Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

8.4 Az extruder termikus viszonyai

8.4 Az extruder termikus viszonyai

Amint azt a korábbiakban már említettük, az extruder hengerét több zónában szabályozottan temperálják, többnyire fűtik. A fűtés villamos ellenállásfűtés, 5 vagy több zónában. A hűtés rendszerint levegő ráfúvással történik. A folyamatszabályozást a gyakorlatban a henger falába szerelt hőmérők irányítják, tehát nem az ömledék, hanem a hengerfal adott pontjának hőmérsékletét szabályozzák. Kísérletek során viszont azt tapasztalták, hogy az extrudert elhagyó ömledék hőmérséklete – néha jelentősen – magasabb, mint az utolsó zóna hőmérséklete. A jelenség megértéséhez nézzük, hogy egy adott anyag megolvasztásához szükséges ΔT hőmérsékletnövekedés milyen hőáramok eredményeként valósul meg.

A polimer megolvadása az extruderben a kívülről bevezetett fűtési hő (Qf) és az ömledék belső súrlódásából származó hő (Wkin.) együttes hatására történik.

A kívülről bevezetett hőmennyiségre vonatkozólag felírhatjuk:

8.14. egyenlet -


Melyből a hőáram (teljesítmény)

8.15. egyenlet -


Tudjuk, hogy az m tömegáram a csiga n fordulatszámával arányos, így stacioner üzemmódra azt kapjuk, hogy

8.16. egyenlet -


A 8.15 összefüggés annyit jelent, hogy a csiga n fordulatszámának növekedésével – a frikciós hő elhanyagolása esetén – a ΔT hőmérséklet hiperbolikusan csökken. Ez az eredmény logikusan is belátható, hisz az adott hőenergiát egyre több anyag veszi fel („viszi el”), ezáltal kevésbé melegszik fel.

Nézzük ezután a súrlódásból származó hőt. A csiga által végzett munka:

8.17. egyenlet -


ahol

8.18. egyenlet -


melyekkel:

8.19. egyenlet -


Ezek után az N teljesítményre írhatjuk:

8.20. egyenlet -


Felhasználva, hogy a V = A·l térfogat állandó, ill. newtoni közegre  τ=ηγ , a (8.19) összefüggés újabb alakja:

8.21. egyenlet -


Tekintettel arra, hogy γ ~ n

8.22. egyenlet -


kifejezést kapjuk. A (8.15) összefüggés analógiája alapján, miszerint a ΔT hőmérsékletnövekedés a teljesítmény és a fordulatszám hányadosával arányos,

8.23. egyenlet -


végeredmény adódik. Ez annyit jelent, hogy a belső súrlódásból származó hőmérsékletnövekedés egyenesen arányos az ömledék η viszkozitásával és a csiga n fordulatszámával.

Ha közös koordinátarendszerben ábrázoljuk a (8.15) és a (8.22) összefüggéseket, a 8.17 ábra szerinti jelleget kapjuk. A külső fűtés és a belső súrlódás együttes figyelembevételével kapott eredő görbe azt jelenti, hogy egy adott anyagra előírt ΔTömledék hőmérsékletet állandó fűtési teljesítmény esetén két fordulatszámon lehet elérni.

Egy alacsonyabb, n1 fordulatszámon (vkerületi ~ 0,5 m/s), ahol a külső fűtés dominál, ill. egy magasabb n2 fordulatszámon (vk ~ 1–7 m/s), ahol viszont a frikciós hő a jelentősebb. Az alacsonyabb fordulatszámon, intenzív külső fűtéssel üzemelő extrudereket politróp, a magas fordulatszámon, külső fűtést szinte csak az indításkor igénylőket pedig adiabatikus extrudereknek nevezik. A gyakorlatban a politróp üzemmód az elterjedtebb. Ennek egyrészt az az oka, hogy a hőmérsékletszabályozás a külső elektromos fűtéssel sokkal egyszerűbb, másrészt pedig az, hogy ha a hőmérsékletet a fordulatszámmal szabályozzuk, akkor az a kihozatalban is változásokat okoz, amit az egész extrudersornak (ld. később) követni kell.

Hőmérsékletemelkedés a fordulatszám függvényében az extruderben

8.17 ábra: Hőmérsékletemelkedés a fordulatszám függvényében az extruderben