Ключевым функциональным элементом экструзионной системы является шнек и цилиндр, которые определяют транспортировку материала, поведение при плавлении, эффективность смешивания и общую стабильность процесса. Следует отметить, что классификация по типу шнека неразрывно связана с пониманием геометрии шнека, поэтому последняя напрямую влияет на механизмы потока, распределение времени пребывания и возникновение сдвиговых напряжений.
В данной статье рассматриваются типы шнеков с точки зрения геометрии каждого отдельного шнека, а также проводится классификация двухшнековых экструдеров по способу вращения, конфигурации контакта и широко распространенной в современных шнековых системах модульной конструкции.
Геометрия отдельных винтов: Основа классификации винтов.
Прежде чем классифицировать типы шнеков в шнековых и цилиндрических системах, необходимо сначала понять геометрию отдельного шнека. Геометрия шнека определяет способ транспортировки, смешивания и сжатия материала внутри цилиндра и служит фундаментальной основой для дифференциации конструкций шнеков.
Основные геометрические размеры винта
Геометрия шнека определяется относительно внутреннего диаметра цилиндрического ствола, обычно обозначаемого как DB. Все основные размерные параметры связаны с этим диаметром. Наиболее важным из этих параметров является H, Глубина канала определяется как радиальное расстояние от основания шнека до внутренней поверхности цилиндра. Глубина канала напрямую влияет на три очень важных параметра: производительность транспортировки, скорость сдвига и создание давления.
Ещё одним ключевым параметром является e, перпендикулярная ширина лопасти винта. Ширина лопасти в значительной степени влияет на поток утечки, механическую прочность и износ. Радиальный зазор (δsРасстояние между гребнем винтовой лопасти и внутренней поверхностью ствола также имеет большое значение, поскольку оно определяет обратный поток, эффективность и степень самоочистки в системах с зацеплением винтов.
Избыточный зазор снижает эффективность перекачки, а недостаточный зазор увеличивает износ и механическую нагрузку.
Характеристики резьбы и спирали
Осевое расстояние, необходимое для одного полного оборота винта, называется шагом винта или шагом резьбы.S). Осевое расстояние между соседними пролётами представлено следующим образом: B, а сочетание этих двух параметров описывает геометрию спирали винта. Угол спирали (ϕ) определяет угол, который образует лопасти винта относительно оси винта.
В то время как поле S Обычно эта величина остается постоянной по всей длине винта., ϕ Изменения зависят от радиуса, что приводит к различным локальным скоростям потока и распределению сдвиговых напряжений по глубине канала.
Шнеки могут быть одно-, двух- или трехлопастными; в многолопастных конструкциях расплав полимера или компаунда будет течь одновременно по двум или более параллельным спиральным каналам, что часто обеспечивает стабильность и уменьшает пульсацию в некоторых условиях обработки.
Направление перекачки и ориентация шнека
Шнековые элементы также классифицируются по направлению перекачки. Шнеки с прямым вращением, обычно называемые правосторонними шнеками при вращении по часовой стрелке, перекачивают материал к выходному концу ствола. Шнеки с обратным вращением перекачивают материал в противоположном направлении и характеризуются отрицательным шагом и отрицательными углами спирали.
Они не участвуют в чистом переносе материала, но играют решающую роль в повышении давления, контроле времени пребывания и интенсивном перемешивании. Их включение в конструкцию шнека позволяет точно управлять режимами потока, особенно в процессах компаундирования и реактивной экструзии.
Невинтовые элементы в винтовых и цилиндрических системах
Помимо обычных винтовых шнеков, большинство современных шнековых систем, особенно двухшнековые экструдеры, используют элементы, не являющиеся настоящими шнековыми: так называемые перемешивающие диски и смесительные блоки, а также роторы с альтернативной геометрией. Они предназначены для создания вытяжного потока, распределительного или дисперсного смешивания. Эти элементы не являются транспортирующими, но, тем не менее, имеют решающее значение для получения однородных свойств материала.
Двухшнековые экструдеры: классификация по типам шнеков.
Различия в геометрии шнеков, а также в особенностях механической конструкции и, как следствие, механизмах потока, лежат в основе классификации двухшнековых экструдеров на различные типы шнеков. Эти классификации считаются необходимыми для изучения выбора шнековых и цилиндрических систем для различных промышленных применений.
Классификация по направлению вращения
Один из основных способов классификации двухвинтовой Принцип работы экструдера основан на относительном направлении вращения шнека.
Сонаправленно вращающийся двухвинтовой шнек Экструдеры вращаются в одном направлении. Такая конфигурация чаще всего описывается в немецкой технической литературе как gleichläufig.
Вращающийся в противоположных направлениях двухвинтовой экструдеры вращаются в противоположных направлениях, также называемые системами gegenläufig.
В многошнековых экструзионных системах в зависимости от технологических задач могут использоваться системы с сонаправленным, противонаправленным и смешанным вращением шнека.
Классификация по типу винтового контакта
Еще одним важным критерием классификации является способ контакта между шнеками. Таким образом, двухшнековые экструдеры могут быть спроектированы с шнеками, которые обладают следующими характеристиками:
- Разделение: наличие явного зазора между винтами.
- Касательное: точка, где винты соприкасаются в одной точке.
- Зацепление: место, где лопасти винтов проникают в каналы друг друга.
Конструкции с переплетением нитей можно дополнительно разделить на конфигурации с частичным и полным переплетением. Шнеки с полным переплетением нитей особенно важны в высокопроизводительных экструзионных системах благодаря улучшенным характеристикам смешивания и транспортировки.
Характеристики самоочистки
Конструкция шнека с полным переплетением и специальным профилем основания и лопастей позволяет одному шнеку непрерывно очищать поверхность другого. Функция самоочистки минимизирует застой материала, снижает риск его деградации и повышает эффективность смены рецептуры. Самоочистка может быть достигнута как в системах с сонаправленным, так и с противонаправленным вращением шнека, в зависимости от геометрии основания шнека.
Три основных технологических класса двухшнековых экструдеров
С технологической точки зрения, двухвинтовой Экструдеры обычно делятся на три основные категории в зависимости от направления вращения и геометрии зацепления.
Неперецепляющиеся противовращающиеся системы
Двухшнековые экструдеры с противоположным вращением шнеков, не имеющие переплетения, представляют собой простейшую форму двухшнековой технологии. В таких системах обычно используются один правосторонний и один левосторонний шнек, вращающиеся в противоположных направлениях, витки которых могут быть разделенными или тангенциальными, а транспортировка материала происходит главным образом за счет тягового потока вдоль стенки цилиндра.
Эти системы имеют относительно простую механическую конструкцию, что облегчает их изготовление и обслуживание. Однако их эффективность смешивания и способность к самоочистке не так высоки, как у систем с зацеплением мешалок.
Системы с взаимозацепляющимися противоположно вращающимися роторами
Экструдеры с двумя шнеками, вращающимися в противоположных направлениях и переплетающимися, созданы на основе концепции двухшнековых насосов объемного действия. В этих системах материал транспортируется вперед внутри закрытых С-образных камер, образующихся между лопастями шнека и стенкой цилиндра.
Эти типы шнеков обеспечивают точное регулирование выходной мощности, превосходную стабильность давления, а перенос материала осуществляется преимущественно за счет объемного вытеснения, а не за счет сопротивления потоку. Благодаря этому они особенно подходят для применений, требующих высокой точности размеров и низкой пульсации.
Системы с переплетением и сонаправленным вращением
Двухшнековые экструдеры с переплетающимися вращающимися шнеками являются наиболее передовым и широко используемым типом шнеков в современной переработке полимеров. В этих системах обычно наблюдаются выраженные самоочищающиеся свойства и полностью открытые каналы шнека по всей его длине.
В системах с соосно вращающимися, переплетающимися шнеками транспортировка материала практически полностью основана на сдвиговом и растягивающем потоке и обеспечивает лишь незначительное положительное смещение. Превосходное распределение и дисперсионное перемешивание, обеспечиваемое шнеками такого типа, делают их предпочтительным выбором для процессов компаундирования, смешивания и реактивной экструзии.
Классификация по модульной конструкции шнека и цилиндра
Помимо вращения и зацепления, типы шнеков также классифицируются по тому, является ли система шнека и цилиндра монолитной или модульной.
Винты, обработанные равномерно, против модульных винтов.
В обычных экструдерах шнеки, как правило, имеют одинаковую обработку и фиксированную геометрию по всей длине. Хотя такие конструкции механически надежны, они не очень гибкие.
В отличие от них, современные шнековые и цилиндрические системы все чаще имеют сегментированную или модульную конструкцию. В модульных системах отдельные элементы шнека собираются на общем валу. Собранные элементы могут представлять собой секции шнека с прямым движением, элементы с обратным движением, перемешивающие диски и специализированные смесительные роторы.
Функциональные преимущества модульных винтовых конструкций
- Модульная конструкция шнека позволяет инженерам настраивать механизмы потока без необходимости изменения внутренней механической структуры экструдера.
- Систему можно оптимизировать для решения различных задач, просто переставляя или заменяя отдельные элементы, такие как плавление, смешивание, дегазация или реактивная обработка.
- Такая гибкость также позволяет использовать платформу с одним шнеком и цилиндром для переработки широкого спектра материалов и составов.
- Благодаря этому модульные шнеки стали незаменимы в современных промышленных экструзионных процессах.
Заключение
Винт Типы шнековых и цилиндрических систем определяются не какой-либо одной характеристикой, а сложным взаимодействием геометрии, режима вращения, расположения контактов и конструктивных особенностей. Все проектные решения, от размеров отдельных шнеков и характеристик их спирали до характера зацепления и метода модульной конструкции, оказывают прямое влияние на поток материала, эффективность смешивания и стабильность процесса.
Знание геометрии шнеков и принципов классификации является основой для выбора или проектирования подходящей системы для конкретных технологических требований. Усовершенствованные типы шнеков, включая модульные соосные конструкции с переплетением, будут и впредь играть ключевую роль в высокоэффективных процессах переработки полимеров и компаундов с использованием экструзионной технологии.
