Дисковая мельница для размола термопласта

Существует большое множество полимерных материалов, которые перемалываются при пониженных температурах. Это связано с особенностью их строения. При креогенном измельчении полиэтилена важную роль играет теплоизоляция перемалывающего оборудования и всех воздуховодов. Очень часто, дисковая мельница и все сопутствующие элементы покрываются вспенинными теплохащитными полимерными материалами.

Расчетом показано, что даже при использовании простей­шей теплоизоляции в виде полимерных вспененных материалов теплопотери составляют ~200 кДж/ч, что эквивалентно расхо­ду 10—11 кг/ч жидкого азота. При производительности дисковой мельницы для измельчения полимеров  G=20 кг/ч, K составляет величину порядка 0,5.

Расходный коэффициент K- характеризующий потери энер­гии на охлаждение оборудования, зависит от массы всех охлаж­даемых узлов. При оптимальном использовании оборудования, т. е. при непрерывной его работе и измельчении больших партий материала, когда время эксплуатации оборудования при измельчении полимера существен­но больше времени его охлаждения (составляет 5—10 % от ра­бочего времени), значение К составляет не более 0,2—0,3.

Наиболее трудно поддается аналитической оценке расходный коэффициент характеризующий теплопотери которые несет дисковая мельница  при диссипатив­ном разогреве гранул и разогреве подвижных трущихся де­талей оборудования, во время помола термопласта. Исходя из эксперимента по определению по­тери мощности на валу мотора на холостом ходу и в рабочем режиме.

Таким образом, суммарное максимально завышенное значение расходного коэффициента хладоагента К= 1,0+0,5+0,3+0,5=2,3, т. е. на получение 1 кг измельченного полимера необходимо не более 2,3 кг хладоагента. При работе на оборудовании с эффективной тепло­изоляцией и максимальном использовании газообразного азота К можно понизить до 1. Полученные расчетом расходные коэффи­циенты указывают на существенные резервы экономии хладоаген­та и возможность удешевления продукта на действующем обо­рудовании.

При проектировании новых оптимальных процессов оборудо­вания для измельчения полиэтилена существенное значе­ние имеет правильная оценка и выбор температурно-временного режима. Определение температурно-временной кривой охлаждения гранул термопласта различных типоразмеров является сложной эксперимен­тальной и расчетной задачей. Экспериментальное определение температуры в функции времени в центре гранулы связано с внедрением внутрь гранулы датчика, сравнимого с определяющим размером гранулы, что вносит существенную погрешность в измерения. Кроме того, при проектировании оборудования необ­ходимо уметь рассчитывать различные типоразмеры измельчаемых объектов, что невозможно без разработки методик. Аналитиче­ское решение этой задачи сложно и нецелесообразно, поскольку получить результат с погрешностью до 10 % практически невоз­можно. Процесс охлаждения гранул протекает не стационарно и в широком интервале температур (перепад ~200 °С), что требует учета и знания зависимости теплофизических свойств от темпе­ратуры. Резкое охлаждение термопласта приводит к появлению температурных напряжений, оценить влияние которых на тепло­физические свойства крайне затруднительно. При помоле полиэтилена, на поверхности гранулы протекает сложный процесс теплообмена с кипящим азо­том, характеризующийся переходом от пузырькового к пленочному режиму, с резкой, не монотонной зависимостью коэффициента теплоотдачи от перепада температуры между поверхностью гранул и кипящим азотом. Поскольку температура поверхности непрерывно меняется, то кри­терий теплообмена также изменяется немонотонно. Реальная погрешность определения и теплоемкости С_р состав­ляет не менее 5 %, а L не менее 15 %. Решение нелинейного уравнения теплопроводности возможно лишь численным мето­дом и при погрешности ожидаемого результата 20—25 % неце­лесообразно.

Экспериментальное моделирование режимов нагрева при измельчении полиэтилена и охлаж­дения гранулы целесообразно проводить на цилиндрическом образце диаметром 21,4 мм, высотой 120 мм, что эквивалентно образцу бесконечной длины в тепловых задачах. Температура измеряется хромель-алюмелевыми термопарами в трех точках центральной плоскости образца: центре сечения, на поверхности и на середине радиуса. Необходимо знать температуру при помоле полиэтилена после быстрого его погружения в жидкий азот и после обратного погружения его в воздух.

Следует отметить, что переменность теплофи­зических свойств и граничных тепловых потоков существенно влияет на зависимость безразмерной температуры от времени в дисковой мельнице. При этом невозможно опи­сать эту зависимость с помощью некоторого постоянного усред­ненного значения эффективного коэффициента температуропро­водности. Например, нельзя использовать метод регулярного режима. При этом формально вычисленные значения коэффициентов су­щественно отличаются от приведенных в литературе. В силу это­го определение параметров теплообмена (Bi) по эксперименталь­ным данным следует проводить не располагая сведениями о теп­лофизических свойствах материала.

Кривые, соответствующие разным Bi, существенно расслаиваются, что свидетельствует о чувствительности  к Bi. Поскольку для расчета чувствительности никаких дру­гих данных, кроме температуры, не требуется, эксперименталь­ные величины пересчитаны и также нанесены на эту сетку. Экс­периментальные данные располагаются наиболее близко к кри­вой Bi=20. Наибольшее отклонение наблюдается в области малых времен, где расчетные и экспериментальные значения имеют наибольшую погрешность.

Значения коэффициентов теплообмена при помоле полиэтилена в дисковой мельнице свиде­тельствуют о достаточной чувствительности и эффективности раз­работанного способа определения Bi. Таким образом, исходными значениями Bi для дальнейших расчетов были приняты 20 и 0,8. Дальнейший расчет включал вычисление функции «приведения», которая характеризует отличие действи­тельной экспериментальной кривой от идеализированного ли­нейного решения.

Сопоставление результатов расчета и экспери­мента показывает, что разница не превышает 5 %. Это является приемлемой точностью для технологических расчетов.