Оборудование для смешения полимерных материалов (стр. 4 из 6)
где Г)2 и T) i – эффективная вязкость ДФ и ДС соответственно.
Выражение (4.13) выведено при условии оптимальной ориентации поверхностей раздела смешиваемых фаз относительно направления деформации сдвига. В случае одномерного сдвига связь между ориентацией поверхностей раздела и направлением деформации сдвига, выраженная через угол а, характеризуется формулой
Если поверхность раздела нормальна к вектору смещения, угол а «0. По мере развития деформации сдвига угол а возрастает, а интенсивность увеличения поверхности раздела снижается. Поэтому на практике каждый ламинарный смеситель снабжается приспособлениями для периодической переориентации поверхностей раздела относительно направления деформации сдвига. Это достигается периодическим поворотом сдеформированного материала, в котором поверхности раздела фаз вытянуты в направлении деформации, на угол, примерно равный π/2. При этом поверхности раздела вновь оказываются оптимально ориентированными относительно последующей деформации сдвига. Момент переориентации обычно совпадает с развитием деформации сдвига, примерно равной 3–5 единицам деформации. Суммарная деформация, подсчитанная из выражения (4.13), естественно, должна сопровождаться соответствующим числом актов переориентации.
Смесительные вальцы
Вальцы – самый простой смеситель для высоковязких материалов; они были впервые применены для приготовления резиновых смесей Эдвином Шаффе в 1835 г. На вальцах перемешивание материала осуществляется в зазоре между двумя параллельно расположенными, вращающимися навстречу друг другу полыми цилиндрами (валками). Вальцы подразделяют по диаметру валков на лабораторные – с диаметром валков меньше 225 мм (частным случаем их являются микровальцы с диаметром валков 40–80 мм) и производственные – с диаметром валков от 300 до 800 мм. Основные размеры вальцов, выпускаемых в СССР, унифицированы в соответствии с рекомендациями СЭВ (табл. 4.2).
Принципиальная схема обычных двухвалковых вальцов представлена на рис. 4.11. На фундаментной плите 4 установлены две станины 2, в проемах которых в подшипниках 5 и 7 укреплены валки 1.! На конце заднего валка консольно закреплена приводная шестерня 6. Подлежащие смешению компоненты – полимер, пластификаторы, измельченные твердые ингредиенты (тальк, технический углерод, мел, асбест и др.) – загружаются в зазор, в котором за счет интенсивной деформации сдвига, сопровождающейся сильными тепловыделениями, происходит смешение. Валки 1 обычно изготавливают из кокильного чугуна. Рабочая поверхность отбеливается на глубину 15–18 мм; при этом твердость поверхности по Бринеллю должна составлять НВ = 300–450. Наружная поверхность валков шлифуется до класса чистоты 7–9. На поверхности валков дробильных вальцов под углом 7–11° фрезеруются рифления глубиной 4,5– 6 мм и шириной 4,5–15 мм; края валков оставляют гладкими.
Валки вальцов делают полыми. В них подается горячий теплоноситель, в качестве которого может использоваться нагретое масло, перегретая вода. Валки вальцов, предназначенных для переработки термочувствительных материалов, снабжают системой интенсивного теплообмена – сверленые или фрезерованные каналы, расположенные непосредственно у поверхности валка, в которых с большой скоростью циркулирует охлаждающая жидкость. Валки лабораторных вальцов обычно снабжают системой электрообогрева. В зависимости от назначения вальцов скорость валков может быть одинаковой или разной. В последнем случае скорость вращения заднего валка U2 выше, чем переднего Ux. Отношение окружных скоростей валков называет-ся фрикцией.
Для регулирования зазора между валками подшипники переднего валка 5 могут перемещаться при помощи регулировочных винтов 3 в проемах станины 2. От смещения вверх подшипники удерживаются траверсами 8, которые крепятся к станине болтами. Для правильной установки зазора регулирующие винты снабжены указательными шкалами. На вальцах с большими диаметром и длиной валков привод регулировочных винтов осуществляется от специальных электродвигателей. На вальцах малого размера и вальцах старых конструкций вращение винтов производится вручную.
При вальцевании полимерного материала в зазоре между валками возникают распорные усилия, которые пропорциональны эффективной вязкости вальцуемого материала и могут составлять в расчете на 1 см длины валка от 3,5 до 11 кН. Для предотвращения поломки валков на концах регулирующих винтов установлены предохранительные шайбы, срезающиеся при перегрузке.
Валки вальцов обычно устанавливаются в подшипниках. скольжения. Смазка подшипников циркуляционная (от специального насоса или от лубрикатора). Для отвода тепла корпус подшипника на производственных вальцах снабжен охлаждаемой водой рубашкой.
Рис. 11. Групповой привод вальцов:
1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – большая шестерня; 4 – малая шестерня; 5 – фрикционные шестерни; б – валки.
Для предотвращения попадания вальцуемого материала в подшипники на концах валков устанавливают профильные пластины 10 (называемые «ограничительными стрелками»), каждая из которых состоит из двух половин, укрепленных соответственно на подшипнике переднего и заднего валков. На одной из половин стрелки установлена стальная планка, перекрывающая зазор, образующийся между стрелками при раздвигании валков (рис. 11).
В большинстве случаев привод осуществляется от электродвигателя переменного тока. Привод может быть групповым и индивидуальным. Специфическая особенность работы привода вальцов состоит в широком диапазоне изменения потребляемой вальцами мощности. При групповом приводе несколько (обычно» двое) вальцов приводятся от одного мощного синхронного электродвигателя, соединенного с ведущим валом через редуктор (рис 12). Групповой привод позволяет снизить установочную мощность и способствует увеличению cos<p агрегата. В случае индивидуального привода (рис. 13) используют электродвигатель, опрокидывающий момент которого рассчитывается по максимальной нагрузке.
Это требует примерно полуторакратного запаса по сравнению со средним значением мощности, потребляемой в течение рабочего цикла. Завышение установочной мощности приводит к уменьшению cos ф агрегата. Поэтому на крупных предприятиях индивидуальный привод почти не применяется.
Регулируемый привод обеспечивает возможность изменения окружной скорости вращения валков (от 6,3 до 25 м/мин) и фрикции (от 1:1 до 1:4); он применяется только на лабораторных вальцах.
Верхний предел окружной скорости вращения переднего валка обусловлен требованиями техники безопасности; окружная скорость переднего валка может составлять не более 38 м/мин, скорость заднего валка, как правило, выше.
Для мгновенной остановки вальцов в случае попадания в них одежды или руки рабочего служит устройство, называемое аварийным остановом (см. рис. 4.11), которое состоит из коромысла, соединенного с аварийным выключателем, и троса или цепи 9, протянутого вдоль переднего и заднего валков на такой высоте, чтобы оператор, обслуживающий вальцы, мог привести его в действие с любого места. Время остановки вальцов при незагруженных валках не должно превышать 1,5–2,0 с. Валки загруженных вальцов останавливаются практически мгновенно. При индивидуальном приводе аварийный останов отключает двигатель привода и приводит в действие колодочный тормоз, установленный на валу двигателя. При групповом приводе аварийный останов отключает соединительную муфту. В этом случае управление муфтой обычно осуществляется механически.
На вальцах старых конструкций оператор для улучшения однородности смешения вручную периодически подрезал слой материала, обволакивающий передний валок, скручивал его в рулон и вновь направлял в зазор. Современные вальцы снабжены ножом для механического подрезания, укрепленном на суппорте, который совершает возвратно-поступательное перемещение по установленному вдоль валка ходовому винту. Иногда на вальцах предусматривают дополнительный привод для поперечного перемещения ножа, который в этом случае совершает сложное движение, имитирующее операции, производимые вальцовщиком: нож подводится к поверхности валка, выстаивает в течение некоторого времени и подрезает полосу массы; затем он продвигается вдоль валка и отходит от него (в этот момент срезанная масса вновь затягивается в зазор).
На некоторых моделях лабораторных вальцов, применяемых для исследовательских целей, устанавливается специальная контрольно-измерительная аппаратура, предназначенная для замера параметров режима вальцевания. Замер распорных усилий производится посредством месдоз, устанавливаемых на концах винтов, регулирующих зазор. Температура вальцуемого материала замеряется встроенной в валок термопарой. Скорость вращения переднего и заднего валков определяется по показаниям тахометра.
Двухроторные лопастные смесители
Простейший вариант двухроторного смесителя, широко применяемый в промышленности переработки пластмасс, – это смеситель с Z-образными лопастями. Несмотря на большое разнообразие конструкций, во всех смесителях такого типа можно выделить основные конструктивные элементы (рис. 4.23). Внутри опрокидывающейся рабочей камеры / располагаются два Z-образных ротора 2, вращающиеся навстречу друг другу с различными частотами вращения (л = 180–200 об/мин). Рабочая камера снабжена крышкой 8 с быстродействующим затвором 7. Роторы приводятся во вращение электродвигателем 4, соединенным цепной передачей 6 через муфту 5 с системой приводных шестерен, установленных во встроенном редукторе 11. Камера смесителя имеет рубашку 3, через которую пропускается теплоноситель (пар или смесь пара с конденсатом). В крышке камеры смесителя имеются штуцер 9 для подачи жидких компонентов и отвод 10 для удаления вакуумированием газообразных летучих из камеры.