熔融理论(研)-课件.ppt
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- 熔融 理论 课件
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1、1PPT课件:探索压缩段熔融机理,计算物料熔化所探索压缩段熔融机理,计算物料熔化所 需的螺杆长度、确定工艺条件等需的螺杆长度、确定工艺条件等 发展概况:发展概况:19591959年年 MaddockMaddock、Street Street 提出单螺杆挤出机的熔融理论提出单螺杆挤出机的熔融理论固固相迁移理论相迁移理论 (定性分(定性分 析)析)19661966年年 TadmorTadmor 在前人定性分析的基在前人定性分析的基 础上,用础上,用 数学分析的数学分析的方法建立了数学模型方法建立了数学模型 19761976年年 LindtLindt 按动力学观点提出了新的熔融理论模型按动力学观点提
2、出了新的熔融理论模型2PPT课件3PPT课件4PPT课件5PPT课件6PPT课件7PPT课件8PPT课件 当与机筒内表面相接触的固体塞上表面的温度达到熔点,开始熔融,产生熔体,在开始的时候,这些熔体将渗入固体颗粒之间,当渗透到一定程度之后,开始在固体床上面聚集成熔膜。随着物料的熔融,熔膜逐渐变厚,当熔膜的厚度增长到一定程度(大于5倍螺棱与机筒之间的间隙)后,螺棱的推进面将熔膜刮下来并聚集在推进面之前,形成熔池。9PPT课件熔膜出现后,在上熔膜区压力增加趋势大大减缓,对挤出机起到了保护作用,这就是所谓的“自我保护机理”从固体塞上表面达到熔点,开始熔融,一直到熔膜的形成,这段时间很短,约占上熔膜区
3、的5%左右,可以认为,固体塞可以认为,固体塞上表面达到熔点,熔膜即形成,上熔膜区开始。上表面达到熔点,熔膜即形成,上熔膜区开始。10PPT课件 如果冷却机筒加料段,就可以延缓熔膜的形成,从而在加料段产生更大的压力,有利于稳定挤出。因为此阶段熔膜较薄,因此熔膜的剪应力较大,造成上熔膜区的功率、转矩、产生的轴向力在全螺杆中所占的份额很高。上熔膜区熔膜的形成,也影响到固体床的输送速度,当机筒和固体塞之间出现熔膜后,固体输送段的摩擦输送机理不再适用。11PPT课件 通过对上熔膜区的数学分析,要得到生产率、熔膜流率、压力、固体床温度分布、功率、转矩、轴向力以及熔膜厚度在螺槽长度方向上的变化规律,也为熔融
4、的下个阶段的数学分析提供初始条件。12PPT课件 熔点熔点T Tm m:对无定性聚合物来说,不存在熔点,加热会使其软化;那么熔点指的是结晶型聚合物溶化的温度。但是实际上不可能100%结晶,就不可能存在一个单一的熔点,而是存在着一个溶化温度范围。热导率:热导率:傅里叶热传导定律:)(TgradKqq 热流密度,单位是J/m2K 单位是J/m 13PPT课件 比热容:比热容:单位质量的物料温度升高1所需要的热量,在一定压力下测定时为定压比热容Cp,在一定容积下测定时为定容比热容Cv。单位是J/Kg 熔融潜热:熔融潜热:每单位质量的物质或用每摩尔物质在相变时所吸收或放出的热量,单位是J/Kg。14P
5、PT课件 比焓:比焓:表示当温度从T1上升到T2时,单位质量的物料所要的热量的最低值,也称为热容量。热扩散系数:表征流体热量扩散能力的一种物性参数。用符号表示。单位为m/s。数值上等于流体的导热系数除以密度与比热容的乘积。21)(TTpdTTCHpCk15PPT课件 在螺槽方向上,熔膜经过微元后流率的增量等于固体床熔融所增加的熔体。16PPT课件 固体床的质量平衡与熔膜的质量平衡是相互耦合的,在螺槽方向Z上,它们的和应为总的输送流率。17PPT课件 从液相流入固液相分界面的热量减去从固液相分界面流入固相的热量等于固相熔融所需要的热量。18PPT课件19PPT课件20PPT课件联解固体床的联解固
6、体床的温度分布控制温度分布控制方程和上熔膜方程和上熔膜的流动方程,的流动方程,施加适当的边施加适当的边界条件,即可界条件,即可 得到上熔膜区得到上熔膜区的压力分布、的压力分布、熔膜的流动速熔膜的流动速度、以及功率、度、以及功率、扭矩和轴向力扭矩和轴向力等。等。21PPT课件自我保护机理22PPT课件23PPT课件ZXVb轴向轴向24PPT课件25PPT课件 0tVsz 0t,0tX 26PPT课件研究的目的是要找出固相分布函数:研究的目的是要找出固相分布函数:)(zfWX 27PPT课件28PPT课件单位时间内流出单位时间内流出dzdz段的段的固体物料量固体物料量单位时间内流入单位时间内流入d
7、zdz段的段的固体物料量固体物料量固相物料在固相物料在dz段上的质量平衡段上的质量平衡单位时间内单位时间内dzdz段的固体物料熔化量段的固体物料熔化量211sszVHX222sszVHX29PPT课件dz段上固体物料的质量平衡方程:段上固体物料的质量平衡方程:写成微分形式写成微分形式:固体床移动速度固体床移动速度Vsz:1(1)(2)dzXHdVszs )(H1固体床横截面积的变化量固体床横截面积的变化量30PPT课件(2)(2)代入(代入(1 1)未知数未知数X、z、HdzdXHWHG 1(3)由固体床的质量平衡获得的方程式由固体床的质量平衡获得的方程式31PPT课件熔膜在熔膜在z z方向单
8、位长度上的质量平衡方向单位长度上的质量平衡(固相沿固相沿y y向流入熔膜的物料量向流入熔膜的物料量)(由熔膜流入熔池由熔膜流入熔池 的物料量的物料量)(熔化速率熔化速率)根据前面的假设:根据前面的假设:假设固相只在假设固相只在Y Y方方向熔融,而不在向熔融,而不在X X方向熔融。同时忽方向熔融。同时忽略熔膜在略熔膜在Z Z方向上方向上的流动,而认为只的流动,而认为只在在X X方向上流动方向上流动(Z Z方向上的流动方向上的流动速度比速度比X X方向上的方向上的流动速度小得多)。流动速度小得多)。32PPT课件 ssymbxXVV21 SsyXV(5)smbxsyXVV 2(6)(4)=(5)(
9、4)mbxV21未知数未知数、Vsy、X。熔膜流入熔熔膜流入熔池的物料量池的物料量固相沿固相沿y y流流入熔膜的量入熔膜的量熔膜流动的平均速度熔膜流动的平均速度33PPT课件dzdXHWHG 1(3)(4)mbxV21 SsyXV(5)smbxsyXVV 2(6)熔膜熔膜的质的质量平量平衡衡固体床固体床的质量的质量平衡平衡34PPT课件TSfS(y)T液液f液液(y)0 xWqm根据前面的假设:既然固相只在根据前面的假设:既然固相只在Y Y方向熔融,而不方向熔融,而不在在X X方向熔融。因此热量也只是在方向熔融。因此热量也只是在Y Y方向上流动,方向上流动,而在而在X X方向没有热流动。方向没
10、有热流动。35PPT课件熔膜传入分界面的热量分界面传入固体床的热量熔膜传入分界面的热量分界面传入固体床的热量 物料熔融及升温到熔膜平均温度所消耗的热量物料熔融及升温到熔膜平均温度所消耗的热量*1Vqqsyssm*单位质量固体的潜热和熔膜温度上升到单位质量固体的潜热和熔膜温度上升到平均温度所传导的热量。平均温度所传导的热量。36PPT课件*1Vqqsyssm上式目前还无法计算,因为在上式目前还无法计算,因为在Y=0Y=0即固液分界面两边即固液分界面两边的温度梯度还不知道,因此必须先求出固相以及熔膜的温度梯度还不知道,因此必须先求出固相以及熔膜内的温度分布。内的温度分布。*37PPT课件(1)思路
11、:思路:通过能量方程,先求出通过能量方程,先求出T T液液f f液液(y y),再求再求 (dT/dy)dT/dy)y=0y=0,最后求出最后求出熔膜进入分界面的热量熔膜进入分界面的热量 qm38PPT课件用大平板理论来研究熔膜的运动和温度分布,上平板用大平板理论来研究熔膜的运动和温度分布,上平板为机筒展开平面,下平板为固液分界面,为了固定下为机筒展开平面,下平板为固液分界面,为了固定下平板,采用相对运动原理来定义一个机筒的运动速度平板,采用相对运动原理来定义一个机筒的运动速度V Vj j。39PPT课件采用大平板理论,熔膜内的速度:采用大平板理论,熔膜内的速度:jjjVyyvv)(求解熔膜的
12、温度分布就要求解流体的能量方程求解熔膜的温度分布就要求解流体的能量方程yvzvjvzvjvyvzvyvjvzqyqjqzTvyTvxTvtTCzyyzzjjzyjjyzzzyyyjjjzyjzyjv通过简化通过简化40PPT课件02222jmVdyTdk0)(222dydVdyTdkjm得到得到代入前面得到的速度公式得到代入前面得到的速度公式得到边界条件:边界条件:Y=0Y=0,T=TT=Tm mY=Y=,T=TT=Tb b求解求解并代入边界条件并代入边界条件41PPT课件mmbmjmjyTyTTKVyKVT 222222熔膜内的温度分布方程:熔膜内的温度分布方程:V Vj j:熔膜中流体的运
13、动速度。熔膜中流体的运动速度。Vj=Vb-VszVj=Vb-Vsz(8)42PPT课件 22jmbmoymVTTKdydTK(9)(9)(9)式中右边式中右边第一项为机筒壁传入熔膜的第一项为机筒壁传入熔膜的热量,热量,第二项为熔膜中的物料受剪切产生第二项为熔膜中的物料受剪切产生的热量。的热量。43PPT课件0)(ysdydTK(2)通过能量方程,先求出通过能量方程,先求出T T固固f f(y y),再求再求(dT/dy)dT/dy)y=0y=0,最后求出最后求出0)(ysdydTK 分界面传入固体床的热量分界面传入固体床的热量 qs44PPT课件对固相中的微块进行分析,在对固相中的微块进行分析
14、,在dt dt时间内,由上面传入时间内,由上面传入的热量,减去由下面传出的热量,应该等于此微块温的热量,减去由下面传出的热量,应该等于此微块温度升高度升高dTdT所需要的热量即:所需要的热量即:45PPT课件根据微分定义有根据微分定义有代入上式有代入上式有46PPT课件固体床温度固体床温度T T是是Y Y和时间和时间t t的函数,其全微分为:的函数,其全微分为:求解此微分方程并代入边界求解此微分方程并代入边界条件:条件:y=0y=0,T=TT=Tm m,y=-y=-,T=TsT=Ts。47PPT课件得到得到固体床的温度分布方程固体床的温度分布方程:sssssySmTyKcVTTT )exp()
15、((10)48PPT课件)()(0smsysysTTVcdydTK 分界面传入固相的热量分界面传入固相的热量(3)求)求*(11))(*mAVmTTc 熔膜的平均温度熔膜的平均温度(12)49PPT课件oxxyxmmmxymXmAVdyVdyVTdydzyVcdydzyVTcGcqT000)()(mjmbAVKVTTT 12322(13)熔膜中由于温度变化而产生的总的吸热量熔膜中由于温度变化而产生的总的吸热量熔膜温度每升高熔膜温度每升高1度需要吸收的热量度需要吸收的热量50PPT课件*00 ssyysymVdydTKdydTK(7)22jmbmoymVTTKdydTK(9)()(0smsysy
16、sTTVcdydTK (11)(*mAVmTTc (12)代代 入入51PPT课件 )()(2)(2mAVmssysmsyssjmbmTTcVTTVcVTTK 将(将(9 9)、()、(1111)、()、(1212)式代入()式代入(7 7)式,)式,得:得:(14)52PPT课件即求解螺杆上固相在螺槽法向宽度的变化规律,即即求解螺杆上固相在螺槽法向宽度的变化规律,即X=f(z)前面从三个方面得到的前面从三个方面得到的相应的三个平衡式相应的三个平衡式:)()(2)(2mAVmssysmsyssjmbmTTcVTTVcVTTK dzXHdVszs )(ssymbxXVV2112353PPT课件由
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