Распределение скоростей потока вязкой жидкости и давления в валковых зазорах зацепления шнеков

На производительность двухшнековых экструдеров и процесс смешения большое влияние оказывают процессы, протекающие в валковых (радиальных) зазорах между сердечниками шнеков и наружными поверхностями винтовой нарезки (в так называемых «валковых» зазорах).

Визуальное наблюдение за течением жидкости в винтовых каналах модельного двухшнекового экструдера показало наличие интенсивной циркуляции в радиальных зацеплениях шнеков, обусловленной существованием в них составляющих (вертикальная) и v_OT (горизонтальная) скорости потока. Для анализа производительности и процесса смешения важно знать характер распределения указанных составляющих скорости потока.

Экспериментальное исследование профиля указанных составляющих скорости потока в радиальных зазорах зацепления шнеков проводилось на модельной установке, аналогичной примененной при исследовании распределения скоростей потока в самом винтовом канале. Единственное отличие заключалось в замене хвостовиков с исследуемыми каналами на два валка 3 и 5 разных диаметров (имитация несимметричного вальцевания), вращающихся в прозрачном корпусе 6 (рис. 2.45). Привод установки (7, 8 и 9) позволял менять как частоту, так и направление вращения валков.

На рис. 2.46 представлены результаты экспериментальных исследований профиля скоростей (см. рис. 2.46, а) и v_>B (см. рис. 2.46, б) при встречном, а на рис. 2.47 — при одностороннем вращении шнеков, полученные при частоте вращения стакана N_c = 0,133 с^-1. Эксперименты при других значениях частоты вращения показали идентичную картину профиля распределения скоростей циркуляционного потока жидкости в поперечном сечении винтового канала. Из приведенных эпюр скоростей видно, что как при встречном, так и при одностороннем вращении шнеков (валков) сильно развитое течение в направлении оси у (скорость v^,) имеет место в конце С-образной секции винтового канала шнеков. В самих валковых зазорах компонента v_>B появляется только вдоль оси х_у проходящей через середину валкового зазора.

Рис. 2.45. Схема экспериментальной установки для исследования гидродинамики потока вязкой жидкости в межвалковом зазоре зацепления шнеков:

1 — глубиномер; 2 — игла; 3, 5— валки; 4 — измерительная линейка; 6 — прозрачный корпус; 7—9— привод установки.

Рис. 2.46. Профили скоростей потока вязкой жидкости в межвалковом зазоре зацепления при встречном вращении шнеков.

Компонента v_OT скорости потока, наоборот, наиболее сильно проявляется в валковых зазорах, а в самой С-образной секции течение в направлении оси х имеет место только в области, прилегающей непосредственно к поверхности выступов (к валкам большего диаметра). В области, прилегающей к поверхности сердечника (к валкам меньшего диаметра) с координатой x=±d/2, значения = 0. При этом если при встречном вращении шнеков (см. рис. 2.46) скорости направлены в одну и ту же сторону, то при одностороннем вращении (см. рис. 2.47) направлены в противоположные стороны.

Компонента скорости потока в основном и оказывает влияние на утечки жидкости из С-образных секций через межвалковый зазор. В обоих случаях вращения шнеков профили скоростей потока v_OT и формируются под действием двух факторов: относительных движений поверхностей валков, обусловливающих по;

Рис. 2.47. Профили скоростей потока вязкой жидкости в межвалковом зазоре зацепления при одностороннем вращении шнеков

Рис. 2.48. Экспериментальное распределение давления р в межвалковом зазоре при встречном (а) и одностороннем (0) вращении шнеков; N_c =0,133 с^-1

явление вынужденного потока, и градиентов давления как в межвалковом зазоре, так и в самом винтовом канале. При этом как v_OT, так и являются функциями координат х и у, т. е. v_OT = у_от(х, у) и Уув ^{= у}ув (^х> У) (направление оси х в межвалковом зазоре совпадает с направлением оси z в винтовом канале). Эпюры скоростей v_OT и _уъ в межвалковых зазорах хорошо согласуются с картиной распределения давления (рис. 2.48), полученной по методике, аналогичной с замером давления в винтовых каналах.

Экспериментально найденные эпюры давлений и профили скоростей потока в винтовом канале С-образной секции и в межвалковых зазорах зацепления шнеков намного облегчают анализ движения жидкости в двухшнековых экструдерах и процессов смешения в них перерабатываемого материала.