Научное обоснование и промышленная реализация инновационных технологий санитарной обработки оборудования в молочной промышленности (12.04.2010)

Автор: Кузина Жанна Ивановна

КУТУЗОВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

ТЕЧЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В РАБОЧИХ КАНАЛАХ МАШИН ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань –2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, старший научный

сотрудник Тазюков Фарук Хоснутдинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ким Валентин Сенхакович

доктор физико-математических наук, профессор

Котляр Леонид Михайлович

доктор технических наук, профессор

Шерышев Михаил Анатольевич

Ведущая организация: ООО «НТЦ «НИИШП», г. Москва

Защита состоится «___» _________ 2010 года в «___» часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «___» _____ 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук Герасимов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из важнейших направлений развития химической технологии является совершенствование гидродинамических и тепловых процессов, протекающих в производственных машинах и аппаратах. Полимерные растворы и расплавы при течении в каналах машин и аппаратов химической технологии в ряде случаев показывают эффекты, не характерные для ньютоновских жидкостей. В частности, полимерные жидкости являются материалами с вязкоупругими свойствами, которые ответственны за многие эффекты, происходящие при переработке текучих полимерных систем и получении конечного продукта. К таким эффектам можно отнести образование эластической турбулентности струи при экструзии и особенности миграции газовых пузырьков при каландровании полимерных смесей. С точки зрения исследователя эти свойства должны быть предсказаны заранее, понята их физическая суть, по возможности описаны соответствующими математическими моделями и использованы в расчетной и инженерной практике.

Представленная работа посвящена исследованиям течения неньютоновских жидкостей в рабочих каналах каландров и экструдеров, по результатам которых предложены практические рекомендации по совершенствованию конструкции этих каналов и проектированию технологических режимов переработки полимерных материалов на этих машинах.

Актуальность темы. На предприятиях химической промышленности, прежде всего шинной и резинотехнической, нашли широкое применение машины и аппараты, рабочие органы которых представляют каналы, через выходное сечение которых происходит формование различных изделий. Это относится к таким важным методам переработки полимеров, как каландрование и экструзия. Рабочим органом каландров является канал, образованный валками каландра, а рабочим органом экструдеров является формующий канал экструзионной головки. Распространены следующие схемы работы указанного оборудования: каландр – экструдер (резинотехнические изделия, шины), экструдер – каландр (пленки, листы). Проблемы в работе одного оборудования не только не устраняются работой другого оборудования, но и часто усугубляются. Главными проблемами в производстве указанных изделий являются попадание в изделия газовоздушных включений и эластическая турбулентность при экструзии полимерных материалов.

Несмотря на различные технологические схемы переработки полимеров на каландровых линиях, определяющим элементом является непрерывный процесс течения полимера как неньютоновской жидкости в канале, образованном вращающимися навстречу друг другу валками. При этом в областях деформации между валками происходят сложные гидродинамические и термодинамические процессы, влияющие на качество получаемых изделий и определяющие энергосиловые характеристики оборудования. Технологические режимы работы валковых машин зачастую выбираются в соответствии с многочисленными и разобщенными экспериментальными данными, а не на базе предварительных расчетов и теоретического анализа. Кроме того, при переработке некоторых видов полимеров, например, резиновых смесей, имеют место различные виды брака: разрывы листа и раковины, которые могут появляться при попадании газовоздушных включений в канал между валками. Удаление этих включений остается в настоящее время важной и актуальной проблемой. Таким образом, при математическом описании процессов, протекающих в канале между двумя вращающимся валками, важно не только решение задачи течения неньютоновской жидкости в этом канале с целью определения основных параметров процесса, но и рассмотрение проблемы движения газовоздушных включений в неньютоновской жидкости. Анализ движения дисперсионных включений позволит прояснить механизм их поведения в зоне деформации и использовать это для отыскания оптимального режима работы каландрового агрегата, при котором газовоздушные включения будут удаляться из межвалкового канала. Для интенсификации каландрования полимерных материалов, особенно резиновых смесей, предлагается использовать клиновые устройства. Математическое моделирование течения неньютоновской жидкости в канале между клином и валком каландра и анализ движения газовых пузырей, попадающих в канал, составляют предмет исследования в диссертационной работе.

-эффект) и наличием значительных пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки. Важность и актуальность результатов исследований этих эффектов, возникающих при течениях реологически сложных жидкостей, заключается еще и в том, что они могут быть использованы при проектировании перерабатывающего оборудования и выборе оптимальных режимов переработки. Таким образом, при моделировании процессов, связанных с переработкой полимеров, требуется учитывать сложное вязкоупругое поведение полимеров. Поняв причины неустойчивого движения полимеров, можно оказывать влияние на этот процесс, контролировать его и управлять им.

Исследования носят межотраслевой характер и проведены в соответствии с Координационным планом РАН «Теоретические основы химической технологии» на 1986-2000 гг., НИР отделения Химии и химической технологии АН Татарстана по теме: «Механика реологических сред в каналах сложной геометрии», этап на 2001 год «Современное представление о реологических конституционных соотношениях для многофазных полимерных систем», этап на 2003 год «Исследование закономерностей формирования надмолекулярных структур», этап на 2004 год «Исследование степени ориентации макромолекул расплава резиновых смесей в формующих инструментах промышленных экструдеров».

Цель работы. Целью работы является совершенствование гидродинамических и тепловых процессов в рабочих каналах машин для производства шин и резинотехнических изделий, в которых межфазная граница играет важную роль, а линия трехфазного контакта является фактором, влияющим на образование и развитие эластической турбулентности.

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать математическую модель течения вязкоупругой жидкости в канале между вращающимися валками с использованием клинового устройства.

2. Разработать математические модели движения газовых пузырьков для различных случаев сдвиговых потоков вязкоупругой жидкости и миграции газовых пузырьков в канале, образованном поверхностями вращающегося валка и неподвижного клина.

3. На основе результатов математического моделирования течения неньютоновской жидкости в канале между вращающимися валками с использованием клинового устройства, математического моделирования движения газовых пузырьков в зоне деформации и экспериментальных исследований оценить влияние реологических свойств жидкости и технологических параметров процесса на поведение газовых пузырьков и выходные характеристики процесса каландрования.

-эффект) и наличием значительных пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что, по мнению автора, впервые созданы математические модели течения вязкоупругой жидкости между валками каландра с использованием клинового устройства и в формующей головке экструдера, учитывающие наличие поверхностей раздела фаз; исследованы условия направленной миграции газовых пузырьков и основные причины неустойчивого течения экструдата.

К новым результатам можно отнести:

1. математическую модель движения вязкоупругой жидкости в канале между вращающимися с разными угловыми скоростями валками с использованием клинового устройства, позволяющую рассчитать наилучшие режимные и конструктивные параметры процесса для получения изделия заданного качества;


загрузка...