Файл: Реология в процессах и аппаратах химической технологии [сборник статей]..pdf

где К т а х — постоянная для данной резиновой смеси вели­ чина, равная коэффициенту эластического восстановления, по­ лученному экстраполяцией линейного участка зависимости

Рис. 13. Экстраполяция зависимости iKo= f(D') при различных вели­ чинах угла конфузора а и постоянном значении Я=5,2 в область отрицательных значений D' для резиновой смеси НО-68-1, Т=353?К.

Ko = f ( Q ) или Ko = f ( D ) на координатную ось О К о при К—„оо, а->180° и длине круглого формующего канала, равной нулю.

Как видно из уравнения (8), для расчета коэффициента эластического восстановления струи при заданной скорости процесса и геометрии конфузора необходимо знание трех постоянных величин Kmax, Kmin и D'0, характеризующих состав и реологические свойства материала. Эти величины могут быть определены путем опытного исследования течения резиновых смесей через конфузоры.

109

Рис. 14. Графическое представление опытных данных, обрабо­ танных в соответствии с уравнением (8). О — резиновая смесь НО-68-1, Т=353°К, А — резиновая смесь 6123, Т= 353°К; □ —

резиновая смесь )Кз-339, Т= 348ЧК.

Значения полученных в данной работе постоянных величин для исследованных резиновых смесей приведены в таблице 1.

Полученные в данной работе опытные данные были обра­ ботаны в соответствии с уравнением (8) в виде графика, изо­ браженного на рис. 14. Как видно, опытные данные хорошо укладываются на расчетную прямую, соответствующую урав­ нению (8).

110

Д А ХИ Н О. X., ШИШЛЯННИКОВ в. в.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ПО ДЛИНЕ И РАДИУСУ КАНАЛА

ПРИ ТЕЧЕНИИ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ

Наиболее важной характеристикой теплообмена три тече­ нии расплавов полимеров в каналах является температурное поле, позволяющее выявить физическую картину процесса течения и теплообмена. На основании распределения темпера­ тур можно вычислить коэффициент теплоотдачи, а также вы­ яснить влияние диссипации энергии.

Экспериментальное исследование распределения темпера­ тур при течении расплавов полимеров в каналах представляет определенные трудности вследствие высокой вязкости распла­ ва и больших перепадов давлений при течении, требующие специальной конструкции для ввода термопары в канал. В связи с этим в литературе имеется незначительное число работ об экспериментальных измерениях распределения тем­ пературы при течении расплавов полимеров. Так, Бейер и Даль

[1].Скотт и Каган [2] исследовали распределение температур

вголовке экструдера. Авторы [3] изучали теплопередачу к

полиэтилену и полипропилену в круглом канале термопарами, расположенными в нескольких точках по радиусу параллельно потоку около выхода.

В работе [4] также использовалась термопара, помещен­ ная параллельно оси канала на выходе для нагреваемого, охлаждаемого и изотермического потока. Однако в вышепере­ численных работах трансформация температурного профиля по длине канала не изучалась. Отсутствуют данные по экспе­ риментальному измерению температурного поля по длине и радиусу канала в случае теплообмена обусловленного дисси­ пацией.

Характерной особенностью для расплавов полимеров явля­ ется существенное отличие их физических свойств от других теплоносителей. У полимеров малый удельный вес и коэффи-

112

мальная возле стенки, то вследствие разогрева и снижения вязкости расплава около стенки должен быть максимум тем­ пературы.

Цель данной работы — расширение имеющихся экспери­ ментальных данных по температурному полю, опубликован-

Рис. 3. Изменение температуры полиэтилена высокого давле­ ния П2003К по радиусу и длине канала в случае теплообмена, обусловленного диссипацией (изотермическая стенка), о= =8,44 см/сек.

Рис. 4. Изменение температуры полиэтилена П 10802-020 по ра­ диусу и длине_канала при TBcT=const (изотермическая стен­

ка). ----- — о=13,5 см/сек.;----------о = 8,62 см/сек., —.— о = 5,43 см/сек.

ных нами ранее [5, 6]. Измерение температур осуществлялось на экспериментальной установке, описанной в [7] по методи­ ке, изложенной в [6].

На рис. 1—7 изображены температурные ноля по радиусу и длине канала, измеренные при постоянной и переменной температуре внутренней стенки канала, а также в случае теплообмена, обусловленного только диссипацией

114

Рис. 5. Распределение температуры по длине круглого канала при тече­ нии полиэтиленаП10802-020 при Тв ст. =const (изотермическая стенка).

о=5,43 см/сек.

Рис. 6. Изменение температуры полиэтилена высокого давления П2015К

8*

В случае теплообмена, обусловленного диссипацией (рис. 1), температурное поле трансформируется из плоского на входе в клиновидный на выходе из канала, нарастание температуры полимера идет от нуля на оси до максимума на стенке канала. Распределение температуры стенки и средней температуры полимера показано на рис. 2. С увеличением скорости течения полимера диссипация, как на стенке канала, так и в потоке полимера, увеличивается. При течении с изотермической внут­ ренней стенкой температурный профиль принимает вид, пока­ занный на рис. 3. На температурном профиле имеется макси­ мум температуры вблизи стенки.

При постоянной температуре внутренней стенки на темпе­ ратурном профиле, так же как и в случае Т0 = Тст-, имеется максимум температуры около стенки, причем с увеличением скорости сдвига максимум температуры увеличивается и сме­ щается к оси канала, что вызвано образованием большого количества тепла вследствие вязкого трения. Изотермичность стенки достигалась системой нагрева экспериментальной уста­ новки. Изменение температур для данного случая процесса теплообмена показано на рис. 4, 5.

Если температура внутренней стенки линейно нарастает ( T H.CT = const) с некоторого значения длины канала, то темпе­ ратурный профиль е увеличением длины канала вытягивается, происходит интенсивный разогрев полимера, обусловленный внутренним трением и теплообменом со стенкой. Увеличение температуры расплава за счет вязкого трения происходит не­ равномерно от сечения к сечению. Вблизи стенки разогрев происходит интенсивнее, что обусловлено уменьшением вязко­ сти расплава у самой стенки. С увеличением скорости сдвига разогрев полимера около стенки увеличивается. Однако явно выраженного максимума температуры возле стенки не наблю­

меньшей разности температур стенки и полимера. При увели­ чении разности температур стенки и полимера профиль тем­ ператур вытягивается сильнее вдоль оси канала, при этом все эффекты, обусловленные диссипацией, сохраняются, выделе­ ние тепла диссипации уменьшается за счет уменьшения вязко­ сти расплава. Температура стенки увеличивается за счет дис­

116

Д А ХИ Н О. X., ш и ш л я н н и к о в в. в.

ВЛИЯНИЕ ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ НА РАЗОГРЕВ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА ПРИ ТЕЧЕНИИ В КРУГЛОМ КАНАЛЕ

При течении расплавов полимеров по каналам существен­ ное влияние на распределение температуры вдоль потока ока­ зывает диссипативная теплота, выделяющаяся в результате вязкого трения. Влияние диссипации энергии на нагревание полимера при течении в канале с теплообменом можно опреде­ лить на основании теплового баланса. Для случая установив­ шегося течения расплава полимера по круглому каналу с уче­ том диссипации энергии и теплообмена, характеризующегося коэффициентом теплоотдачи а, изменение этальции элемента потока, длиной dz в случае нагревания полимера выразится уравнением:

впервые В. Г. Шуховым [1] для случая течения вязкой ньюто­ новской жидкости, где диссипация не учитывалась.

Рассеяние механической энергии особенно интенсивно про­ исходит у стенок канала, а также перестройка температурного профиля непосредственно у стенок канала, что связано с сильным возрастанием градиентов температуры и скорости сдвига. Поэтому можно записать выражение для диссипации механической энергии на стенке в виде:

чо

где tr — касательное напряжение на стенке, Dr — градиент скорости сдвига на стенке.

Тогда количество тепла, выделившееся вследствие дисси­ пации в потоке длиной dz, будет равно:

118