آن‌چه باید در مورد اندازه‌گیری دمای مذاب در رانشگرها (اکسترودرها)ی تک‌ماردان دانست
بسپار/ ایران پلیمر اندازه‌گیری دمای خروجی کار چندان ساده‌ای نیست، به ویژه هنگامی که از کاوند‌های گرمایی (thermocouples) قرار گرفته در خط انتقال، درست پیش از ریژه (die) استفاده می‌شود.
برای این‌که یک رانشگر تک‌ماردان سودآور باشد، باید با بیشینه آهنگ ممکن کار کند و در عین حال ماده را در فشار و دمای مشخصی تخلیه کند. اندازه‌گیری آهنگ تولید و فشار خروجی یک رانشگر در حال کار، آسان و بسیار ساده است. با این حال، اندازه‌گیری دمای برون‌داد به این سادگی نیست، به‌ویژه هنگام استفاده از کاوند‌های گرمایی که در خط انتقال، درست پیش ریژه قرار گرفته‌اند. این آرایش به‌طور گسترده در رانشگرهای تجاری استفاده می‌شود. دشواری اندازه‌گیری ناشی از رسانش گرمایی زیادی فلز اطراف و رسانش گرمایی کم بسپارهای مذاب است.
به‌عنوان مثال، یک کاوند گرمایی با عمق متغیر که در یک خط انتقال و روی لبه‌ی آن قرار گرفته است، در شکل ۱ نشان داده شده است. این کاوند گرمایی دمای محل اتصال را در نوک کاوند اندازه‌گیری می‌کند. دمای نوک کاوند به رسانش و همرفت گرمایی در ناحیه اطراف آن بستگی دارد. سطح کاوند معمولا از فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شود، در حالی که خط انتقال از فولاد کربنی ساخته شده است. رسانش گرمایی برای فولاد زنگ‌نزن ۱۷ و برای فولاد کربنی 52 وات بر متر درجه‌ی سلسیوس است. با این حال، پلاستیک مذابی که در خط انتقال جریان دارد، رسانش گرمایی حدود 25/0 وات بر متر درجه‌ی سلسیوس دارد.
شکل1. طرح‌واره یک کاوند گرمایی با عمق متغیر که در لبه یک خط انتقال قرار گرفته است.
بنابراین، رسانش گرمایی فلز اطراف بین ۷۰ تا ۲۰۰ برابر بیشتر از بسپار مذاب است. به‌دلیل این اختلاف زیاد در رسانش گرمایی، محل اتصال کاوند گرمایی به شدت تحت تاثیر دمای خط انتقال قرار می‌گیرد و به‌میزان کم‌تری از بسپار مذاب تاثیر می‌پذیرد.
این مشکل اندازه‌گیری در مجموعه‌ای از آزمایش‌ها به‌روشنی مشخص شد. این آزمایش‌ها با استفاده از یک رانشگر تک‌ماردان با قطر 25/1 اینچ (75/31 میلی‌متر) که به یک خط انتقال با قطر ۲۵ میلی‌متر متصل بود، انجام شدند. شرایط این رانشگر با آهنگ تولید 8/6 کیلوگرم بر ساعت برای LDPE در سرعت ماردان ۶۰ دور بر دقیقه ثابت نگه داشته شد. لوله خط انتقال در دمای ۱۸۳ یا ۲۲۰ درجه سلسیوس نگهداری شد.
تغییرات دمایی بسپار در حال جریان در خط انتقال، با استفاده از یک پل پلاستیکی ساخته شده از یک بسپار با مقاومت گرمایی زیاد اندازه‌گیری شد که در شکل نشان داده نشده است. این پل در پهنای جریان سیال قرار داده شد و به گونه‌ای طراحی شده بود که انتقال انرژی از طریق ابزار کاوند گرمایی را حذف کند. این پل در لبه میانی در شکل ۱ قرار گرفته بود. بنابراین، این پل شامل چندین کاوند گرمایی بود و دمای واقعی جریان را اندازه‌گیری می‌کرد و مشکل رسانش گرمایی را تقریبا از بین میبرد.
این پل برای استفاده در کاربردهای تجاری بسیار ضعیف بود. دمای لوله خط انتقال فولاد کربنی روی دمای ۱۸۳ درجه سلسیوس کنترل شد. تغییرات دمای شعاعی از پل، با خط تغییرات واقعی در شکل ۲ نشان داده شده است. در اینجا تغییرات دمایی به شکل سهمی‌گون است که کم‌ترین دما در دیواره، ۱۹۸ درجه سلسیوس و دمای مرکز لوله، ۲۳۳ درجه سلسیوس است. این تغییرات دمایی به این دلیل رخ داد که رانشگر ماده را در دمایی نزدیک به ۲۳۳ درجه سلسیوس تخلیه می‌کرد، درحالی که خط انتقال با دمای لوله ۱۸۳ درجه سلسیوس در حالت خنک‌کاری قرار داشت. سرعت جریان در جهت پایین‌‌دست نیز به شکل سهمی و در تقارن با محور لوله بود.
شکل2. تغییرات دمای واقعی و اندازه‌گیری شده با استفاده از کاوند گرمایی با عمق متغیر قرار گرفته در یک خط انتقال. دمای لوله خط انتقال در ۱۸۳ درجه سلسیوس کنترل شد.
سپس، یک کاوند گرمایی با عمق متغیر مطابق شکل 1 در خط انتقال قرار داده شد. همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده شده است، دمای محل اتصال برحسب عمق ورود کاوند اندازه‌گیری شد. دمای اندازه‌گیری‌شده با فرو رفتن عمیق‌تر کاوند در خط انتقال افزایش یافت. بیشینه دما در عمق ورود ۲۲ میلی‌متر و برابر با ۲۳۲ درجه سلسیوس بود. در کاربردهای تجاری، اندازه‌گیری‌های دمای مذاب با استفاده از کاوند‌هایی انجام می‌شوند که به صورت هم‌سطح با دیواره نصب می‌شوند. در این آزمایش، دمای نزدیک دیواره، ۱۹۸ درجه سلسیوس اندازه‌گیری شد. این اندازه‌گیری آشکارا نادرست است، زیرا توده‌ی ماده دمای نزدیک به ۲۳۳ درجه سلسیوس است.
افزون بر این، دمای واقعی که با ابزار پل در عمق ۲۲ میلی‌متری داخل جریان اندازه‌گیری شد، ۲۱۳ درجه سلسیوس بود. اگرچه، سطح زیادی از رسانش گرمایی از طریق سطح کاوند گرمایی با عمق متغیر، اندازه‌گیری نادرستی را در محل اتصال کاوند، برابر با ۲۳۲ درجه سلسیوس، ارائه می‌دهد. با این حال، در عمق ۲۲ میلی‌متری داخل جریان، رسانش گرمایی از طریق سطح، تخمین خوبی از دمای توده ارائه داد. اما فرو بردن یک کاوند گرمایی به میزان 90 درصد در سراسر جریان سیال، به ویژه برای لوله‌های با قطر بزرگتر، به لحاظ فنی غیرعملی است. نیروهای ناشی از جریان گرانرو می‌توانند به اندازه‌ای زیاد باشند که کاوند را خم کنند.
سپس دمای لوله خط انتقال افزایش یافت و در ۲۲۰ درجه سلسیوس کنترل شد. کارکرد رانشگر بدون تغییر باقی ماند و بنابراین برون‌داد رانشگر نیز باید مانند قبل باقی می‌ماند. تغییرات دمای حقیقی با استفاده از ابزار پل اندازه‌گیری شد و در شکل ۳ نشان داده شده است. دمای دیواره داخلی ۲۲۹ درجه سلسیوس بود و تغییرات دمای واقعی به شکل سهمی‌گون با بیشینه دمای ۲۳۴ درجه سلسیوس در مرکز بود. این تغییرات دمایی به‌طور قابل توجهی کم‌تر از تغییرات نشان داده شده در شکل ۲ با دمای لوله ۱۸۳ درجه سلسیوس است. آشکار است که تغییرات دمایی بسیار کوچک هستند. دمای لوله ۲۲۰ درجه سلسیوس، سطح بالایی از خنک‌کاری را که برای دمای لوله ۱۸۳ درجه سلسیوس مشاهده شد، ایجاد نکرد.
شکل3. تغییرات دمای واقعی و اندازه‌گیری‌شده با استفاده از کاوند گرمایی با عمق متغیر قرار گرفته در یک خط انتقال. دمای لوله خط انتقال در ۲۲۰ درجه سلسیوس تنظیم شد.
خط انتقال نباید به‌عنوان روشی برای کاهش دمای برون‌داد رانشگر استفاده شود.
اندازه‌گیری‌های کاوند گرمایی با عمق متغیر تقریبا خطی بودند و از ۲۲۹ درجه سلسیوس در دیواره تا بیشینه دمای ۲۳۵ درجه سلسیوس در عمق ۲۲ میلی‌متر افزایش یافتند. در یک خط انتقال تجاری با کاوند گرمایی هم‌سطح با دیواره، دمای گزارش شده ۲۲۹ درجه سلسیوس خواهد بود که به دمای عمق (۲۳۳ درجه سلسیوس) نزدیک است. یک کاوند گرمایی با عمق متغیر که ۴ میلی‌متر در جریان فرو برده شود، دمای ۲۳۰ درجه سلسیوس را گزارش خواهد کرد. در این حالت، کاوند رسانش گرمایی کم‌تری از لوله خط انتقال دریافت می‌کند و اندازه‌گیری بهتری از دمای جریان بسپار را ارائه می‌دهد.
(ادامه دارد …)
برگرداننده: مهندس پوریا نفعی porya.nafie.pn333@gmail.com
متن کامل این مقاله را در شماره 281 دوماهنامه پوشرنگ از گروه مجلات بسپار می خوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه و فیدیبو قابل دسترسی است.
