Analiza elementów ugniatających stosowanych w ślimakach wytłaczarek dwuślimakowych .

Wytłaczarki dwuślimakowe (ang. twin-screw extruders) są szeroko stosowane w przemyśle tworzyw sztucznych, gumy, farmaceutycznym oraz spożywczym. Ze względu na możliwość precyzyjnej kontroli nad warunkami procesu i wysoką intensywność mieszania, urządzenia te stanowią standard w zaawansowanych aplikacjach, takich jak produkcja nanokompozytów, biodegradowalnych polimerów czy formulacje farmaceutyczne.

Sercem ich działania są elementy robocze ślimaka, w tym kluczowe z punktu widzenia mieszania elementy ugniatające.

Analiza elementów ugniatających stosowanych w ślimakach wytłaczarek dwuślimakowych – budowa, funkcje, rozkład pola ciśnienia.

Charakterystyka elementów ugniatających.

Elementy ugniatające w wytłaczarkach dwuślimakowych odgrywają kluczową rolę w intensyfikacji mieszania, uplastyczniania oraz homogenizacji przetwarzanego materiału. W artykule przedstawiono klasyfikację, budowę oraz funkcje tych elementów, ze szczególnym uwzględnieniem ich wpływu na reologię materiału i efektywność procesu przetwórstwa. Opisano również kryteria doboru elementów ugniatających oraz ich zastosowanie w różnych typach operacji technologicznych.

Budowa i geometria.

Elementy ugniatające, znane również jako segmenty ugniatające (ang. kneading elements), mają postać pierścieniowych płytek montowanych na rdzeniu ślimaka. Ich główne cechy konstrukcyjne to:

• Kąt helisy (offset angle) - decyduje o kierunku i intensywności przepływu.
• Szerokość segmentu (disc width) - wpływa na czas retencji materiału.
• Liczba dysków w module - najczęściej od 3 do 7 dysków.
• Skok i odstęp między dyskami - mają wpływ na objętość roboczą i stopień ścinania.

Klasyfikacja kątowa.

• Forward (F) +30°, +45°, +60° Transport materiału do przodu.
• Neutral (N) 90° Silne mieszanie, brak transportu.
• Reverse (R) -30°, -45°, -60° Cofanie materiału, zwiększona retencja.

Mechanika działania i modelowanie przepływu.

Mechanizmy mieszania.

Mieszanie w strefie ugniatania odbywa się na drodze:

• Ścinania lamininarnego (shear mixing) – w warunkach kontrolowanego przepływu.
• Mieszania dyspersyjnego (dispersive mixing) – rozdrabnianie aglomeratów i fazy rozproszonej.
• Mieszania dystrybutywnego (distributive mixing) – równomierne rozprowadzenie składników.

Modelowanie CFD i DEM.

Współczesne projektowanie elementów ugniatających wykorzystuje:

• Obliczeniową mechanikę płynów (CFD) - do analizy profilu prędkości, gradientów temperatury i lepkości.
• Metodę elementów dyskretnych (DEM) - do modelowania kontaktu cząstek w mieszaniu stało-ciekłym.
• Symulacje hybrydowe CFD-DEM - pozwalające odwzorować rzeczywiste warunki pracy wytłaczarki.

Takie podejście umożliwia optymalizację geometrii elementów jeszcze na etapie projektowym.

Wpływ na proces wytłaczania.

Prędkość obrotowa i jej wpływ.

Przy wyższych obrotach ślimaków:

• Rośnie intensywność ścinania.
• Zwiększa się temperatura materiału (samonagrzewanie).
• Wzrasta ryzyko degradacji termicznej.

Elementy ugniatające muszą być odpowiednio dobrane do zakresu prędkości, aby zapewnić stabilność procesu. Elementy ugniatające są kluczowymi komponentami w konfiguracji ślimaków dwuślimakowych, umożliwiając skuteczne przetwarzanie różnorodnych materiałów. Ich odpowiedni dobór i rozmieszczenie na ślimaku wpływają bezpośrednio na jakość produktu, stabilność procesu i efektywność energetyczną.

Wpływ prędkości i natężenia przepływu na rozkład ciśnień w wytłaczarce dwuślimakowej.

W pierwszym przypadku uwzględniono segmenty wykonane z prawoskrętnego oraz lewoskrętnego elementu śrubowego. Prędkości obrotowe N równe 100, 200 i 300 obr./min są narzucane dla stałego natężenia przepływu, a następnie natężenia przepływu Q równe 10, 20 i 40 jest narzucone dla prędkości ślimaka 200 min^-1 . Wyniki przedstawione na rys. 1 i 2 prezentują oczekiwane zachowanie wytłaczarki dwuślimakowej. Przy zwiększaniu prędkości ślimaka przy stałym natężeniu przepływu ciśnienie wzrasta ze wzrostem prędkości ślimaków.

Rys. 1. Wpływ prędkości ślimaka na natężenie przepływu.

Rys. 2. Wpływ natężenia przepływu na pole rozkładu ciśnienia.

Przy zwiększaniu prędkości posuwu przy stałej prędkości ślimaka obserwujemy wzrost ciśnienia i wyraźny wzrost długości napełnianej. Wpływ prędkości ślimaka na wzrost ciśnienia jest wyraźniejszy niż prędkości posuwu, ale odwrotnie dzieje się w przypadku długości napełnienia. Właściwa energia mechaniczna (SME) wzrasta wraz z prędkością.

W drugim przypadku prędkość obrotową jest stała i równa 200 min^-1, natężenie przepływu jest stałe. Zmienia się geometria ślimaków. Element wykonany jest z tarcz do ugniatania o większej oraz mniejszej grubości. Rozkład pola ciśnienia przedstawiono dla kątów naprzemiennych (+30^o, +60^o, 90^o, -30^o, -60^o, 0^o). W przypadku dodatniego transportu (+30^o i +60^o) ciśnienie wzrasta wzdłuż bloku i osiąga maksimum na styku z elementem lewoskrętnym.

Rys. 3. Pole ciśnienia dla różnych kątów naprzemiennych (większa grubość tarcz) (prędkość ślimaka: 200 min^-1 i natężenie przepływu stałe), A (+30^o), B (+60^o), C (90^o), D(0^o), E (-30^o, F (-60^o).

Rys. 4. Pole ciśnienia dla różnych kątów naprzemiennych (mniejsza grubość tarcz) (prędkość ślimaka: 200 min^-1 i natężenie przepływu stałe, A(+30^o), B(90^o), C(-30^o).

Końcówki tarcz segmentów ugniatających tworzą pseudo-lot, co wyraźnie widać w rozkładzie ciśnienia oraz na wizualizacji elementów ślimaków. W konfiguracjach neutralnych (0^o i 90^o) pole ciśnienia jest równomierne wzdłuż bloku, a ciśnienie zmienia się zasadniczo wokół tarcz ugniatających, przy czym maksimum osiąga przed każdą końcówką. Wreszcie, dla ujemnego przesunięcia (-30^o i -60^o), uzyskujemy najwyższe wartości ciśnienia, z maksimum, które jest osiągane na wejściu bloku, na styku. Zachowanie dla dodatniej i ujemnej konfiguracji jest niesymetryczne, przy czym maksymalne wartości osiągane są w okolicach +30^o i -30^o. Dla tego samego kąta ciśnienie jest zawsze wyższe dla ujemnego transportu. Różne konfiguracje mają niewielki wpływ na wypełnioną długość cylindra. Możliwe jest manipulowanie kątem rozmieszczenia tarcz bloków ugniatających, aby dostroić, w stałych warunkach przetwarzania, energię właściwą dostarczaną do wytłaczanego materiału.

Wpływ grubości tarcz elementów ugniatających na rozkład ciśnienia.

Zmniejszenie grubości zmniejsza maksymalne ciśnienie dla kąta naprzemiennego +30^o, nie zmienia jego wartości dla 90^o i zwiększa ją dla -30^o. W związku z tym najkrótszą długość napełniania uzyskuje się dla konfiguracji +30^o.