Результаты вычислительного эксперимента

Решение уравнений (1)-(10) проводилось методом конечных элементов и методом сеток. На рис. 1 представлены результаты расчетов векторного поля давлений в канале шнека, рассчитанного методом конечных элементов.

Рис. 1. Векторное поле давления полимера в канале шнека

Параметры полимера: коэффициент теплопроводности 0,1817 Вт/(м∙К); температура плавления полимера 110 °С; температура экструзии 149 °С; теплоемкость полимера в расплавленном состоянии 2596 Дж/(кг∙К); теплоемкость полимера в твердом состоянии 2763 Дж/(кг∙К); плотность расплава полимера 791 кг/м3; плотность твердого полимера 915,1 кг/м3. Характеристика процесса: массовый расход 61,7/3600 кг/с; диаметр 0,0635 м; глубина канала 0.009398 м; ширина канала 0,05416 м; угол подъема винтового канала по наружному диаметру червяка 17,65.

Распределение температуры в канале шнека показано на рис. 2 и 3. Расчеты проведены с использованием метода сеток, так как он является наиболее удобным для программирования. Результаты подобных расчетов можно учитывать при формирования управляющего воздействия в системе управления экструдером.

Рис. 2. Распределение температуры в канале шнека

Рис. 3. Результат численного моделирования распределения температуры
в канале шнека в разрезе

Основная часть энергии, которая идет на плавление полимера, выделяется в процессе трения. Это очевидно как при сравнении потребления энергии нагревателями и приводом пресса, так и при рассмотрении результата расчета, представленного на рис. 4. Решение дифференциального уравнения, описывающего выделение тепла в результате действия диссипативных сил, выполнено методом сеток.

Приведенные результаты расчетов служат основой для настройки регуляторов температуры таким образом, чтобы состояние экструдата соответствовало желаемому: была необходимая вязкость, температура. Ввиду инерционности процессов теплораспределения, в период прогрева экструдера измеряемая температура будет отличаться от действительной температуры в зоне на десятки градусов. В процессе производства (в установившемся режиме) разница между измеряемой и действительной температурой будет не более 2 °С.

Рис. 4. Результаты расчётов температуры в теплоносителе экструдере при различной частоте шнека (n, об./мин)