extrudeuse agrandie. Chen Simeng a utilisé la méthode des microéléments pour discrétiser l'extrudeuse conique à double vis pour les matériaux énergétiques, a établi les théories d'amplification correspondantes pour différentes sections fonctionnelles et a apporté des corrections. En résumé, la méthode d'amplification similaire conventionnelle peut amplifier des paramètres spécifiques de sections fonctionnelles indépendantes, mais il existe encore des lacunes dans l'amplification globale de l'extrudeuse à vis. La méthode d'amplification similaire optimisée peut être appliquée pour combiner les caractéristiques de différentes sections fonctionnelles. Production réelle. Dans le même temps, il est important d'utiliser une conception expérimentale orthogonale pour équilibrer et évaluer de manière globale différents paramètres pendant le processus de correction afin de vérifier la faisabilité d'une amplification similaire et d'optimiser le niveau de paramètre du modèle d'amplification.

02 Théorie de l'amplification de similarité du remplissage partiel des canaux à écoulement

Dans le traitement réel de l'extrudeuse à vis, le matériau ne peut remplir qu'une partie du canal d'écoulement, mais ne peut pas remplir complètement la totalité du canal d'écoulement. La complexité du processus de remplissage du canal d'écoulement partiel est bien plus grande que celle de l'écoulement monophasique lorsque le canal d'écoulement est entièrement rempli. Lorsque le canal d'écoulement est partiellement rempli, le débit et la contrainte de cisaillement du matériau fondu augmentent, ce qui rend le processus d'extrusion plus compliqué.

Sur la base des caractéristiques du remplissage partiel dans la section de distribution de matière fondue d'une extrudeuse à double vis co-rotative, MEIJER a discuté de la profondeur du canal, d'une amplification similaire de l'écoulement laminaire et d'une amplification similaire du transfert de chaleur, dans le cas d'un remplissage partiel ou de changements de viscosité. pendant le processus d'extrusion (conditions non isothermes et non newtoniennes), il se produit de graves fuites d'écoulement. Ganzeveld a souligné que le débit de fuite est lié au degré de remplissage de la chambre dans la zone d'alimentation. Dans le cas d'un remplissage partiel, à mesure que le nombre de chambres entièrement remplies diminue, le débit de fuite est affecté et l'indice d'amplification de la production diminue. Fukuda et coll. a effectué des tests de flux résistif sur des éléments de transport et des blocs de pétrissage proportionnellement agrandis, et a proposé une amplification similaire du pourcentage de flux résistif pour amplifier le débit en maintenant constant le pourcentage de flux résistif de l'élément spécifié.

Depuis qu'une variété de méthodes similaires pour le remplissage complet des extrudeuses à vis ont été proposées, de nombreux chercheurs ont commencé à étudier si ces méthodes sont applicables dans des canaux d'écoulement partiellement remplis. Bigio et coll. Nous pensons que si le degré de remplissage partiel et le taux de mélange de l'extrudeuse à double vis restent constants, des méthodes de mise à l'échelle similaires applicables au remplissage complet seront tout aussi efficaces pour les canaux partiellement remplis. Dans une mise à l'échelle similaire proposée sous l'hypothèse d'un remplissage complet, la géométrie de la vis a une influence significative sur le mélange et l'écoulement développés au sein de l'extrudeuse bi-vis. Séchoir et coll. a proposé la théorie de l'amplification de similarité de volume lorsque la vis est en grande partie remplie. L'amplification de similarité de volume ne prend en compte que le volume libre sur toute la longueur de la vis et conserve la même ampleur. En utilisant le débit volumique comme variable unique, l'indice du paramètre d'amplification est le même que celui d'un remplissage complet. La méthode d’amplification par similarité mixte est similaire. Haser a prouvé que l'amplification du processus d'extrusion de différentes géométries peut être obtenue sur la base d'une amplification de similarité de volume et que les tendances des paramètres d'amplification sont cohérentes. On peut conclure que les méthodes d'amplification applicables pour remplir partiellement les canaux d'écoulement des extrudeuses à double vis dérivent principalement du remplissage complet des canaux d'écoulement. Le tableau 2 présente des méthodes d'amplification similaires couramment utilisées pour les extrudeuses à double vis.

Tableau 2 Caractéristiques des méthodes d'amplification similaires couramment utilisées pour les doubles vis

application

Sur une base théorique, un grand nombre de chercheurs ont appliqué la théorie de l’amplification de similarité à la production réelle. La recherche initiale a été utilisée pour comparer différentes méthodes d’amplification similaires. Chung a effectué des vérifications expérimentales sur le même type d'extrudeuse à vis unique pour l'amplification de similarité universelle, l'amplification similaire de transfert de chaleur et l'amplification de similarité géométrique, et a découvert qu'après similarité géométrique, le modèle à plus grande échelle a une sortie. Wang Jianping a appliqué la méthode du « diamètre équivalent » pour analyser trois méthodes d'amplification similaires de la section de transport de matière fondue dans l'extrudeuse à double vis co-rotative à maillage, et a utilisé les données techniques des grandes vis jumelées pour obtenir des résultats plus cohérents avec le situation réelle.

La figure 4 (a) ~ (c) représente la comparaison du rendement, de la puissance et de la vitesse avec des données expérimentales sous différentes méthodes d'amplification. Il s'avère que la tendance des données de la méthode d'amplification similaire de Maddock est plus proche des données expérimentales. Sur la base de nombreuses méthodes existantes, l'équipe Nastaj a développé un nouveau système d'optimisation informatique d'extrusion pour optimiser le processus basé sur un modèle global d'extrusion à vis afin de maximiser le rendement d'extrusion et de minimiser la consommation d'énergie spécifique. , La figure 4 (d) est la courbe des données de matériau et de processus obtenues en simulant l'intégralité de la section de l'extrudeuse. Le degré de remplissage est faible dans la section de transport de solides et atteint un état entièrement rempli après la disparition du lit solide. À ce moment-là, des fluctuations évidentes de pression et de température se produisent. En prenant le chlorure de polyvinyle comme exemple, Menge a vérifié une amplification similaire à température de fusion constante et taux de cisaillement constant dans une extrudeuse à double vis contrarotative. Richter a obtenu la distribution granulométrique des particules à différents niveaux de remplissage grâce à une méthode d'amplification similaire. L’utilisation du suivi des particules pour vérifier la sécurité du mélange dans le canal d’écoulement est actuellement une méthode efficace et intuitive.

Sur la base de la mise à l’échelle similaire des extrudeuses à vis, des applications à grande échelle d’équipements structurels similaires ont progressivement émergé. Des équipements tels que des extrudeuses à vis à disque de broyage, des mélangeurs internes, des raffineurs à double vis et des mélangeurs continus à double rotor ont également commencé à construire des applications similaires à grande échelle. méthode. He Xiaoling a construit un modèle d'extrudeuse à vis à disque basé sur l'amplification de similarité de mélange et a en même temps optimisé les paramètres à l'aide d'expériences orthogonales et de simulations numériques. Chen Kejuan et coll. a utilisé les critères de similarité de similarité géométrique et de contrainte de cisaillement maximale constante dans la technologie de traitement des vis pour concevoir un modèle de mélangeur interne. Hu Dongkui a comparé les fonctions et les structures des extrudeuses à double vis et des raffineurs à double vis et a découvert que les raffineurs à double vis et les extrudeuses à double vis sont globalement très similaires et peuvent être vérifiés par des expériences, permettant ainsi une meilleure compréhension des extrudeuses à double vis et des extrudeuses à double vis. extrudeuses à vis. La conception de la machine revêt une grande importance. Gong Shuyun a utilisé l'équivalence énergétique comme critère pour mesurer l'effet de mélange et a proposé le processus et le modèle théorique d'une conception d'amplification similaire de la section de mélange du mélangeur continu à double rotor. L'idée de recherche d'une méthode d'amplification similaire attire de plus en plus d'attention dans l'industrie.

Figure 4 Analyse comparative d'une théorie d'amplification similaire en production réelle

Conclusion

Une conception et une application similaires à grande échelle des extrudeuses à vis peuvent aider à optimiser la structure de la vis, la vitesse et d'autres paramètres de l'extrudeuse et à améliorer les performances de l'extrudeuse. Cependant, en résumant les critères de mise à l'échelle similaires pour les extrudeuses à vis au pays et à l'étranger au cours des dernières années, on peut constater que quelle que soit la méthode utilisée, les expériences de mise à l'échelle sont basées sur la garantie de la sécurité et du mélange de l'extrusion de vis.

Cependant, les extrudeuses à vis impliquent des problèmes tels que la consommation d'énergie, les fuites, les performances de mélange et la sécurité. Les méthodes d’amplification similaires existantes ne peuvent pas maximiser leurs avantages. Par conséquent, l’optimisation des normes de similarité et des facteurs d’amplification est très importante. Les recherches futures devraient explorer davantage le potentiel d'application de la théorie de l'amplification de similarité dans l'optimisation de la structure de l'extrudeuse et des paramètres de processus, et développer des outils et méthodes pratiques correspondants pour fournir des solutions plus complètes pour un moulage, une conception et une application plus précis de grandes extrudeuses. support théorique.