Четверг, 21.09.2017, 22:35
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Техника. Технические науки

ЗОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ МАТЕРИАЛА В ШНЕКОВОМ ЭКСТРУДЕРЕ

ЗОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ МАТЕРИАЛА В ШНЕКОВОМ ЭКСТРУДЕРЕ

Эффективность применения средств автоматизированного проектирования напрямую зависит от моделирования сложных физико-химических процессов, протекающих в технологических установках, например в таких, как экструдеры. Экструзионные технологии особенно удобны для массовой переработки продуктов, например теста, фарша, различных комбикормов для животных.

Структуру и параметры конструкции экструдера, определяющие эффективность его работы, невозможно оптимизировать без математического моделирования. Обща схема экструдера представлена на рис. 1.

Математическое описание движения перерабатываемого материала внутри цилиндра экструдера осложняется тем, что материал в зависимости от степени обработки проявляет различные физические свойства. Поэтому целесообразно выделить несколько зон рабочего пространства, внутри которых механические свойства материала могут быть описаны в рамках известных реологических зависимостей, и провести стыковку (сшивание) полученных решений.

В технологическом плане в качестве основных можно выделить следующие зоны.
Зона жидкотекучести. В непосредственной близости к формующей матрице материал находится в достаточно перемешанном состоянии, близком к сплошной среде в классическом её понимании [1]. Давление, обусловленное сопротивлением матрицы выпрессовыванию продукта и напором материала, поступающего в эту зону под действием шнека, передаётся во всех направлениях в соответствии с законом Паскаля. Движение материала описывается уравнениями Навье-Стокса и уравнением неразрывности:

 Общая схема экструдера
Рис. 1. Общая схема экструдера
1 — шнек; 2 — шнековый цилиндр; 3 — загрузочное устройство; 4 — формирующая матрица

 

При стационарном течении материала в экструдере производные скорости по времени равны нулю. В связи с тем что гравитационная сила незначительна по сравнению с внутренними силами в слоях материала, этим слагаемым можно пренебречь.

В качестве граничного услови выступает условие "прилипания" к цилиндру (скорость в тонком слое около цилиндра равна нулю). В области материала, граничащей со шнеком, скорость равна скорости вращения шнека, т. е.  Начальные условия при стационарном процессе отсутствуют.

Зона смешивания и прессования. В этой зоне смешивание ещё не завершено, а давление мало по сравнению с предыдущей зоной; материал проявляет свойства псевдопластического тела. Механические свойства материала представляются реологическим степенным уравнением Оствальда-де Виля:

Для расчета напряжений, возникающих в псевдопластическом материале, можно использовать уравнения (1) с заменой в них слагаемых с ньютоновской вязкостью на слагаемые, определенные по уравнению Оствальда-де Виля. Граничные условия также могут базироваться на гипотезе прилипания материала к стенкам цилиндра и шнеку.

В работе [2] распределение напряжений сдвига принимается линейным:


Условием стыковки с предыдущей зоной является равенство давления в зоне жидкотекучести нормальному напряжению в зоне смешивания и прессования .
Зона уплотнения. Здесь происходит интенсивное вытеснение подмешанного при заполнении воздуха и уплотнение перерабатываемого материала. Касательное напряжение в этой зоне меняет направление по отношению к зоне смешивания и прессования .

Условием стыковки с зоной смешивания и прессования можно выбрать равенство нулю касательных и нормальных напряжений. Расчётная модель движения перерабатываемого материала аналогична модели для предыдущей зоны, за исключением уравнения неразрывности материала из-за его сжимаемости.

Зона заполнения. В этой зоне в экструдер поступает исходный материал. Обычно это происходит под действием силы тяжести, но возможно и под- давливание материала предыдущим смешивающим устройством. Здесь возникает проблема непрерывности подачи.

Условием стыковки с зоной уплотнения является возникновение нормальных напряжений, параллельных оси экструдера.

В зоне заполнения для количественного анализа может быть применён статистический подход с исследованием среднего размера воздушных пустот и их количества на единицу объёма материала.

Так как рабочим пространством экструдера является винтовая канавка шнека, то указанные технологические зоны необходимо выявлять на развёртке этой канавки, изображённой на рис. 2.

Развертка винтовой канавки

Рис. 2. Развертка винтовой канавки:
1 — зона заполнения ; 2 — зона уплотнения ;я3 —зона смешивания и прессования; 4 — зона жидкотекучести

Технологические параметры перерабатываемого материала следует рассчитывать вдоль этой развёртки, выреза из неё тонкие конечные элементы и составляя их уравнения равновесия .

В некоторых случаях необходимо учитывать тепловые эффекты при переработке материалов. Тогда применяется уравнение теплопроводности.

Таким образом, разработка зонной модели позволит повысить точность автоматизированного расчёта существующих и новых шнековых механизмов. При этом необходимо продолжить исследования в направлении стыковки соответствующих математических аппаратов на трёх границах, а также в направлении определения оптимальных размеров выявленных зон, которые зависят от конструкции и размеров шнека, реологических свойств перерабатываемого материала и интенсивности отвода тепловых потоков.

Библиографические ссылки

1. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1. М.: Наука, 1970. 492 с.

2. Полищук В.Ю., Коротков В.Г., Зубкова Т.М. Проектирование экструдеров для отраслей АПК. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 201 с.

________________

А.М. Пищухин, д-р техн. наук, проф., М.Н. Шевченко
(Оренбургский государственный университет)

Ключевые слова: автоматизированное проектирование, моделирование, экструдер.

Журнал «Автоматизация и современные технологии»

Категория: Техника. Технические науки | Добавил: x5443 (02.03.2015)
Просмотров: 714 | Теги: ШНЕКОВЫЙ, Технологический, Экструдер | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2017 Обратная связь