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1前言

    眾所周知，干燥是工業(yè)生產(chǎn)中能耗最大的重要單元操作之一，生產(chǎn)的發(fā)展對干燥操作提出了愈來愈高的要求。旋流閃急干燥作為一種新型的干燥技術(shù)自70年代初在丹麥問世以來，無論在理論方面還是在技術(shù)方面都得到了長足發(fā)展，實現(xiàn)了將粘性膏糊狀物料及濾餅物料一次干燥成粉粒的過程。目前，這一技術(shù)正逐步在化工、輕工、冶金、食品和制藥等行業(yè)中得到廣泛應用。

    國內(nèi)關(guān)于這項技術(shù)發(fā)展的報導尚少，天津大學化工機械教研室對此進行了深入的實驗研

究和理論分析，取得了顯著成績，并且該課題得到了天津市自然科學基金的資助。雙螺旋加料器是該實驗設(shè)備上的一個重要部件，非常適合輸送粘性膏糊狀物料，是旋流閃急干燥裝置上理想的定量加料器。當然可用于干燥操作的加料器種類還有許多，如：單螺旋加料器、帶式加料器和星形加料器等。但是，這些加料器對輸送粘性膏糊狀物料不大適用，甚至不能使用。

    加料對于干燥操作是非常重要的。作為干燥裝置的附屬部件，加料器是極為重要的機器之一。在生產(chǎn)中，加料器如果設(shè)計不當和使用不當，將會使操作產(chǎn)生故障。而且，即使性能很好的加料器，當被干燥物料的水分和性能發(fā)生變化時，有時亦無法發(fā)揮其作用和性能。干燥裝置的性能在很大程度上取決于加料器的優(yōu)劣，這種說法并不過分，因為這是干燥過程中不可缺少的操作。遺憾的是這個問題并沒有引起人們足夠的重視。

    因此，這里十分有必要對雙螺旋加料器的輸送機理和性能進行深入的實驗研究和理論探

討，尤其是在輸送粘性膏糊狀物料時，以使旋流閃急干燥裝置達到整體優(yōu)化。此外，研究雙螺旋輸送對其它行業(yè)也具有指導意義，因為它在其它行業(yè)中有著更為廣泛的應用，如：聚合物加工、水泥和食品等行業(yè)，這就對雙螺旋輸送提出了愈來愈高的要求。

2螺旋加料器的兩種輸送機理

2.1  正位移送機理

    雙螺旋加料器最顯著的特點是正位移輸送，所謂正位移輸送，其特點就是移動的外表面置換了系統(tǒng)中的部分流體。最典型的例子是注射機中的柱塞一機筒結(jié)構(gòu)，其中的熔體是靠往復運動的柱塞而被強制向前輸送的，即垂直于柱塞軸線的柱塞端面移動把熔體推向前進。齒輪泵也是靠正位移輸送介質(zhì)的。

    L．P．B．M. Janssen在分析了異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿中的四個間隙后，給出了完全基于正位移輸送機理之上的理論輸送量計算公式為[1]:

    Q1t = 2mnV               (l)

    式中：Q1t：——理論輸送量；    n——螺桿轉(zhuǎn)速；

    V——單個C形小室的體積；    m——螺紋頭數(shù)。

這很容易理解，因為螺桿每旋轉(zhuǎn)一周，它向外排出的體積就是2mV，相應的物料體積輸送率也應該就是這個值。這個式子是更為復雜模型的基礎(chǔ)。該式表明在一定的條件下，對完全嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿，其理論輸送量和螺桿的轉(zhuǎn)速成正比，變得和物料特性毫無關(guān)系。這是完全正位移輸送的顯著特點。

2.2摩擦和粘性拖曳輸送機理

 對單螺桿，不管它們在螺桿型式、機筒結(jié)構(gòu)以及整機結(jié)構(gòu)上有什么不同，從根本上講是一樣的，即物料的輸送是靠機筒和螺桿之間的摩擦力和粘性拖曳力輸送的（自然，在非螺紋區(qū)是靠壓力梯度梯度輸送的）。這很容易理：如果被加工的物料粘到螺桿上并在料筒表面打滑，就不會有物料輸出，因為物料隨著螺桿的回轉(zhuǎn)而回轉(zhuǎn)不會被向前推進。因此，為了獲得最大的輸送量，物料必須盡可能多地粘附到料筒壁面上。這種情況下，物料的回轉(zhuǎn)速度小于螺桿的回轉(zhuǎn)速度，致使物料被強制向前推進。

 基于摩擦和粘性拖曳輸送機理的單螺桿的理論輸送量為[2]：

    式中，Db——機筒內(nèi)徑（近似取螺桿外徑）；

    ψ——以螺桿外徑計算的螺紋升角；

    W——螺槽法向?qū)挾龋?/span>

    H——螺槽深度；

    L——螺桿有效長度；

    n——螺桿轉(zhuǎn)速；

    fb——物料與機筒之間的摩擦系數(shù)；

    fs——物料與螺桿之間的摩擦系數(shù)；

    P1——物料在料斗進口處之靜壓力；

    P2——物料在出口端之壓力。

如果不計及壓力的增長，則式(2)可簡化為： 

 這里需要指出的是，摩擦系數(shù)fb、 fs和我們通常所說的固體摩擦系數(shù)其含意是不同的。因為在處理具有粘性的物料時，在輸送過程中，有時是物料和機筒、螺桿之間的摩擦，這時完全靠摩擦輸送（固體顆粒物料的輸送就是這樣）；而有時物料又會粘在壁上，這時的輸送是靠物料和物料之間的粘性拖曳作用。這兩者的綜合作用就是所謂的摩擦和粘性拖曳輸送機理。要精確計算它們各占多大比例將十分困難，因為這是一個隨機的不穩(wěn)定過程，影響因素很多，如：物料性質(zhì)、螺桿和機筒表面的光潔度等。摩擦系數(shù)fb、fs，要在和買驗（或生產(chǎn)）相同的條件下進行測試。

3理論模型的建立

前面提到，非嚙合型雙螺桿好象是兩根平行的單螺桿在兩孔相交的機筒中轉(zhuǎn)動。這就提示我們，如果將單螺桿的理論輸出量乘以2是否可以得到雙螺桿的理論輸出量，當然問題并沒有這樣簡單。因為雙螺桿中的物料之間有一定程度的相互作用，機筒相交而并非相切，雙螺桿本身又分為多種類型以及其它一些幾何和物理因素的影響，不能這樣簡單地疊加。所以本文在這里引入一個修正系數(shù)B’來綜合修正上面諸多因素的影響，這樣就可得到完全按摩擦和粘性拖曳輸送機理計算的雙螺桿（這里指異向旋轉(zhuǎn)非嚙合型）的理論輸出量，其表達式為：

    Q_2t = 2B'Q'_2t    (4)

式中，0

嚴格地講，本文采用的是異向旋轉(zhuǎn)非嚙合型雙螺旋加料器，非嚙合型雙螺桿除具有正位移輸送能力外，還具有類似于單螺桿的靠摩擦和粘性拖曳輸送的能力，因為非嚙合型雙螺桿的兩根螺桿在某種程度上猶如兩根平行的單螺桿在兩孔部分相交的機筒中轉(zhuǎn)動。其特點是縱橫向皆為開放。它即具有正位移輸送能力，又具有摩擦和粘性拖曳輸送能力。所以我們只要把式(1)、(4)聯(lián)合起來，再引入系數(shù)A和C分別表示兩種輸送各占的比例，就可得到雙螺旋加料器的理論輸出量模型：

    Qt= AQ_1t，+CQ_2t                (5)

即：

其中，O

    B= CB’                (7)

這樣式(6)又可寫為：

式中，O

最后需要說明：以上所說的輸出量（即產(chǎn)量）都是指體積輸出量，體積輸出量乘以密度（即體積密度）才是質(zhì)量輸出量（或輸送率）。

4模型的參數(shù)確定

為了確定模型參數(shù)，我們采用螺距分別為20、30、40、50和60mm的各種螺桿，而其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。物料為大白粉、漢砂黃和白碳黑（分別代表高粘性、中粘性和低粘性物料），并測得在不同濕含量時和機筒、螺桿的摩擦系數(shù)，然后對大量實驗數(shù)據(jù)利用最小二乘法原理，采用復合形搜索法進行回歸擬合，得出模型參數(shù)的值為：

    A=0. 0154    B=0.128

這樣式(8)又可變?yōu)椋?/span>

式中：Q——產(chǎn)量，(kg/h)；    m——螺紋頭數(shù)，這里m=l;

    V——C形室體積，(mm3)；    fb，f．——摩擦系數(shù)；

    Y——物料堆密度，(kg/m3)；  n——螺桿轉(zhuǎn)速(rpm)。

    Db，W，H——意義同前，單位均為(mm)。

這樣，就得出了雙螺旋加料器輸送量和其結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式。由此也不難看出，影響雙螺旋加料器輸送量的因素，除了轉(zhuǎn)速的高低外，主要還有其結(jié)構(gòu)因素、物料性質(zhì)、螺桿和機筒的表面狀況、嚙合狀況以及其它的未知因素等。所以，為了設(shè)計出性能優(yōu)良的加料器，應對這些因素進行綜合考慮。

將實驗值和計算值進行比較發(fā)現(xiàn)，該模型的誤差在10％的范圍之內(nèi)。

參考文獻

[I]L.P．B．M．Janssen著，耿孝政譯：《雙螺桿擠出》，輕工業(yè)出版社,1987

[2]朱復華編著，《螺桿設(shè)計及其理論基礎(chǔ)》，輕工業(yè)出版社,1984.5

[3]張東利，“雙螺旋加料器性能及輸送機理研究”，天津大學碩士論文,1995.4

 

 

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