или частично пластицированный и разогретый полимер, которая наконец превращается в расплав (или равномерно нагретый вязкотекучий полимер). Проще всего анализировать третью зону — выдавливания, поскольку для материала в этой зоне почти полностью применимы законы гидродинамики вязких жидкостей.

Если в зоне выдавливания между полимером и поверхностями червяка и цилиндра существует адгезионное взаимодействие, то скорость потока у поверхности цилиндра равна нулю, а у поверхности червяка — максимальна. Скорость движения материала между этими поверхностями принимает некоторые промежуточные значения.

Течение полимера в массе чрезвычайно сложно. Частицы материала движутся в корпусе по спирали и одновременно совершают циркуляцию поперек винтового канала червяка.

При анализе работы экструдера наиболее часто используют прием «обращения» движения: считают, что червяк неподвижен, а цилиндр вращается в обратную сторону. «Вращение» цилиндра и заставляет материал совершать л канале как поступательное, так и циркуляционное движение, а поскольку сам канал изогнут по спирали, то на это движение накладывается еще и винтовое — относительно оси червяка или корпуса. Поскольку при анализе используют представление о плоской развертке цилиндра и червяка, то винтовое движение в корпусе обычно не рассматривают.

Циркуляционное движение важно для процессов гомогенизации, смешения и теплопередачи, но оно не влияет на производительность машины. Поток, направленный вдоль винтового канала, возникает под влиянием продольной (в направлении I) компоненты движения цилиндра относительно червяка и называется вынужденным потоком. Таким образом, этот поток аналогичен потоку вязкой жидкости при простом сдвиге между плоскопараллельными пластинами (гл. 1).

Если противодавление, создаваемое головкой, отсутствует, то вынужденный поток и определяет производительность машины.

При постоянной глубине и ширине канала (постоянном шаге г) и постоянной температуре расплавленного или вязкотекучего материала производительность Qa (объемный расход) выражается формулой:

Qd = An

где Qa — расход, определяемый вынужденным потоком; А — постоянная, зависящая от геометрии экструдера; « — частота вращения червяка.

Это упрощенное выражение показывает, что расход, определяемый вынужденным потоком, не зависит от вязкости и вообще от реологических свойств материала, поэтому неньютоновское поведение полимера, а также изменение его вязкости с температурой или скоростью сдвига не влияет в этом случае на производительность. Вынужденный поток полностью определяет расход при свободном выходе при отсутствии сопротивления головки.

В противном случае в материале возникает противоток. Кроме того, с возникновением противодавления полимер начинает перемещаться в зазорах между гребнем нарезки червяка и корпусом (поток утечки) в направлении, обратном вынужденному потоку.

Противоток изменяет профиль скоростей в канале и приводит к увеличению интенсивности циркуляции поперек канала; никакого течения материала назад фактически не возникает. Поэтому такой противоток иногда называют «кажущимся». Хотя поток и движется частично по каналу назад, но сам канал движется вперед, и поэтому течения назад относительно цилиндра не существует [1].

«Производительность» Qp противотока выражается следующим простым соотношением:

где В— постоянная, зависящая от геометрии червячной машины; АР— градиент давления в головке или корпусе; т),ф — эффективная вязкость полимера.

244

245

корпуса или экструдата.

Интенсивность потока утечки также пропорциональна АР и обратив вязкости.

Суммарная производительность может быть выражена:

Qs = Qd-Qp-Qyr

Поток утечки в червячных машинах с пришлифованными и неизношенными червяками, а также при переработке высоковязких материалов, таких, как резиновые смеси, невелик и может не учитываться [1, 8]. Тогда:

Q2 = An - ВДР/Пэф

Это уравнение — как функция перепада давления — есть уравнение прямой с угловым коэффициентом В/т)Эф. При свободном выходе производительность равна Ап; с повышением противодавления она уменьшается. Интенсивность снижения производительности при повышении давления определяется отношением В1ц,ф. Зависимость Q от АР (рис. 7.3) является характеристикой червяка. Из графика видно, что увеличение скорости вызывает смещение характеристики червяка вверх, а увеличение глубины канала, так же как и повышение температуры, повышает крутизну кривой. Это обусловлено тем, что с увеличением глубины канала вынужденный поток возрастает, но медленнее, чем возрастает противоток.

Охлаждение полости червяка повышает вязкость соприкасающихся с ним слоев полимера и уменьшает эффективную глубину канала. Это приводит к тому, что получается характеристика червяка как бы с более мелкой нарезкой, менее чувствительного к повышению давления.

Термодинамика экструзии

В термодинамике адиабатическими называют такие процессы и системы, в которых тепло не подводится и не отводится. Это идеализированный случай, так как нет систем, абсолютно изолированных о