第三节熔融理论PPT讲稿.ppt

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1、第三节熔融理论第1页，共24页，编辑于2022年，星期二1.Todmor熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型该该熔熔融融理理论论是是在在挤挤出出机机上上进进行行的的大大量量冷冷却却实实验验的的基基础础上上提出来的。提出来的。冷冷却却实实验验是是这这样样的的：将将着着色色物物料料（或或炭炭黑黑）和和本本色色物物料料加加入入挤挤出出机机中中，待待挤挤出出过过程程稳稳定定后后，快快速速停停车车并骤冷料筒（如果可能，也冷却螺杆），并骤冷料筒（如果可能，也冷却螺杆），第2页，共24页，编辑于2022年，星期二抽抽出出螺螺杆杆（如如果果是是部部分分料料筒筒可可将将料料筒筒打打开开），将将螺螺旋旋状状的的已

2、已冷冷却却的的物物料料（塑塑料料）带带从从螺螺杆杆上上剥剥下下，这这时时可可以以发发现现，已已熔熔融融的的和和局局部部混混合合的的物物料料呈呈现现流流线线，而而未未熔熔的的物物料料将将保保持持初初始始的固态。的固态。然然后后垂垂直直于于螺螺纹纹方方向向切切取取截截面面，可可以以看看到到一一个个截截面面内内有有三三个个区域：区域：第3页，共24页，编辑于2022年，星期二（1）固态塑料，我们称为固态床（2）熔池（3）接近料筒表面的熔膜。通过切取不同的截面，我们看到“随着物料向前输送，熔池逐渐加宽，固体床相应变窄，直到最后，熔体充满整个螺槽，固体床消失。第4页，共24页，编辑于2022年，星期二

3、基于以上的实验观察基于以上的实验观察Todmor建立下面的熔建立下面的熔融模型：融模型：塑料在挤出过程中，在接近加料段的末端，与机筒相接触的塑料已开始熔融而形成了一层熔膜。当熔膜厚度超过螺杆与机筒的间隙时，螺杆顶面把熔膜从机筒内壁径向的刮向螺杆底部，而形成了熔池。H HVsyVsyVsyVsy W W W WX X X X第5页，共24页，编辑于2022年，星期二 挤出方向 螺杆轴线 计量段Z Z Z ZX X X XX X X XVbzVbzVbzVbzVbxVbxVbxVbxVbVbVbVb熔融段熔融段加料段加料段A AB B加料口加料口W W e e e e第6页，共24页，编辑于202

4、2年，星期二随着熔融过程的不断进行，自熔融区随着熔融过程的不断进行，自熔融区A A点（相变开始点（相变开始点）起，固态床宽度点）起，固态床宽度X X逐渐减小，液相宽度逐渐增加，逐渐减小，液相宽度逐渐增加，至熔融区终点至熔融区终点B B（相变结束点）时，固态床宽度减小到相变结束点）时，固态床宽度减小到零，即零，即X/W=1 X/W=0X/W=1 X/W=0，熔融塑料充满了整个螺棱，熔熔融塑料充满了整个螺棱，熔融区宣布结束融区宣布结束 。第7页，共24页，编辑于2022年，星期二塑料熔融的热源主要有两个：塑料熔融的热源主要有两个：一是 从外加热器得到的外热（传导热）二是熔融流动过程中，由于速度差异

5、产生的粘性耗散热（剪切热），其能量来源是电动机的机械能。第8页，共24页，编辑于2022年，星期二2基本假定1 1）挤挤出出过过程程是是稳稳定定的的。即即在在挤挤出出过过程程中中，螺螺槽槽中中的的固固液液相相分分界界面面保保持持不不变变。固固相相以以稳稳定定不不变变的的速速度度VsyVsy在分界面熔融，在分界面熔融，2 2）整整个个固固相相为为均均一一的的连连续续体体。（忽忽略略固固体体床床破破碎碎的的可能性）。可能性）。3 3）塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。）塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。第9页，共24页，编辑于2022年，星期二 4 4）螺槽和固体床的横断面都是矩形

6、）螺槽和固体床的横断面都是矩形5 5）外外热热和和内内热热是是通通过过固固液液相相分分界界面面传传递递，其其它它没没有有热热交交换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）换。（螺杆与塑料，固体床与熔池之间）6 6）塑料流体与牛顿流体，即）塑料流体与牛顿流体，即 7 7）相筒）相筒 转动而螺杆相对的静止不动。转动而螺杆相对的静止不动。第10页，共24页，编辑于2022年，星期二3.固相分布函数的求解固相分布函数的求解 我们研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度我们研究熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度X X沿螺沿螺槽方向槽方向Z Z的变化规律的变化规律 即分布函数即分布函数X=FX=F（Z Z）对

7、熔融理论的物理模型进行下列三个方面的平衡分析，对熔融理论的物理模型进行下列三个方面的平衡分析，即可求出故乡分布函数即可求出故乡分布函数X=FX=F（Z Z）的解析式。这些平衡是：的解析式。这些平衡是：固相的质量平衡固相的质量平衡 ，熔膜的质量平衡，熔膜的质量平衡 ，固液相分布截面的，固液相分布截面的热量平衡热量平衡 第11页，共24页，编辑于2022年，星期二1 1）固相的质量平衡=dz段上分界面处固相融化量即：流入-流出=融化量 第12页，共24页，编辑于2022年，星期二写成微分形式：其中 s-固相密度 VSZZ方 向 固 相 移 动 速 度 d(HX)断面单位面积W-单位螺槽长度上的固体

8、熔化率H 第13页，共24页，编辑于2022年，星期二2）熔熔膜膜的的质质量量平平衡衡根根据据假假设设，认认为为固固相相只只在在Y Y方方向向熔熔融融，而而不不在在X X方方向向熔熔融融。同同时时，熔膜只有熔膜只有X X方向的流动。因而可以得出：方向的流动。因而可以得出：H V V V VbxbxbxbxWX XY Y 熔膜质量平衡 第14页，共24页，编辑于2022年，星期二 在距离在距离dzdz段上，单位时间内在段上，单位时间内在Y Y方向由固相加入熔膜的方向由固相加入熔膜的新熔融的熔料量新熔融的熔料量 =由熔膜流入熔池的熔料量由熔膜流入熔池的熔料量 =单位单位螺槽长度上的熔融速率螺槽长度

9、上的熔融速率 与长度与长度dzdz的乘积的乘积 即即式中 s固相密度 Vby机筒在X方向的分速度。Vsy固相在Y方向的融化速度。第15页，共24页，编辑于2022年，星期二3 3）固液相分界面上的热量平衡）固液相分界面上的热量平衡 根据假设，固相只在R方向熔融，因此热量也只在Y方向传递。由此得出：在单位时间内在单位面积上。经熔膜流入分界面的热量-流出分界面进入固相的热量=塑料熔融消耗的热量第16页，共24页，编辑于2022年，星期二根根据据傅傅立立叶叶导导热热定定律律，流流体体流流过过不不同同温温度度的的固固体体壁壁面面时时，产产生生热热交交换换，换换热热量量由由下下式式计计算算：/温温度度梯

10、度梯度 其中其中K K为导热系数为导热系数得出下列公式得出下列公式 式中 分界面液相一侧的温度梯度 分界面固相一侧的温度梯度液相的热传导率 固相的热传导率 塑料的熔融潜热，即融化单位质量的塑料所需要热量。第17页，共24页，编辑于2022年，星期二4）求解固相分布函数求解固相分布函数由由上上述述三三个个平平衡衡方方程程组组，通通过过适适当当的的变变换换后后，我我们们可以求出固相的分布函数如下：可以求出固相的分布函数如下：等深螺槽 式中：融化系数 G生产能力 H熔槽深度 Z固相熔融长度（螺槽展开）上式中当X=0（即固相熔融结束）时，即可得到熔融总长度。第18页，共24页，编辑于2022年，星期二

11、4结论结论 我我们们研研究究熔熔融融理理论论的的目目的的，就就是是使使设设计计的的螺螺杆杆熔熔融融段段“高高生生产产能能力力G G，低低熔熔融融长长度度ZtZt，通通过过分分析析，我我们们可可以得出下面的结论：以得出下面的结论：1 1）运转工艺条件的影响运转工艺条件的影响运转工艺条件的影响运转工艺条件的影响 （1 1）挤出质量挤出质量G G由公式由公式 ，可知可知G增大 减小 ZT增大 第19页，共24页，编辑于2022年，星期二即即挤挤出出量量的的增增大大，将将导导致致熔熔融融的的发发生生和和终终了了均均延延迟迟，实实践践证证明明，在在其其他他条条件件不不变变的的情情况况下下，G G点点的的

12、增增加加，将使产品质量变坏。将使产品质量变坏。（2 2 2 2）螺杆转速螺杆转速螺杆转速螺杆转速N N 提提高高转转速速N N，将将使使G G点点增增加加，使使ZtZt加加长长，同同时时能能加加强强剪剪切切，又又使使ZtZt变变短短，因因此此，N N高高时时，需需增增加加背背后后装装置置，以以使使ZtZt的长度得到控制，保证挤出质量。的长度得到控制，保证挤出质量。第20页，共24页，编辑于2022年，星期二（3）料筒温度料筒温度TbTbTbTb增加增加 有利于熔融物料（有利于熔融物料（ZtZt减少）减少）但但TbTb太太高高，将将使使F F降降低低，减减少少剪剪切切和和摩摩擦擦，不不利利于于Z

13、tZt减减少少TbTb存在一个最佳值。存在一个最佳值。（4 4）提高料温提高料温提高料温提高料温TsTsTsTsTsTs增加增加 ZtZt减少减少 还可消除物料中的水分。还可消除物料中的水分。第21页，共24页，编辑于2022年，星期二2 2）螺杆几何参数的影响：螺杆几何参数的影响：（1 1）槽槽深深H H：通通常常认认为为在在实实用用范范围围内内H H大大些些为为好好。影影响较复杂，过深过浅都不好。响较复杂，过深过浅都不好。（2 2）螺螺旋旋角角：与与H H对对ZtZt的的影影响响相相似似。过过大大过过小小都都不不利利于于ZtZt减少。减少。（3 3）螺螺纹纹头头数数：的的增增加加，仅仅使使

14、ZtZt略略微微减减小小，影影响响不不大。大。第22页，共24页，编辑于2022年，星期二（4 4）螺螺棱棱与与机机筒筒间间隙隙：增增大大 熔熔膜膜增增厚厚 不不利利于于热热传传导导 ZtZt增增大大 增增大大 剪剪切切作作用用降降低低 ZtZt增增大大。即即 增增大，不利用物料的熔融。大，不利用物料的熔融。（5 5）Z Z与与X/WX/W的关系图的关系图如图所示：如图所示：一一般般要要求求挤挤出出机机工工作作时时，为为保保证证熔熔融融塑塑化化质质量量和和挤挤出出质量，应使质量，应使ZtZZtZABAB,应应加加背背压压装装置置，使使相相变变结结束束点点B B重重新新移移到到B B点点以内。否则将使物料得不到较好的熔融，混合。以内。否则将使物料得不到较好的熔融，混合。第23页，共24页，编辑于2022年，星期二 以以上上简简单单介介绍绍了了熔熔融融理理论论的的基基本本内内容容。这这个个理理论论到到今今天天为为止止还还不不是是很很完完善善，应应当当指指示示，它它的的提提高高对对挤挤出出理理论论的发展起着巨大的推动作用。的发展起着巨大的推动作用。X/WX/WA AO OA ABB B BB BZ ZA AB B加料段加料段熔融段熔融段计量段计量段第24页，共24页，编辑于2022年，星期二