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双螺杆挤出机机筒结构分析及机筒内聚合物流动与传热研究

作　者: 张宇昕
导　师: 卢涛
学　校: 北京化工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 高聚物双螺杆挤出机机筒数值模拟
分类号: TQ320.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

双螺杆挤出机是化工行业重要的机电一体化先进装备,主要用于塑料化工原料的改性和造粒生产。大型造粒机组一直依靠进口,所以迫切需要开发和生产出大型造粒机组,实现设备的基本国产化,并且保证品质。本文主要针对大造粒机组中重要组成部分双螺杆挤出机筒的结构以及机筒内聚合物流动与传热过程进行了数值仿真及分析。进行的工作主要分为三个部分：(1)为了获得热力耦合作用下双通道机筒的应力、变形和温度分布,建立了双螺杆挤出机轴向加热双通道机筒的有限元模型,分别对试压工况、正常工况和极限工况以及极限冷态工况条件下,双通道机筒的温度分布、应力分布和变形进行了有限元分析。四种工况的热力耦合载荷作用下的有限元分析结果表明,轴向加热双通道机筒的设计合理,能够满足强度和加热需要。(2)建立了双螺杆挤出机筒内一个螺距内聚合物流动与传热的模型,获得了聚合物的温度分布、速度分布、压力分布以及温度随时间变化曲线。数值结果表面,聚合物的流动既有轴向的流动,也有周向的转动。聚合物的压力沿着挤出方向增大。聚合物的平均温度随时间的增加而升高。(3)建立双螺杆挤出机预热启动时包括机筒、高聚合物和螺杆在内的非稳态传热模型,用于预测挤出机的温度变化和分布,以及螺槽中的高聚合物融化情况。数值结果表明,受加热通道分布的影响,总体上机筒中部的温度和靠近加热通道的高聚合物温度较高,高聚合物融化越快。“8”字孔内表面、高聚合物和螺杆的平均温度随预热时间的增加而升高,“8”字孔内表面的温度在预热初期上升最快,在预热末期最先达到稳态,而螺杆的温度变化趋势与“8”字孔内表面温度变化趋势相反。与温度变化相协同,高聚合物在机筒内的融化速率随预热时间逐渐减小。在导热油流量减小一半时,聚合物融化所需的时间大大增加。对机筒进行的有限元分析,不仅对机筒结构的强度进行了校核,也对加热通道的优化设计有所帮助。机筒内聚合物的流动与传热的研究对工况的选择,聚合物加工质量的保证有一定帮助。对机筒预热时间的数值模拟对机筒加热通道的设计和优化,以及准确预测安全预热时间具有指导意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-16
第一章绪论  16-24
  1.1 前言  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-23
    1.2.1 双螺杆挤出机研究现状  17-18
    1.2.2 聚合物流动与传热研究现状  18-22
    1.2.3 挤出过程融化研究分析  22-23
  1.3 本课题研究目的与研究内容  23-24
第二章双螺杆挤出机机筒的结构分析  24-36
  2.1 双螺杆挤出机机筒的物理模型  24-25
  2.2 双螺杆挤出机机筒的传热数学模型  25-27
  2.3 双螺杆挤出机机筒力载荷加载  27-28
  2.4 双螺杆挤出机机筒的热力耦合结果  28-34
    2.4.1 试压工况  29
    2.4.2 正常工况  29-31
    2.4.3 极限工况  31-32
    2.4.4 极限冷态工况  32-34
  2.5 本章小结  34-36
第三章双螺杆挤出机机筒内聚合物流动与传热研究  36-44
  3.1 双螺杆挤出机机筒内聚合物流动与传热的物理模型  36-37
  3.2 机筒内聚合物流动与传热的数学模型  37-38
    3.2.1 机筒内聚合物流动控制方程  37-38
    3.2.2 机筒内聚合物传热控制方程  38
  3.3 聚合物流动与传热的结果  38-42
  3.4 本章小结  42-44
第四章双螺杆挤出机机筒内聚合物预热相变融化过程研究  44-54
  4.1 双螺杆挤出机筒预热过程物理模型  44-45
  4.2 双螺杆挤出机机筒内聚合物预热过程数学模型  45-47
    4.2.1 聚合物相变过程的数学模型  45-47
    4.2.2 导热油流动过程的数学模型  47
  4.3 双螺杆挤出机机筒内聚合物相变数值模拟结果  47-53
    4.3.1 算例1聚合物预热过程的数值模拟结果  48-51
    4.3.2 算例1与算例2结果对比  51-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章结论与展望  54-56
  5.1 结论  54-55
  5.2 展望  55-56
参考文献  56-60
致谢  60-62
研究成果及发表的学术论文  62-64
作者及导师简介  64-65
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  65-66

双螺杆挤出机机筒结构分析及机筒内聚合物流动与传热研究

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