Технические расчеты к проекту цеха по производству изделий из поликарбоната методом литья под давлением, мощностью 1000 т/год

 

                 Для выбранной литьевой машины должны выдерживаться соотношения: 

    Р_см.≤ Р_{см.табл.,} (4) 

    628 кН< 1100 кН 

    Q_пл.≤ Q_{пл.табл.,} (5)

    25.92 кг/ч < 110 кг/ч 

так как  соотношения выдерживаются, то литьевая машина Battenfeld HM-110/750 подходит для нашего производства.

 

4.4.2 Проверка  литьевой машины по пластикационной  производительности

 

       Поскольку табличное значение Q_пл. устанавливается для средних режимов эксплуатации, необходимо проверить литьевую машину по производительности реального червяка и реологическим особенностям конкретного полимерного материала.

       Для выбранной литьевой машины Battenfeld HM-45 расчётное значение (Q_расч.) пластикационной производительности определяется по уравнению: 

    Q_расч= Q₁ - Q₂ - Q₃, (6) 

где Q₁ – производительность прямого вынужденного потока по винтовому каналу червяка;

      Q₂ – производительность обратного потока по винтовому каналу червяка;

Q₃ – производительность потока утечек материала через зазор между червяком и цилиндром. Заменяя значения Q₁, Q₂ и Q₃, получим: 
 

 (7) 

где n –  выбранная скорость вращения червяка; α, β, γ – коэффициенты, учитывающие  расход расплава материала соответственно в вынужденном, обратном потоках  и потоке утечки; Δp – перепад  давления на единицу длины дозирующей зоны червяка; μ_э1 и μ_э2 – эффективная вязкость материала в канале червяка и в радиальном зазоре.

       Коэффициент, учитывающий расход расплава материала  в вынужденном потоке (α) рассчитывается по формуле: 
 

     , (8) 

где m – число заходов червяка; D – наружный диаметр червяка; t – шаг нарезки; h_ср – средняя глубина нарезки червяка в зоне дозирования; φ – угол подъёма винтовой линии червяка; e – ширина гребня нарезки червяка.

       В нашем случае принимаем:

D = 40 мм;

t = (0.8÷  1.2)D= 40 мм;

e = (0.06÷  0.1) D= 3.2 мм;

m = 1;

.

       Коэффициент, учитывающий расход расплава материала  в обратном потоке (β) рассчитывается по формуле: 

     , (9)

. 

       Коэффициент, учитывающий расход расплава материала в потоке утечки (γ) рассчитывается по формуле: 

     , (10)

где ε  – коэффициент эксцентриситета  червяка относительно материального  цилиндра (ε ≈ 1.2).

       Здесь принимаем:

δ ≈ (0.002 ÷ 0.003)D= 0.08 мм. 

см³. 

       Угол  подъёма винтовой линии червяка (φ ) находим исходя из формулы: 
 

, (11)

 рад.≈ 21°

       Средняя глубина нарезки червяка в  зоне дозирования (h_ср) рассчитывается по следующей формуле: 

, (12)

       Здесь h₁– глубина нарезки под загрузочной воронкой, h₁ = (0.12 ÷ 0.16)D= 5.6 мм; h₂ – глубина червяка в конце зоны дозирования. 

      (13)

где i –  степень сжатия, т.е. отношение объектов единичных витков с наибольшей и  наименьшей глубиной нарезки (в зависимости от вида перерабатываемого материала); 

мм

 

       L_ф – фактически работающая длина червяка;

    L_ф= L_д – 0.5× ℓ, (14)

где L_д – длина зоны дозирования червяка, L_д = 0.3× L= 264;

ℓ –  отход червяка при пластикации.

В нашем  случае принимаем:

ℓ = 225 мм;

L_ф = 264-0.5×225 = 151.5 мм. 

       Перепад давления в материальном цилиндре рассчитывается по формуле: 

     , (15)

где p_д – давление расплава в дозирующей зоне материального цилиндра при пластикации;

       p_д  расчитывается по формуле: 

     _, (16)

где d₁ – диаметр гидравлического цилиндра осевого движения червяка; p₁ – давление по манометру в гидравлическом цилиндре осевого движения червяка. 

          p_д =100 МПа, 

    

 МПа. 

       Значения  эффективной вязкости определяют по графикам с учётом скоростей сдвига и .

       Скорость  сдвига в винтовом канале червяка  определяется по формуле: 

     , 1/с (17) 
 

    

(1/с). 

       Скорость  сдвига в зазоре между червяком и  стенкой цилиндра определяется по формуле: 

     , 1/с (18) 
 

    

=12.19 (1/с). 

       Значения  эффективной вязкости определённые по графику с учётом скоростей сдвига [24]: 

    μ₁ =  X Па·с,

    μ₂ = Y Па·с.

       На  основании выше полученных результатов  находим расчётное значение пластикационной  производительности (Q_расч) по формуле (7): 

    

10.8 см³/с = =10.8×10^-6 м³/с,

    Q_расч = 10.8×10^-6×1320×3600 = 51.3 кг/ч. 

Параметры технологического режима выбраны правильно, т.к. соблюдается неравенство: 

       Q_расч. ≤ Q_табл., (19) 

       51.3 кг/ч < 110 кг/ч 

4.5 Тепловые расчёты

       Все расчёты в данной части проекта  выполнены в соответствии с методическими  указаниями [23].

Материальный  цилиндр

       Задача  состоит в определении необходимой мощности нагревателей материального цилиндра инжекционного узла , работающего в расчётном режиме, и сопоставлении её с табличной мощностью обогревателей выбранной серийной машины Demag Extra 200. Для правильно выбранной литьевой машины должно соблюдаться неравенство: 

    N_расч ≤ N_табл, (20) 

где N_расч − расчётная тепловая мощность потребляемая нагревателями, кВт; N_табл − табличная тепловая мощность потребляемая нагревателями, кВт.

       Расчёт  ведут по уравнению теплового  баланса: 

N_мех + N_расч = N_G + N_п + N_охл, (21) 

где N_G − тепловая мощность, расходуемая на нагрев полимерного материала, кВт; N_п − тепловая мощность, расходуемая на потери через боковую поверхность материального цилиндра, кВт; N_охл − тепловая мощность, расходуемая на охлаждение зоны загрузки материального цилиндра, кВт; N_мех − тепловая мощность, выделяемая за счёт преобразования механической энергии, кВт.

       Решая относительно N_расч , получим: 

    N_расч = N_G + N_п + N_охл − N_мех, (22) 

       Тепловая  мощность, выделяемая за счёт преобразования механической энергии (N_мех) определяется по уравнению, полученному опытным путём, поскольку червяк потребляет только часть энергии, которую может развивать привод червяка: 

    N_мех = 32×10^-5QС₁(t₂ − t₁), кВт, (23) 

где Q −  расчётная пластикационная производительность, кг/ч; с₁ − удельная теплоёмкость полимерного материала, Дж/кг∙град; t₁ и t₂ − температура в зоне загрузки и в зоне дозирования.

       В данном случае принимаем:

Q = 25.92 кг/ч;

С₁ =1.5×10³ Дж/кг∙град;

t₁=85°С;

t₂=290°С. 

N_мех = 32×10^-5×25.92×1.5×10³(290− 85)= 2550 Вт= 2.5 кВт. 

       Тепловая  мощность, расходуемая на охлаждение зоны загрузки материального цилиндра (N_охл) : 

    N_охл = G_вC_г∆t_в, Вт, (24) 

где  C_г − теплоёмкость воды, Дж/кг∙град; ∆t_в − перепад температуры воды на входе и выходе из зоны охлаждения; G_в − количество протекающей воды, кг/с.

       В данном случае принимаем:

C_г = 4.19 кДж/кг∙град;

∆t_в = 7° C.

       Количество  протекающей воды (G_в) рассчитывается по формуле:

    G_в = fVρ, (25) 

Здесь f − площадь сечения подводящих трубок, м²; V − скорость течения воды,м/с; ρ − плотность воды, кг/м³.

       В нашем случае принимаем:

ρ = 998 кг/м³;

V = 0.1 м/с.

       Площадь сечения подводящих трубок (f) рассчитывается:

                                              

,                                              (26) 

м², 

G_в = 3.14×10^-4×0.1×998= 0.031 кг/с, 

N_охл = 0.031×4.19×10³×7= 910 Вт = 0.91 кВт. 

       Тепловая  мощность, расходуемая на потери через  боковую поверхность материального  цилиндра рассчитывается по формуле: 

    N_п = Fα (t_к – t_в), Вт, (27) 

где F −  площадь наружной поверхности материального  цилиндра; t_к и t_в − температура наружной поверности кожуха материального цилиндра и окружающей среды; α − коэффициент теплоотдачи, ( Вт/м²∙град), оцениваемый по эмпирической формуле: 

α = 9.74 + 0.07 ∆t , (28)

∆t = t_к − t_в.