Программный комплекс для поиска оптимальных значений режимных параметров процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропиле

gn="justify">где 

, 

       Расчет  критериальных показателей  процесса экструзии 

Расчет  производительности экструдера 

,    

где объемный расход потока расплава в экструдере определяется рабочей точкой экструдера – точкой пересечения внешних характеристик шнека экструдера

        

, 

,    

и плоскощелевой  экструзионной головки   

,   . 

.

Расчет  энергопотребления  экструдера (целевая  функция) 

. 

Расчет  индекса термической  деструкции экструдата 

, 

где 

. 

       В математической модели использованы следующие обозначения:

 – параметры расчетной  схемы моделирующих потоков, зависящие  от индекса течения расплава  n;

 – шаг нарезки шнека экструдера, м;

 – безразмерный градиент давления в циркуляционном потоке;

 – безразмерный градиент  давления в поступательном потоке;

 – диаметр шнека экструдера, м;

 – энергопотребление экструдера, Вт;

 – энергия активации процесса  термической деструкции, Дж/моль;

 – коэффициент влияния  боковых стенок канала шнека на вынужденный поток расплава;

 – коэффициент влияния боковых стенок канала шнека на поток расплава под давлением;

 – коэффициент влияния боковых стенок головки на поток расплава;

 – производительность экструдера, кг/с;

 – глубина канала шнека  экструдера, м;

 – индекс термической деструкции экструдата, %;

 – длина шнека экструдера, м;

 – давление расплава полимера на выходе из канала шнека, Па;

 – начальное давление расплава полимера, Па;

 – давление расплава на входе в головку, Па;

 – универсальная газовая  постоянная, Дж/(моль·К);

 – объемный расход потока  расплава в экструдере, м³/с;

 – объемный расход вынужденного потока расплава в экструдере, м³/с;

 – температура расплава  полимера на выходе из канала  шнека, °С;

 – температура эквивалентного  режима процесса деструкции, °С;

 – температура плавления  полипропилена, °С;

 – температура приведения, °C;

 – температура шнека экструдера, °C;

 – составляющая окружной скорости шнека, действующая поперек канала шнека, м/с;

 – составляющая окружной скорости шнека, действующая вдоль оси канала шнека, м/с;

 – ширина канала шнека экструдера, м;

 – длина канала шнека экструдера, м;

 

 – температурный коэффициент  вязкости расплава полипропилена, 1/°С;

 – удельная теплоемкость расплава полипропилена, Дж/(кг×°C);

 – осевая толщина витков  нарезки шнека экструдера, м;

 – коэффициент гидравлического  сопротивления головки, м³;

l – длина щели головки, м;

 – индекс течения (псевдопластичности) расплава полипропилена;

w – ширина плоского зазора щели головки, м;  

 – относительный объемный  расход потока расплава в экструдере;

 – коэффициент теплоотдачи  от корпуса к расплаву, Вт/(м²×°C);

– коэффициент теплоотдачи от расплава к шнеку, Вт/(м²×°C);

 – толщина плоского зазора щели головки, м;

 – безразмерная координата сечения нулевого напряжения вязкого трения в циркуляционном потоке;

 – безразмерная координата  сечения нулевого напряжения  вязкого трения в поступательном потоке;

 – коэффициент консистенции  расплава полипропилена, Па×сⁿ;

 – коэффициент консистенции  расплава полипропилена при температуре приведения, Па×сⁿ;

 – плотность расплава полипропилена, кг/м³;

 – эквивалентное время,  соответствующее необратимому изменению цвета материала при термодеструкции, с;

 – среднее время пребывания  полимерного материала в экструдере, с;

 – угол наклона витков  нарезки шнека экструдера, град;

c – геометрическая степень сжатия полипропилена.

                                                          

3.5  Алгоритм расчета критериальных показателей процесса экструзии плоских пленок из полипропилена

4 Экспериментальная часть

Рассмотрим работу программного комплекса  на примере процесса экструзии плоских пленок из полипропилена. Для этого случая исходные данные задаются на главной форме во вкладке «Исходные данные…» следующим образом

Рисунок 10 – Главная форма

Результаты  работы выводятся в таблицы (Рисунок 11) и на графики (Рисунок 12, 13)

Рисунок 11 – Таблицы расчета

Рисунок 12 – Графики индекса деструкции и производительности

Рисунок 13 – График энергопотребления

Используя команду «Оптимизация» главного меню найдем оптимальные значения режимных параметров процесса одношнековой экструзии  листов из поливинилхлорида, применяя комплекс-метод Бокса (рисунок 14,15,16,17)

Рисунок 14- Окно подсистемы оптимизации

Рисунок 15- График зависимости энергопотребления от частоты вращения и температуры корпуса с изображенной оптимальной точкой 
 
 

Рисунок 16- Окно подсистемы оптимизации 

Рисунок 17- График зависимости энергопотребления от частоты вращения и температуры корпуса с изображенной оптимальной точкой 
 

5 Минимальные требования к техническому и программному обеспечению

Для нормального  функционирования программного продукта рекомендуется следующая конфигурация компьютера:

- операционная  система Windows XP

- частота процессора  – не менее 500MHz

- объём оперативной  памяти – не менее 128 Мб

- место на  жестком диске – не менее 10Mб.

Программный продукт  разрабатывается на языке С в  среде Borland C++ Builder 6.  Программа является приложением операционной среды Windows, и поэтому может функционировать только на компьютерах, на которых установлена данная операционная система. Для построения трехмерных графиков в программе используется компонент  «Steema TeeChart.Net».

В качестве требований к условиям эксплуатации выступают  все требования, которые предъявляются  к персональным компьютерам для  их нормального функционирования:  влажность воздуха  около 60%, температура воздуха 20-22˚С, и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выводы

     В ходе выполнения курсового проекта  были рассмотрены устройство и принцип  действия одношнекового экструдера и экструзионной головки для производства плоских пленок.

     Были  разработаны формализованное описание процесса одношнековой экструзии и математическая модель экструдера, полученная на основе аналитического решения системы уравнений несжимаемости, движения, энергии и реологической модели материала методом моделирующих потоков. 

     Также были разработаны алгоритмы расчета  критериальных показателей для  поиска оптимальных значений режимных параметров процесса одношнековой экструзии  плоских пленок, и программный комплекс согласно построенной функциональной структуре.

          Результаты тестирования подтвердили работоспособность программного комплекса, так как характер зависимости производительности, энергопотребления и индекс деструкции от  режимных параметров экструдера соответствует теории процесса экструзии, а результаты оптимизации экструдера подтверждаются экспертными оценками.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованных источников

         1 Торнер Р.В., Акутин М.С. Оборудование заводов по переработке пластмасс: Учеб. пособие для вузов.– М.: Химия, 1986.– 400 с.;

       2 Основы технологии переработки пластмасс: Учеб. для вузов/ С.В. Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др.; Под ред. В.Н. Кулезнева, В.К. Гусева.– М.: Мир, 2006.– 600 с.       

         3 Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров.– М.: Химия, 1977.– 464 с.;

        4  Красовский В.Н., Воскресенский А.М. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров: Учеб. пособие для втузов.– Мн.: Вышэйш. шк., 1975.– 320 с. 

        5 Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.– 448 с.   

        6 Архангельский А.Я. Программирование в C++ Builder 6.– 2-е изд.– М.: Бином-Пресс, 2005.– 1168 с.   

        7 Чистякова Т.Б. Основы разработки автоматизированных систем: Конспект лекций/ СПбГТИ(ТУ).– СПб., 2008;

        8 Смирнов И.А. Методы оптимизации: Конспект лекций/ СПбГТИ(ТУ).– СПб., 2006.