Производство одноразовой посуды экструзионным процессом (стр. 3 из 11)

В случае нестыковки форм выходного отверстия цилиндра и входного отверстия головки используют специальный адаптер, однако экструзионные головки, специально разработанные для данного экструдера, могут работать и без адаптера. При этом размеры и формы головок и фильер не имеют общей стандартизации и поэтому использование адаптеров — весьма распространенное явление.

Экструзионная головка считается одной из наиболее важных частей экструдера. Остальные части экструдера имеют только одну цель: доставка расплава полимера необходимой консистенции под заданным давлением к головке. Таким образом, процесс формования, происходящий в головке, является очень важным компонентом всего процесса экструзии.

Природа полимерного расплава делает анализ его протекания через фильеру крайне сложной задачей, поэтому разработка головки во многом до сих пор остается эмпирической задачей.

2.1.1.8 Фильтры и устройства для автоматической смены фильтров

Фильтры перед рассекателем потока обычно ставятся для удаления примесей из расплава. Грубые фильтры (с небольшим количеством ячеек) обычно помещаются перед рассекателем потока в качестве поддерживающего элемента, перед которым последовательно устанавливаются более тонкие фильтры. Типичный пакет фильтров состоит из одного 100-ячеечного фильтра, за которым следуют по одному 60- и 30-ячеечному, при этом 30-ячеечный фильтр устанавливается непосредственно перед рассекателем потока.

Наиболее важными типами фильтрующих устройств являются следующие типы фильтров: проволочная сетка, «спекшийся порошок» и «хаотичные нити». Данные типы фильтрующих устройств различаются по способности задерживать примеси, захватывать гелеобразные частицы и прочим параметрам.

При наличии большого количества примесей в расплаве полимера будет происходить очень быстрое засорение фильтра. При необходимости частой смены фильтра обычно применяют автоматическое устройство для замены фильтров. В таком устройстве осуществлен непрерывный контроль за перепадом давления на фильтре, и если перепад достигает определенной критической величины, гидравлический поршень выдвигает рассекатель потока с кассетой фильтров из экструдера, одновременно помещая в экструдер новую кассету с рассекателем и чистыми фильтрами. Такое устройство называется устройством для замены фильтров со скользящими пластинами.

Рис. 5. Устройство гидравлической смены фильтра.

При некоторой доработке фильтра операция по его смене может протекать даже без остановки экструдера. При этом необходимо удалить старый фильтр и поставить на его место чистый, после чего аппарат готов к новому циклу работы. В случае сильной загрязненности полимера замена фильтра может потребоваться через каждые 5-10 мин, хотя, как правило, время загрязнения одного фильтра исчисляется часами.

2.1.1.9 Системы нагрева и охлаждения

Устройства нагрева необходимы для вывода экструдера на заданный температурный режим при запуске, а также для поддержания требуемой температуры в процессе работы. Наиболее распространены три варианта нагревательных систем: электронагреватели, нагреватели с жидким теплоносителем и паровые нагреватели.

Электронагревательные системы превосходят все остальные типы нагревательных систем по ряду параметров: по ширине диапазона рабочих температур, простоте эксплуатации, меньшей стоимости, большей эффективности. Именно поэтому в большинстве случаев электронагреватели вытесняют все другие типы нагревателей. Обычно нагревательные элементы расположены на цилиндре экструдера, разделяя его на зоны. Небольшие экструдеры обычно имеют от двух до четырех зон, но в некоторых больших экструдерах число зон может доходить до 5-10. В большинстве случаев каждая зона управляется отдельно; таким образом, создается профиль температур вдоль рабочего объема экструдера. Этот профиль может быть как постоянным, так и возрастающим или понижающимся, или иметь другую более сложную форму в зависимости от конкретного экструдируемого полимерного материала и типа проводимого процесса.

Резисторное нагревание

Это наиболее распространенный тип электронагревательных элементов, работа которого основана на превращении электрической энергии в тепловую при протекании электрического тока через проводник. Количество выделяющегося в единицу времени тепла зависит от сопротивления проводника и силы протекающего тока. Интенсивность тепловыделения может быть определена по формуле

Q = I²R= UI = U²/R

Уравнение справедливо для постоянного тока и для однофазного переменного тока. В последнем случае используются среднеквадратичные значения напряжения и тока, а значение сопротивления — только активное, то есть такое сопротивление, сдвиг фаз на котором равен нулю. Для схемы, питаемой трехфазным напряжением, уравнение для расчета тепловыделения будет иметь вид

Q = 3UI

Первые типы ленточных электронагревателей состояли из специальной проволоки со слюдяной изоляцией, помещенной в кожух из мягкой стали. Нагреватели такой конструкции компактны и дешевы, но при этом они хрупки и не очень надежны в эксплуатации, кроме того, кмаксимальная производительность ограничена величиной 50 кВт/м² при максимальной рабочей температуре 500 °С. В литературе описаны новые типы слюдяных нагревателей, которые могут обеспечивать эффективность тепловыделения до 165 кВт/м². Качество и срок эксплуатации нагревателей данного типа во многом определяется качеством контакта между нагревателем и стенками цилиндра экструдера. При дефектном контакте развивается локальный перегрев нагревательного элемента, что приводит к преждевременному его перегоранию, то есть сокращению срока службы нагревателя. Для улучшения теплового контакта используют специальные пасты.

Более мощными являются электронагреватели, оборудованные керамической изоляцией. Они обладают плотностью потока энергии до 160 кВт/м² или даже более, при этом максимальная рабочая температура достигает 750 °С. Однако такие нагреватели оказываются негибкими и довольно громоздкими. Все керамические нагреватели производятся в виде тонких элементов, обладающих минимальными габаритными требованиями. Обычно их производят в виде двух частей, скрепляемых вокруг цилиндра экструдера.

Еще один тип нагревателей, в которых нагревательные элементы заключены в полукруглый или плоский алюминиевый кожух, называют композитными нагревателями (cast-in). Такие нагреватели надежны и долговечны, кроме того, они обеспечивают очень хороший тепловой контакт. Композитные алюминиевые нагреватели обеспечивают максимальное выделение тепла около 55 кВт/м² при рабочей температуре приблизительно до 400 °С. Использование бронзы вместо алюминия позволяет повысить тепловыделение до 80 кВт/м², а максимальную температуру — до 550 °С.

Охлаждение экструдера

Охлаждение экструдера необходимо практически во всех экструзионных процессах. В любом случае охлаждение следует свести до минимума; если невозможно, исключить его полностью. Любое охлаждение экструдера снижает эффективность процесса, поскольку оно приводит к потерям энергии. Нагревание экструдера обычно понижает затраты энергии на вращение шнека, понижая тем самым общие энергозатраты. При этом охлаждение требует энергозатрат, а энергия, отнятая системой охлаждения, оказывается потерянной.

Значительная требовательность экструзионного процесса к охлаждению обычно является признаком неправильной проектировки аппарата. Это может означать как ошибочность выбора конструкции шнека, выбора отношения диаметра к длине, так и неправильного выбора экструдера (например, применение одношнекового экструдера для процесса, в котором необходим двухшнековый). Как правило, процесс экструзии планируют с таким расчетом, что большая часть энергозатрат приходилась на вращение шнека. Вращение шнека вызывает вязкостный и фрикционный разогрев полимера, то есть механическая энергия вращения шнека преобразуется в тепловую, вследствие чего повышается температура полимера. На механические энергозатраты обычно приходится 70-80% всей энергоемкости экструзии, то есть на нагреватели остается только 20-30% без учета потерь.

Если большая часть энергии потребляется приводом шнека, можно рассчитывать, что внутреннее выделение тепла превосходит количество, необходимое для протекания процесса. Тогда охлаждение тем или иным способом становится необходимым. Многие экструдеры имеют воздушное охлаждение, при этом вентиляторы устанавливают под цилиндром. Внешние поверхности нагревателей, а также промежутки между нагревателями часто снабжены радиаторами для повышения эффективности охлаждения.

Рис. 6. Система нагрева и охлаждения.

Экструдеры небольшого размера могут не иметь воздушного охлаждения, поскольку площадь их цилиндра весьма велика по сравнению с величиной рабочего объема, что само по себе обеспечивает значительные потери тепла через конвекцию и излучение.

Весьма значительным недостатком использования слишком мощных внешних нагревательных элементов является развитие большого градиента температур на границе металл-полимер. Градиент температур возникает вследствие относительно низкой теплопроводности полимера. Таким образом, нагрев только от внешних нагревателей оказывается медленным и сопровождается возникновением больших градиентов температур, а воздействие высоких температур в течение длительного времени создает высокую вероятность деструкции полимерного материала. Следовательно, нагрев вследствие вязкого трения более предпочтителен, поскольку обеспечивает равномерный прогрев массы полимера. Нормальной считается ситуация, когда энергозатраты на механический привод составляют более 50 и менее 90% от общих затрат на экструзию.