En el món de la composició i extrusió de materials, les extrusores de doble-cargol són el cor de la producció. El seu rendiment determina directament la qualitat de la barreja, l'eficiència de la producció i les propietats mecàniques del producte final.
A lesJWELL, entenem que triar la tecnologia adequada-Co-rotacióoContra{0}}rotació-és fonamental per a la vostra aplicació específica. Tot i que pot semblar que la diferència és només la direcció de rotació, les nostres simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) i proves de camp revelen distincions significatives en les característiques de processament, les capacitats de barreja i l'adaptabilitat del producte.
Aquest article desglossa aquestes diferències tècniques per ajudar-vos a prendre una decisió informada per a la vostra línia de producció.
La diferència fonamental: principi de funcionament
La distinció bàsica rau en com interactuen els cargols amb el material:
Extrusores co-rotatives de doble cargol:
• Rotació: els dos cargols giren en el mateix sentit.
• Mecanisme: es superposa l'empenta de les sortides del cargol. El material es transporta en un camí "∞" (figura - vuit), creant un efecte de transport forçat.
Mode d'acoblament de doble-cargol giratori
Extrusores de doble cargol giratoris contra-:
Rotació: els cargols giren en direccions oposades.
Mecanisme: les forces d'empenta es compensen entre si. El material viatja en una trajectòria en forma de "C"-dins de cambres tancades, sotmesos a barreja i reacció repetides.
Mode d'acoblament de dos cargols-contrarotatoris-
Anàlisi de resultats de simulació: camp de pressió
A partir del mapa de núvols de pressió (Fig. 3) i la corba de variació de pressió (Fig. 4), es van fer les observacions següents:
• Cargol doble co-rotatori:La pressió dins del canal de flux presenta fluctuacions rítmiques. Aquestes fluctuacions es corresponen amb la posició de les sortides del cargol (com es veu a la figura . 4). Atès que els vols de cargol són crestes elevades, el material experimenta forces de compressió i cisalla intensa quan passa per sobre d'ells, donant lloc a pics de pressió més elevats a les ubicacions de vol.
• Doble cargol contra-rotatori:La pressió inicialment augmenta i després disminueix al llarg de la direcció d'extrusió, caracteritzat per un fenomen localitzat d'alta-pressió important a la secció mitjana. Aquesta alta pressió es produeix a la zona d'entrellaçament (fer referència a la figura . 2). La rotació oposada dels cargols fa que el material flueixi de manera desigual o es bloquegi, provocant una acumulació de material al centre, que genera aquesta alta pressió localitzada.
Diagrama de núvols de pressió al corredor durant el procés d'extrusió
història de pressió
Anàlisi de resultats de simulació: camp de velocitat de cisalla
A partir del contorn de velocitat de cisalla (Fig. 5) i la corba de variació (Fig. 6), les observacions són les següents:
• Comportament general (ambdós tipus):Tant en processos de co-rotació com de contra-rotació, la velocitat de cisalla és constantment més alta als volades del cargol i més baixa als canals del cargol. Això passa perquè l'espai lliure entre el vol del cargol i la paret del canó és mínim, accelerant el flux de material i induint forces de cisalla elevades. En canvi, el buit més gran dels canals del cargol dóna lloc a taxes de cisalla més baixes.
• Doble cargol contra-rotatori:Aquest tipus presenta pics localitzats en la velocitat de cisalla. Aquest fenomen és causat específicament pel flux de fuites (normalment es produeix a través dels espais lliures ajustats a la regió d'entrellaçament).
Gràfic de núvols de velocitat de cisalla durant el procés d'extrusió
Corba de variació de la velocitat de cisalla
Anàlisi del rendiment de la mescla de materials
La mescla es divideix en dues categories principals: distributiva i dispersiva.
Mescla distributiva:El procés de redistribució material i reorientació per aconseguir l'homogeneïtat.
Mescla dispersiva:El procés de reducció de la mida de les partícules de material mitjançant forces d'estirament i cisalla.
El mètode de partícules traçadores s'utilitza per quantificar, analitzar paràmetres de trajectòria com el temps de residència (RT), l'escala de separació i l'esforç de cisalla màxima per avaluar les diferències de mescla.
Rendiment de mescla axial: distribució del temps de residència (RTD)
La distribució del temps de residència (RTD) és una mètrica crítica per a la mescla axial, que descriu la distribució estadística del temps que el material passa dins de l'extrusora. Es representa mitjançant funcions de probabilitat i densitat de probabilitat.
Distribució acumulada del temps de residència
La corba de distribució del temps de residència acumulat (figura . 7) il·lustra la probabilitat acumulada que el fluid o el material quedi dins de l'extrusora.
En el sistema de doble-cargol co-rotatori, les partícules traçadores comencen a sortir del canal a les1.00 si sortir completament per54.82 s, donant un període de temps de residència de53.82 s.
Al sistema de doble cargol-rotatori-, les partícules traçadores surten primer a1.48 si sortir completament per59.80 s, resultant en un període de temps de residència de58.32 s.
La corba acumulada del cargol bess-corotatori-es manté per sobre de la del sistema de contra-rotació, la qual cosa indica una proporció més alta de partícules que surten del canal en un moment donat.
Distribució acumulada del temps d'estada
Distribució del temps de residència
La corba de densitat de probabilitat de temps de residència-il·lustra la probabilitat que el material romangui dins de l'extrusora durant diferents intervals de temps. Una densitat més alta indica una major probabilitat que el material es quedi dins d'aquesta finestra de temps específica, mentre que una densitat més baixa reflecteix menys ocurrències.
Segons la funció de densitat de probabilitat (Fig. 8):
La majoria de partícules de l'extrusora de doble-cargol co-rotativa es troben1.00–1.99 s, mentre que al sistema de rotació inversa-es concentren dins1.48–2.97 s. La corba de co-giració es desplaça més a l'esquerra i mostra un pic més alt, cosa que indica un rendiment de transport més fort. Això es deu probablement a la trajectòria de transport forçada "en forma de ∞-" característica dels cargols co-rotatoris.
En canvi, l'extrusora contra-rotativa condueix el material al llarg d'una trajectòria en "C-", on la barreja repetida i la re-circulació dins de la cambra C-amplien el temps de residència.
distribució del temps de residència
Rendiment de mescla distributiva
Índex distributiu
L'índex distributiu reflecteix el comportament reològic i les característiques de flux del material durant l'extrusió. Tal com es mostra a la corba de l'índex distributiu (Fig. 9), l'extrusora de doble cargol-rotativa-contadora demostra una millor uniformitat distributiva en comparació amb el sistema co-.
Índex de distribució
Escala de separació
L'escala de separació caracteritza el progrés de la mescla distributiva. Com es mostra a la figura . 10, l'escala de separació inicial és gran perquè els dos tipus de partícules entren des de costats oposats. A mesura que avança la mescla, l'escala de separació disminueix a causa de l'acció dispersiva induïda pel cargol-, que indica una mescla a nivell de superfície- més profunda. Les fluctuacions observades són causades per l'agregació de partícules durant el flux.
La-corba d'escala de separació de l'extrusora de doble-cargol co{-rotativa es manté constantment per sota de la del sistema de contra-rotació, demostrant la seva capacitat de mescla distributiva més forta.
En l'extrusió de dos cargols co-rotatius-, tots dos cargols giren en la mateixa direcció i generen un fort cisallament a la zona d'entrellaçament. Això afavoreix l'intercanvi freqüent de material entre els cargols, proporcionant una mescla distributiva més uniforme.
En canvi, l'extrusió contra-giradora reté la major part del material dins de la cambra en forma de C-. Només una petita part entra a la regió del buit on es produeix el cisallament i l'allargament. El grau més alt de tancament redueix el flux irregular però també redueix la uniformitat general de la mescla.
Rendiment de mescla dispersiva
La mescla dispersiva es defineix per la reducció progressiva de la mida de les partícules, impulsada principalment per les tensions de cisalla i elongació. L'esforç de cisalla màxim que experimenten les partícules traçadores reflecteix la intensitat del procés dispersiu. Una proporció més alta de partícules sotmeses a un cisallament elevat indica una capacitat dispersiva més forta.
Tal com es mostra a la figura. 11, el contra-cargol bess- giratori presenta una corba de probabilitat més alta, cosa que suggereix que exposa més partícules a nivells de cisalla elevats.
Probabilitat d'esforç de tall màxim
La figura . 12 mostra la densitat de probabilitat de l'esforç de cisalla màxima, on el pic indica el nivell de tensió que experimenten les partícules amb més freqüència.
Les característiques de la corba d'ambdós sistemes confirmen que el cargol bessó-rotatori-contra-rotatiu proporciona forces de cisalla i allargament més fortes, donant com a resultat una barreja dispersiva superior en comparació amb el disseny co-rotatori.
Anàlisi d'assaig d'impacte de tracció
Les figures. 13 i 14 resumeixen els resultats de les proves de tracció i d'impacte.
El material extruït pel cargol doble-co-corotatori mostra una resistència a la tracció i un allargament lleugerament superiors a la ruptura.
Per contra, les mostres del sistema de rotació inversa-exhibeixen una absorció d'energia d'impacte i una resistència a l'impacte marginalment superiors.
Dades d'assaig de tracció
Dades de la prova d'impacte
Avantatges de les extrusores de doble-cargol co-rotativa:
Camp de cabal més estable, especialment pel que fa al control de pressió.
Distribució forta-mescla rendiment amb alta uniformitat del material.
Temps de residència més curt i major eficiència de transport, ideals per a formulacions sensibles a la calor-i minimitzant la degradació tèrmica.
Els extrusats presenten millors propietats de tracció.
Avantatges de les extrusores de doble-cargol contra-rotables:
Capacitat de generació de pressió-més alta (amb atenció als pics de pressió localitzats).
Efectes de cisalla i estirament més forts, proporcionant una barreja dispersiva superior.
Distribució de temps de residència més llarga i àmplia-, adequada per a processos que requereixen un temps de reacció o mescla més llarg.
Els extrusats mostren una major resistència a l'impacte i una menor viscositat de fusió a causa d'una escissió de cadena més extensa.