Учебная работа. Реферат: Программный комплекс для поиска оптимальных значений режимных параметров процесса одношнековой э

Учебная работа. Реферат: Программный комплекс для поиска оптимальных значений режимных параметров процесса одношнековой э

Федеральное агентство по образованию

___________________________________________________________________

Государственное образовательное учреждение
Высшего

проф образования

Санкт-Петербургский муниципальный технологический институт

(технический институт)

______________________________________________________________

Кафедра систем автоматического проектирования и управления

Дисциплина:
Базы разработки автоматических систем

Курсовой проект
на тему:

“
Программный комплекс для поиска хороших значений режимных характеристик процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропилена ”

Выполнила:

студ. гр.845

Никитина Е.Б.

Руководители:

Чистякова Т.Б.

Полосин А.Н.

Санкт – Петербург

2008

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по учебной дисциплине

«Базы разработки автоматических систем»

Санкт-Петербургский муниципальный технологический институт (технический институт)

Факультет информатики и управления

Кафедра систем автоматического проектирования и управления

Направление подготовки 230100 – Информатика и вычислительная техника

Уровень подготовки

Спец 230104 – Системы автоматического проектирования

Бакалавр 230100 – Информатика и вычислительная техника

Студент (ка)
Никитина Е.Б.
Группа
845

(фамилия, инициалы)

Тема
Программный комплекс для поиска хороших значений режимных характеристик процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропилена

Начальные данные к проекту

1 Шерышев М.А., Ким В.С. Переработка листов из полимерных материалов.– Л.: Химия, 1984.– 216 с.; Басов Н.И., Казанков Ю.В., Любартович В.А. Расчет и конструирование оборудования для производства и переработки полимерных материалов: Учеб. для вузов.– М.: Химия, 1986.– 488 с.

2 Торнер Р.В. Теоретические базы переработки полимеров.– М.: Химия, 1977.– 464 с.; Красовский В.Н., Воскресенский А.М. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров: Учеб. пособие для втузов.– Мн.: Вышэйш. шк., 1975.– 320 с.

3 Норенков И.П. Базы автоматического проектирования: Учеб. для вузов.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.– 448 с.

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

5 Чистякова Т.Б. Базы разработки автоматических систем: Конспект лекций/ СПбГТИ(ТУ).– СПб., 2008; Гольцева Л.В. Математическое моделирование химико-технологических действий: Конспект лекций/ СПбГТИ(ТУ).– СПб., 2007; Смирнов И.А. способы оптимизации: Конспект лекций/ СПбГТИ(ТУ).– СПб., 2006.

6 ГОСТ 34.602-89 Информационная разработка. Комплекс эталонов на автоматические системы. Техническое задание на создание автоматической системы.

7 Все о пластиках, полимерах – ПластЭксперт [Электронный ресурс]: Информационный портал, посвященный полимерам и технологиям производства изделий из полимеров.– Режим доступа:
HTTP://
www.
e-
plastic.
ru, вольный.– Загл. с экрана.– Яз. рус.

Список подлежащих разработке вопросцев, документов

1 Формализованное описание процесса одношнековой экструзии плоских пленок.

2 Постановка задачки поиска хороших режимных характеристик (частоты вращения шнека и температуры корпуса) одношнекового экструдера для производства плоских пленок. Этапы решения задачки.

3 Разработка многофункциональной структуры программного комплекса для поиска хороших режимных характеристик процесса экструзии.

4 Техническое задание на синтез автоматической системы, включающей математическую модель одношнекового экструдера с плоскощелевой головкой для переработки кристаллических полимеров, модуль расчета критериальных характеристик (энергопотребления, производительности экструдера, индекса деструкции экструдата), модуль 3
D визуализации поверхностей отклика критериальных характеристик процесса экструзии и модуль автоматического поиска хороших значений частоты вращения шнека и температуры корпуса экструдера.

5 Построение алгоритмов расчета критериальных характеристик процесса экструзии и поиска хороших режимных характеристик экструдера.

6 Разработка программного обеспечения автоматической системы, интерфейсов для опции на свойства полимера и экструдера, исследования мотивированной функции и критериальных ограничений, оптимизации режимных характеристик процесса экструзии.

7 Тестирование работы программного комплекса на примере одношнекового экструдера для производства плоских пленок из полипропилена.

8 Оформление документации (объяснительной записки, презентации) по проекту.

Список графического материала

1 Формализованное описание процесса одношнековой экструзии плоских пленок.

2 Постановка задачки поиска хороших режимных характеристик экструдера. Этапы решения задачки.

3 Многофункциональная структура программного комплекса.

4 Структура математической модели процесса одношнековой экструзии плоских пленок.

5 метод расчета критериальных характеристик процесса экструзии плоских пленок.

6 метод поиска хороших режимных характеристик экструдера.

7 Тестовый пример работы программного комплекса.

8 Черта программного обеспечения и технических средств.

Виды и размер работы, выполняемой с внедрением ЭВМ и САПР

Техническое обеспечение

:
IBM
PC-совместимый комп на базе процессора
Intel
Pentium
IV (2,2 ГГц), ОЗУ 1024 Мб, НЖМД 40 Гб, монитор
LCD (17
²), клавиатура (102 клавиши),
DVD и
CD-
ROM дисковод, мышь.
: операционная система
Microsoft
Windows
XP
Professional 2002, инструментальная среда разработки программного обеспечения
Borland
C++
Builder 6.0, текстовый машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) (либо вычислительной системы) которое делает арифметические и логические операции данные программкой преобразования инфы управляет вычислительным действием и коор
Microsoft
Office
Word 2003, графический пакет
Microsoft
Office
Visio 2003, презентационная программка
Microsoft
Office
PowerPoint 2003.

Дата выдачи задания
20.02.08

Дата представления курсового проекта к защите
12.05.08

Лектор
Т.Б. Чистякова

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Управляющий
А.Н. Полосин

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял к выполнению студент

(подпись, дата)

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..5

1 Аналитический обзор

1.1 Система одношнекового экструдера…………………………………6

1.2 Экструзионные агрегаты для производства плоских пленок……………9

1.3 Описание способа оптимизации……………………………………………12

2 Цели и задачки…………………………………………………………………..14

3 Технологическая часть

3.1 Формализованное описание процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропилена ……………………………………………………….15

3.2 Постановка задачки поиска хороших режимных характеристик одношнекового экструдера для производства плоских пленок из полипропилена……………………………….. ………………………………….15

3.3 Многофункциональная структура программного комплекса……………………16

3.4 Математическая модель процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропилена и принятые допущения……………………………17

3.5 метод расчета критериальных характеристик процесса экструзии плоских пленок из полипропилена……………………………………………..23

4 Экспериментальная часть……………………………………………………..24

5 Малые требования к техническому и программному

обеспечению………………………………………………………………………28

Выводы……………………………………………………………………………29

Перечень использованных источников……………………………………………30

Введение

Экструзия – это метод переработки полимерных материалов непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой описывает профиль получаемого изделия либо полуфабриката.

Около половины производимых термопластов перерабатываются в изделия сиим методом. Экструзией получают пленки, листы, трубы, шланги, капилляры, разные по трудности профили, наносят полимерную изоляцию на провода, создают мультислойные различные по конструкции и сочетанию используемых пластмасс гибридные погонажные изделия. Переработка вторичного полимерного сырья и гранулирование также производятся с применением экструзии.

В связи с широкой областью внедрения экструзии особо принципиальным является автоматизирование проектирования процесса. При разработке соответственных средств нужно учесть, что удобство эксплуатации и функциональность являются необходимыми составляющими проекта, вровень с возможностью гибкой опции системы для проектирования процесса экструзии разных материалов.

Целью реального курсового проекта является разработка гибкого программного комплекса, который на базе математической модели процесса одношнековой экструзии и модуля оптимизации дозволяет найти рациональные значения частоты вращения шнека и температуры корпуса, обеспечивающие заданную производительность, малое энергопотребление при условии обеспечения требуемого свойства экструдата.

1 Аналитический обзор

1.1 Система одношнекового экструдера

Одношнековый экструдер (набросок 1) состоит из червя 1, вра­щающегося снутри цилиндрического корпуса 2, на котором установлен бункер 11. Снутри корпуса, как правило, запрессо­вывается гильза 3 с азотированной, закаленной и термообработанной поверхностью. Подогрев корпуса осуществляется нагрева­телями 4, сгруппированными в несколько (обычно, три либо четыре) термических зон. На конце корпуса устанавливается голов­ка с профилирующим инвентарем 5, соединяющаяся с кор­пусом экструдера средством адаптера 6. Меж червем и адаптером размещается сетка с пакетом фильтрующих се­ток 7. Корпус устанавливается на станине 8. Осевое усилие вос­принимается блоком упрямых подшипников 10. Привод червя осуществляется от регулируемого электродвигателя через шес­теренчатый редуктор 9.

Набросок 1- Одношнековый экструдер

Бункер делается из листовой стали либо дюралевых сплавов со смотровым окном для конт­роля за уровнем находящегося в бункере материала. Для пе­реработки материалов, склонных к сводообразованию (зависа­нию), в бункере устанавливают перемешивающее устройство. Бункера экструдеров, созданных для переработки мате­риалов с низкой сыпучестью (порошки, отходы производства пленок и нитей), оборудуют устройствами для за ранее­го уплотнения материала. Для переработки гидрофильных полимеров используют бункера с вакуумированием с целью уда­ления воды и летучих. В не­которых вариантах употребляют бункера, в каких материал подогревается жарким возду­хом (набросок 2).

1 — распределительные сопла; 2 — корпус бункера; 3
магнитный затвор; 4 — патру­бок для отвода воздуха; 5 — загрузочный лючок; 6 — промежная емкость; 7 — за­слонка, регулирующая подачу жаркого воздуха; 8 — калорифер с регулятором тем­пературы обогрева воздуха; 9 — вентиля­тор; 10 — загрузочная воронка экструдера.

Набросок 2- Бункер с подготовительным обогревом гранул

. В современных экструдерах используются шнеки с относительной длиной

15/35. Поперечник шнеков регламентируется ГОСТ 14773—80 и может составлять 20; 32; 45; 63; 90; 125; 160; 200; 250; 320; 450; 630 мм. Более всераспространены так именуемые зонированные шнеки (набросок 3), на которых можно выделить зону питания, зону плав­ления и зону дозирования

Экструзионный материал может поступать на переработку в виде гранул либо порошка. Гранулки загружаются в бункер и че­рез загрузочное отверстие поступают к шнеку. Продвигаясь вдоль шнека, гранулки расплавляются, расплав продавливает­ся через сетку и пакет фильтр- ующих сеток. Потом расплав проходит через конический диффузор (адаптер) в головку, в ко­торой установлен профилирующий инструмент.

Шнек — это главный рабочий орган экструдера. Он заби­рает непластицированный материал от загрузочного отверстия, пластицирует его и умеренно подает в виде гомогенного рас­плава к головке. Продвигаясь по каналу шнека, материал разогревается как за счет тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения, так и тепла, подводимого от расположенных на корпусе нагревателей. В итоге уплотнения из материа­ла удаляется оккупированный совместно с гранулками (либо порошком)

воздух, и удельный размер пробки гранул миниатюризируется. Для ком­пенсации уменьшения удельного размера гранулята канал шнека производится с уменьшающимся объемом витка. Потому глубина винтообразного канала шнека на выходе постоянно меньше, чем на входе.

По сразу.

Набросок 3- Пластицирующий шнек

Корпус.
Корпус одношнекового экструдера делает из поковок, выполненных из стали 45. Крепление корпуса к блоку подшипников производят фланцевым соединением. Для переработки порошко- образных полимеров на уча­стке зоны питания устанавливают втулку с рифленой внутренней поверхностью. Подогрев корпуса осуществляется нагревателями сопротивле­ния. время от времени для данной для нас цели используют индукционные нагревате­ли, паровой либо масляный подогрев.

Привод экструдера
. методы регулирования частоты враще­ния червя зависят от нужного спектра регулирова­ния. Почаще всего в качестве привода используют электродвига­тели неизменного тока с тиристорным управлением и коллектор­ные движки переменного тока. Некое распространение получил гидропривод и асинхронные движки в сочетании с механическими шестеренчатыми редукторами. Избранный привод должен накрепко обеспечивать необходи­мый для работы экструдера крутящий момент во всем рабо­чем спектре частот вращения червя.

— это профилирующий инструмент, придаю­щий нужную форму выдавливаемой струе полимера. От степени совершенства конструкции головки в значимой ме­ре зависит точность поперечных размеров экструдируемого из­делия и свойство его поверхности. В согласовании с сиим назна­чением система головки обязана удовлетворять последующим требованиям:

1) она обязана содействовать формированию по­перечного сечения потока, соответственного форме сечения экструдируемого изделия;

2) геометрические размеры профили­рующей щели и углы выхода должны обеспечивать возможность работы с наивысшими значениями производительности, при которых еще не наблюдается «эластической турбулентности»;

3) конфигурация каналов обязана исключать образование в их зон застоя;

4) головка обязана владеть достаточным сопротив­лением, чтоб на выходе из шнека создавалось противодавле­ние, обеспечивающее высококачественное смешение и гомогенизацию полимера;

5) система профилирующих органов обязана быть довольно твердой, чтоб при всех рабочих давлениях сечение проточной части оставалось постоянным;

6) конструк­ция головки обязана обеспечивать возможность регулирования распределения большого расхода по периметру струи для устранения воздействия некорректностей расчета и производства на про­филь экструдируемого изделия. [1]

1.2 Экструзионные агрегаты для производства плоских пленок

Разные схемы производства плоских пленок на экструзионных агрегатах приведены на рисунке 4

Агрегат для производства плоских пленок с остыванием их в водяной ванне (набросок 4.1) состоит из экструдера 1, фильтра 2
плоскощелевой головки 3
охлаждающей ванны с комплектом направляющих роликов 4, тянущих валков
и намоточного устройст­ва 6
При работе агрегата расплав из экструдера 1 проходит через фильтр 2 и, выходя вертикально вниз из профилирующей щели головки 3, попадает в охлаждающую ванну 4
Опосля остывания пленка проходит тянущие валки 5, устройство для обрезания кромок и поступает в намоточное устройство 6

Набросок 4- Агрегат для производства плоских пленок

Не считая остывания пленки в ванне используют несколько разновидностей остывания на барабанах. В этом случае по­лотно, выходящее из формующей щели головки вертикально вниз, поступает на охлаждаемый железный барабан (ме­тод полива на барабан, как показано на набросок 4.2) либо на 1-ый приемный валок системы из 3-х охлаждающих валков (набросок 4.3)

Скорость производства плоских пленок добивается сотен мет­ров за минуту. Потому для их намотки употребляют устройства с автоматической перезаправкой пленок с рулона на бобину.

Плоскощелевые головки по способу подвода расплава к фор­мующей щели можно поделить на два типа: коллекторные го­ловки, в каких расплав подводится к формующей щели через канал-коллектор, и головки равного сопротивления, в каких выходящий из экструдера расплав конкретно разливается по щелевому каналу.

Основная трудность, встречающаяся при конструировании плоскощелевых головок, состоит в обеспечении неизменного рас­хода расплава по всему фронту щелевого канала. Расплав, по­ступающий из экструдера в коллектор головки, про­прогуливается на пути к различным местам формующей щели разные расстояния. В итоге этого давления вдоль фронта формую­щей щели распределяются неравномерно, что приводит к неоди­наковому объемному расходу на различных участках щели и, как следствие, к появлению поперечной разнотолщинности пленки.

Для устранения разнотолщинности употребляют локальные ре­гулируемые сопротивления (дроссели). Используют также и ло­кальное изменение толщины щели с помощью упругодеформирующихся губок и, в конце концов, употребляют местную корректировку температуры.

Коллекторная плоскощелевая головка (набросок 5) состоит из адаптера 10 с фильтрующим элементом 11 корпуса 3, профили­рующих губок 4 и 6
Расстояние меж губами регулируется с помощью винтов 2 и 7. Подогрев головки осуществляется ше­стью либо наиболее нагревателями сопротивлений, при этом четыре нагревателя 1 установлены вдоль щели, а два (12 и 13) — на теле адаптера 10 и соединительного патрубка 9
Контроль температуры делается с помощью термопар 8
Ширину экструдируемого полотна регулируют штырями 5, которые свободно пе­ремещаются со стороны боковых щек, запирая часть формую­щей щели.

Набросок 5- Коллекторная плоскощелевая головка

Головка равного сопротивления (набросок 6) состоит из кор­пуса 1, в каком устанавливаются губы 2 и 3. Губка 2 крепится к корпусу бездвижно, в то время как положение губы 3 мож­но регулировать установочными винтами 4 для получения плен­ки неизменной толщины. канал, подводящий расплав, состоит из 2-ух частей: широкого участка А, по которому расплав обте­кает всю головку, и узенького подводящего канала В, длина кото­рого подбирается таковым образом, чтоб давление перед фор­мующей щелью было идиентично по всей ширине щели. Для под­соединения головки к экструдеру служит фланец 5, который крепится к фланцу 6 корпуса экструдера с помощью откидных болтов 9. Нагнетаемый шнеком 7 расплав проходит через фильтр 8, буферные каналы А я В я выдавливается через фор­мующую щель С. [1]

Набросок 6- Головка равного сопротивления

1.3 способ оптимизации

При разработке программного комплекса мы употребляли уже готовую подсистему оптимизации. В данной подсистеме оптимизации для поиска хороших значений употребляется полный способ Бокса

Полный способ Бокса

Этот способ представляет модификацию симплексного способа и предназначен для решения задачки нелинейного программирования с ограничениями-неравенствами. Для минимизации функции
переменных
в
-мерном пространстве строят полиэдры, содержащие

+1 вершин. Эти полиэдры именуют
что и обусловило наименование способа.

Введем последующие обозначения:

[
]
(
1
[
], …, хi

[
], …, хn

[
])T
,

где

1, …,

0, 1, 2, … —
-я верхушка комплекса на
-м шаге поиска;

[
]
верхушка, в какой f(x
[
]

max
[l,
]
[
]
[
,
]- центр масс всех вершин, кроме
[
]
Координаты центра масс рассчитываются по формуле

,

l, …,
.

метод всеохватывающего поиска состоит в последующем. В качестве первой верхушки исходного комплекса выбирается некая допустимая точка
[1, 0]. Координаты других
1 вершин комплекса определяются соотношением

хj

[
0] аi

+ ri

(bi
— ai

),

1, …,
;
2, …,
.

тут аi

, bi

— соответственно нижнее и верхнее ограничения на переменную хi
‘, ri
—
псевдослучайные числа, умеренно распределенные на интервале [0, 1]. Приобретенные таковым образом точки удовлетворяют ограничениям

но ограничения hj
(x)

0 могут быть нарушены. В этом случае недопустимая точка заменяется новейшей, лежащей посреди отрезка, соединяющего недопустимую точку с центром масс избранных допустимых вершин. Данная операция повторяется до того времени, пока не будут выполнены все ограничения задачки. Дальше, как и в способе деформируемого полиэдра, на каждой итерации заменяется верхушка
[
]
в какой х
[
] отражается относительно центра масс
[
] других вершин комплекса. Точка
[
], заменяющая верхушку
[
], определяется по формуле

[
]
(
+1)
[
] +
[
],

где
0
некая константа, именуемая
Более удовлетворительные результаты дает а

1,3. При всем этом новейшие верхушки комплекса отыскиваются за маленькое количество шагов, а значения мотивированной функции уменьшаются довольно стремительно.

Если
[
]
[
]
то новенькая верхушка оказывается худшей верхушкой комплекса, В этом случае коэффициент
миниатюризируется вдвое. Если в итоге отражения нарушается какое-либо из ограничений, то соответственная переменная просто ворачивается вовнутрь нарушенного ограничения. Если при отражении нарушаются ограничения hj
(x)

0. то коэффициент
всякий раз миниатюризируется в два раза до того времени, пока точка
[
] не станет допустимой. Вычисления завершаются, если значения мотивированной функции не достаточно изменяются в течение 5 поочередных итераций: |
+1]

[

])|
,

1, …, 5, где
— данная константа. В этом случае центр масс комплекса считают решением задачки нелинейного программирования.

Плюсами всеохватывающего способа Бокса являются его простота, удобство для программирования, надежность в работе. способ на любом шаге употребляет информацию лишь о значениях мотивированной функции и функций ограничений задачки. Все это обусловливает успешное применение его для решения разных задач нелинейного программирования. [8]

2 Цели и задачки

Целью реального курсового проекта является разработка гибкого программного комплекса, который на базе математической модели процесса одношнековой экструзии и модуля оптимизации дозволяет найти рациональные значения частоты вращения шнека и температуры корпуса, обеспечивающие заданную производительность, малое энергопотребление при условии обеспечения требуемого свойства экструдата.

Для заслуги цели нужно решить последующие задачки:

1. изучить процесс одношнековой экструзии плоских пленок;

2. создать многофункциональную структуру программного комплекса;

3. воплотить математическую модель для исследования процесса одношнековой экструзии;

4. выстроить метод расчета критериальных характеристик процесса экструзии;

5. выстроить трехмерные графики зависимостей энергопотребления экструдера, производительности экструдера и индекса тепловой деструкции экструдированной трубы от температуры корпуса экструдера и частоты вращения шнека, подключить блок оптимизации;

6. создать пользовательский интерфейс;

7. провести тестирование программного комплекса.

3 Технологическая часть

3.1
Формализованное описание процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропилена

Набросок 7- Формализованное описание процесса экструзии пленок

– вектор входных характеристик процесса экструзии:

Ppolymer

{cp
, Tf
, Tg
, n, ρ, μ} – вектор характеристик теплофизических и реологических параметров бесформенного полимерного материала;

Gextruder

{D, L/D, B, e, w, l, χ}
вектор геометрических характеристик шнека и формующей головки экструдера;

Rextrusion
={P0
, Tscr
} – режимные характеристики экструдера

V
={
N, Tb
}
– вектор варьируемых характеристик процесса экструзии;

Y
={
S, K}
– вектор выходных характеристик;

K={ E, G, Id
}– вектор критериальных характеристик;

S={ T, P } – вектор характеристик экструдата;

3.2
Постановка задачки поиска хороших режимных характеристик одношнекового экструдера для производства плоских пленок из полипропилена

Для данных геометрических характеристик одношнекового экструдера с плоскощелевой головкой Gextruder

и черт полипропилена Ppolymer

по математической модели процесса экструзии найти рациональные значения частоты вращения шнека Nopt

Î [Nmin

, Nmax

] и температуры корпуса Tb
opt

Î [Tb
min

, Tb
max

], которые обеспечивают минимум энергопотребления экструдера

при условии выполнения ограничений по производительности экструдера

и индексу тепловой деструкции экструдированной плоской пленки

.

В постановке задачки применены последующие обозначения:

– частота вращения шнека экструдера, о/с;

Tb

– температура корпуса экструдера, °С;

Nmin

, Nmax

– спектр конфигурации частоты вращения шнека для данного типа экструдера, полимерного материала и вида изделия, о/с;

Tb
min

, Tb
max

– спектр конфигурации температуры корпуса для данного типа экструдера, полимерного материала и вида изделия, °С;

0
– данная производительность экструдера, кг/с;

Id
max

– предельный индекс тепловой деструкции полимерного материала, %.

3.3 Многофункциональная структура программного комплекса

Для решения задачки был применен модульный подход. программка состоит из модуля опции на геометрические свойства экструдера,

модуля опции на свойства материала, модуля редактирования режимных характеристик процесса экструзии, модуля визуализации результатов расчета и оптимизации, модуля расчета выходных характеристик процесса экструзии, модуля поиска хороших значений режимных характеристик экструдера, модуля построения 3D графиков критериальных характеристик зависимо от результатов расчета, а так же математической модели процесса экструзии.

Набросок 8- структура программного комплекса

3.4
Математическая модель процесса одношнековой экструзии плоских пленок из полипропилена и принятые допущения

Для решения поставленной задачки разработана математическая модель одношнекового экструдера. В базе модели лежит ряд допущений:

1) экструдер питается расплавом полимера;

2) шнек неподвижен, корпус вращается (принцип обращенного движения);

3) канал шнека разворачивается на плоскость (плоская модель), что представлено на рисунке 9;

Набросок 9– Плоская модель канала шнека

4) канал стопроцентно заполнен полимерным материалом;

5) теплофизические свойства расплава полимера не зависят от температуры, температурная зависимость коэффициента смеси подчиняется уравнению Рейнольдса;

6) течение расплава является установившимся во времени и по длине канала;

7) расплав – неупругая несжимаемая псевдопластичная жидкость, реологическое давление не меняется по глубине канала;

12) массовые силы пренебрежимо малы по сопоставлению с силами вязкого трения;

13) вдоль оси канала шнека преобладает конвективный механизм переноса тепла;

14) температура расплава по ширине и глубине канала меняется некординально вследствие интенсивного циркуляционного течения.

С учетом принятых допущений структура математической модели экструдера, приобретенная на базе аналитического решения системы уравнений несжимаемости, движения, энергии и реологической модели материала способом моделирующих потоков, имеет вид:

, , , ,

, .

, .

, ,

где

,

,

, .

, ,

где

,

.

.

где

,

,

где большой расход потока расплава в экструдере определяется рабочей точкой экструдера – точкой пересечения наружных черт шнека экструдера

,

,

и плоскощелевой экструзионной головки

, .

.

.

,

где

.

В математической модели применены последующие обозначения:

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

– шаг вырезки шнека экструдера, м;

– безразмерный градиент давления в циркуляционном потоке;

– безразмерный градиент давления в поступательном потоке;

– поперечник шнека экструдера, м;

– энергопотребление экструдера, Вт;

– энергия активации процесса тепловой деструкции, Дж/моль;

– коэффициент воздействия боковых стен канала шнека на принужденный поток расплава;

– коэффициент воздействия боковых стен канала шнека на поток расплава под давлением;

– коэффициент воздействия боковых стен головки на поток расплава;

– производительность экструдера, кг/с;

– глубина канала шнека экструдера, м;

– индекс тепловой деструкции экструдата, %;

– длина шнека экструдера, м;

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

– изначальное давление расплава полимера, Па;

– давление расплава на входе в головку, Па;

– всепригодная газовая неизменная, Дж/(моль·К);

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

– большой расход принужденного 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, работающая поперек канала шнека, м/с;

– составляющая окружной скорости шнека, работающая 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 вырезки шнека экструдера, м;

– коэффициент гидравлического сопротивления головки, м3
;

– длина щели головки, м;

– индекс течения (псевдопластичности) расплава полипропилена;

– ширина плоского зазора щели головки, м;

– относительный большой 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 смеси расплава полипропилена, Па×сn

;

– коэффициент смеси расплава полипропилена при температуре приведения, Па×сn

;

– плотность расплава полипропилена, кг/м3
;

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

– среднее время пребывания полимерного материала в экструдере, с;

– угол наклона витков вырезки шнека экструдера, град;

c – геометрическая степень сжатия полипропилена.

3.5 метод расчета критериальных характеристик процесса экструзии плоских пленок из полипропилена

4 Экспериментальная часть

Разглядим работу программного комплекса на примере процесса экструзии плоских пленок из полипропилена. Для этого варианта начальные данные задаются на главной форме во вкладке «Начальные данные…» последующим образом

Набросок 10 – Основная форма

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

Набросок 11 – Таблицы расчета

Набросок 12 – Графики индекса деструкции и производительности

Набросок 13 – График энергопотребления

Используя команду «Оптимизация» головного меню найдем рациональные значения режимных характеристик процесса одношнековой экструзии листов из поливинилхлорида, применяя комплекс-способ Бокса (набросок 14,15,16,17)

Набросок 14- Окно подсистемы оптимизации

Набросок 15- График зависимости энергопотребления от частоты вращения и температуры корпуса с изображенной хорошей точкой

Набросок 16- Окно подсистемы оптимизации

Набросок 17- График зависимости энергопотребления от частоты вращения и температуры корпуса с изображенной хорошей точкой

5 Малые требования к техническому и программному обеспечению

Для обычного функционирования программного продукта рекомендуется последующая конфигурация компа:

— операционная система Windows XP

— частота микропроцессора – не наименее 500MHz

— объём оперативки – не наименее 128 Мб

— пространство на твердом диске – не наименее 10Mб.

Программный продукт разрабатывается на языке С в среде Borland C++ Builder 6. программка является приложением операционной среды Windows, и потому может работать лишь на компах, на которых установлена данная операционная система. Для построения трехмерных графиков в программке употребляется компонент «Steema TeeChart.Net».

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

Выводы

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

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

Также были разработаны методы расчета критериальных характеристик для поиска хороших значений режимных характеристик процесса одношнековой экструзии плоских пленок, и программный комплекс согласно построенной многофункциональной структуре.

Результаты тестирования подтвердили работоспособность программного комплекса, потому что нрав зависимости производительности, энергопотребления и индекс деструкции от режимных характеристик экструдера соответствует теории процесса экструзии, а результаты оптимизации экструдера подтверждаются экспертными оценками.

Перечень использованных источников

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

2 Базы 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 базы 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. Базы автоматического 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.: Двучлен-Пресс, 2005.– 1168 с.

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

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

]]>