Для прямоточных головок и головок с ситчатой корзиной обычно справедливы одни и те же правила конструирования. Единственным отличием является определе­ние потерь давления на ситовом фильтре. Для этой цели может применяться проце­дура расчета потерь давления в решетке.

В головках с дорнодержателем при расчете рассматривают четыре различных зоны (рис. 5.35) [130J:

• зона изменения направления течения, в которой расплав, выходящий из экстру­дера, поворачивается на 90° и, обтекая наконечник дорна, распределяется по кольцевому каналу;

• зона дорнодержателя, которая представляет собой деталь с каналами-окнами, образованными обтекаемыми спицами или отверстиями в перфорированной решетке, и которая является опорой для дорна;

• зона релаксации, в которой линии стыка, возникающие при обтекании спиц дорнодержателя, могут сглаживаться и «размываться» по периметру, а расплав равномерно распределяется но всему периметру кольцевой щели;

• формующая зона, где расплав формируется в заготовку с необходимыми фор­мой и размерами (диаметр и толщина стенок).

При конструировании зоны поворота важно иметь в виду, что длина наконечника дорна и номинальный диаметр головки должны быть одинакового порядка, и что увеличение площади поперечного сечения должно быть непрерывным но всему пути движения потока [130, 131]; это позволяет избежать возникновения застойных зон. При конструировании дорнодержателя важное значение имеют как реологические, так и механические факторы. Основная цель при конструировании этой зоны состо­ит в необходимости выполнить спицы дорнодержателя достаточно прочными на из­гиб и на срез и чтобы влияние спиц дорнодержателя на течение было минимальным. То есть в этой зоне влияние реологических и механических факторов тесно взаимо­связано. Механические аспекты конструирования дорнодержателя экструзионной головки более подробно рассматриваются в разделе 9.2.

Реологические принципы конструирования определяются типом используемого дорнодержателя. Примеры типичных конструкций дорнодержателя были приведены на рис. 5.37.

Правила, приведенные в главе 5.1.2, могут применяться для расчега течения в пер­форированной решетке дорнодержателя.

Расчет течения в зоне спиц дорнодержателя может осуществляться по тем же принципам, которые применялись для расчета течений в кольцевом зазоре или плос­кой щели. Однако при этом следует учитывать, что фактическая площадь поперечного сечения канала уменьшается за счет наличия спиц дорнодержателя. Наиболее удоб­ный метод расчета течения в зоне дорнодержателя заключается в нахождении скоррек­тированного объемного расхода путем умножении общего объемного расхода на по­правочный коэффициент К (формулы (5.82)—(5.84) и рис. 5.56).

а)

В

Ь)

Дорнодержатель со спицами

Дорнодержатель С опорным кольцом

Рис. 5.56. Геометрические конст­рукции дорнодержателя

Перепад давления в зоне спиц дорнодержателя определяется по формулам:

SHAPE * MERGEFORMAT

(5.82) (5.83)

bPs~f.y>Ri’Ra’ Л(У>], я(-Rl-Щ)

^R-R))-Ns B (Ra-R0 ’

(5.84)

(5.85)

В зоне опорного кольца дорнодержателя картина течения несколько более слож­ная. Внешний и внутренний кольцевые каналы должны рассматриваться как два па­раллельно соединенных гидравлических сопротивления. При этом заранее неизвест­но, как поток распределяется по этим двум каналам. Расчет распределения потоков возможен при использовании допущения, что перепады давления во внутреннем внешнем канале одинаковы:

Apj - Дpn.

Кроме того, справедливо и следующее допущение:

(5.86)

Комбинируя уравнения (5.83), (5.84) и (5.86) с уравнением (5.85), можно опре­делить локальные расходы с помощью итерационной процедуры.

Применяя метод характерных величин к процедуре расчета перепада давления через кольцевой зазор, получаем следующее соотношение:

ВД*,

Ар L

(5.87)

я(*2. - Л2) ** = я(Л2п - Я^Я?,

Здесь

' ,2 I-*24 1 +£2 +

(5.87.1)

= /г,

Я„

я/

1п&

С учетом условия

9*

(5.88)

9, II

(«2 - /ф/г2

получаем

(5.89)

V, = К д •------------ I 'общ aj + а]

Уравнение (5.89) можно решить только методом итераций, так как локальные объемные расходы определяются через коэффициенты а1 и ап, содержащие вязкость, зависящую от скорости сдвига Это позволит вычислить потери давления, напряжения сдвига на стенках, объем­ные расходы и характерные скорости сдвига в области опорного кольца. За счет этого можно оценить условия, реально существующие в экструзионных головках. При оп­ределении соотношений высот зазоров внутреннего и внешнего кольцевых каналов следует стремиться к равномерному распределению потока. Оптимальное располо­жение каналов опорного кольца, получаемого на основе высоты кольцевого зазора, можно рассчитать по формулам (5.85) или (5.87). Решение этой задачи дает следую­щее соотношение:

5 2 КП

Ra “ / *il + -

(RaU ~ *»„) •

(5.90)

9,1*11 V*,

Так как Ral и RjU связаны через высоту зазора опорного кольца и, кроме того, г]1, /С,, и Rl зависят от Яа1 и Rn, уравнение (5.90) также может быть решено только итераци­онным методом. Длина спиц дорнодержателя, при которой обеспечивается необходимая механи­ческая прочность, в соответствии с [130] составляют 0,5-0,Ют. Деформации расплава, возникающие в зоне дорнодержателя, могут значительно снижаться в расположенной за ней релаксационной зоне. В этой зоне непрерывного сжатия, то есть уменьшения поперечного сечения канала, возмущения потока, вызы­ваемые спицами дорнодержателя также ослабляются.

Поданным работы [85] типичные значения отношения площади поперечного се­чения канала непосредственно за дорнодержателем к площади выходного поперечно­го сечения экструзионной головки составляют от 5 до 7; при этом длина зоны релак­сации достигает 2,5Dm [130].

По конструктивным соображениям отношение максимального диаметра внешне­го отверстия Dd к его номинальному диаметру Dm можно принять равным 1,25 [85]; для головок с ситовой корзиной максимальное отношение диаметров Dd/Dm состав­ляет 1,4 [92].

В головках для экструзии с раздувом упругость расплава часто оказывает нега­тивное влияние, если отношение DJDm слишком велико. Так, после выхода из экстру­зионной головки экструдат проявляет значительное изменение размеров по всем на­правлениям в результате релаксации высокоэластичсских деформаций.

Максимальные значения отношения Dd/Dm зависяттакже от типа перерабатываемого полимера и его молекулярного веса (1 для ПЭВП, 0,8 — для высокомолекулярного ПЭВП). При конструировании геометрии капала всей экструзионной головки в целом важно обес­печить стабилы юстьтечения и отсутствие возмущений, связанных, например, с прекраще­нием I [рилипания расплава к стенкам канала. Соблюдение этого условия особенно важно для ПЭВП;для него скорость сдвига недолжна быть выше 30с~* [85].