Plastik boru ekstrüder kalibrelerinde ısı transferinin iyileştirilmesi

Abstract

Plastik boru ekstrüderlerinde üretim esnasında kafa kısmından ortalama 190 °C sıcaklıkta çıkan polimer katılaşmak üzere girdiği kalibrede yeterince soğutulamamaktadır. Bu ise boru üretim hızının ve kalitesinin düşmesine neden olmaktadır. Kalibrede ısı, boru dış yüzeyindeki durguna yakın su hızları nedeniyle büyük ölçüde iletimle transfer olmaktadır. Isı transferinin iyileştirilebilmesi için taşınım ısı transfer miktarı artırılmalı ve soğutma suyu sıcaklığı düşürülmelidir. Yapılan hesaplamalar sonucu, taşınım ısı transfer miktarını, su hızı nı artırarak yükseltmenin, soğutma suyu sıcaklığını düşürmekten daha verimli ve ekonomik olduğu belirlenmiştir. Borulardan birim zamanda transfer olan ısı miktarını artırabilmek için dikdörtgen kesitli, helisel kanallı yeni bir kalibre modeli geliştirilmiştir. Dikdörtgen kesitin bir kenarı soğutulan borunun dış yüzeyi, diğer üç kenarı ise yeni kalibrenin iç yüzeyleridir. 'İç duvarı (boru dış yüzeyi) belirli sıcaklıkta ve sabit hızda hareket eden, diğer üç duvarı adyabatik ve hareketsiz, kare ve dikdörtgen kesitli helisel kanallarda türbülanslı akışta ısı transferi' konusu ile ilgili benzer bir çalışmanın daha önceden yapılmadığı, sadece tüm yüzeyi sabit sıcaklıkta ve hareketsiz dairesel, kare ve dikdörtgen kesitli helisel kanallarda laminar ve türbülanslı akışta ısı transferi ile ilgili deneysel ve teorik çalışmaların yapıldığı belirlenmiştir. Geliştirilen yeni kalibrenin prototipi ile 'Sabit yüzey sıcaklığındaki hareketsiz bakır borunun soğutulması' deneyi yapıldı. Deneyde bakır boru dış yüzeyi sıcaklıkları ile soğutma suyu giriş, çıkış sıcaklık, basınç ve debileri ile boru içerisinden geçen buhar yoğuşma suyu debileri ölçüldü. Ölçülen değerler yardımıyla buhardan bakır boruya ve bakır borudan suya geçen ısı miktarı ilgili bağıntılarla ayrı ayrı hesaplandı ve sonuçlar en fazla % 3 farkla bulundu. Deneydeki benzer sınır şartları kullanılarak, uygun model ve yöntemler seçildi ve bilgisayarda nümerik çözümler yapıldı. Nümerik çözümlerde ayrı ayrı nümerik çözüm metodu, örtülü ayrıklaştırma ve ikincil enterpolasyon yöntemleri, basınç ve hız dağılımlarının hesaplanmasında SIMPLE çözüm algoritması, basınç enterpolasyon yöntemi olarak PRESTO şaşırtmalı hesap noktaları yöntemi ve türbülanslı akışın çözümünde ise RNG k-? modeli kullanıldı. Nümerik çözüm, akış kesitinin duvara yakın bölgeleri sık, orta bölgeler ise daha büyük hücreli 50*50 adet ağlara bölünerek yapıldı. Deneysel çalışmalar ve nümerik hesaplamalar sonucunda ısı taşınım katsayıları (h) % 0 ile % 6, basınç düşüşleri ( ?P) % 0 ile % 6.9 farkla bulundu. Helisel kanallarda türbülanslı akışta ısı transferi üzerine çalışan araştırmacıların deneysel bulguları, benzer sınır şartlarında nümerik çözüldü ve sonuçlar birbiriyle karşılaştırıldı. Böylelikle nümerik çözümde kullanılan model ve yöntemlerin seçiminin oldukça uygun olduğu görüldü. Modellenen yeni kalibre teflon malzemeden imal edilerek üretimde kullanılmadan önce basınç ve debi testine tabi tutuldu. Böylelikle soğutma suyunun kalibreye atmosferik basınca yakın bir basınçta girebilmesi için hangi yükseklikten verileceği ve kalibrede değişik debilerde basınç düşüşleri tespit edildi. Belirlenen yükseklikten kalibreye su verilerek, yeni kalibre üretimde test edildi. Deneyde soğutma suyunun giriş, çıkış sıcaklık ve basınçları ile borunun kalibreye giriş hızı ve sıcaklığı ölçüldü. Deneydeki benzer sınır şartları ile bilgisayarda nümerik çözüm yapıldı, sonuçlar % 8-13 farkla bulundu. Nümerik çözümler yardımıyla kalibrede, boru dış yüzeyi (helis iç duvarı) Nu sayısını Vsu, Pr, R, b, dh, VBoru parametrelerinin fonksiyonu olarak ortalama % 1.3 hata ile hesaplayan yeni bir bağıntı geliştirildi. Kalibrede Nu-Re sayılarının değişimi v, Vsu, R, b, dh" VBoru parametrelerinin fonksiyonu olan yeni bir Re sayısı tanımlanarak tek bir eğri ile gösterildi. Soğutulan boru sonlu kalınlıkta çok büyük duvar ve ayrıca yan sonsuz duvar gibi kabul XVedilerek borudan suya transfer olan toplam ısı miktarları ilgili bağıntılarla ayrı ayrı hesaplandı ve sonuçlar % 1 farkla bulundu. Modellenen yeni kalibrenin üretimde kullanılmasıyla ısı transferinde büyük iyileşmeler sağlandı. Böylelikle mevcut üretim hızı artırılarak, ekstrüderin maksimum üretim kapasitesinde çalışması sağlandı. Kalibredeki vakum sırasında katılaşmakta olan boru kesitinin dairesel olması sağlanarak boru yüzey kalitesi artırıldı. İstenen boyutlara yakın değerlerde ve 'Chiller' soğutma sistemi kullanmadan üretim yapılarak, boru üretim toleransları ve maliyetleri düşürüldü.