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三螺杆挤出机的物料流动与传热数值计算和实验研究

陶琎  
【摘要】:螺杆挤出机是高聚物成型领域的重要设备,其共混能力对于材料共混改性等是十分重要的。而三角形排列的三螺杆挤出机,是一种新型的螺杆挤出机设备,其三个啮合区和特有的中心区便于物料的充分混合。目前来说,对于三螺杆挤出机的流动和传热机理研究较少,没有完善的评价体系来评价三螺杆的优劣。因此,本文利用已有的三螺杆工业机和自制的三螺杆模拟机进行共混实验和流动实验,同时利用有限元分析软件POLYFLOW构建三螺杆瞬态和稳态模型,通过数值计算方法与实验结果对比,在验证数值计算方法可靠的基础上进行流动与传热的深入研究,建立了全面的流动与传热综合评价方式,为工业生产提供一定的理论依据。主要研究内容如下:1、通过三螺杆工业机和模拟机实验,探究三螺杆结构在不同喂料量、螺杆转速及加工温度下的流动混合性能,通过实验结果可得所制备制品的混合效果和力学性能随工艺参数的变化规律,从而得到控制制品质量的工艺条件。2、以工业机和模拟机实验为基础构建了瞬态模型和稳态模型,将模拟与实验进行对比,判断本文所使用的数值计算模型和结果的可靠性,在此基础上对比了三螺杆和双螺杆稳态模型的分散混合和分布混合性能,通过对比可知,拉伸剪切比随着喂料量的增加呈线性增加,随着螺杆转速的增加呈降低的变化,三螺杆的拉伸剪切比高于双螺杆。回流系数随着喂料量的增加而降低,随着螺杆转速的增加而增加,且三螺杆的回流系数约是双螺杆的2-3倍,能耗比双螺杆高。3、进行了三螺杆结构的非等温瞬态模型在不同加工温度和不同螺纹元件组合下的传热效果和混合能力,通过分析可知,加工温度升高会促进流场的作用效果,但拉伸效果相对于剪切效果会下降,同时会消耗更多的能量;不同螺纹元件组合的流场对于物料的流动与传热效果各有特点,可为工业生产提供理论参考。


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