Коэкструзия процесіндегі көп дәнді шикізаттың балқыма ағынын математикалық модельдеу

Abstract

Коэкструзиялық процестің рационалды параметрлерін анықтау үшін экструдер арнасындағы көп дәнді қоспасының балқыма ағынының математикалық моделі жасалды. Математикалық модель қозғалыс теңдеуі мен энергияның сақталу теңдеуін және шекаралық шарттарды, сонымен қатар зерттелетін қоспаның балқыма ағынының реологиялық заңын қамтиды. Есептеулер нәтижесінде шнектің геометриялық параметрлері: экструдер арнасының тереңдігі мен ені, ағынның орташа жылдамдығы және жұмыс камерасының ұзындығы бойынша экструдаттың температурасы анықталды. Экструдаттың есептелген температурасын салыстыру Tк = 136,2 °С және оның тәжірибелік мәні Tк = 135 °С жоғары сәйкестікті көрсетеді. Экструдер арнасы арқылы қарастырылатын аймақта зерттелетін қоспа балқымасының тұтқыр сұйықтығының ағуының математикалық моделінің сандық шешімі экструдаттық балқыманың жылдамдығы мен қысымының өзгеру сипатын белгілеуге мүмкіндік береді. Алынған тәуелділіктер қос шнекті экструдерді есептеу және жобалау үшін негіз болды, оның әрбір шнегі үш аймақтан тұрады: бірінші қысу аймағы, ол үш бөлімді қамтиды: тиеу, сығымдау және мөлшерлеу; екі бөлімнен тұратын декомпрессиялық-экстракциялық аймақ: декомпрессия және экстракция; және екі секцияны қамтитын екінші қысу аймағы: гомогендеу және айдау. Қос шнекті экструдерді қолдану әртүрлі көп компонентті құрамдағы экструдталған бұйымдарды өндіру үшін экструдердің технологиялық мүмкіндіктерін кеңейтеді; жылумен қамтамасыз етуді реттеу арқылы өңделетін өнімнің құрамдас бөліктерінің физикалық-химиялық өзгерістерінің қажетті тереңдігін қамтамасыз етеді.

Разработана математическая модель течения расплава мультизлаковой смеси в канале экструдера для определения рациональных параметров процесса коэкструзии. Математическая модель включает уравнение движения и уравнение сохранения энергии и граничные условия, а также реологический закон течения расплава исследуемой смеси. В результате расчетов были определены геометрические параметры шнека: глубина и ширина канала экструдера, средняя скорость течения и температура экструдата по длине рабочей камеры. Сравнение расчетной температуры экструдата Tк = 136,2 °С и ее экспериментального значения Tк = 135 °С, показывает высокую адекватность. Численное решение математической модели течения вязкой жидкости расплава исследуемой смеси на рассматриваемом участке через канал экструдера позволяет установить характер изменения скорости и давления расплава экструдата. Полученные зависимости легли в основу расчета и проектирования конструкции двухшнекового экструдера, каждый из шнеков которого состоит из трех зон: первой зоны компрессии, которая включает три участка: загрузки, сжатия и дозирования; декомпрессионно-экстракционной зоны, которая включает два участка: декомпрессии и экстракции; и второй зоны компрессии, которая включает два участка: гомогенизации и нагнетания. Использование двухшнекового экструдера позволит расширить технологические возможности экструдера по производству экструдированных продуктов различного поликомпонентного состава; обеспечить необходимую глубину физико-химических превращений компонентов обрабатываемого продукта за счет регулирования теплоподвода.

A mathematical model of the melt flow of a multi-cereal mixture in an extruder channel has been developed to determine the rational parameters of the coextrusion process. The mathematical model includes the equation of motion and the equation of energy conservation and boundary conditions, as well as the rheological law of the melt flow of the mixture under study. As a result of the calculations, the geometric parameters of the screw, the depth and width of the extruder channel, the average flow rate and the temperature of the extrudate along the length of the working chamber were determined. A comparison of the calculated extrudate temperature Tk = 136.2 °C and its experimental value Tk = 135 °C shows high adequacy. The numerical solution of the mathematical model of the flow of a viscous liquid melt of the studied mixture in the considered section through the extruder channel allows us to establish the nature of the change in the speed and pressure of the extrudate melt. The obtained dependencies formed the basis for the calculation and design of the twin-screw extruder design, each screw of which consists of three zones: the first compression zone, which includes three sections: loading, compression and dosing; decompression-extraction zone, which includes two sections: decompression and extraction; and the second compression zone, which includes two sections: homogenization and injection. The use of a twin-screw extruder will expand the technological capabilities of the extruder for the production of extruded products of various polycomponent compositions; ensure the necessary depth of physicochemical transformations of the components of the processed product due to the regulation of heat supply.