场协同扭转螺杆热输运性能的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.018

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 109-115.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.018

场协同扭转螺杆热输运性能的研究

代瑞¹(), 潘威¹, 黄士争¹, 朱家威¹, 曾宪奎¹, 杨卫民², 鉴冉冉¹()

^1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061
^2.北京化工大学机电工程学院，北京 100029

收稿日期:2023-08-31 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
通讯作者: 鉴冉冉（1991—），男，副教授，主要从事高分子材料加工成型与先进制造技术，jianrr@foxmail.com
E-mail:dr195253@163.com;jianrr@foxmail.com
作者简介:代瑞(1999—)，男，硕士研究生，主要研究方向为高分子材料加工成型与先进制造研究，dr195253@163.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52206095);山东省自然科学基金资助项目(ZR2021QE232)

Study on thermal transport performance of field⁃coordinated torsion screw

DAI Rui¹(), PAN Wei¹, HUANG Shizheng¹, ZHU Jiawei¹, ZENG Xiankui¹, YANG Weimin², JIAN Ranran¹()

^1.College of Electromechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China
^2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2023-08-31 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28
Contact: JIAN Ranran E-mail:dr195253@163.com;jianrr@foxmail.com

摘要/Abstract

摘要：

应用Polyflow软件，采用数值模拟的方法对创新提出的场协同扭转螺杆在不同转速下的热输运特性进行了仿真分析，结合温度分布、对流换热系数、黏度、压力等参数对其热输运性能进行了系统研究，并与常规螺杆进行对比。结果表明，设置有扭转结构的场协同扭转螺杆温度均匀性得到改善，对流换热系数提高，强化了整个体系的传热效果，其中扭转元件串联排布的螺杆换热性能更优。并以三元乙丙橡胶（EPDM）为原料，采用扭转挤出技术结合机头径向温差、换热系数等参数对常规螺杆与场协同扭转螺杆的传热性能进行了实验研究。所得结果与仿真一致，证明了场协同扭转螺杆具有强化传热、改善塑化均匀性的特性。

关键词: 扭转元件排布, 换热性能, 对流换热系数, 塑化均匀性, 压力特性

Abstract:

The thermal transport characteristics of the innovatively proposed field⁃coordinated torsion screw at different rotational speeds were simulated and analyzed through numerical simulation using the Polyflow software， and their thermal transport performance was systematically investigated through combining parameters such as temperature distribution， convective heat transfer coefficient， viscosity， pressure， etc. and compared with conventional screws as well. The results indicated that the temperature uniformity of the field⁃coordinated torsion screw with a torsion structure was improved alone with an increase in the convective heat transfer coefficient. The heat transfer effect of the entire system was also strengthened， in which the screw B exhibited the optimal heat transfer performance. Taking EPDM as a raw material， an experimental investigation was performed for the heat transfer performance of the conventional screw and field⁃coordinated torsional screw using a torsional extrusion technology combined with the parameters such as radial temperature difference and heat transfer coefficient of the machine head. The obtained results were consistent with the simulation， proving that the field⁃coordinated torsion screw can strengthen heat transfer and improve plasticization uniformity.

Key words: torsion element layout, heat transfer performance, convective heat transfer coefficient, plasticization uniformity, pressure characteristics

中图分类号:

TQ320.66⁺3

代瑞, 潘威, 黄士争, 朱家威, 曾宪奎, 杨卫民, 鉴冉冉. 场协同扭转螺杆热输运性能的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 109-115.

DAI Rui, PAN Wei, HUANG Shizheng, ZHU Jiawei, ZENG Xiankui, YANG Weimin, JIAN Ranran. Study on thermal transport performance of field⁃coordinated torsion screw[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 109-115.

图/表 15

参考文献 17

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11	陈紫薇. 热管技术在挤出机机筒传热中的应用与性能研究［D］.大连：大连理工大学，2017.
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参数	数值/mm
螺杆长度（L₁）	414
螺杆外径（D）	30
螺杆内径（d）	20
机筒外径（d₁）	30.6
流域长度（L₂）	418
螺距（S）	30
导程（P）	60
扭转元件长度（L）	24
螺槽深度（h）	5
螺棱宽度（e）	3

参数	数值/mm
螺杆长度（L₁）	414
螺杆外径（D）	30
螺杆内径（d）	20
机筒外径（d₁）	30.6
流域长度（L₂）	418
螺距（S）	30
导程（P）	60
扭转元件长度（L）	24
螺槽深度（h）	5
螺棱宽度（e）	3

参数	单位	数值
密度（ρ）	kg/m³	1 150
自然时间（λ）	s	14
热导率（k）	W/m·K	0.25
基准温度（T_α）	K	373.15
无穷大剪切速率下的黏度（η_∞）	Pa·s	0
零剪切速率下的黏度（η₀）	Pa·s	175 000
温度系数（α）	K^-1	0.002 5
非牛顿指数（n）	-	0.408
定压比热容（C_p）	J/kg·K	1 600

参数	单位	数值
密度（ρ）	kg/m³	1 150
自然时间（λ）	s	14
热导率（k）	W/m·K	0.25
基准温度（T_α）	K	373.15
无穷大剪切速率下的黏度（η_∞）	Pa·s	0
零剪切速率下的黏度（η₀）	Pa·s	175 000
温度系数（α）	K^-1	0.002 5
非牛顿指数（n）	-	0.408
定压比热容（C_p）	J/kg·K	1 600

参数	单位	数值
密度（ρ）	kg/m³	8 030
热导率（λ）	W/m·K	16.27
定压比热容（C_p）	J/kg·K	502.4

场协同扭转螺杆热输运性能的研究

Study on thermal transport performance of field⁃coordinated torsion screw

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位置	流动边界条件	热边界条件
流动入口	Inflow 2.44×10^-6m³/s	373.15 K（100 ℃）
流动出口	Outflow	热出口
机筒内表面	静止，壁面无滑移	343.15 K（70 ℃）
螺杆外表面	螺杆转速20、30、40、50、60 r/min	绝热

材料名称	份数	材料名称	份数
三元乙丙橡胶	100	炭黑N660	40
氧化锌	6	轻质碳酸钙	40
防老剂RD	1	石蜡油	32
防老剂4010	1	硬脂酸	2
聚乙烯蜡	3	促进剂TETD	0.5
氧化钙	1.2	促进剂TMTD	0.5
普通白炭黑	8	促进剂CZ	1
炭黑N774	20	促进剂BZ	1