Дослідження процесу теплопередачі в черв'ячній машині

Мета роботи – вивчити конструкцію установки й експериментально дослідити процес нагрівання черв’ячної машини; визначити коефіцієнт тепловіддачі К в усталеному процесі нагрівання.

11.1. Основні теоретичні положення

У практиці експлуатації устаткування для переробки полімерних матеріалів часто трапляються процеси, в яких робочі органи машин перебувають у статичному стані, а робочі зазори заповнено полімером.

Такі процеси відбуваються, наприклад, під час розігрівання переробного устаткування, заміни формувального інструмента, дрібного ремонту. Основна особливість їх – забезпечення потрібного режиму обігрівання зовнішніми джерелами теплопостачання з метою не допустити перегрівання полімерного матеріалу, який перебуває в робочих зазорах. У пропонованій роботі поставлено завдання – дослідити усталений процес нагрівання черв’ячної машини. Тепловий баланс у цьому разі [4]:

, /11.1/

де – тепло, яке підводять до корпусу машини /парою, нагрітою рідиною або електричними нагрівниками/, Вт; – витрата води, що надходить для охолодження черв’яка, кг/с; – теплоємність води, Дж/(кг∙°С); – відповідно початкова й кінцева температура охолодної води, °С; – втрата тепла корпусом машини в навколишнє середовище, Вт.

Зв’язок між кількістю тепла, що його передають нагрівники і поверхнею теплообміну F описують для усталеного процесу основним рівнянням теплопередавання [3], Вт:

. /11.2/

У разі теплопередавання крізь циліндричну стінку рівняння /11.2/ записують, Вт:

, /11.3/

де – лінійний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м∙°С); – середня різниця температур між корпусом на деякому діаметрі і теплоносієм, що циркулює в охолодних каналах черв’яка, °С; – довжина опірної циліндричної поверхні, крізь яку відбувається теплообмін, м.

Процес теплообміну складний і полягає в здійсненні теплопровідності крізь багатошарову циліндричну стінку, один з шарів якої – полімерний матеріал, що заповнює канал черв’яка, і тепловіддачі від стінки до теплоносія . У цьому разі теоретичний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м∙°С):

, /11.4/

де – сума термічних опорів для багатошарової циліндричної стінки; – діаметри i-ї стінки, м; – теплопровідність i-ї стінки, Вт/(м∙°С ).

Вихідні дані для визначення : – середня температура полімеру в робочому зазорі черв’ячної машини, °С; яка надходить на охолодження черв’яка, кг/с.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до охолодної води визначають з критерію , Вт/(м∙°С ):

. /11.5/

Критерій обчислюють для випадку поздовжньої течії по кільцевому каналу за відповідним критеріальним рівнянням залежно від режиму руху води, який визначається критерієм Рейнольдса:

, /11.6/

де – швидкість води в кільцевому перерізі, м/с, ; , – діаметр охолоджуваного каналу відповідно черв’яка й трубки, якою підводять теплоносій, м, – еквівалентний діаметр кільцевого перерізу, який визначають як , м.

За сталого турбулентного режиму, коли ,

. /11.7/

У разі перехідного режиму, коли ,

. /11.8/

У разі ламінарного режиму, коли ,

. /11.9/

Значення критерію у формулах /11.7/ – /11.9/, а також теплофізичних констант, які входять до /11.5/, /11.6/, вибирають з таблиці теплофізичних властивостей для середньої температури води.

Примітка. Критеріальний параметр , що враховує напрямок теплового потоку, незначно відрізняється від одиниці, і в даному розрахунку його можна не враховувати.

11.2. Опис установки

Схему експериментальної установки наведено на рис. 11.1. Вона складається з досліджуваної секції черв’ячного екструдера, що має корпус 1 з гільзою 2, черв’як 3 діаметром = 63 мм, систему підведення й відведення охолодної води 4, електронагрівник 5, кришки 6, термометри 7 для вимірювання температур входу , і виходу води, поліетилену низької густини, що заповнює робочий зазор 8.

У гільзі 2 на поверхні, прилеглій до полімеру, встановлено по спіралі 4 хромель-копелеві термопари 9 по всій довжині прилягання. Так само чотири термопари 9 встановлені на поверхні черв’яка 3. Крім того, ще чотири термопари 9 виміряють температуру матеріалу в середині робочого зазору 8. Потужність нагрівника регулюють ЛАТРом 10 і контролюють за допомогою Д 556 – 11. Температуру на корпусі підтримують на потрібному рівні нагрівниками та укладеними на поверхні трубками 14, в які може подаватися охолодна вода по трубопроводу 12, сполученому з відцентровим насосом 13. Витрату води в 14 і в системі охолодження черв’яка 4 регулюють за допомогою вентилів В1, В2, В3 й виміряють у системі охолодження черв’яка ротаметром 15. охолодна рідина циркулює у замкненій системі й надходить до термостата 16. Температуру корпусу 1 контролюють за допомогою двох хромель-копелевих термопар, підімкнених до електронних потенціометрів 17. Покази дванадцяти термопар, що вимірюють температуру полімеру, реєструє електронний потенціометр 18.

11.3. Порядок проведення дослідів

Увімкнути нагрівник 5 секції черв’ячного екструдера і встановити ЛАТРом 10 зазначену потужність. Увімкнути насос 13 і вентилями В1, В2 та В₃ встановити витрату охолодної води в трубках 14 і системі охолодження черв’яка 4. В усталеному режимі нагрівання, який визначають за постійністю в часі значень температур полімеру, виконати вимірювання: температур корпусу ; температур полімеру ; витрати охолодної води в системі 4, ; температур води на вході і виході з системи 4. Аналогічні вимірювання виконати за різних витрат охолодної рідини в системі 4 і різних температур корпусу. Результати експерименту внести до табл. 11.1.

Таблиця 11.1

Но- мер до- слі- ду

Витра- та охо- лод- ної води , кг/с

Середня темпе-ратура корпусу б ºС

Темпера- тура охо- лодної води, °С

Температура полімеру в зазорі , °С

на поверхні гільзи

на поверхні черв’яка

у середині зазору

11.4. Порядок обробки результатів дослідів

1. Визначити дійсний коефіцієнт теплопередачі К з формули, /11.3/. для чого треба розрахувати

а/ кількість передаваної теплоти, Вт:

, /11.10/

де - середня теплоємність води, кДж/(кг∙ºС), ; і – теплоємність відповідно при і ;

б/ довжину поверхні теплообміну , = 0,23 м;

в/ середню різницю температур, °С:

, /11.11/

де – середня температура відповідно корпусу й охолодної води.

2. Обчислити теоретичний коефіцієнт тепловіддачі за формулою /11.4/, для чого треба визначити:

а/ коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагріваної води за /14.5/, використовуючи формули /11.6/ – /11.9/. У /11.6/ діаметр трубки в системі 4, за допомогою якої підводять теплоносій, = 1,2∙10^-2 м;

б/ середню температуру полімерного матеріалу в робочому зазорі, °С:

, /11.12/

де – і-е значення температур з табл. 11.1.

в/ теплопровідність за середньою температурою полімеру .

3. Підставити у формулу відомі розміри й теплопровідності корпусу 1, гільзи 2, полімерного матеріалу 8 і черв’яка 3.

Корпус = 9∙10^-2 м, = 8∙10^-2 м, чавуну = 46,5 Вт/(м∙°С).

Гільза = 6,3∙10^-2м, сталі = 46,5 Вт/(м²∙°С).

Полімер = 5,8∙10^-2м, у пунктах «б» і «в».

Черв’як =2∙10^-2 м, сталі = 46,5 Вт/(м∙°С).

Аналогічні розрахунки провести для різних витрат охолодної рідини в системі 4 і температур корпусу.

Результати розрахунків звести в табл. 11.2.

Побудувати графічні залежності , , .

Таблиця 11.2

Номер дос-ліду

Середня різниця темпе- ратур , °С

Кіль- кість переда- ваної теплоти Q, Вт

Дійсний коефіці- єнт теп- лопере- дачі Вт/(м2∙°С)

Швидкість теплоносія , м/с

Re

Вт/(м2∙°С)

Коефіці- єнт вико- ристання поверхні

11.5. Контрольні запитання

1. За яких умов настає стаціонарний режим нагрівання?

2. Формулювання основного рівняння тепловіддачі.

3. Фізичний зміст коефіцієнтів і .

4. Рівняння теплового балансу у випадку, коли процес нагрівання черв’ячної машини вже сталий.

5. На основі чого вибирають вид критеріального рівняння ?

6. Будова експериментальної установки.

7. Аналіз графічних залежностей , , .

8. Інтенсифікація процесу нагрівання черв’ячної машини.

11.6. Техніка безпека

1. Перед увімкненням установки перевірити правильність підмикання приладів.

2. Перед увімкненням насоса вентиль В₁ має бути повністю відкритий, а вентилі В₂ і В₃ треба повністю закрити.

3. Потужність нагрівника встановлюють рівномірним, повільним збільшенням, починаючи з нульового значення.

4. Витрату води в системі 4 і в трубах 14 установлюють поступовим відкриванням вентилів В₂ і В₃ з обов’язковим контролем за допомогою ротаметра 15.

5. По закінченні робіт закрити вентилі В₂ і В₃, вимкнути насос, нагрівник, прилади, вимкнути рубильник.