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离心式挤出机固体输送段的传热过程研究 摘要 离心式挤出机是一种新型聚合物加工机械，其主要创新点为将离 心力场应用于挤出机的固体输送及增压。聚合物是一种在热状态下加 工的物料，经历着从室温固态、受热熔融和冷却固化的热历程，而物 料的熔融塑化快慢以及冷却的快慢会直接影响挤出生产率的高低以及 制品质量，也就是说，温度控制对聚合物加工生产是至关重要的，本 文主要是对离心式挤出机固体输送段进行传热的探索和研究。 离心式挤出机的加热冷却方式不同于普通螺杆挤出机，包括三种 基本传热方式，传热系统复杂。本文分析的理论基础是传统传热学， 主要分析了辐射加热和对流传热两部分。 具体来说，本文所做的主要工作有0 一、根据离心式挤出机固体输送段的加热冷却方式，建立离心式 挤出机固体输送段辐射传热和对流传热的数学模型，最终得到转鼓表 面温升的数学表达式； 二、根据离心式挤出机固体输送段的传热机理，设计出转鼓传热 简化实验装置，用以对离心式挤出机固体输送段传热机理理论分析结 北京化t 大学硕i ：学位论义 果进行验证。实验测试结果表明，实验数据与理论分析值吻合良好。 三、根据固体输送段传热数学模型计算得到的理论数据，用 a n s y s 软件对固体输送段分别进行了稳态分析及瞬态分析，得到了加 热过程转鼓和物料的温度分布。数值分析表明，现有加热方式能够满 足实际生产要求。 离心式挤出机高速转鼓传热方式的设计研究以及分析为该机系列 化和工业推广提供了理论依据。 关键词：离心式挤出机，加热与冷却，辐射加热，对流换热 i l a b s t r a c t s t u d y o nh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fs o l i dc o n v e y i n gp a r t o fc e n t r i f u g a le x t r u d e r a b s t r a c t c e n t r i f u g a le x t r u d e ri san e wt y p eo fp o l y m e rp r o c e s s i n gm a c h i n e ， u s e dc e n t r i f u g a lf o r c ef i e l di np o l y m e r p r o c e s s i n g p o l y m e ri sp r o c e s s e di n t h es t a t eo fh o t ，e x p e r i e n c i n gt h es o l i d s t a t ei nr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e m e l t i n gb yh e a ta n dc o o l i n gt os o l i d w h i l et h es p e e do fm e l t i n ga n d c o o l i n gw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h el e v e lo fp r o d u c t i v i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y , t h a ti s ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lo fp o l y m e rp r o d u c t i o ni se s s e n t i a l t h ea r t i c l e m a i n l ye x p l o r e sa n dr e s e a r c h e st h e h e a tt r a n s f e r a n a l y s i s o fs o l i d c o n v e y i n gp a r to fc e n t r i f u g a le x t r u d e r t h ew a yo fh e a t i n ga n dc o o l i n go f c e n t r i f u g a le x t r u d e ri sd i f f e r e n t f r o mo r d i n a r ys c r e we x t r u d e r s i t sh e a tt r a n s f e rs y s t e mi sc o m p l e x i t y , a n d i n c l u d i n gt h r e eb a s i cm e t h o d so fh e a tt r a n s f e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt r a d i t i o n a lh e a tt r a n s f e rs t u d y , a n dm a i n l ya n a l y z e st h e p a r t so fr a d i a t i o nh e a t i n ga n dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r s p e c i f i c a l l y , t h i sa r t i c l eh a sd o n et h em a i nj o b ： f i r s t ，w ee s t a b l i s ht h eh e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e lo fr a d i a t i o n a n dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro fs o l i dc o n v e y i n gp a r tu n d e rt h em e a n so f h e a t i n ga n dc o o l i n g ，a n dg e tt h ef i n a l l yf o m u l a eo fw a r m i n g u po fd r u m e x t e r i o r s e c o n d ，a c c o r d i n gt oc e n t r i f u g a l e x t r u d e rs e c t i o no fs o l i dh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s m ，s i m p l i f yh e a tt r a n s f e rd r u mi sd e s i g n e dt ot e s tt h e l 北京化t 大学硕。 ：学位论文 c e n t r i f u g a lh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e e x p e r i m e n t a ld a t aa g r e e sw i t hn u m e r i c a la n a l y s i sv a l u ew e l l t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ld a t ac a l c u l a t e di ns o l i dc o n v e y i n g h e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e l w er e s p e c t i v e l y a n a l y z et h e h e a t t r a n s f e rb ys t e a d y s t a t ea n a l y s i sa n dt r a n s i e n ta n a l y s i s ，a n dt h e nw e g e tt h e d i s t r i b u t i o no fh e a t e dm a t e r i a l sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f h e a t e dm a t e r i a l sa s w e l la sd r u m n u m e r i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ee x i s t i n gh e a t i n gm e t h o d c a nm e e tt h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s t h e d e s i g n a n da n a l y s i sf o r h i g h s p e e dc e n t r i f u g a l d r u mo f c e n t r i f u g a le x t r u d e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i st ot h i sm a c h i n ei n d u s t r i a l p r o m o t i o n k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a le x t r u d e r , h e a t i n ga n dc o o l i n g ，r a d i a t i o n c o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r i l 符号说明 么 g 哎 氏 圪 f 彳 l 叫 瓦 五 吒和k 。 h 乙 五 圪 q 刀 g 矿 g 膏 4 a g 七 彩 互 仃 符号说明 换热表面积，m 7 单位时问单位体积物料内部的摩擦自生热，形 固相热扩散系数，m 2 s 固相比热容，慨k ) 微元的体积，m 3 滑移面上的摩擦剪应力， 滑移面上的摩擦面积，m ? 相对滑移速度，m s 固体塞温度，o c 熔融潜热，j k g 物料固相和液相的导热率，w ( m ：k ) 固体床的高度，m 塑料熔点，o c 螺杆温度，o c 固相在y 方向的速度，m s 热量， 螺杆转速， r m i n 传热量，形 作功， 热流密度，助切2 导热系数，黝押口 为对流换热面积，m ? 对流换热系数，晰历乏的 热流率，形 辐射率 转速，r a d s - 1 辐射面2 的绝对温度，k 斯蒂芬一波尔兹曼常数，约为5 6 7 x1 0 - 8 北京化t 人学颁 j 学位论文 a i e 2 正 q 口 t z q t l _ t 2 k 万 p s m 2 k 4 辐射面l 的面积，m ? 为由辐射面1 到辐射面2 的形状系数 为辐射面1 的绝对温度，k 传热量，形 传热膜系数，w m 2 , k 固体表面温度，k 流体温度，k 传热量， 两板面温度差，k 材料的导热系数，w ( r a 2 k ) 为传热厚度，m 固相密度，瞎加3 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：玉扯日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 玉鹫 日期： 望1 2 ，墨2 z 导师签名：二 吐曼血l日期：。崩辱上4 1 1 前言 第一章绪论 在资源、能源告急的今天，聚合物新型材料不断涌现，在一些场合逐步代替 了钢铁等材料，并且扩展到工业、生活等各个领域。聚合物广泛用于航空、航天、 汽车、船舶、轻工、建筑、电子、仪表等行业，据预测，我国聚合物制品产量到 2 0 1 0 年将以年均7 5 的速度递增，届时其产量将达到近4 5 0 0 万吨。伴随着聚合 物化学工业应运而生的聚合物加工机械行业，已显示出强大的生命力。实现高分 子合成材料成型加工的各类塑料机械，如挤出机、注塑机、中空成型机、热成型 机、泡沫机等，名目繁多，应用各异。其中，挤出机在聚合物成型加工机械中占 有及其重要的地位。2 0 0 4 年我国挤出机机组产量1 1 3 2 5 台，产值2 9 4 2 亿元，占 总行业产值的3 0 1 7 n 3 。与此同时，随着经济和科学技术的高速发展，对聚合物 挤出成型设备提出了更高的技术要求，如节能、低耗、高产等，因此对研制新型 节能的聚合物挤出成型设备已成为目前聚合物加工领域研究的热点。从成型设备 来看，国产主机基本上以锥形双螺杆挤出机和单螺杆挤出机为主，技术较成熟， 市场销量最大，但是，现在广泛应用的单螺杆挤出机存在能耗高、效率低的缺点， 因此，北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所吴大鸣教授提出设计了一种新型 挤出机离心式挤出机。经过一段时间的研究，离心式挤出机的设计工作已经 完成，开始做样机，进入生产试验阶段。 1 2 挤出成型设备的发展现状和趋势 1 2 1 挤出成型设备的发展现状 从1 7 9 7 年j b r a n d 开始用挤出工艺生产铅管算起，挤出工业已经有2 0 0 年 的历史嘲。第一台单螺杆挤出机是由美国的w i l l i a mk i d 和j o h np r i o r 于1 8 7 6 年 研制成功的。2 0 世纪3 0 年代，热塑性塑料迅速发展，开始了工业化生产，p v c 、 p e 和p s 开始采用挤出法来加工，这促使挤出机水平得到了很大的提高。进入5 0 北京化工大学硕卜学位论文 年代，通用塑料如p e 、p v c 、p p 、p s 的产量，几乎以每五年翻一番的速度增长， 塑料工业进入了它的黄金时代。各种塑料制品日新月异，深入到国民经济的各个 部门，取代了部分木材、钢铁、硅酸盐等传统材料。掘有关资料统计，有6 0 以 上的塑料制品是经过挤出法加工而成的。 改革刀二放2 0 年来随着经济和科学技术以及计算机技术的高速发展，我国塑料 工业已初步形成了部类齐全的工业体系，产量也已跻身世界前列。据有关资料介 绍，我国1 9 9 9 年塑料原料的产量为7 6 0 万吨，仅次于美、日、德、韩，居世界第 五位；而塑料制品的产量己超过l5 0 0 万吨，仅次于美国，跃居世界第二位 。 塑料机械行业是为塑料工业提供技术装备的行业，强劲的市场需求促进了塑料机 械工业的发展。以2 0 0 0 年为例，我国塑料机械工业总产值为8 5 2 8 亿元，进口设 备耗费外汇1 3 - 1 5 亿美元，超过国内塑机总产值。生产挤出机组7 7 8 4 台，同向平 行双螺杆挤出机8 4 4 台、异向平行及锥形双螺杆挤出机1 2 5 5 台，进口挤出机组 1 8 1 7 台，耗资1 1 6 亿美元，出口1 6 2 5 台，创汇o 1 5 亿美元，产品的总体技术 水平相当于先进国家8 0 年代水平，其中不乏一批具备9 0 年代乃至当今国际领先 水平的产品。 作为塑机的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额约占塑料机械的 2 0 一2 5 ，其生产厂家分布于机械、轻工、化工、石化、建材、军工等行业，在地 域上多集中在塑料加工业发达地区，如江浙、辽宁、山东、广东等东南沿海地区。 全国1 2 4 家主要塑机企业工业总产值为3 8 7 亿，东南沿海地区占了7 0 以上；全 国每年能够生产3 0 0 台( 套) 以上挤出机机组的厂家仅有3 4 家，大部分企业只能 生产低档次的老产品，难以达到经济规模，尤其在控制水平、效率、精度可靠性 和成套性等方面与发达国家相比差距较大。由于专业水平和产品技术含量低，决 定了产品的附加值低，从而使企业的整体效益不高，在国际竞争中处于劣势。 ( 1 ) 常规单螺杆挤出机 在常规单螺杆挤出机组的性能方面，我国已能生产螺杆直径为1 2 1 2 5 0 m m 各种规格、门类齐全的挤出机组，长径比大多在2 5 - - 3 0 范围内口1 。一些新型的混 炼元件如分离型、屏障型、变流道型、分流型以及流束位置变换型等混炼元件得 到了较为广泛的应用；螺杆最高转速变化范围：直径1 5 0 - 2 0 0 的大型挤出机加 工烯烃类物料时为5 0 7 5 r m i n ，加工p v c 等热敏性物料时为5 - - 一4 2 r m i n ；直径 3 0 以下的小型机器加工烯烃类物料时为1 6 0 2 0 0 r m i n ，加工p v c 等热敏性物 料时为1 8 - - 1 2 0 r m i n 。而国外单螺杆挤出机螺杆直径最小为6 m m ，最大为 7 0 0 m m ，最大长径比达6 0 。日本池贝公司0 3 0 单螺杆挤出机最高螺杆转速为3 0 0 0 r m i n ，挤出量为3 0 0 k g h ，远远高于我国同规格机器实际产量( 1 4 k g h ) 的 水平。 2 第一荦绪论 由于常规单螺杆挤出机与其它挤出机相比，具有结构简单、坚固耐用、维修 方便、价格低廉、操作容易等特点，在我国相当长时间内仍有很大市场，因此如 何使常规单螺杆挤出机优质、高效、多功能化，仍然是我国塑机研究工作者的艰 巨任务。 ( 2 ) 特种挤出机叫“ 在特种挤出机的研究领域，经我国广大科技工作者努力，在一些主要的机种 如丰| 气挤出机、串联式磨盘螺杆挤出机、往复式销钉螺杆挤出机、发泡挤出机、 带熔体齿轮泵的挤出机、串联式多阶挤出机、行星螺杆挤出机等在国内均有厂家 生产，具备独立研发的能力，并享有自主知识产权，目前已进入系列化开发研制 阶段。华南理工大学发明并研制成功的塑料电磁动态塑化挤出机以及系列产品 ( 见图卜1 ) ，己投入批量生产；还有北京化工大学研制成功的特种挤出机即熔体 齿轮泵挤出机和c p c , 7 5 p 1 3 5 串联式磨盘挤出机如图卜2 1 - 3 所示。 图l _ 2 熔体齿轮泵挤出机 f i g 1 2 m d t g 叫w h 酬l m m pe x l r u d e r 北京化t 人学域i 学位论史 图卜3c p j 1 p 7 5 c p l 3 5 串联式磨盘螺杆挤出机 r l g i - 3 c p j m 7 5 仲l3 5d i s k se x t r u d e r 综上可以看出，经过十几年的努力，我国在特种挤出成型技术与装备的研究 水平和开发能力方面与国际先进水平的差距在缩小，在某些领域还有所突破。但 是如何将样机转化为定型产品，进而实现系列化生产，尚需一段时问。 除了上述介绍的常规单螺杆挤出机和特种挤山机外，我国在双螺杆挤出机的 生产和开发也得到了一定的发展。但是与发达国家相比，我国在双螺杆挤出机的 设计制造及应用方面存在很大的差距。国内双螺杆挤出机开发及研究工作起步较 晚，因此产品档次较低，系列化程度低，多数产品的技术水平，螺杆、机筒的精 度，整机性能和质量与目前发达国家的发展水平有一定差距。目前，我国生产的 异向旋转双螺杆挤出机多为锥形双螺杆挤出机，平行异向双螺杆挤出机很少，并 且多为中、小型机，国内所需的大型异向双螺杆挤出机几乎全部依赖进口。在双 螺杆挤出机的设计、计算以及制造技术方面仍有不少难点需要克服，这些都制约 了我国双螺杆挤出技术与装备的发展“。 从总体上看我国的挤出成型机械在第三世界国家处于前列，但与发达国家相 比还有5 1 0 年的差距。主要表现在一下几个方面； 生产速率、效益、节能方面的指标仍远低于国外先进厂家，大多国产的二、 三台设备的产量才抵得上同规格国外一台先进设备； 控制水平未能跟上时代的步伐，表现在控制精度和制品重复精度都与r e # l 先进水平有较大的差距； 企业自身装备水平与国外企业相差明显，产品精度低，竞争力弱； 研究和开发的资金投入低，制约自主技术开发能力的提升，据统计，我国 塑料机械行业平均开发投入不到销售额的0 3 ，不足国际同行的1 1 0 。 第一章绪论 1 2 2 挤出成型设备的发展趋势 总体来说，挤出成型设备正朝着高速化、高效化、大型化和精密化、模块化 和专业化、智能化和网络化的方向发展1 1 2 2 1 高速化 高速化的目的就是在保证塑化质量和成型质量的前提下，不断提高单机的产 量。它代表着塑料成型设备发展的重要方向，也是衡量塑料成型设备技术水平的 最重要的指标。 塑化能力和成型技术水平都会制约单机产量的提高，表1 1 给出了单螺杆挤 出机高速化进程h 1 。 表1 1 不同年代单螺杆挤出机单机产量 ! 璺垒! ! ! 二! 垒垒翌12 1 墅型曼兰竺旦! 坠坠璺竺垫璺堡鱼! 翌! 逆璺望 年代螺杆直径( r a m )加工材料单机产量( k g l h ) 1 9 9 5 年r e i f e n h a u s e r 公司和k r a u s sm a f f e i 公司生产的螺杆直径为1 2 5 m m ( f 径比为3 0 ) 的单螺杆挤出机，用于生产高密度聚乙烯，产量可达9 5 0 k g h ；而n o k i a m a i l e f e r 公司生产的螺杆直径为1 5 0 m m ( 长径比3 0 ) 的单螺杆挤出机，用于生产 p v c 电缆的产量可以达到1 3 0 0 k g h 。 另据资料，国外单螺杆挤出机的螺杆直径从6 - - - 6 0 0 m m ，最大长径比为6 0 ；日 本池贝公司的d 3 0 单螺杆挤出机的转速高到3 0 0 0 r m i n ，产量可达3 0 0 k g h 。锥形 双螺杆挤出机用于生产p v c 管材，单机产量可到1 1 0 0 - 1 5 0 0 k g h ；平行双螺杆挤 出机螺杆直径已超过3 0 0 m m ，长径比高到1 0 0 ，螺杆最高转速达到1 5 0 0 r m i n ， w p 公司的z s k l 3 3 系列机的产量高到7 0 0 0 - - 11 0 0 0 k g hu 副。 挤出机高速、高产固然可使投资者以较低的投入获得较大的产出和高额的回 报，但从技术角度看，随着挤出机螺杆转速高速化也带来了一系列需要克服的难 点：如物料在螺杆内停留时间的减少导致物料混炼塑化不均；物料经受过度剪切 造成物料急骤升温和热分解；挤出稳定性控制困难造成挤出物几何尺寸波动，相 关的辅助装置和控制系统的精度必须提高；螺杆与机筒的磨损加剧，需要采用高 耐磨及超高耐磨材质；减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等一系 列问题。 5 北京化t 人学硕1 ：学位论文 1 2 2 2 高效化 挤出机的高效性能主要体现在高产出、低能耗、低制造成本等方面。2 0 0 1 年 1 0 月在德国举办的“1 5 讣i n t e r n a t i o n a lt r a d ef a i rp l a s t i c s & r u b b e r ”上展出的 z x k 系列同向平行双螺杆挤出机单耗( 即名义比功率) 均小于o 1k r r 侃k g ，而 国内为o 1 5 o 1 6 k w h k g ；在功能方面，螺杆挤出机已不仅仅用于高分子材料 的挤出成型和混炼加工，它的用途已拓宽到食品、饲料、电碳、电极、火炸药、 建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。此外，将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的 “一步法挤出工艺”也值得引起重视。一步法挤出成型工艺在缩短工艺流程，节 省能耗，减少设备投资和占地面积，减少操作人员等方面比传统的两步法工艺具 有明显地优势。 1 2 2 3 大型化和精密化 在挤出成型装备中，一般中、小型的通用机器我国均能生产。2 0 0 0 年我国挤 出机的产量已达有7 7 8 4 台，其中同向平双行双锥8 4 4 台，异向平双行双锥1 2 5 5 台，在进口的1 8 1 7 台挤出成型机中绝大部分是大型的、精密的机器。因为实现挤 出成型设备的大型化可以降低生产成本，这在大型双螺杆造粒机组、吹膜机组、 管材挤出机组等方面优势更为明显。重点发展为国家重点建设服务的重大技术装 备，大型乙烯工程配套的三大关键设备之一大型挤压造粒机组长期依靠进口， 因此必须加快国产化进程，满足石化工业发展需要。而精密化可以提高产品的含 金量，如多层共挤复合薄膜等均需要精密挤出，而作为实现精密挤出的重要手段 熔体齿轮泵必须加大力度进行开发研究。 1 2 2 4 模块化和专业化 实行挤出成型装备生产的“模块化 、“专业化 已是大势所趋。“模块化”生 产可以适应不同用户的特殊要求，缩短新产品的研发周期，争取更大的市场份额； 而“专业化 生产可以将挤出成型装备的各个系统模块部件安排定点生产甚至进 行全球采购，这对保证整机质量、降低成本、加速资金周转是有利的。在我国， 挤出机的螺杆、机筒、减速器、加热冷却系统、润滑系统、上加料系统、控制系 统均有定点工厂专业生产，这无疑是正确的。 1 2 2 5 智能化和网络化 发达国家的挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术，操作台设有荧光 屏监测，对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度，各段机身温度，主螺杆 和喂料螺杆转速、喂料量，各种原料的配比，电机的电流电压等参数进行在线检 测，并采用微机闭环控制。有的公司已采用网上远程演播监测、诊断和控制，对 挤出成型生产线进行网络控制。这对保证工艺条件的稳定，提高产品的精度是极 为有利的。 6 第一章绪论 1 3 传统挤出机传热机理的研究成果 塑料是一种在热状态下加工的物料，经历着从室温固态、受热熔融和冷却固化 的热历程，而物料的熔融塑化快慢以及冷却的快慢会直接影响挤出生产率的高低以 及制品质量，由于物料的物理性质的多变性及物料传送过程的复杂性，使得挤出机 的传热机理非常复杂。为了建立精确的挤出物理模型，朱复华教授采用可视化技术， 即根据不同材料在使用全程视窗挤出机进行动态试验的同时，还使用剖分机筒挤出 机进行静态分析。根据试验结果和分析，将螺杆不通冷却水的挤出过程归纳为三段 七区挤出物理模型心1 ，下面我们从这三段七区来分别建立物理模型，以便阐述挤出 机的传热机理。 图1 _ 4 三段七区挤出物理模型 f i g 1 4t h r e ep a r t sa n ds c n v c ns e c t i o ne x t r u s i o nm o d e l c _ 熔池产生点d 一圃相破碎点e 碎块消失点b i 一| ：熔腱，l 产生意一r 下熔胰乞产生点 由图1 - 4 可以看出，整个模型分为三大段，其具体结构如图卜5 ；下面分别按各 区段来建立物理模型和数学模型。 一、非塞流固体输送理论 ( 一) 基本假设 ( 1 ) 固体输送过程是稳定的，假设螺杆静止而机筒反方向旋转，略去螺杆的 曲率影响； ( 2 ) 略去物料的重力、惯性力和内部弹性形变能力； ( 3 ) 螺槽中的物料被认为是理想散粒体，颗粒之间存在着空隙，存在着相对 滑动和力的作用； 7 北京化t 大学硕。i ：学位论文 i 烙体输送区，l 一烙体输送区一l 1 - j 1 _ j 图1 - 5 三段七i 爻：物理模型 f i g 1 5t h r e ep a r t sa n d8 e n v e ns e c t i o ne x t r u s i o nm o d e l ( 4 ) 物料颗粒只能抵抗挤压应力而不能抵抗拉伸应力； ( 5 ) 螺槽中的物料按所划分的单元为单位，沿螺槽z 方向滑动，忽略物料颗粒 的旋转、沿螺槽横向x ，及沿螺槽深度方向y 方向运动； ( 6 ) 在进行应力分析时，认为物料颗粒之间的挤压是完全弹性的。 ( 二) 固相温度控制方程 考虑物料内部产生的磨擦热，忽略x 、y 方向的热对流，便可获得具有内热源的 二维稳定热传导控制方程，如下所示： 鲁= 文窘+ 豺丢 。) 式中： g 单位时间单位体积物料内部的摩擦自生热，耽 口。固相热扩散系数，m 2 s ； 岛固相比热容，慨k ) ； 物料内部产生的热流速度) 可以近似地取螺槽横截面上的平均热流速率， 即： 式中： 礼，2 专洳i m 2 ， 第一章绪论 圪微元的体积，m 3 ； f 滑移面上的摩擦剪应力， a 滑移面上的摩擦面积，m 2 ； i 叫相对滑移速度，m s 。 结合( 1 - 1 ) 和( 1 - 2 ) ，采用迭代法很容易求出物料的三维温度分布。 二、塞流固体输送理论 ( 一) 固体摩擦产生的热量 由于总能量消耗的主要部分都通过摩擦转变成热能，因此前面计算能量消耗的 公式又可用来计算磨擦热产生的速率。例如：从机筒与固体塞摩擦时所消耗的能量 ，便可以计算机筒的单位面积上的热产生速率吼： 吼2 蕞2 碱咖而s i n # b ( 1 _ 3 ) ( 二) 固体塞升温计算 计算固体塞表面沿螺槽方向的温度升高的规律乙= r ( z ) ，以及计算任一位置 固体塞温度沿槽深y 方向变化规律乙= r ( y ) 是按下列思路进行的。 螺槽中的传热过程是一个不稳定状态的传热问题，其基本微分方程式是： 鲁= ( 争+ 等+ 争) c 4 ， 考虑到大部分热量来自y 方向，因此略去x 方向和z 方向的传热，式( 卜4 ) 简 化为一维的传热微分方程。 鲁= 争 5 ， 式中： 疋固体塞温度，。c ； 口固相换热系数，m 2 s ； 三、上熔膜区传热理论 ( 一) 固液相分界面的热量平衡 熔膜及固相都有y 方向温度分布，从液相流入固液相分界面的热量与从分界面 流入固相的热量之差应等于固相熔融所需的热量，即： 9 北京化t 大学硕 j 学位论文 k ( 乳一屯训 6 ) 式中： 力熔融潜热，j k g ； k 和k 。物料固相和液相的导热率，时历i 矽； 。和一在分界面删撇榔固椭温度概 ( 二) 固体床温度分布 固体床温度分布可采用固体塞的计算方法，只是固体床的上边界条件不同，此 时固体床不是与机筒接触，而是与熔膜接触。故其边界条件分别为： y 2 h 时，t 2 乙 y = o 时，t = 正 式中 h - 固体床高度，彤； 乙塑料熔点，。c ； 疋螺杆温度，oc 。 四、t a d m o r 熔融理论熔池区传热理论 ( 一) 基本假设 ( 1 )挤出过程是稳定的，即在挤出过程中，螺槽内的固相 与液相的分界面保持不变。固相以稳定不变的速度在分界面熔融； ( 2 )整个固相为均质的连续体； ( 3 )塑料的熔融温度比较狭窄，因此固液相之间的界面比 较明显； ( 4 ) 螺槽与固相的分界面都为矩形； ( 5 )从机筒传来的热量以及熔膜中因剪切产生的热量通过 固液分界面传给固相，塑料和螺杆壁、固相和熔池之间都没有热交换； ( 6 ) 塑料熔体为牛顿型流体。 ( 二) 固液相分界面上的热量平衡 根据前面的假设，既然固相只是在y 方向熔融，而在x 方向没有熔融，因此，热 量也只有y 方向的流动，而没有x 方向流动。由此，单位时间内在单位面积上经熔膜 流入分界面之间的热量，减去单位时间内在单位面积上流出分界面进入固相的热量， 应等于单位时间内在分界面单位面积上塑料熔融消耗的热量。即： 1 0 第一章绪论 k k 似y y ；、j t s , y = o = 啊 ( 1 7 ) 式中： ( 巩；。和，：。一删为液榔固相在分界删雌麟度； 吒和k 。分别为液相和固相的导热率，w ( m 。矽； 固相在y 方向的速度，m s ； a 塑料的熔融潜热，即溶化单位质量的塑料所需的 热量，j k g 。 f i g 卜6s o l i dt i n yp a r t sh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s ( 三) 固相温度分布 我们取固相中一小块以d ，吱来进行分析( 图卜6 ) 。从图中我们可以看出，微 块的下面温度为夏y ) ，而上面的温度为夏y 州热量由上面向下面传递。因此可写出 如下的热量平衡方程式，即在4 时间内由上面传入的热量，减去吐时间内由下面传 出的热量，应等于此微块在传热过程中温度增加露所需之热量。即： 颤帆配y 蚴碱批d 丁 ( 1 - 8 ) 式中 q 固相比热容，j ( k g k ) ； 肛固相密度，堙朋3 。 ( 四) 熔膜的温度分布 北京化t 人学硕： ：学位论文 熔膜的温度分布与固相中的温度分布不同，其主要差别在于不仅有热量自上 而下沿y 方向传入微块，而且由于熔体流动还存在着速度差。其温度分布可以从j 方向熔体的能量方程求解： 腭陪+ _ 争_ 万d t + 鸶) = 0 2 的情形。 由于口- - - k n u z ，所以对流传热热流量为： g = 等斗3 + 胼 1 + ( 淼) 绑 协2 3 ) 其中： g 传热量，职。 乃固体表面温度，2 0 0 k ； 弓流体温度，2 0 k ； 彳换热面积，0 0 6 6 m 2 。 p ，普朗特数，查表得0 6 7 7 ； k 空气热传导系数，2 5 9x1 0 。2w ( m 。c ) ； 第二章离心式挤出机固体输送段的传热机理 其中： 于是有： r ：丝雷诺数； v z 广空气速度，即转鼓转动线速度，为1 2 3 7 5 “2 4 7 ，5 m s ； d 转鼓直径，为0 1 6 5 m ； 1 一空气的运动粘度，为4 0 6 x 1 0 - 6m 2 厶： 2 j：_：；：二(乏手二二翮a1 5 6 7 ( 击) 4 一( 焉) 4 一二笋cn缈一矽)。3+胼+2翥o纠85 a t = 业 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) r 转鼓的温升，o c 。 万转鼓的壁厚，聊； 彳转鼓的传热面积，m 25 综上所述，我们得出转鼓在辐射加热情况下受干燥空气强制对流辐射的 温升的数学表达式： 3 5 北京化丁大学硕 ：学位论文 1 万 a = 2 , 4：_：_：ij一567(急)4一(志)4 一a ，k ( t w - 7 f 卜豁- - 1 2 1 + ( u dj i 了j 2 8 2 0 0 0 ( 2 2 6 ) 由上式可知，当加热板形状和与转鼓的相埘位置确定后，辐射功率是一 定的，也就是辐射加热产生的温升是一定的，温升的大小最终决定因素是转 鼓的转速，根据假设转鼓转速也就是空气强制对流时的流速u ，其中当转速为 0 时，是转鼓预热时期温升，它只受辐射和自然对流的影响。 2 4 离心式挤出机转鼓的温升 首先假定 1 )操作参数 离心式挤出机工作转速 1 5 0 0 - , 3 0 0 0r p m 。 2 )陶瓷红外加热板与转鼓的物理属性 加热板长度，0 0 6 m ； 转鼓的半剖面长度，o 1 1m ； 加热板面与转鼓表面之间距离，0 0 1m ； 加热板辐射率，0 9 5 ； 转鼓辐射率，0 1 7 ； 加热板温度，2 0 0 0 c ； 转鼓表面温度，2 0 0 c ； 加热板的表面积，0 0 4 3 2 m 2 3 ) 转鼓和对流空气相关结构参数 固体表面温度，2 0 0 k ； 流体温度，2 0 k ； 换热面积，0 0 6 6 m 2 ； 普朗特数，查表得0 6 7 7 ； 空气热传导系数，2 5 9 1 0 2w ( m 。c ) ； 特征长度，0 0 4 5 m ； 第一二章离心式挤 f ：机闱体输送段的传热机理 r 。：丝雷诺数； v 其中： 空气速度，即转鼓转动线速度，为1 2 3 7 5 “2 4 7 5 m s ； 转鼓直径，为0 1 6 5 m ； 空气的运动粘度，为4 0 6 x l o - 6m 2 厶； 利用上述条件，应用式( 2 2 6 ) 得到在此工况下，离心式挤出机固体输 送段转鼓表面温升量与转鼓转速有关的计算公式： a t = 2 3 1 2 5 8 3 7 6 c o l 21 + 0 3 3 ( 0 5 8r 5( 2 2 7 ) 将转鼓的不同转速带入式( 2 2 7 ) ，得到转鼓温升分布曲线，见图2 一。 【：j 。黉 筠 1 3 1 0 ， t 签 窭 喜， 声 1 5 l 唧 删l w ，删1 明。册z 硎o w4 ，w 胡聊鼻删矗肼 r o l a t l n gs p e e d m s 图2 - 1 1 离心式挤出机固体输送段转鼓表面温度与转速的关系 f i g 2 1 1r e l a t i o n g s h i po f d i s t r i b u t i o no f s o l i dc o n v e y i n ge x t e r i o rt e m p e r a t u r ea n dr o t a t i o ns p f , e d 由上述模拟的工况，得到离心式挤出机固体输送段转鼓表面的温度分布 曲线，不同转速下转鼓表面的温度是不同的，其中转速越高，表面温度越低。 当转鼓的转速为零时，是转鼓预热阶段，根据公式( 2 2 6 ) 可见，这是 转鼓受辐射加热和自然对流共同作用。经计算可知，预热后转鼓表面的温度 为1 8 2 0c 。 2 5 转鼓表面预热温度 离心挤出机固体输送段在预热期时，转鼓的温度随时问变化，后逐渐趋 于恒定，这是属于非稳态传热的过程。首先根据导热微分方程以及其边界条 件求出预热所需时间，以检验辐射加热的实际工作效率能否达到要求。 p c p 妻：2 d i v ( g r a d t ) + 击 ( 2 2 8 ) o z - 得出： 北京化工人学顾 j 学位论文 其中： 川。+ ( t o - t o o ) e x p ( 一参刁 ( 2 2 9 ) f 转鼓加热的时间，m i n ； 乞室温，2 0 0 。c ； 岛转鼓表面初始温度，2 0 。c ； 五式( 2 - 2 6 ) 中相对应转鼓3 8 c r m o a i 和空气参数中所对应 的转鼓表面传热系数，2 4w ( m 2 k ) ； v a 转鼓的体积与面积之比，0 0 4 5 ； p 转鼓密度，7 7 4 0 ( k g m 3 ) ； c 转鼓比热容，4 6 0 j l ( k g k ) ； 表2 - 2 不同时间转鼓表面的温度值 t a b l e2 - 2t h ev a l u eo fd r u me x t e r i o rt e m p e r a t u r e 时间f 2 4 681 01 21 41 61 82 0 m i n 温度 t oc 6 2 17 8 39 5 21 0 5 21 1 3 41 1 9 81 3 4 01 3 7 81 6 2 31 7 4 5 时间l - m i n 2 22 42 62 83 03 23 43 63 84 0 温度 t oc 1 7 8 31 7 9 91 8 2 51 8 3 21 8 3 51 8 4 61 8 4 91 8 5 61 8 6 71 8 7 2 1 0 0 一f ， 一 一 馆0 1 4 0 i l 垂o1 s越驾霉葛40 图2 1 2 不同时间转鼓表面的温度值曲线图 f i g 2 1 21 1 1 eg r a p ho fd r u me x t e r i o rt e m p e r a t u r ev a l u e 3 8 第二章离心式挤机同体输送段的传热机理 2 6 本章小结 ( 一)本章深入研究离心式挤出机固体输送段传热机理，建立离心 式挤出机固体输送段传热数学模型，并求解得到转鼓传热的重要方程一 一转鼓表面温升分布方程，得到转鼓表面温度在不同转速下的分布曲线。 i 二)在适当的工作参数条件下，离心式挤出机固体输送段转鼓表 面的温度随转鼓转速的增加而减少，证明了转速越高，强制对流使转鼓 散失的热量越多，在实际生产中应对此部分散失的热量加以补偿。 ( 三)利用瞬态分析原理求出预热时转鼓表面在不同时间的温度值， 它随着时间的推移而逐步升高。 第三章固体输送段传热分析模拟实验 3 1 离心式挤出机固体输送段传热实验目的 第二章离心式挤出机固体输送段传热机理分析研究表明：离心式挤出机固体 输送段转鼓表面的温度是随着转鼓转速的增加而减少的。为了验证该理论分析的 正确性，需要相关的实验来验证。在本课题的研究过程中，设计出模拟离心式挤 出机固体输送段的传热装置，用以验证离心式挤出机固体输送段传热机理的合理 性。该实验装置的主要目的是： 一、陶瓷红外加热板在距离转鼓l o m m 时对转鼓加热，收集转鼓静止时其表面 的温度数据，验证其的加热效率； 二、 测量加热板与转鼓相距在固定值下，转鼓在不同转速时，转鼓表面的温度， 以观测转鼓高速转动时产生的强制对流对传热的影响。 三、优化传热操作工艺参数，为工业化离心式挤出机积累经验工艺参数； 四、优化离心式挤出机加热冷却系统的设计及优化，强化固体输送段的传热效 果，传热使温度控制在一定精度范围内。 3 2 离心式挤出机固体输送段传热模拟实验装置介绍 3 2 1 离心式挤出机固体输送段传热模拟实验装置的结构简介 图3 - 1 离心挤出机传热分析实验台装配图 f i g 3 1t h eh e a tt r a n s f e ra n a l y s i se x p e r i m e n ta s s e m b l a g eo fc e n t r