（流体机械及工程专业论文）双螺杆挤出机机筒结构分析及机筒内聚合物流动与传热研究.pdf

摘要 双螺杆挤出机机筒结构分析及机筒内聚合物流动与传热研究 摘要 双螺杆挤出机是化工行业重要的机电一体化先进装备，主要用于 塑料化工原料的改性和造粒生产。大型造粒机组一直依靠进口，所以 迫切需要开发和生产出大型造粒机组，实现设备的基本国产化，并且 保证品质。 本文主要针对大造粒机组中重要组成部分双螺杆挤出机筒的结构 以及机筒内聚合物流动与传热过程进行了数值仿真及分析。进行的工 作主要分为三个部分： ( 1 ) 为了获得热力耦合作用下双通道机筒的应力、变形和温度分 布，建立了双螺杆挤出机轴向加热双通道机筒的有限元模型，分别对 试压工况、正常工况和极限工况以及极限冷态工况条件下，双通道机 筒的温度分布、应力分布和变形进行了有限元分析。四种工况的热力 耦合载荷作用下的有限元分析结果表明，轴向加热双通道机筒的设计 合理，能够满足强度和加热需要。 ( 2 ) 建立了双螺杆挤出机筒内一个螺距内聚合物流动与传热的模 型，获得了聚合物的温度分布、速度分布、压力分布以及温度随时间 变化曲线。数值结果表面，聚合物的流动既有轴向的流动，也有周向 的转动。聚合物的压力沿着挤出方向增大。聚合物的平均温度随时间 北京化下大学硕十学位论文 的增加而升高。 ( 3 ) 建立双螺杆挤出机预热启动时包括机筒、高聚合物和螺杆在 内的非稳态传热模型，用于预测挤出机的温度变化和分布，以及螺槽 中的高聚合物融化情况。数值结果表明，受加热通道分布的影响，总 体上机筒中部的温度和靠近加热通道的高聚合物温度较高，高聚合物 融化越快。“8 字孔内表面、高聚合物和螺杆的平均温度随预热时间 的增加而升高，“8 ”字孔内表面的温度在预热初期上升最快，在预热 末期最先达到稳态，而螺杆的温度变化趋势与“8 ”字孔内表面温度变 化趋势相反。与温度变化相协同，高聚合物在机筒内的融化速率随预 热时间逐渐减小。在导热油流量减小一半时，聚合物融化所需的时间 大大增加。 对机筒进行的有限元分析，不仅对机筒结构的强度进行了校核， 也对加热通道的优化设计有所帮助。机筒内聚合物的流动与传热的研 究对工况的选择，聚合物加工质量的保证有一定帮助。对机筒预热时 间的数值模拟对机筒加热通道的设计和优化，以及准确预测安全预热 时间具有指导意义。 关键词：高聚物，双螺杆挤出机，机筒，数值模拟 i i a b s t r a c t s t r u c t u r a la n a i y s i s0 ft w i n s c r e w e x t r u d e rb a i u u la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ff l o wa n dh e a t t r a n s f e ro fp o l y m e r a b s t r a c t t w i n - s c r e we x t r u d e ri sa 虹n do fm e c h a t r o n i c sa d v a n c e de q u i p m e n t s i nc h e m i c a li n d u s t r y , a n di ti sm a i n l yu s e df o rp l a s t i c sm o d i f i c a t i o na n d g r a n u l a t i o np r o d u c t i o n o fc h e m i c a lr a wm a t e r i a l s t h e l a r g e - s c a l e p e l l e t i n gm a c h i n es y s t e mh a sa l w a y sr e l i e do ni m p o r t s ，s ot h e r ei sa n u r g e n tn e e dt od e v e l o p a n dp r o d u c et h e mb yo u r s e l v e sa n de n s u r eq u a l i t y t h eb a r r e li st h ei m p o r t a n tp a r to ft h el a r g e s c a l ep e l l e t i n gm a c h i n e s y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e st h es t r u c t u r a la n a l y s i so ft w i n - s c r e we x t r u d e r b a r r e la n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wa n dh e a tt r a n s f e ro fp o l y m e r t h ew o r ki sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： ( 1 ) af i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e df o rt h et w i n s c r e we x t r u d e r b a r r e lw i t ht w oh e a t i n gp i p e l i n e si na x i a ld i r e c t i o n t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s e so ff o u rw o r kc o n d i t i o n ss u c ha sp r e s s u r et e s t ，n o r m a l ，c r i t i c a l c o n d i t i o n sa n dc r i t i c a lc o n d i t i o n sw i t h o u th e a tt r a n s f e ra r ec o m p l e t e di n 1 i i 北京化t 人学硕上学位论文 o r d e rt o p r e d i c t t h ed i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n dt h e d e f o r m a t i o no ft h eb a r r e l t h er e s u l t so fl o a d so ft h e c o u p l e d t h e r m a l f o r c ef o r t h et h r e ew o r kc o n d i t i o n ss h o wt h a tt h ep r e s e n td e s i g no f t h et w i n s c r e we x t r u d e rb a r r e lw i t ht w oh e a t i n gp i p e l i n e si sr e a s o n a b l et o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h es t r e n g t ha n dh e a t i n g f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o v i d e sas o l u t i o nt oo b t a i nt h es t r e s s ，s t r a i na n dt e m p e r a t u r e u n d e rt h el o a do ft h ec o u p l e dt h e r m a l - f o r c e ，w h i c hi sh e l pf o rt h es t r e n g t h c h e c ko ft h eb a r r e ls t r u c t u r ea n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh e a t i n g p i p e l i n e ( 2 ) t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l so ft h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rh a v eb e e n e s t a b l i s h e df o rp o l y m e ri nb a r r e l t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ep r o f i l ea r eo b t a i n e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o l y m e rh a v eb o t ha x i a lv e l o c i t ya n d c i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t y t h ep r e s s u r eo fp o l y m e ri n c r e a s e sa l o n gt h e e x t r u s i o nd i r e c t i o n t h et e m p e r a t u r eo fp o l y m e ri n c r e a s ew i t ht h et i m e ( 3 ) a nu n s t e a d ym o d e lo fh e a tt r a n s f e ri nt w i n s c r e we x t r u d e r i n c l u d i n gb a r r e l ，p o l y m e r , a n ds c r e w sd u r i n gp r e h e a t i n gi se s t a b l i s h e di n o r d e rt op r e d i c td i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ei ne x t r u d e r , a n d s i t u a t o no fm e l t i n go f p o l y m e ri ng r o o v eo fs c r e w n u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tt e m p e r a t u r ei nt h em i d d l eo fb a r r e la n dc l o s et ot h eh e a t i n gp i p e l i n ei s h i g h e rt h a nt h o s ei no t h e rp l a c e sb yt h ei n f l u e n c eo fd i s t r i b u t i o no fh e a t i n g p i p e l i n ea sw e l la sm e l t i n go fp o l y m e ri sf a s t e r a v e r a g et e m p e r a t u r eo f i v a b s t r a c t 8 - t y p es u r f a c eo fb a r r e l ，p o l y m e r , a n ds c r e wi n c r e a s ew i t hp r e h e a t i n gt i m e t h et e m p e r a t u r eo f8 - t y p es u r f a c eo fb a r r e l d u r i n ge a r l yp r e h e a t i n g i n c r e a s e sf a s t e rt h a nt h o s eo fo t h e r s ，a n dr e a c h e ss t e a d yf a s t e s ti ne n do f t h ep r e h e a t i n g ，w h i l et h es i t u a t i o no fs c r e wi s o p p o s i t et ot h a to f “8 s u r f a c eo fb a r r e l t h em e l t i n gs p e e do fp o l y m e ri nb a r r e ld e c r e a s e sw i t h t h ep r e h e a t i n gt i m ec o o p e r a t i n gw i t ht h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e w h e nt h e f l o wr a t eo ft h e r m a lo i ld e c r e a s eb yh a l f , t h et i m ef o rp r e h e a t i n gi n c r e a s e m o s t l y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fb a r r e li sh e l pf o rt h es t r e n g t hc h e c ko ft h e b a r r e ls t r u c t u r ea n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh e a t i n gp i p e l i n e t h e r e s e a r c ho ft h ep o l y m e ri nb a r r e lc o u l db eh e l p f u lf o rc h o o s i n gt h ew o r k c o n d i t i o na n de n s u r i n gq u a l i t y t h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s e sf o r p r e h e a t i n gh a v es i g n i f i c a t i o nt og u i d ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fh e a t i n g p i p e l i n ei nb a r r e l ，a n de x a c t l yp r e d i c ts a f e t yt i m eo fp r e h e a t i n g k e yw o r d s ：p o l y m e r , t w i n s c r e we x t r u d e r , b a r r e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 符呼说明 符号说明 螺栓刚度，n m 被联结件刚度，n m 定压比热容，j k 百1 k 1 原件受力，n 螺栓总拉力，n 残余预紧力，n 控制容积x 方向所受的力，n 控制容积y 方向所受的力，n 控制容积z 方向所受的力，n 显焓，l d m o l - 1 参考焓，k j m o l - 1 总焓，l d m o l - 1 液体材料的潜热，k j m o l - 1 稠度系数，k g - s n 也m 流动指数 内压，p a 时间，s 温度，k 熔点，k 固化温度，k 参考温度，k 石方向的速度，m s 。1 速度矢量，r n s 。1 v i i 锡 锡 勺 ， n 足 r 易 疋 日 h 三 m 胛 办 ， 丁 乙 黟 “ u 北京化工大学硕卜学位论文 o 口 y 方向速度，m s d z 方向的速度，m s - 1 空间坐标，m 空间坐标，m 空间坐标，m 潜热，1 0 t o o l - 1 控制容积的体积，m 3 控制容积的x 方向的长度，m 控制容积的y 方向的长度，m 控制容积的z 方向的长度，m 希腊符号 下标 对流换热系数，w i n - 2 k 1 液相体积分数 导热系数，w - m - 1 k 1 动力粘度， 密度，k g m 3 剪应力 广义变量 融化比率 表观粘度， 初始 空气 v i i i v w x y z 龃 抄 缸 缈 止 口 罗 a p f 砂 矿 刁 符号说明 机简 外界材料 纯液相区 边界法向， 导热油 熔融区 螺杆 纯固相区 壁面 i x 6 厂 似 栉 d 册 s 跗 矿 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：j 哔日期：筮竺刍_ 盟监 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期：砌c 叱诊 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了聚合物加工的国内外现状，以及在大型造粒机组方面与国外的差 距，结合前人对聚合物加工的研究，提出了课题研究的必要性和重大意义。对国 内外的相关研究进展进行了综述，提出了本文的研究内容。 1 1 前言 我国塑机产量和消费量目前均居全球首位，中低端国产塑机基本上能满足国 内塑料制品的加工技术的要求，但是高端塑机每年还须大量进口。如国内大型乙 烯工程中的塑料造粒机组就一直依靠进口，国内仅试制了一台目前国内最大的万 吨级造粒机组，而国外能批量生产1 0 万吨级造粒机组。因此，迫切需要开发和生 产出大型造粒机组，实现设备的基本国产化，并且保证品质。 螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程，如固体输送、增压、熔融、排气、 脱湿、熔体输送和泵出等物理过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。螺杆挤出机 以连续生产代替间歇生产，从而提高生产率，降低能耗，减少生产面积和操作工 人数量，也易于实现生产自动化，还有较好的劳动条件和较低的环境污染，与此 同时，螺杆的搅拌作用也提高了混合质量。螺杆挤出机的生产能力高，挤出半成 品均匀密实，尺寸准确，更换品种容易，能实现工艺过程的连续化、联动化和自 动化，同一台及其可以适用于多种工艺用途。它还具有结构简单、制造容易、操 作方便、价格便宜等优点。正因为如此， 些由多台讲点的化工设备组成的生产线， 螺杆挤出机这种工艺设备逐步取代了一 应用越来越广泛。 图1 1 双螺杆挤出生产线示意图 f i g u r el - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft w i n s c r e we x t r u d e rm a c h i n e 一台挤出生产线通常由挤出机、机头、辅机及相应的控制设备等组成。物料 从料斗加入后，经过一系列物理和化学作用，一般以熔融态从机头的口模挤出。 北京化工人学硕：l 学位论文 在经过定型、冷却、牵引、切割、卷取等基本工序得到所要求的制品。而控制系 统则保证了整条生产线在挤出工艺所设定的速度和温度下运行。 在聚合物加工过程中，温度是一个非常重要的因素，并在很大程度上影响着 聚合物制品的质量和产量【i ，2 1 。 ( 1 ) 温度决定聚合物的质量。加工温度过低则聚合物塑化不充分，严重影响 产品的均一性，使其存在较大的内应力和变形，容易形成局部应力集中和局部性 能下降，温度过高则聚合物容易烧焦。 ( 2 ) 温度决定聚合物的粘度和加工性能。加工温度过低，聚合物呈现出强烈 的粘弹性，熔体混合比较困难，可能出现夹层，对聚合物的均匀性和制品的质量 产生较大的影响；加工温度过高，聚合物熔体粘度降低，影响制品的成型和定型， 同时聚合物产品的热应力显著增大。 ( 3 ) 温差对聚合物制品的质量影响显著。在挤出过程中，螺槽内常出现较大 的温差，特别是高泵比的情况下尤为明显。温差会导致被加工物料不均匀性，以 致最后影响到成品的质量。 机筒为双螺杆挤出机机组的重要组成部分，其结构分析为安全生产提供了保 证，并且对结构的设计优化提供了参考；机筒内部的聚合物在双螺杆中的流动与 传热的良好控制是双螺杆挤压过程的关键技术之一对其分析为生产质量的提高 提供了帮助；对机筒内部聚合物预热融化过程的模拟，估算由于停机后聚合物凝 固后开机所需加热的时间主要是为了保证安全生产，由于聚合物凝固，扭矩过大， 贸然开机则会导致螺杆断裂。 1 2 国内外研究现状 这一部分主要是介绍双螺杆挤出机机筒结构的国内外研究现状，以及聚合物 的流动、传热过程以及融化相变过程的研究现状。这些前人的研究，为研究和分 析聚合物的加工提供了基础。 1 2 1 双螺杆挤出机研究现状 大型造粒机组为多个啮合同向平行双螺杆挤出机串联组成。同向平行排气式 双螺杆挤出机的应用领域为【3 l ： ( 1 ) 对含一定水分、溶剂和单体的物料直接进行清洗、凝固、挤压、脱水干 燥和造粒； ( 2 ) 对含各种添加剂的聚合物进行填充、共混、增强、排气、托挥发分、均 化和造粒； 2 第一章绪论 ( 3 ) 对粉末涂料、色母料、催化剂、油漆、食品、纸浆等进行分散、混合； ( 4 ) 对特种物料进行混合于成型。 在聚合物加工过程中，温度是一个非常重要的因素，并在很大程度上影响着 聚合物制品的质量和产量，挤出机机筒的加热冷却方式设计有着至关重要的作用， 若加热不均，不仅影响聚合物制品的质量和产量，而且还会造成机筒的变形4 1 。 机筒采用的加热冷却方式主要有以下几种： ( 1 ) 外置电加热器加热+ 水冷却方式，该方式机筒开设冷却通道，采用水作为 冷却介质，由于水汽化的影响，温控范围和温控精度都受到限制。 ( 2 ) 外置电加热器加热+ 蒸汽冷却方式，该方式采用高压蒸汽作为冷却介质， 克服了水汽化的问题，但是必须配套高压蒸汽供给站。 ( 3 ) 外置电加热器加热+ 导热油冷却方式，与第一和第二种方式相比，该方式 不仅具有较高的温控范围和温控精度，而且适用性强，是中小型挤出机使用最多 的加热冷却形式，在大型挤出造粒机组中也有使用。但是，由于采用外置电加热 方式，挤出机筒内外温差较大，特别是对于大型挤出机筒，容易造成机筒温度分 布不均匀，从而导致机筒变形，影响机组使用。 ( 4 ) 双通道机筒，都采用导热油的方法进行加热与冷却，大型造粒机组中使 用较多，机筒温度分布较均匀。 1 2 2 聚合物流动与传热研究现状 在聚合物成型加工过程中，聚合物熔体常常需要在收敛的流道内流动，对聚 合物熔体在收敛流道内的流动与传热的分析和模拟具有非常重要的理论和实际意 义。由于从理论上求解加工流动问题难度极高，除了极少问题可求得精确解外( 例 如，牛顿流体的测粘流) ，绝大多数必须采用简化方法，大量问题的深入探讨还需 要借助计算机求解数值解。简化的方法是，针对一个具体流动问题的条件，把精 确方程由一些可忽略不计的项删去，简化成近似方程然后求解，例如低雷诺数下， 粘性力占主导地位，删去惯性力想的蠕动流逼近【5 】，一般的高聚物加工流动都采 用这种简化方法。 一些专家对聚合物流动与传热过程通过无量纲化进行了数值计算。 l a w a l 等【6 】给出了塑性流体在狭缝和圆柱管道中，与壁面滑移过程中产生的 粘性加热过程的数值解。模板入口和出口的速度分布、压力分布以及整体温度的 封闭的表达式是已知的。他们把解决能量守恒方程的问题转化成为用有限积分变 换法求解特征值问题，对所需的特征值和特征函数的确定使用了无量纲法。壁面 的滑移对于粘性加热过程的效果是降低速度梯度，对于塑性是相反的作用。他们 的研究对估算在有相对滑移壁面和无相对滑移壁面模板的压降、塑性流体的温升 3 北京化_ t 大学硕士学位论文 有很大帮助。 h u 等【7 】采用了无网格模拟方程法( m a e m ) 解决熔融聚合物的流动问题。他 们把熔融聚合物的流动简化为牛顿粘性流问题。数值解是用派生径向基函数 ( r b f s ) 线性组合的方式表达的。他们一共考虑了两种不用的聚合物熔体模型： 粘度与温度无关的幂律流体模型和粘度与温度有关的幂律流体模型。初始条件相 同下，与温度无关的幂律流体的温度要高于与温度有关的幂律流体的温度。能量 方程中考虑了粘性耗散以便获得相关的物理现象。他们结果与解析解和用其他有 限元法求出的结果相吻合。m a e m 法最大的优点是相对于有限元法，占用更少的 内存和时间。 z h a n g 等【8 】以温度相关的指数定律作为本构方程，所用方法与【7 】一样为无网 格方法，模拟了外表面为恒温的圆管内具有粘性耗散的聚合物流场传热过程。他 们对比了考虑粘性耗散与不考虑粘性耗散的模型以及不同粘性耗散的模型，并比 较解析解与数值解之间的关系。他们的结果显示：粘性耗散对于温度分布有显著 的影响；对于考虑粘性耗散的聚合物熔体和没有考虑粘性耗散的聚合物熔体来说， 极限温度都与壁面温度有很大的关系，而不与入口温度无关 由于计算机的发展，有限元法被引进，许多专家都采用有限元法对聚合物的 流动与传热过程进行了分析。 l a w a l 等【9 】根据三个轴向的控制方程提出了用来计算在截面为正方形、梯形 和五边形的直管内幂律流体流动过程的的计算机编码。在计算中，引入了一个直 角坐标系，用来使得截面不同的管道间能够建立联系。使用线性s o r 技术来离散 和求解传热方程。这个编码可以用于求解不同边界条件、不同的流体物性及不同 粘性耗散下的聚合物流体的流动与传热过程。 w e i 等【i o 】运用有限元分析法对聚合物熔体在恒温环境下通道内的流动进行了 分析。熔融的聚合物被看作是粘度与温度有关的幂律流体，并且在能量方程中考 虑了粘性耗散项。他们获得了不同长度的管道和不同入口温度下聚合物的温度分 布。对于长管道的入口区的结果，与忽略了管道轴线方向上的热传导的模型相比， 把管道轴向方向的热通量设为0 的结果更好一些 w u 5 】建立三维的等温的方截面的弯管内的非等温的尼龙_ 6 的蠕动流的数值 模拟。所用材料的物性是以微分形式的非等温w h i t e - m e t z n e r 模型给出的，并且 忽略重力的影响。他们的结果表明，在接近壁面的区域，聚合物的温度上升较快， 在管道末端的外壁面附近，流体温度最高；沿着外壁面的n u 在离开弯道处有一 个波动，沿着内壁面的n u 整体是上升的，但在进入弯道区域时有下降；随着流 速增大，n u 也增大；对于流速很低的聚合物的流动，n u 在弯道处的变化不大， 但对于流速较快的聚合物的流动，外表面的n u 明显比内表面的n u 高。 e t e m “】应用迦辽金有限元法来求解在十字交叉截面直管内的非牛顿流体 4 第一章绪论 层流的三维动量和能量方程。假定流动和传热都是在入口处同时发展。对于热边 界条件，他假定壁面温度是统一的，壁面轴向和垂直方向热流密度是一个定值。 对于非牛顿流体采用了幂律模型。物理模型他采用了两种不同比例的交叉管道用 来对比分析。他的研究通过图表给出了入口区域、幂律指数和表观摩擦系数对流 动和传热有很大影响，并且，在同样的边界条件下幂律系数较低的流体的n u 数 更高。 研究都脱离不了实验，很多专家都对聚合物的流动与传热过程进行了实验研 究。 r a o 1 2 】对聚合物在摩擦系数和传热系数一定的长宽比为5 ：1 矩形管道内的流 动进行了实验研究。在矩形管道的底部的长边上用直流电进行加热，保证周围环 境温度恒定，并且单位长度的加热量相同，其他面为绝热的。材料选择聚丙烯酰 胺和羟乙基纤维素，假定为粘弹性流体。p r 和r e 相同的情况下，羟乙基纤维素 和水的层流n u 区别不大，聚丙烯酰胺则要高出2 5 。 s h o m e 等【1 3 】对传热传质同时进行的等温水平环形管内层流流动和传热过程 进行了研究。假定流动和传热都是从入口处同时发展。给出一定的缩放比例，可 以使实验结果和数值计算的结果联系起来。主要对入口处的p r 、入口r e 、壁面与 入口的温差、入口轴向速度曲线、n u 、表观摩擦系数等在流体加热和冷却过程的 相互关系。结果显示，变化的粘度对表观摩擦系数的影响要大于对n u 的影响。 由于入口端效应比较明显，在入口附近的区域，浮生力可以忽略。本文还对估算 流体在管道内的压降有很大帮助。 加工流变学问题的复杂性来自于粘弹性流体的记忆效应，每一环节的流动都 要受前面个环节上的流动历史的影响，这个每个单元流动环节上的处理( 如边界 条件的确定) 带来了复杂性，所以一些学者通过已知的结果对未知的初始条件进 行反问题的研究，用来获得较为准确的初始条件。 g c j a d z c 等【1 4 】对聚合物熔体通过狭窄通道时的温度场的反问题进行了求解。 在通过不同的热效应( 如粘性耗散、化学作用等) 下，聚合物熔体的温度分布很 复杂，所以在计算聚合物熔体在狭窄通道通过时的流动和传热，所需的入口边界 条件通常是未知的，对于流动为蠕动流，速度发展很慢，所以入口温度发展也慢， 影响的温度场的范围也远，因此对此的反问题研究很有必要。他们研究的管道壁 面的数值来自于c a u c h y 数据，聚合物的流动假定为不可压缩的非牛顿假塑性流 体的稳定层流过程，控制方程为n s 方程，粘度为幂律流体。在求解过程，由于 要耦合考虑速度场合温度场，n s 方程每一步的求解都是多解，所以采用了连续 的t i k h o n o v 逼近。他们同时对流道形状的作用也进行了分析。但是他们的反问题 研究只适用于恒稳态流动的二维模型。 北京化工人学硕卜学位论文 双螺杆挤出机作为连续混合设备已广泛应用于聚合物加工、食品加工以及医 药工业。由于双螺杆结、聚合物熔体物性以及流动状态的复杂性，目前对双螺杆 挤出机挤出过程的理论研究还局限于一定的模型【1 5 1 6 1 。双螺杆挤压是完成聚合物 混炼聚合的关键过程，混炼和聚合的好坏依赖聚合物在双螺杆中的融化、流动和 剪切，聚合物在双螺杆中的流动与传热的良好控制是双螺杆挤压过程的关键技术 之一。 流体在螺杆螺槽内的流动可以分成两种简单的流动，即由螺杆转动引起的粘 性流动和由下游的模板的限制引起的回流【1 7 】。当没有模板时，对流体也就没有了 向后的压力干扰，这时的产量为最大产量，这时的工况称为排放条件。相反地， 当与螺杆匹配的模板的压力回流在最大值时，此时的产量为零。 国内外的一些学者对单螺杆挤出机内聚合物的流动与传热进行了一系列二维 和三维的研究计算。 目前的二维流场计算主要有两种方法【1 7 - 2 4 ：一种方法是对垂直于螺槽截面内 的流动进行分析，忽略螺槽曲率的影响，将螺槽沿机筒内表面展开，假设螺槽静 止，机筒表面相对于螺槽移动，熔体沿挤出方向充分发展，分析熔体在螺槽横截 面内的速度分布；另一种是对垂直于轴线的截面内的流动进行分析，不需将螺槽 展开为平面，保持流道的真实形状，但一般让假设机筒运动，螺杆静止。 g u p t a 和k w o n 2 5 】用不同的有限元单元对非牛顿粘性流体的流体的在不同的 几何中三维流动进行了分析，其中包括了在在螺槽内的流动分析。在他们的研究 中，压力和温度对粘性的影响没有考虑。 b e r e a u x 等【r 7 】对单螺杆挤出机的粘性和粘弹性流体在螺旋通道中的流动进行 了求解，与量平行板模型相比较，大截面剖面换热扭转效应显著，同时获得了由 于弯曲和扭曲效应引起的粘弹性效应，他们的解析模型准确验证了三维有限元模 型。 d a s 和o h o s h d a s t i d a r 博1 基于有限容积的s i m p l e c 算法，对幂律流体在单螺 杆挤出机的三维传热模型进行了数值求解，并通过试验进行了验证，获得了流场、 温度场、压力场等数值结果，与实验结果吻合良好 对双螺杆挤出机机筒内聚合物的流动与传热的研究也逐渐展开。 前人已建立了一些有关聚合物分散混合的初步模型，并结合流场分析计算得 到了双螺杆挤出机末端的分散相液滴的平均直径及其分布【2 6 , 2 7 。但是由于双螺杆 挤出机的流场分析比较复杂，已有的研究在进行流场分析时都是通过对流场几何 形状的简化而得到了流场参数的解析解，并进一步求得整个流场的平均剪切速率、 平均剪切应力和平均总应变，结合分散模型最终求得共混物的混合形态，很显然 这样的求解方法存在着很大的误差。 有一些学者对机筒内啮合块槽内的聚合物的流动、传热过程进行了研究，啮 6 第一章绪论 合块的结构要相对螺杆简单一些。 对于螺杆原件流场的三维模拟也在逐步展开。 杨海波等f 2 8 】用有限元法对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件原件流场进行 了三维等温非牛顿模拟分析，根据流场分析所得到的速度场，通过编程计算得到 了物料在啮合同向双螺杆挤出机螺纹原件中的三维流动路径。 对螺杆啮合段流体流动的研究，文献中大多采用从机筒实体挖去螺杆实体， 形成流体的流道，对此进行数值求解【2 9 1 。这样不可避免对狭窄而复杂的啮合区进 行有限元网格处理，而且由于螺杆的转动，流道形状时刻变化，有限元网格处理 的工作量相当大。 彭炯等【3 0 】采用了p o l y f l o w 软件包提供的网格重叠技术【3 1 】对啮合段的三维流 动进行了数值模拟。给出了啮合段内压力、速度分布，指出聚合物熔体在啮合段 得到了充分的混合。 董中华等【3 2 】也采用了p o l y i l o w 软件，选用了三维非等温、c r o s s 模型，对高 聚物熔体在双螺杆挤出在不同导程螺纹元件中的流动和混合过程进行了数值模 拟，并用示踪粒子法进行了实验，与数值模拟结果进行量化对比。 s o m b a t s o m p o p 掣3 3 】通过实验对比，得出机筒加热条件、粘性耗散以及机筒 内聚合物的流动长度都影响聚合物的温度分布。 朱向哲等【驯利用a n s y s 软件c f d 方法对聚合物熔体在三螺杆挤出机的流动 规律进行了数值模拟，计算了其挤出特性参数，并且同双螺杆挤出机进行了比较。 1 2 3 挤出过程融化研究分析 j r v m a n e u l e i l 等【3 5 】对单螺杆挤出机内的聚合物的融化建立了传热模型。假设 当螺杆的速度、机筒的温度和热量流速确定后，在螺槽中颗粒的流动剖面可以被 计算出来。这个假设经过一系列精心选择在单一形状的挤出机的实验得以确定。 所有的实验都选择低转速。 j r v e r m e u l e n 3 6 】用在移动的表面上的一层的聚合物颗粒的融化来模拟单螺杆 挤出机内聚合物的融化过程，融化的过程规律由表面温度、表面速率和颗粒层在 表面速度方向上的长度决定。 b y i 和r t f e n n e r l 3 7 】研究了紧密的固体聚合物层在通过狭窄的环形剪切机中 融化过程。这个融化设计是应用于连续的挤出机中，在这种挤出机中融化速率不 受生产量的限制，而主要受切线速率的限制，并且从周围的壁面受热。 o w e nm g r i f f i n 【3 8 】发表了在移动的热的表面上固体融化的能量平衡模，并应 用于挤出传送过程。 7 北京化工大学硕上学位论文 k l y u n g y a hx ua n dk h l a 0 3 9 1 建立了往复挤出过程的短暂融化模型。通 过这个模型，研究了往复挤出过程的在不同段的融化速率。 1 3 本课题研究目的与研究内容 本课题是针对大造粒机组中双螺杆挤出机的机筒部分进行分析和研究，主要 包括三个方面的内容：双螺杆挤出机机筒的结构分析，双螺杆挤出机机筒内聚合 物的流动与传热分析，以及双螺杆挤出机机筒内聚合物的预热融化过程的模拟。 本课题主要的目的有以下几点： ( 1 ) 利用a n s y s 软件对双螺杆挤出机机筒在几个不同工况下进行有限元分 析，获得在不同工况下机筒在热。力耦合作用下的应力分布、温度分布以及轴向变 形量，用以校核机筒的强度，以确保安全生产；并且 ( 2 ) 利用f l u e n t 软件对双螺杆挤出机机筒内的聚合物的流动与传热进行模 拟，获得聚合物的温度分布、压力分布、速度分布以及温度随时间变化曲线等， 这对聚合物加工过程中聚合物的状态的确定有所帮助。 ( 3 ) 利用f l u e n t 软件对双螺杆挤出机机筒内聚合物的预热融化过程进行仿 真，获得聚合物的预热时间、温度场以及在不同工况下的对比。当双螺杆挤出机 由于检测或其他原因停机，螺槽内的聚合物会发生凝固，由于聚合物凝固，贸然 开机则对于螺杆扭矩过大，会导致螺杆断裂，造成生产事故，对其预热过程进行 模拟，则可以有效地获得预热时间，防止这种事件发生。 8 第二章双螺杆挤 l 机机筒的结构分析 第二章双螺杆挤出机机筒的结构分析 双螺杆挤出机是化工行业重要的机电一体化先进装备，主要用于塑料化工原 料的改性和造粒生产。物料在螺杆输送过程中受到机简加热和粘性耗散的作用， 逐渐融化，最后通过模板造粒。由于挤出机受末端模板的阻力，机筒内部可能产 生高达i o m p a - 3 0 m p a 的压力。机筒作为挤出机的重要组成部分，为物料提供热 量，其内部加热通道分布较为复杂，工作时要受力和热的耦合作用，可能会产生 机械应力和热应力耦合迭加效应，使得局部出现应力集中。 不同的工况对挤出过程影响很大，双螺杆挤出机轴向双通道加热机筒和末端 单通道机筒的结构设计，有必要对机筒在试压、正常和极限等工况条件下的受力 情况进行有限元分析，尤其要关注双螺杆挤出机机筒在热力耦合载荷下，机筒的 温度和应力分布状况和变形情况，对于机筒的设计和优化就显得尤为重要。 a n s y sw o r k b e n c h 为a n s y s 求解实际问题的新一代的产品，它的优点 在于三维建模更为方便容易，由四个模块组成： ( 1 ) d s 模块，是用a n s y s 的求解器，做结构或热分析； ( 2 ) d m 模块，用来建立c a d 几何模型，为分析做准备； ( 3 ) d x 和d x v t 模块，用于研究变量的输入( 如几何、载荷) 对响应( 如 应力、频率) 的影响； ( 4 ) f em o d e l e r 模块，用来把n a s t r a n 的网格转化到a n s y s 中使用。 本课题为了获得热力耦合作用下双通道机筒和单通道机筒的应力、变形和温 度分布，利用a n s y sw o r k b e n c h 建立了双螺杆挤出机轴向加热双通道机筒和 单通道机筒的有限元模型，分别对试压工况、正常工况、极限工况和冷态工况等 条件下，机筒的温度分布、应力分布和变形进行了有限元分析，以检验设计的合 理性和可靠性，在自主创新方面进行一些有益的探索。 2 1 双螺杆挤出机机筒的物理模型 机筒的物理模型是按照机筒尺寸l ：l 建立的，这样避免了由于尺寸比例的变 化而因此的误差。图2 1 为双螺杆挤出机双通道机筒的三维物理模型，外形尺寸 为6 8 0 m m x 9 4 0 m m x 8 4 0 m m ，流道的直径为2 5 r a m 。 9 北京化i 学顿学位论女 图2 - 1 般螺杆挤出机双通道机筒结构示意酗 f k u r 2 - l t h e m o d e l o f t w l n 。s c r e w n d 目b a m 在网格划分过程中，如果采用均一的尺寸，网格数目过多，计算出现困难； 若都采用大网格划分，内部的管道部分在计算过程中精度会受到影响。所以采用 分段网格划分，网格划分图2 - 2 所示在两侧网格单元为1 8 r a m ，其余部分网格 单元为2 5 r a m 。 幽2 - 2 烈蝶+ r 挤出机机简冉阻兀州格划分 f i g u r e2 2 t h e m e s h l o f t h e t a n - s c r e w b a r r e l w i t h k d e m m o d e 2 2 双螺杆挤出机机筒的传热数学模型 第二章双螺杆挤 l ：机机筒的结构分析 算例l 为试压工况，机筒为常温。 算例2 为正常工况，机筒外表面覆盖有保温层，其厚度为2 0 0h l i n ，保温层 与空气的对流换热系数取为2 0 w m 吨k ，空气温度为2 9 8k ：机筒内部的加 热通道对流换热系数为2 8 2 0 矿研。2 k ，导热油温度为5 2 3k ；考虑到在正常 工况下，“8 字孔内部的聚合物为等温流动，故“8 字孔内表面设为绝热边界； 假设机筒的其他表面为绝热边界。 算例3 为极限工况，机筒外表面覆盖有保温层，其厚度为2 0 0 r a m ，保温层与 空气的对流换热系数取为2 0 w m 。2 k ，空气温度为3 0 3k ；机筒内部的加热 通道对流换热系数为2 8 2 0w m 。2 k 一，导热油温度为5 7 3k ；考虑到在正常工 况下，“8 ”字孔内部的聚合物为等温流动，故“8 ”字孔内表面设为绝热边界；假 设机筒的其他表面为绝热边界。 算例4 为极限冷态工况，机筒所有的面视为绝热面。此工况并不是实际工况， 但对于研究热力耦合对机筒应力、变形等的影响有重大意义。 表2 1 算例2 ，算例3 热边界初始条件 t a b l o2 - 1h e a t i n gb o u n d a r yc o n d i