Мета роботи – вивчити конструкцію установки й експериментально дослідити процес нагрівання черв’ячної машини; визначити коефіцієнт тепловіддачі К в усталеному процесі нагрівання.
11.1. Основні теоретичні положення
У практиці експлуатації устаткування для переробки полімерних матеріалів часто трапляються процеси, в яких робочі органи машин перебувають у статичному стані, а робочі зазори заповнено полімером.
Такі процеси відбуваються, наприклад, під час розігрівання переробного устаткування, заміни формувального інструмента, дрібного ремонту. Основна особливість їх – забезпечення потрібного режиму обігрівання зовнішніми джерелами теплопостачання з метою не допустити перегрівання полімерного матеріалу, який перебуває в робочих зазорах. У пропонованій роботі поставлено завдання – дослідити усталений процес нагрівання черв’ячної машини. Тепловий баланс у цьому разі [4]:
, /11.1/
де 
– тепло, яке підводять до корпусу машини /парою, нагрітою рідиною або електричними нагрівниками/, Вт; 
– витрата води, що надходить для охолодження черв’яка, кг/с; 
– теплоємність води, Дж/(кг∙°С); 
– відповідно початкова й кінцева температура охолодної води, °С; 
– втрата тепла корпусом машини в навколишнє середовище, Вт.
Зв’язок між кількістю тепла, що його передають нагрівники і поверхнею теплообміну F описують для усталеного процесу основним рівнянням теплопередавання [3], Вт:
. /11.2/
У разі теплопередавання крізь циліндричну стінку рівняння /11.2/ записують, Вт:
, /11.3/
де 
– лінійний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м∙°С); 
– середня різниця температур між корпусом на деякому діаметрі і теплоносієм, що циркулює в охолодних каналах черв’яка, °С; 
– довжина опірної циліндричної поверхні, крізь яку відбувається теплообмін, м.
Процес теплообміну складний і полягає в здійсненні теплопровідності крізь багатошарову циліндричну стінку, один з шарів якої – полімерний матеріал, що заповнює канал черв’яка, і тепловіддачі від стінки до теплоносія 
. У цьому разі теоретичний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м∙°С):
, /11.4/
де 
– сума термічних опорів для багатошарової циліндричної стінки; 
– діаметри i -ї стінки, м; 
– теплопровідність i -ї стінки, Вт/(м∙°С).
Вихідні дані для визначення 
: 
– середня температура полімеру в робочому зазорі черв’ячної машини, °С; яка надходить на охолодження черв’яка, кг/с.
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до охолодної води визначають з критерію 
, Вт/(м∙°С):
. /11.5/
Критерій обчислюють для випадку поздовжньої течії по кільцевому каналу за відповідним критеріальним рівнянням залежно від режиму руху води, який визначається критерієм Рейнольдса:
, /11.6/
де 
– швидкість води в кільцевому перерізі, м/с, 
; 
, 
– діаметр охолоджуваного каналу відповідно черв’яка й трубки, якою підводять теплоносій, м, 
– еквівалентний діаметр кільцевого перерізу, який визначають як 
, м.
За сталого турбулентного режиму, коли 
,
. /11.7/
У разі перехідного режиму, коли 
,
. /11.8/
У разі ламінарного режиму, коли 
,
. /11.9/
Значення критерію 
у формулах /11.7/ – /11.9/, а також теплофізичних констант, які входять до /11.5/, /11.6/, вибирають з таблиці теплофізичних властивостей для середньої температури води.
Примітка. Критеріальний параметр 
, що враховує напрямок теплового потоку, незначно відрізняється від одиниці, і в даному розрахунку його можна не враховувати.
11.2. Опис установки
Схему експериментальної установки наведено на рис. 11.1. Вона складається з досліджуваної секції черв’ячного екструдера, що має корпус 1 з гільзою 2, черв’як 3 діаметром 
= 63 мм, систему підведення й відведення охолодної води 4, електронагрівник 5, кришки 6, термометри 7 для вимірювання температур входу 
, і виходу 
води, поліетилену низької густини, що заповнює робочий зазор 8.
У гільзі 2 на поверхні, прилеглій до полімеру, встановлено по спіралі 4 хромель-копелеві термопари 9 по всій довжині прилягання. Так само чотири термопари 9 встановлені на поверхні черв’яка 3. Крім того, ще чотири термопари 9 виміряють температуру матеріалу в середині робочого зазору 8. Потужність нагрівника регулюють ЛАТРом 10 і контролюють за допомогою Д 556 – 11. Температуру на корпусі підтримують на потрібному рівні нагрівниками та укладеними на поверхні трубками 14, в які може подаватися охолодна вода по трубопроводу 12, сполученому з відцентровим насосом 13. Витрату води в 14 і в системі охолодження черв’яка 4 регулюють за допомогою вентилів В1, В2, В3 й виміряють у системі охолодження черв’яка ротаметром 15. охолодна рідина циркулює у замкненій системі й надходить до термостата 16. Температуру корпусу 1 контролюють за допомогою двох хромель-копелевих термопар, підімкнених до електронних потенціометрів 17. Покази дванадцяти термопар, що вимірюють температуру полімеру, реєструє електронний потенціометр 18.
11.3. Порядок проведення дослідів
Увімкнути нагрівник 5 секції черв’ячного екструдера і встановити ЛАТРом 10 зазначену потужність. Увімкнути насос 13 і вентилями В1, В2 та В3 встановити витрату охолодної води в трубках 14 і системі охолодження черв’яка 4. В усталеному режимі нагрівання, який визначають за постійністю в часі значень температур полімеру, виконати вимірювання: температур корпусу 
; температур полімеру 
; витрати охолодної води в системі 4, 
; температур води на вході і виході з системи 4. Аналогічні вимірювання виконати за різних витрат охолодної рідини в системі 4 і різних температур корпусу. Результати експерименту внести до табл. 11.1.
Таблиця 11.1
| Но- мер до- слі- ду | Витра-
та охо-
лод-
ної води
,
кг/с
| Середня
темпе-ратура
корпусу
 б ºС
| Темпера- тура охо- лодної води, °С | Температура полімеру в зазорі , °С
| ||||||||||||
| на поверхні гільзи | на поверхні черв’яка | у середині зазору | ||||||||||||||
|
|
| |||||||||||||||
11.4. Порядок обробки результатів дослідів
1. Визначити дійсний коефіцієнт теплопередачі К з формули, /11.3/. для чого треба розрахувати
а/ кількість передаваної теплоти, Вт:
, /11.10/
де - середня теплоємність води, кДж/(кг∙ºС), 
; 
і 
– теплоємність відповідно при 
і ;
б/ довжину поверхні теплообміну , = 0,23 м;
в/ середню різницю температур, °С:
, /11.11/
де 
– середня температура відповідно корпусу й охолодної води.
2. Обчислити теоретичний коефіцієнт тепловіддачі 
за формулою /11.4/, для чого треба визначити:
а/ коефіцієнт тепловіддачі від стінки до нагріваної води за /14.5/, використовуючи формули /11.6/ – /11.9/. У /11.6/ діаметр трубки в системі 4, за допомогою якої підводять теплоносій, 
= 1,2∙10-2 м;
б/ середню температуру полімерного матеріалу в робочому зазорі, °С:
, /11.12/
де 
– і -е значення температур з табл. 11.1.
в/ теплопровідність 
за середньою температурою полімеру .
3. Підставити у формулу відомі розміри й теплопровідності корпусу 1, гільзи 2, полімерного матеріалу 8 і черв’яка 3.
Корпус 
= 9∙10-2 м, 
= 8∙10-2 м, 
чавуну = 46,5 Вт/(м∙°С).
Гільза = 6,3∙10-2м, сталі = 46,5 Вт/(м2∙°С).
Полімер 
= 5,8∙10-2м, у пунктах «б» і «в».
Черв’як 
=2∙10-2 м, сталі = 46,5 Вт/(м∙°С).
Аналогічні розрахунки провести для різних витрат охолодної рідини в системі 4 і температур корпусу.
Результати розрахунків звести в табл. 11.2.
Побудувати графічні залежності 
, 
, 
.
Таблиця 11.2
| Номер дос-ліду | Середня
різниця темпе-
ратур
,
°С
| Кіль- кість переда- ваної теплоти Q, Вт | Дійсний
коефіці-
єнт теп-
лопере-
дачі
Вт/(м2∙°С)
| Швидкість теплоносія
, м/с
| Re |
| Вт/(м2∙°С)
| Коефіці- єнт вико- ристання поверхні |
11.5. Контрольні запитання
1. За яких умов настає стаціонарний режим нагрівання?
2. Формулювання основного рівняння тепловіддачі.
3. Фізичний зміст коефіцієнтів 
і 
.
4. Рівняння теплового балансу у випадку, коли процес нагрівання черв’ячної машини вже сталий.
5. На основі чого вибирають вид критеріального рівняння 
?
6. Будова експериментальної установки.
7. Аналіз графічних залежностей , , .
8. Інтенсифікація процесу нагрівання черв’ячної машини.
11.6. Техніка безпека
1. Перед увімкненням установки перевірити правильність підмикання приладів.
2. Перед увімкненням насоса вентиль В1 має бути повністю відкритий, а вентилі В2 і В3 треба повністю закрити.
3. Потужність нагрівника встановлюють рівномірним, повільним збільшенням, починаючи з нульового значення.
4. Витрату води в системі 4 і в трубах 14 установлюють поступовим відкриванням вентилів В2 і В3 з обов’язковим контролем за допомогою ротаметра 15.
5. По закінченні робіт закрити вентилі В2 і В3, вимкнути насос, нагрівник, прилади, вимкнути рубильник.
