Гибкий воздуховод для экструзии пленки с раздувом рукава

Для обеспечения эффективного производства выдувных пленок необходимо увеличивать мощность экструзионной  линии. Однако такое наращивание вступает в противоречие с ограничениями скорости охлаждения рукава пленки, и  поэтому существующие системы охлаждения рукава постоянно совершенствуются и оптимизируются.

Рисунок 1. В зазоре для образования потока воздуха между рукавом пленки и воздуховодом скорость движения воздуха увеличивается, что приводит к уменьшению статического давления

Конвекционное охлаждение в рукавной экструзии При экструзии пленочного рукава с раздувом в разном  соотношении проявляются такие механизмы теплопередачи, как теплопроводность, конвекция и излучение тепла [13].  Теплопроводностью в направлении экструзии и по окружности выдувной пленки обычно можно пренебречь изза небольшой теплопроводности пластмасс. Теплом, отводимым за счет излучения, также можно пренебречь по  сравнению с вынужденной конвекцией. С учетом вышесказанного мощность конвекционного охлаждения можно  описать следующим уравнением [5]:

Для наружного охлаждения зон образования рукава распространение получили так называемые воздушные кольца, которые охлаждают рукав пленки с помощью конвекции. Эти системы постоянно совершенствуются для повышения  эффективности производственных линий. Например, были разработаны двухуровневые кольца, воздушные кольца с  двумя или тремя дюзами и воздушные кольца с регулируемой высотой. Кроме того, разработаны системы,  специально рассчитанные для устройств охлаждения рукава, с длинной горловиной, которые используются на  производстве пленок из полиэтилена низкого давления (ПЭНД). Существенным недостатком конвекционного  охлаждения является низкий коэффициент теплопередачи охлаждающего воздуха, который коррелирует с числом  Рейнольдса потока воздуха согласно следующему уравнению:

Число Нуссельта представляет собой безразмерный показатель из теории подобия переноса тепла, который характеризует улучшение переноса тепла с поверхности [10]. Оно пропорционально числу Рейнольдса Re (Nu~Re).  Согласно уравнению (3) повышение коэффициента теплопередачи достигается, например, за счет повышения скорости потока охлаждающего воздуха v при постоянной плотности ρ, характеристической длине d и динамической вязкости воздуха η [6]:

Однако скорость потока охлаждающего воздуха ограничивается возникающей нестабильностью рукава или  процесса экструзии. Скорость потока охлаждающего воздуха при постоянной стабильности рукава может быть  дополнительно увеличена за счет использования воздуховодов. В результате повышается массовый расход (расход  массы сырья). Воздуховоды устанавливаются на имеющиеся охлаждающие кольца без остановки производства и  направляют охлаждающий воздух вдоль внешней стороны пленки. Уменьшение сечения потока воздуха между  рукавом пленки и воздуховодом повышает мощность охлаждения за счет эффекта Вентури. Эффект Вентури основан  на законе Бернулли, которому соответствует уравнение Бернулли. Уравнение доказывает, что удельная энергия вдоль  линии потока постоянна [8, 9, 11, 14]. Согласно закону сохранения энергии изменение геометрии потока  приводит к изменению скорости потока, в результате чего статическое давление также меняется (рис. 1). Повышение  скорости потока при одновременном снижении давления воздуха на данном участке позволяет повысить как  теплоотдачу, так и стабильность рукава [7]. Чтобы использовать эффект Вентури, зазор для потока воздуха между  рукавом пленки и воздуховодом должен быть минимальным.

Рисунок 2. Эскиз воздуховода (слева) и его применение в процессе экструзии (справа) [2]

Гибкая регулировка воздуховода

Производство  продукции небольшими партиями приводит к частой смене материала, поэтому в процессе производства геометрия  рукава меняется. Для достижения максимальной мощности охлаждения воздуховода зазор для потока воздуха  должен максимально повторять контур пленочного рукава. Применяемые в настоящее время жесткие воздуховоды  не могут обеспечить изменение контура зазора для потока воздуха в зависимости от изменения геометрии рукава.  Для подобного изменения требуется полная замена имеющегося рукава на рукав подходящей геометрии. Для этого  необходимо прервать процесс экструзии, что приводит к дорогостоящему простою экструзионной линии. Хотя  использование жесткого воздуховода позволяет повысить эффективность охлаждения, большой потенциал данной  технологии остается неиспользованным. Цель работ, проводимых в Институте переработки пластмасс (IKV, город  Ахен, Германия), состоит в том, чтобы разработать гибкий воздуховод, использующий эффект Вентури для повышения  мощности охлаждения рукава.

Оборудование для испытания

Описанные ниже испытания проводились на линии экструзии с раздувом рукава в экспериментальном цехе IKV.  Экструзионная линия состоит из двух одношнековых экструдеров диаметром 45 мм типа KFB 45/600 (L/D=24) и  одного одношнекового экструдера типа KFB 45/600 (L/D=20) фирмы Kuhne Anlagenbau (Санкт-Августин, Германия),  который не эксплуатировался в данном исследовании. Использовались 3-зонные шнеки со сдвиговыми и смесительными элементами. Дозирование во всех экструдерах осуществлялось с помощью весового дозатора  фирмы Plast-Control GmbH (Ремшайд, Германия). Расплав из экструдеров подавался в радиальный спиральный распределитель с диаметром выпускного сопла 80 мм. При испытаниях размер выходной щели составлял 1,5 мм,  длина зоны релаксации напряжений — 8 мм. В качестве материала брался ПЭВД (2102N0W) фирмы Sabic Europe (Гелеен, Нидерланды).

Эволюция конструкции воздуховода

Уже первый прототип воздуховодасмог значительно повысить мощность охлаждения по сравнению с традиционным  процессом за счет гибкой регулировки зазора для потока воздуха [4]. Характерной особенностью этого прототипа  стало расположение алюминиевых колец ярусами с равномерным распределением прижимных винтов по  окружности (рис. 2, слева). Использование воздуховода во время экструзии с раздувом рукава показано на рис. 2  (справа). Серия испытаний показала, что использование воздуховода позволило существенно снизить температуру  пленки. Благодаря подгонке формы зазора удалось достичь повышения производительности почти на 2% за счет  снижения температуры пленки [2]. Однако по сравнению с традиционным процессом использование данной системы  приводит к росту показателя допусков по толщине пленки с 10 до 20% [2]. Такое увеличение вызвано неравномерным  распределением скорости потока охлаждающего воздуха. Причиной этого может быть высокая жесткость  используемой силиконовой мембраны воздуховода.  Прижимные винты вызывают выраженное образование  складок по окружности мембраны, что приводит к возникновению неравномерного зазора для потока воздуха. На  участках с большим зазором скорость потока и, соответственно, мощность охлаждения ниже, чем на участках с  меньшим зазором. В результате рукав пленки на участках с большим зазором удлиняется сильнее, что приводит к  возникновению тонких мест в пленке.

Рисунок 3. Оптимизированный воздуховод в  процессе экструзии, вид сбоку

Поэтому потребовалось надлежащим образом усовершенствовать воздуховод  и оптимизировать округлость мембраны, чтобы обеспечить более однородный профиль потока по окружности и, соответственно, более однородный профиль толщины. Кроме того, для обеспечения минимально возможного зазора  для потока воздуха важно предусмотреть «прозрачную» конструкцию воздуховода, чтобы добиться идеальной  настройки процесса без остановки экструзии.

Рисунок 4. Сравнение традиционного  процесса экструзии рукава с раздувом с  оптимизированным процессом экструзии с  использованием воздуховода [12]

Число и диаметр используемых колец определялось на основании геометрии предыдущего прототипа. Для обеспечения «прозрачности» была изготовлена алюминиевая рамка, обеспечившая наличие окон между кольцами.  Для подводящей воздух мембраны использовался высокопрозрачный термопластичный полиуретан (ТПУ) типа  Desmopan 3690AU фирмы Covestro AG (Леверкузен, Германия). Для контроля зазора для потока воздуха было  предусмотрено шесть смотровых окон. Для уменьшения отклонений толщины пленки число прижимных винтов,  обеспечивающих подгонку гибкой мембраны, было увеличено до 108. На рис. 3 представлен усовершенствованный  воздуховод во время процесса экструзии. На рис. 4 (слева) показано влияние оптимизированного воздуховода на  массовый расход сырья.

Рисунок 5. Третий прототип воздуховода с  ирисовыми диафрагмами

Массовый расход в испытаниях с воздуховодом составляет около 23 кг/ч, что значительно  выше, чем тот же показатель в традиционном процессе, равный примерно 18,5 кг/ч. Непостоянство толщины пленки  при использовании воздуховода и при контрольном испытании находится во всех представленных точках испытаний  примерно на одинаковом уровне. Как показано на рис. 4, в целом непостоянство толщины пленки даже меньше почти  на 2%.

Для промышленного использования полученного воздуховода также важно разработать возможные  стратегии регулирования для автоматической настройки геометрии воздуховода в соответствии с параметрами  производственного процесса. Однако формулирование таких стратегий требует большого объема испытаний.  Существующая система изза большого числа прижимных винтов плохо подходит для оперативного изменения  формы воздушного зазора, поскольку настройка мембраны отнимает слишком много времени. Поэтому оптимизированная система (рис. 3) была еще раз усовершенствована. Нажимные винты были заменены на
ирисовые диафрагмы, которые используются в системах вентиляции и кондиционирования (рис. 5). Такая система обеспечивает более быструю подгонку формы мембраны без остановки производства.

Рисунок 6. Влияние воздуховода на  массовый расход и относительное  повышение производительности в  зависимости от степени раздува рукава [3]

Первые испытания третьего прототипа показали его высокий потенциал. Для максимально точного прогнозирования  влияния параметров производственного процесса с воздуховодом и без него на массовый расход использовался  центральный композиционный план (CCD). План испытаний для расчета квадратичных эффектов приведен в табл. 1 с  отдельными сочетаниями ступеней факторов.

На основании результатов плана испытаний с помощью статистической программы Visual-XSel фирмы CRGRAPH  (GbR) (Штарнберг, Германия) были выявлены взаимосвязи, которые описывают влияние определенного параметра  производственного процесса в зависимости от объемного расхода с воздуховодом и без него. На рис. 6 показан  пример влияния степени раздува с воздуховодом и без него (традиционного) на массовый расход и связанное с этим  повышение производительности. На главной оси ординат представлен абсолютный массовый расход, а на оси  абсцисс — степень раздува (Blow-up Ratio — BUR). Дополнительная ось ординат показывает относительное повышение производительности при использовании воздуховода по сравнению с традиционным процессом.

Если степень раздува в традиционном процессе экструзии с раздувом рукава при постоянной толщине пленки  повышается, это приводит к повышению массового расхода. С точки зрения физики эта связь объясняется тем, что  увеличение степени раздува приводит к увеличению доступной для охлаждения площади пленки в зоне образования  рукава, что повышает мощность охлаждения. При использовании воздуховода этот эффект выражен значительно  слабее, поэтому степень раздува не является значимым параметром производственного процесса в зависимости от массового расхода. Требуемый эффект Вентури, который смещает рукав пленки в зоне образования рукава в  направлении кольцевой экструзионной головки, обеспечивает расширение рукава пленки сразу после выхода расплава из головки. Таким образом, даже для пленки с небольшой степенью раздува обеспечивается большая  площадь для охлаждения. Благодаря эффекту Вентури и вызванному им увеличениюплощади в зоне образования  рукава можно прогнозировать максимальное относительное повышение производительности при низкой степени  раздува. При низком значении BUR, равном 2,4, повышение производительности составляет 45% по сравнению с  традиционным процессом.Важно отметить, что в этих испытаниях оценка разнотолщинности пленки не  производилась.

Многообещающее решение

Прототип воздуховода для существующей линии экструзии с раздувом рукава был успешно сконструирован,  испытан  и доработан. Его использование представляет собой многообещающее решение для модернизации и оптимизации производственного процесса существующих экструзионных линий. Благодаря согласованию формы гибкой подводящей воздух мембраны воздуховода с формой рукава пленки появляется возможность успешно  реагировать на изменения производственного процесса во время экструзии. Серия испытаний показала, что для  максимально быстрой и равномерной регулировки гибкой мембраны воздуховода могут использоваться ирисовые  диафрагмы. Таким образом, разработанная система с ирисовыми диафрагмами позволяет повысить массовый  расход на 45% по сравнению с традиционным процессом.

Таблица 1. Исследованные параметры процесса

Для промышленного применения разработанной системы необходимо провести дальнейшие исследования для выявления взаимосвязей между параметрами производственного процесса (производительность вентилятора,  температура массы и прочее) и определения идеальной геометрии мембраны, и это может стать основой для  автоматизированной концепции регулирования. Кроме того, необходимо исследовать влияние разных материалов,  таких как линейный ПЭ и ПП с точки зрения повышения массовоо расхода за счет использования воздуховода, а  также влияние воздуховода на механические свойства пленки.