Модельная установка и методики проведения экспериментальных исследований

Экспериментальная модельная установка

С целью выявления закономерностей течения перерабатываемых материалов в каналах рабочих органов смесителей разработаны модельная установка и методика проведения экспериментов, позволяющие осуществить проверку адекватности разработанной математической модели исследуемого процесса [45, 46]. Схема модельной установки представлена на рис. 2.26.

Установка разработана на базе пластографа (торсионного реометра) Брабендера австрийской фирмы Plasti-Corder, который был оснащён дополнительным тахометром-генератором 3, модельной приставкой 6, лазером 8 и регистрирующими приборами: видеокамерой 10, головкой фотометрической 77 и персональным компьютером 14.

Дополнительный тахометр-генератор 3 установлен на валу основного тахометра-генератора и служит для регистрации угловой скорости вращения двигателя с помощью персонального компьютера 14.

Рис. 2.26. Схема экспериментальной модельной установки для исследования процессов смешения высоковязких полимерных композиций:

• 1 - пластограф Брабендера; 2 - самописец; 3 - дополнительный тахометр-генератор; 4 - электродвигатель; 5 - тахометр; 6 - модельная приставка; 7 - редуктор-раздвоитель; 8 - прозрачная смесительная камера со сменными смесительными элементами; 9 - лазер газовый ЛГ-75-1;
• 10 - видеокамера; 77 - фотометр ФПЧ; 72 - головка фотометрическая;
• 13 - блок питания и управления; 14 - персональный компьютер

Необходимость такого шага была продиктована тем, что цепь основного тахометра-генератора использовалась в схеме электронной стабилизации скорости вращения двигателя и, следовательно, отсутствовала возможность подключения к этой цепи дополнительных контуров без нарушения работы существующей схемы.

Приставка 6 состоит из редуктора-раздвоителя 7 и прозрачной смесительной камеры 8 со сменными смесительными элементами. В качестве приборов, регистрирующих ход процесса смешения, использовались видеокамера 10, фотометр ФПЧ 11, состоящий из фотометрической головки 12 и блока питания и управления 13 и персональный компьютер 14, оснащённый платой аналого-цифрового преобразователя НВ Л-08. Блок аналогового ввода обеспечивает согласование внешнего измеряемого напряжения со входным сигналом АЦП, преобразование этого сигнала в цифровой код и передачу кода на шину данных персонального компьютера IBM PC АТ. Этот блок состоит из аналогового коммутатора, буферного дифференциального усилителя, схемы выборки-хранения, интегрального АЦП, источника опорного напряжения и схемы синхронизации.

В качестве источника света использовался газовый лазер 9 марки ЛГ-75-1 мощностью 125 мВт. Конструкция камеры 8 позволяет использовать смесительные модули различной конфигурации (рис. 2.29). Рабочие органы вращаются в одну сторону. Луч лазера отклоняется зеркалом с наружным напылением (на рисунке не показано), проходит через перерабатываемый материал и далее улавливается фотометрической головкой 12. Расстояние, проходимое лучом лазера в рабочем пространстве камеры 8, зависит от степени прозрачности исследуемой композиции. Например, для раствора натурального каучука в нефрасе С2-80/120 оно составляло 15 мм. Опыты показали, что это максимальное расстояние, при котором осуществляется уверенная передача светового потока через внутреннее пространство камеры.

Питание электродвигателя 4 мощностью 1,5 кВт осуществлялось от специального блока питания, оснащённого системой электронной стабилизации числа оборотов. Вращение вала электродвигателя передавалось редуктору-раздвоителю 7, расстояние между выходными валами которого составляло 35 мм. Частота вращения рабочих органов варьировалась в диапазоне 20.. .80 об/мин (2,1.. .8,4 с^-1).

Фотография общего вида экспериментальной модельной установки (ЭМУ) показана на рис. 2.27.

Фиксация колебаний концентрации исследуемой смеси в её элементарном объёме осуществлялась по следующей схеме. Сигнал, снимаемый с ФПЧ-БПУ, регистрировался компьютером 14, оснащённым платой аналого-цифрового преобразователя типа НВЛ-08, далее результаты экспериментов регистрировались и обрабатывались с помощью специально разработанных компьютерных программ.

Рис. 2.27. Общий вид экспериментальной модельной установки

Установка предназначена для проведения следующих экспериментов:

• • исследование реологических свойств полимерных композиций на разных стадиях смешения в кулачковой зоне; на этом же этапе на основании полученных зависимостей крутящего момента от угловой скорости вращения шнеков и корреляции с данными ротационного вискозиметра "Реотест-2" имеется возможность построить реологические кривые для исследуемых материалов;
• • исследование изменения во времени коэффициента неоднородности композиции при различных частотах вращения шнеков для смесительных кулачков различных конфигураций и различных концентрациях полимера в растворителе;
• • определение технологической мощности, затрачиваемой на деформирование перерабатываемой композиции в каналах рабочих органов при различных условиях (описанных выше).

Общий вид смесительной камеры 8 представлен на рис. 2.28.

В описываемых экспериментах использовались смесительные насадки четырёх видов: эллиптические, эксцентриковые, треугольные и зубчатые (рис. 2.29) [47]. Их геометрические параметры приведены в табл. 2.2.

Рис. 2.28. Общий вид смесительной камеры

Рис. 2.29. Виды насадок, использовавшихся в экспериментах: а - эллиптические кулачки; б - эксцентриковые кулачки; в - треугольные кулачки; г - зубчатые кулачки

2.2. Смесительные элементы и их параметры

2.3. Соотношение концентрации и плотности растворяемого компонента

Для исследований выбирались материалы с концентрацией растворяемого компонента 20, 50 и 80%. Такой выбор диапазона изменения концентраций обусловлен тем, что при изготовлении по непрерывному способу подавляющего большинства композиций начальная концентрация растворяемого компонента, загружаемого в зону питания, составляет не более 70...80% [48, 49]. В дальнейшем, по мере продвижения к выходному отверстию смесителя, происходит добавление растворителя, т.е. имеет место картина ступенчатого уменьшения концентрации. Такая схема обеспечивает необходимые условия для успешного смешения, растворения, диспергирования и (или) гомогенизации. Кроме того, именно в зонах питания смесителей с высококонцентрированной композицией рассеивается наибольшая доля мощности, расходуемой на смешение.

Кроме того исследуемая композиция должна быть полупрозрачной субстанцией, способной пропускать свет. Это является необходимым условием проведения части экспериментов, так как для определения коэффициента неоднородности смеси использовалась методика, требующая пропускания через исследуемую композицию луча света, с частотой в видимой области спектра.

В смесительную камеру загружалось такое количество исследуемого материала, чтобы она была полностью заполнена.

В качестве примера в табл. 2.3 приведены данные о плотности растворов натурального каучука в нефрасе С2-80/120.