Экспериментальное изучение потоков жидкости в С-образных секциях и зазорах зацепления шнеков

Для теоретического анализа работы двухшнековых экструдеров необходимо знать распределение потоков утечек перерабатываемого материала в С-образных секциях и зазорах зацепления шнеков. Метод отбора проб с контрастными красителями исключает возможность исследования механизма возникновения и распределения потоков утечек в винтовых каналах.

Прозрачный цилиндр из органического стекла, использованный в модельном двухшнековом экструдере, намного упрощает визуальное наблюдение картин течения жидкости, по распределению красителя в которой можно получать непрерывную информацию о направлении потоков утечек. Визуальные наблюдения в этих экспериментах показали наличие следующих потоков жидкости при работе двухшнековых экструдеров: поршневого (принудительного) потока, состоящего из потоков Q_p и Q_d; потока <2ь_а в валковом (радиальном) зазоре между гребнями и сердечниками сопряженных шнеков; потока Qу в зазоре между боковыми поверхностями винтовых нарезок; потока Q_b в аксиальном зазоре между гребнем шнека и внутренней поверхностью цилиндра.

Поршневой поток состоит из так называемых С-образных секций, образованных боковыми поверхностями витков и охватывающего цилиндра и ограниченных с обоих концов валковыми и боковыми зазорами. Жидкость, заключенная в С-образных секциях, продвигается к формующему инструменту. При неизменных геометрических размерах винтовых каналов, что характерно для зоны дозирования (выдавливания), картина движения вязкой жидкости во всех секциях идентична. Относительное движение боковых стенок винтового канала и сердечника шнека вызывает появление вынужденного потока Q_d, а выжимающее действие витков сопряженного шнека и наличие сопротивления формующего инструмента обусловливают появление потока под давлением Q_p внутри отдельной С-образной секции (рис. 2.70).

Продольный градиент давления (dp/dz)k, являющийся результатом воздействия витков сопряженного шнека и сопротивления формующего инструмента, служит причиной возникновения потоков утечек через зазоры зацепления шнеков — боковой 5_S и межвалковый Sq. Кроме того, на формирование потоков утечек через указанные зазоры большое влияние оказывают относительное движение боковых стенок винтовых каналов и цилиндрических поверхностей сердечника и выступа нарезки шнеков.

Следовательно, потоки утечек через боковые и межвалковые зазоры, в свою очередь, складываются из вынужденного потока и потока под давлением.

Рис. 2.70. Распределение потоков перерабатываемого материала в двухшнековых экструдерах со встречным (а) и односторонним (б) вращением шнеков Наблюдения показали, что в боковых зазорах зацепления шнеков течение жидкости является прямолинейным, параллельным стенкам зазора и его можно рассматривать как поток между двумя вращающимися плоскими сегментами при одновременном действии градиента давления. Это является свидетельством правильности постановки и решения задачи течения жидкости через боковой зазор, рассмотренной в предыдущем разделе.

Известно, что у толкающей (напорной) стенки винтового канала давление больше, чем у пассивной. Обычно в зацеплении шнеков напорная стенка одного шнека является смежной для пассивной стенки другого, в результате чего возникает перепад давления между ними. Этот перепад начинает действовать на */₈ максимальной длины бокового зазора. В этой области прямолинейность движения потока искажается и он направляется в смежную С-образную секцию того шнека, боковая поверхность нарезки которого, ограничивающая зазор, является одновременно пассивной стенкой канала.

Одновременно некоторая часть материала, находящаяся у толкающей стенки в области зацепления, под действием того же перепада давления переходит через боковой зазор, сливаясь там с основным потоком, в смежную секцию (см. рис. 2.70). Именно этот дополнительный поток влияет на вид эпюры скоростей в плоскостях 7 и 5 (см. рис. 2.35). Плоскость 7 находится у активной стенки канала, а переток из этой области в смежную секцию ослабляет обратный поток, следовательно, уменьшает его скорость в направлении оси z. У пассивной стенки (плоскость 5) происходит обратное явление, т. е. на обратный поток накладывается дополнительный из бокового зазора, увеличивая соответственно скорость.