Optimierung der wirtschaftlichen Vorteile von Extrudern: Eine kurze Analyse der Faktoren, die die Kapazitätseffizienz beeinflussen

Gemeinsames Kneten Doppelschneckenextruder (nachfolgend Extruder genannt) ist aufgrund seiner hervorragenden Mischleistung, der individuellen Schneckenkombination und der guten Selbstreinigungsleistung zum Kerngerät bei der Verarbeitung modifizierter Kunststoffe geworden.

Die Produktionseffizienz des Extruders ist ein Parameter, auf den Modifikationsunternehmen bei der Auswahl der Ausrüstung großen Wert legen. Es wird allgemein angenommen, dass Extruder mit größerem Durchmesser eine höhere Produktionseffizienz aufweisen, tatsächlich sind große Durchmesser jedoch nicht der Schlüssel zur Verbesserung der Produktionseffizienz von Extrudern. Sie sind der einzige Faktor. Zu den Faktoren, die die Produktionseffizienz des Extruders beeinflussen, gehören Extrudergeschwindigkeit, Volumenverhältnis, spezifisches Drehmoment, Schneckenkombinationsdesign, Zustand des Formulierungsmaterials, Plastifizierungszustand, Geräteverschleiß usw.

Im Folgenden werden die Einflussfaktoren nacheinander analysiert, je nach Materialzustand in verschiedenen Prozessen im Extruder und der Konstruktion der Schneckenkombination. In diesem Artikel werden wir dies aus der Perspektive des Extrusionsfördermechanismus detailliert erläutern.

Extrusionsfördermechanismus

Die Erforschung des Fördermechanismus von Einschneckenextrudern bildete die Grundlage für die Entwicklung von Doppelschneckenextrudern. Die erste Theorie zur Einschneckenförderung wurde von Darnel und Mol entwickelt. Ihr Kernpunkt besteht darin, dass die Vorwärtsförderkraft von Materialien in einem Einschneckenextruder auf der Feststoffförderung unter Reibungswiderstand beruht. Mit abnehmender Steigung des Schneckenelements des Extruders oder mit der Einwirkung der Extrusionskraft des Knetwiderstandselements wird das zunächst lockere und verstreute Material zu einem festen Pfropfen ohne relative Verschiebung. Die Reibung zwischen dem festen Pfropfen und der Schneckenoberfläche sowie die Reibungskraft zwischen der Innenfläche des Schneckengehäuses bewirken, dass der feste Pfropfen entlang der Schneckennut vorwärts befördert wird.

Die klassische Transporttheorie ist in ihrer Aussagekraft begrenzt. Sie geht von keiner Relativverschiebung im Inneren des festen Pfropfens aus und geht von einer konstanten Reibungskraft aus. Die Realität sieht jedoch ganz anders aus, sodass die theoretische Berechnungsformel häufig stark von der tatsächlichen abweicht. Dennoch verdeutlicht diese Theorie das Wesentliche der Extruderschneckenförderung: Die Reibungskomponente, die vom Schneckengehäuse auf das Material entlang der Schneckenkante der Schneckennut ausgeübt wird, ist die Ursache für die Materialförderung, während die Reibung zwischen der Oberfläche der rotierenden Schnecke und dem Material den begrenzenden progressiven Widerstand darstellt. Mit anderen Worten: Die Differenz zwischen dem Reibungskoeffizienten fi zwischen dem geförderten Material und der Metalloberfläche der Schnecke und dem Reibungskoeffizienten fb zwischen dem Material und der Metalloberfläche im Schneckengehäuse ist die Antriebskraft für die Reibungsschleppe. Die Bewegungs- und Kraftanalyse der Materialförderung ist in Abbildung 1 dargestellt.

Obwohl die früheste und detaillierteste Theorie des Feststofftransports auf der Grundlage der Feststofftribostatik von Darnel und Mol vorgeschlagen wurde, gibt es mehrere grundlegende Annahmen:
1Im Schneckenkanal des Extruders liegt das Harzmaterial in Form eines festen Pfropfens vor und weist eine feste Förderleistung auf. Die Druckrichtung auf den festen Pfropfen entspricht ausschließlich der Materialbewegung.
2. Der feste Stopfen und jede Oberfläche in der Schraubennut interagieren miteinander, und sein Reibungskoeffizient ändert sich nicht bei Druckschwankungen, sondern nur bei Temperaturänderungen.
3. Vernachlässigung der Änderung der Schüttdichte des Feststoffstopfens und des Einflusses der Erdanziehungskraft und Annahme, dass zwischen dem Zylinder und der Schnecke des Extruders kein Spalt besteht;
4. Die Schraube ist relativ zum Schraubenzylinder stationär und es wird so wahrgenommen, als würde sich der Schraubenzylinder bewegen.
Potente et al. gehen davon aus, dass sich im Bereich der Schneckennut der Schneckenachse die Schüttdichte des Materials in verschiedenen Bereichen unterscheidet. In einigen Bereichen befindet sich das Material in einem lockeren Zustand, in anderen wird es unter Druck gesetzt, sodass sich ein fester Pfropfen bildet. Der Fördermechanismus des festen Pfropfenteils ist konsistent mit der Darnell-Mol-Transporttheorie. Durch Analyse des Bewegungszustands und der Kraft des festen Pfropfens ergibt sich folgende Formel:

Aus Formel (1) ist ersichtlich, dass das Fördervolumen G positiv mit der Drehzahl n, dem Volumenverhältnis H und dem Schneckendurchmesser Db korreliert. Da die Annahmen der Einschneckenfördertheorie von Darnel und Mol nicht der Realität entsprechen, kommt es zu erheblichen Abweichungen zwischen den später berechneten Daten und den tatsächlichen Produktionsdaten. Seitdem hat eine Vielzahl von Wissenschaftlern diese Theorie detaillierter erforscht. In zahlreichen Studien werden zwei Theorien von vielen Wissenschaftlern anerkannt: die Viskose-Traktions-Theorie von Chung et al. und die Viskose-Traktions-Theorie von Tedder. Energiebilanz-Theorie.

Obwohl es zwischen den Theorien Meinungsverschiedenheiten gibt, ist der Kernpunkt der Darnell-Mol-Theorie und der Tedder-Theorie im Wesentlichen derselbe, nämlich die dynamische Reibungskraft zwischen dem Material des Einschneckenextruder Die Innenwand des Schneckengehäuses ist der wichtigste Faktor für den Transport von Feststoffen. Der Grund dafür ist die Essenz. Der Unterschied besteht darin, dass Chung davon ausgeht, dass das Material zunächst an der Metallwand im Inneren des Gehäuses reibt und so eine dünne Schmelzschicht bildet. Die von dieser Schmelzschicht erzeugte viskose Zugkraft beeinflusst die Feststoffförderung. Die drei oben genannten Theorien haben gemeinsam, dass der Feststoff im Extruder als fester Pfropf angesehen wird, das Material im Feststofftransportabschnitt als dicht angesehen wird und keine relative Verschiebung zwischen den Feststoffpartikeln stattfindet.

Zhu Fuhua und anderen fiel während der gesamten Extruderarbeit auf, dass sich die Feststoffpartikel vor Eintritt des Materials in den Schmelzbereich grundsätzlich in einem Prozess des gegenseitigen Austauschs und Verrutschens befinden und die Schneckennut nicht vollständig gefüllt ist. Dieses Phänomen verschwindet erst allmählich, wenn das Material den Schmelzbereich erreicht. Während des Vorwärtstransports der Harzpartikel ist außerdem deutlich zu erkennen, dass sich zwischen ihnen eine glänzende Schmelze befindet. Da der von der Schmelze eingenommene Raum im weiteren Verlauf immer größer wird, wird die Grenze zwischen den Partikeln und der Schmelze weniger deutlich. Dies beweist deutlich die Diskontinuität des Feststoffpfropfens und die Unvermeidlichkeit einer Verschiebungsänderung des Feststoffpfropfens. Auf der Grundlage zahlreicher Beobachtungen und Experimente schlug Zhu Fuhua als Erster die Theorie des Feststofftransports ohne Pfropfenströmung vor.

Bedauerlicherweise konnte die Theorie des pfropfenfreien Feststofftransports aufgrund ihrer Komplexität lange Zeit nach ihrer Vorstellung nicht zur Lösung praktischer Probleme im In- und Ausland herangezogen werden. Obwohl die Berechnungsgenauigkeit der Theorie des pfropfenfreien Feststofftransports erheblich verbessert wurde, existiert keine explizite Formel zur Berechnung von Produktion und Druck, und es handelt sich selbst um ein nichtlineares Kontaktproblem. Es gibt viele und komplizierte Formeln, und zur Berechnung ist die Methode der finiten Elemente erforderlich, was die praktische Anwendung erheblich erschwert. Herr Carrot untersuchte die Geometrie ineinander greifender, gleichsinnig rotierender Doppelschnecken und erstellte auf Grundlage seiner Forschung ein Modell des Materialtransportprozesses in einem Doppelschneckenextruder. Sie wiesen übereinstimmend darauf hin, dass der Materialtransportprozess im Extruder komplex und vielfältig ist und es hauptsächlich zwei Fördermechanismen gibt, nämlich die Verdrängungsförderung entlang der Schneckenachse im oberen Eingriffsbereich und die Reibungsschleppförderung im Schneckennutbereich. Liu Tinghua et al. Wir haben zahlreiche Experimente mit dem Dreiwege-Extruder durchgeführt und den Feststofftransport in die Verdrängerförderung im Eingriffsbereich und die Reibungsförderung von Granulatpartikeln im seitlichen Schneckennutbereich unterteilt. Das Verdrängerfördervolumen im Eingriffsbereich berechnet sich nach Formel (2):

Die Maximierung des wirtschaftlichen Nutzens eines Extruders ist untrennbar mit seiner Produktionseffizienz verbunden. Diese wird nicht nur von den physikalischen Parametern und Prozessbedingungen des Extruders bestimmt, sondern auch vom Materialzustand beeinflusst. Je geringer die Schüttdichte des Materials, desto höher ist sein Luftgehalt. Beim Fördern des Materials durch die Schnecke bewegt sich das Material tatsächlich mit dem gleichen Volumen vorwärts. Je geringer die Schüttdichte, desto geringer die Förderleistung.

Beim Schmelzmischen im Extruder werden zahlreiche Partikel und Pulver komprimiert und zu einer Schmelze verarbeitet. Das Pulver kann den Extruder nur verlassen, indem es zurück zum Ende fließt, wodurch eine kontinuierliche Pulverzufuhr verhindert wird. Überschreiten Druck und Geschwindigkeit des Gegenstroms einen bestimmten kritischen Wert, wird die Leistung zurückgenommen. Verkleinert sich der Schneckenquerschnitt, fließt die Luft gegen den Gegenstrom. Bei höherem Druck steigt die Geschwindigkeit. Dies kann sich negativ auf die Materialzufuhr auswirken, da der Überlaufpunkt mit steigender Geschwindigkeit sinkt, d. h. je höher die Geschwindigkeit, desto fluidisierter das Material. Wie bereits erwähnt, ist Reibung der Schlüssel zur Materialförderung. Die Förderleistung ist direkt proportional zum dynamischen Reibungskoeffizienten. Je höher der Reibungskoeffizient des Schneckengehäuses, desto höher die Förderleistung. Veränderungen der Reibungskraft wirken sich ebenfalls auf die Förderleistung aus. Auch unterschiedliche Schneckenkombinationen und -strukturen beeinflussen den dynamischen Reibungskoeffizienten.