Геометрия элементов конструкции в самоочищающихся экструдерах

Геометрия лопастей и канала экструдеров с двумя самоочищающимися однонаправленно вращающимися шнеками определяется диаметром шнека, расстоянием между центрами шнеков,

2. Двухшнековые экструдеры

углом наклона лопасти и числом параллельных лопастей (рис. 2.71).

Рис. 2.71. Геометрия двухшнековых экструдеров с самоочищающимися шнеками

После выбора этих параметров может быть определена геометрия поперечного сечения [48]. Если Г — угол наконечника шнека; а, — угол зацепления; ос — угол наконечника; р — число параллельных лопастей; I) — диаметр шнека, то расстояние между осями шнеков а может быть определено из выражения

Углы а и ос, находятся в плоскости, перпендикулярной осям шнека. Угол зацепления а₁ связан с углом наконечника а выражением

С учетом формулы (2.8) выражение (2.7) для расстояния между осями шнеков упрощается:

Согласно уравнению (2.9), когда угол зацепления равен нулю, расстояние между осями шнеков равно диаметру шнека. Максимальная глубина канала во впадине шнека описывается формулой

Для ненулевых значений угла между наконечником и основанием шнека расстояние между осями шнеков должно увеличиваться с увеличением угла наконечника, а угол зацепления и глубина канала уменьшаться.

Выбирая величину угла наконечника и число лопастей для экструдера с двумя самоочищающимися однонаиравленно вращающимися шнеками, расстояние между осями и диаметр шнека можно определить по уравнению (2.10), что налагает значительные ограничения на конструкцию подобных машин. Одним из результатов таких ограничений является то, что расстояние между осями трехзаходных шнеков (р = 3) должно быть очень большим, а глубина и объем канала шнека становятся сравнительно небольшими. В результате производительность трехзаходных шнеков весьма ограничена.

Расстояние между осями двухзаходных шнеков (р = 2) можно значительно уменьшить, а глубину и объем канала значительно увеличить для повышения производительности экструдера. Поэтому в настоящее время практически все крупные производители самоочищающихся двухшнековых экструдеров используют двухзаходную геометрию шнека. На рис. 2.72 представлены конструкции шнека в одно-, двух- и трехзаходном исполнении.

Как видно из рисунка, при увеличении числа заходов происходит уменьшение объема канала шнека.

Рассмотрим основные геометрические параметры технологической зоны экструдера на примере двухзаходного шнека. На рис. 2.73 представлены следующие величины, которые в дальнейшем могут быть использованы для характеристики наиболее важных технологических параметров процесса компаундирования:

Рис. 2.72. Геометрия шнека в одно- (7), двух- (2) и трехзаходном (3) исполнении

Рис. 2.73. Основные геометрические параметры шнековых элементов экструдера на примере двухзаходного шнека : — внешний диаметр

шнека; с1₃ — внутренний диаметр шнека; О_г — внутренний диаметр очкообразного отверстия цилиндра; Т₃ — длина шага нарезки шнека; Ь₅ — глубина шага нарезка; а — расстояние между осями валов шнека;

— осевой зазор (между гребнем и внутренней поверхностью шнека); 5_Д — радиальный зазор (между гребнем шнека и внутренней поверхностью стенки цилиндра);сУ₀ — диаметр вала шнека

Одной из основных характеристик компаундирующих самоочищающихся экструдеров является отношение внешнего и внутреннего диаметров шнека (?>₍/г/). Отношение диаметров шнека в первую очередь характеризует величину свободного объема смесительной камеры. На рис. 2.74 представлены два варианта конструкций экструдера Кгаи.к Ма//ел ВепЬог//, имеющих параметры отношения диаметров 1,46 и 1,74 соответственно. Как видно из рисунка, с ростом отношения диаметров повышается свободный объем смесительной камеры, что дает преимущества перерабатывать в экструдере с О /<7 = 1,74 высоконаполненные композиции, либо вводить наполнители с низким насыпным весом.

Рис. 2.74. Влияние отношения диаметров шнека на величину свободного объема смесительной камеры

Однако с ростом свободного объема снижается напряжение сдвига в смесительной камере экструдера. Поэтому конструкция с 0 /(1 = 1,74 характеризуется более низкой смесительной способностью, в сравнении с 7)/<7 = 1,46 и более низким теплообразованием при смешении. Благодаря этому экструдеры с 1)₍/<7 = 1,74 рекомендуются также для переработки чувствительных к высокому напряжению сдвига композиций, таких как биополимеры, или композиции, наполненные натуральными волокнами [49].

В экструдерах с самоочищающимися однонанравленно вращающимися шнеками основная доля материала, входящая в зону зацепления канала одного шнека, перемещается в соседний канал другого шнека, перпендикулярного осям шнека.

Этот случай показан на рис. 2.75, где течение материала в одном канале показано в поперечном сечении. Площадь канала, но которому происходит течение, непосредственно перед зоной зацепления определяется свободным пространством между шнеком и цилиндром, то есть площадью канала Л, (заштрихованные области рис. 2.75). В самой зоне зацепления площадь этого канала определяется площадью между двумя шнеками и цилиндром. Вначале площадь канала, по которому происходит течение, увеличивается до максимального значения, а затем уменьшается до размера А в конце зоны зацепления. Такая геометрия канала вызывает эффективный перенос материала от одного шнека к другому; если же ширина витка меньше ширины канала, то это соответствует случаю экструдера с самоочищающимися шнеками, вращающимися в одном направлении.

Рис. 2.75. Перенос материала в экструдере с самоочищающимися однонаправлено вращающимися шнеками

Площадь канала А_{ между шнеком и цилиндром равна:

где А₅ — площадь поперечного сечения одного шнека; И — наружный диаметр шнека; р — число заходов шнека.

Схема перемещения материала шнековыми элементами при смешении представлена в видеоприложении 6.