（纺织工程专业论文）磺化机的研究与设计.pdf

摘要 我国镍氢电池隔膜主要依赖进口，制约了我国镍氢电池的生产和价格，因此 研制用于镍氢电池隔膜生产的磺化机是非常必要的。 本论文主要研究设计工作是： 研究了耐高温强酸的磺化槽材料的选择。 研究了磺化槽加热系统的传热问题。采用集总参数法，得到了磺化槽加热系 统传热模型，利用m a t l a b 语言编程得到数值解。试验数据证明，该加热模型符 合实际加热情况。 研究了放卷系统的受力分析和数学模型，并分析了影响张力的主要因素，设 计了张力控制系统。 设计了方便磺化准备和控制磺化开始结束的布升降装置。 研究了磺化、清洗、输送和收卷线速度同步问题，采用一个变频器驱动磺化 清洗电动机和收卷电动机( 两个电动机参数完全相同) 的技术方案保证同步，并 计算了两个传动路线的总传动比、各机械传动的传动比和两个电动机的功率。 在分析常用收卷张力控制方案特点基础上，确定了磺化机的收卷方式。对收 卷滚筒半径、收卷滚筒中心距等对张力的影响进行了定量分析。 本磺化机的研制有助于我国镍氢电池隔膜的研究开发和改变我国镍氢电池 隔膜需要进口的现状，填补了国内空白。 关键词：磺化机；电池隔膜；张力控制；收卷；传热模型 a b s t r a c t t h eb a t t e r ys e p a r a t o ri sa l li m p o r t a n tr a wm a t e r i a lf o r t h em a n u f a c t u r eo fm h - n i b a t t e r y a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cd e m a n dm a i n l yr e l i e so ni m p o r t ，s oi tr e s t r i c t e d d o m e s t i cb a t t e r yp r o d u c t i o na n dt h eb a t t e r yp r i c e i ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fs u l f o n a t i n gm a c h i n e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h ep a p e ri n c l u d e s ： t h ec h o i c eo ft h ea c i dr e s i s t a n tm a t e r i a lf o rt h es u l f o n a t i n gg r o o v ew a ss t u d i e d h e a tt r a n s f e rp r o b l e m so ft h eh e a t i n gs y s t e mw e r es t u d i e d t h em o d e lf o rt h e h e a t i n gs y s t e mw a sg a i n e db yu s i n gt h el u m p e dp a r a m e t e rm o d e la n di t sn u m e r i c a l s o l u t i o nw a so b t a i n e db ym a t l a bl a n g u a g e t h et e s td a t ai m p r o v e dt h em o d e la c c o r d 、析t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n f o r c ea n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er o l l b a c ks y s t e mw a ss t u d i e d ，t h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ft e n s i o nw e r ea n a l y z e da n dt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mo fw a s d e s i g n e d t h eh o i a i n gs y s t e mo fc l o t hw a sd e s i g n e d ，w h i c hm a k et h ep r e p a r a t i o nf o r s u l f o n a t i o na n dt h ec o n t r o lo fb e g i n n i n ga n de n do fs u l f o n a t i o nc o n v e n i e n t t h es y n c h r o n i z a t i o n p r o b l e mo ft h es u l f o n a t i o n , c l e a n i n g ，c o n v e y i n ga n d r o l l i n g u pw a sr e s e a r c h e d t h es y n c h r o n i z a t i o nw a se n s u r e db yt h et e c h n i c a ls c h e m e w h i c hu s i n ga ni n v e r t e rt od r i v et h es u l f o n a t i o nm o t o ra n dr o l l i n g u pm o t o r t h e r a t i o so ft h et w ot r a n s m i s s i o nr o u t e s ，t h er a t i oo ft h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n sa n dt h e p o w e r so ft h et w om o t o r sw e r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o m m o nc o n t r o ls c h e m e sa b o u tt h e r o l l i n g - u p t e n s i o n ，t h er o l l i n g - u pw a yw a sc h o s e n t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c e so f r o l l e rr a d i oa n dc e n t e rd i s t a n c eo fr o l l e r st ot h et e n s i o nw a sc a r r i e do u t t h ed e v e l o p m e n to ft h i ss u l f o n a t i n gm a c h i n ec o n t r i b u t e dt ot h er e s e a r c ha b o u t t h em h n ib a t t e r ys e p a r a t o r , c h a n g e dt h es i t u a t i o nt h a tt h ed o m e s t i cd e m a n dm a i n l y r e l i e so ni m p o r ta n df i l l e di nt h eg a p si no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：s u l f o n a t i n gm a c h i n e ；b a t t e r ys e p a r a t o r ；t e n s i o nc o n t r o l ；r o l l i n g - u p ；h e a t t r a n s f e rm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杞跑彻 签字日期：矿7 年名月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：物移仰导师签名：鸡已峡j 守 签字日期：朋年f 月，o 日 签字日期：如。年1 月? 日 学位论文的主要创新点 一、设计了填补国内空白的磺化机。 二、建立了由铝电热板、导热材料、磺化槽和槽内液体构成的传 热系统的传热模型，用于计算加热时间或选择加热器功率。 三、提出并设计了方便磺化准备和控制磺化开始结束的布升降装 置。 第一章电池隔膜及磺化机的总体设计 第一章电池隔膜及磺化机的总体设计 1 1 电池用隔膜和非织造布的磺化 目前我国的电池产业已形成了完整的工业体系，从电池材料完全依靠进口到 今天大部分材料已实现国产化，电池业已取得很大的进步。在组成电池的各个部 分之中，隔膜材料无疑起到了举足轻重的作用l l j 。隔膜是将电池正、负极分隔开 以防止两极直接接触而短路的无机或有机膜。隔膜要求具有高的离子传输能力， 这样电池的内阻就会减小，且隔膜应具有极低的电子传导能力，好的化学稳定性 和一定的机械强度等。隔膜的优劣对电池容量、放电电压、自放电、使用寿命或 循环使用寿命等方面都产生较大影响。 目前，我国高性能电池产业的原材料之所以还没有完全实现国产化其主要原 因就是因为隔膜完全依赖进口，如镍氢电池、锂电池和锂离子电池的隔膜。目前， 进口接枝膜和磺化膜的价格为3 0 , - 4 0 元m 2 ，在电池的原材料中其价格仅次于正 负极材料，而国产隔膜价格为1 0 - - , 2 0 元m 2 ，但是在性能上与进口隔膜还有很大 差异1 2 。因此高性能电池隔膜材料的研究和开发是我国电池产业急需解决的重要 问题，不仅可以降低电池的生产成本，给电池业带来巨大的经济效益，而且也会 给我国电池产业带来良好的社会效益。 1 1 1 镍氢电池与镍氢电池隔膜 随着人民生活水平的不断提高及科学技术的进步，镍镉电池、镍氢电池越来 越被人们所接受。镍镉电池、镍氢电池具有充放电次数多( 可达5 0 0 次以上) 、寿 命长、可快速充放电、高倍率放电、耐过充电等优良性能。 镍氢电池是一种新型的二次电池蓄电池，源于1 9 8 4 年荷兰飞利浦公司对贮 氢合金的研究与开发，自2 0 世纪8 0 年代末以来就成为世界电池业研究和开发的 热点【3 1 。镍氢电池除具有镍镉电池的优点如寿命长、自放电少、低温性能好、耐 过充放电能力强等外，又具有无镉污染和高的比能量( 一般为镍锡隔电池的1 5 - 2 倍) ，在相同尺寸下容量可提高7 0 左右。镍氢电池被广泛应用于移动电话、便 携式计算机、摄像机、随身听、电动玩具、电动自行车、电动汽车等。随着环境 保护的呼声愈来愈高容高，污染少的镍氢电池无疑是人们期待的理想替代电源。 尽管镍氢电池具有无可比拟的优点，但是也存在缺点，如初始成本高自放电速率 犬诽l ：业人学顽 学似论点 人。! 【】果能克服这些缺点，则镍氢l 乜池有望代替钳酸莆电池与镍锚蔷电池而达到 更人规模的应用。 我| _ i 4 现阶段镍氧电池的j “量非常大l 但是山于对镍氢r u 池的研究和丌发比 较滞后所以h 前镍毓i u 池隔膜材料仍依赖进【1 。解映这个难题的d u 提足必须深 入了解电池对隔膜的要求。 电池的结构见图1 1 。 i 一2 一t n ，一n t + q 卜# ； 卜一# 口h 一t 7 - - g f 1 l k j i - t t ，一 女 如前所述，隔膜是电池的笑键材料，隔膜品质的优劣对电池放电电压、自放 电率及循环寿命等均有较大影响，直接决定了电池性能的女t 坏l ”。下面足镍氢 电池对隔膜性能的要求。隔膜在强碱性电解质溶液中有很好的化学稳定性包括耐 碱性和耐氧化性，主饔是防止隔膜在碱液【 l 发生化学反应咀影响电池的放电。隔 膜对电解液的吸液速率要快在生产过程中要求隔膜迅速吸液以有利于牛产的进 行。隔膜的保液率要高，保液率越高吸收的电解液就越多并且使| 5 i j 极和阳极的化 学物质反应越充分，电池容犀也就越大，寿命也就越长。隔膜要具有较高的机械 强度、t 湿强度，因为生产中隔膜随以负极材料的卷绕速度非常快，隔膜受到 较大的拉伸力作用，这就要求隔膜具自较岛的r 强度，又因为隔膜浸在碱液叶1 被 反复充放电，冈而要求凡冉较商的湿强度。隔膜要有一定的m j 密度和耐酵性，冈 为在卷绕时卷针和极扳部柯可能刺破隔膜。隔膜厚度要符合要求，在满足一定的 机械强度和而密度的川时越薄越好隔膜较厚则会一 据较多的窄叫，相同条什下 电池的容鼙就会下降。隔膜的i u 阻要低，隔膜i 乜m 高会使电池内耗增加从而导致 电池尢法人电流放屯。隔膜要具有是好的绝缘性以保证正负极不会短路。隔膜必 第一章电池隔膜及磺化机的总体设计 须是多孔性的，有一定孔隙率，孔隙率太大会使两极的化学物质互相渗透造成短 路；孔隙率太小不利于离子通过，增大隔膜电阻无法保证电池的大电流放电。隔 膜要有一定的离子交换率，离子文换率太小或为零表示离子不能穿过隔膜，则充 放电化学反应就不能正常进行。隔膜的透气性要好，这是因为电池在过充电时正 极产生的氧气必须穿过隔膜与负极的氢结合否则电池的内压升高会导致电池漏 液。 非织造布隔膜是镍镉电池、镍氢电池的重要材料之一。镍氢电池用非织造布 隔膜是非织造布经过一定物理或化学的处理达到电池隔膜性能要求的一种隔膜， 其主要种类有纺粘非织造布、熔喷非织造布和热粘合非织造布。这种技术最早出 现于日本，目前较成熟的是日本、英国、德国和美国等国的公司。我国使用的高 性能电池隔膜主要从上述公司进口，虽目前有几家研究机构及企业在研究和生产 电池隔膜，但与国外产品相比还存在很大差距，仅仅能满足低性能电池的要求。 聚烯烃非织造布电池隔膜具有良好的化学稳定性，较好的机械强度，较强的电解 液保持能力以及比电阻小、孔隙率高、微孔结构曲折、极小的尺寸收缩等优点恰 好满足了上述镍氢电池隔膜的要求。 虽然聚烯烃聚丙烯和聚乙烯非织造布生产工艺简单，机械性能好孔隙率高， 工作电阻小有抗碱性和抗氧性，但是亲水性能很差使得隔膜不能充分地浸入碱性 电解质溶液中。影响了电解质溶液的自由扩散，降低了电池的使用效率。所以对 聚烯烃聚丙烯和聚乙烯非织造布进行亲水改性处理就是需要解决的问题。目前对 聚烯烃非织造布进行亲水改性处理的方法主要有接枝改性和磺化处理两种手段。 1 1 2 电池隔膜磺化处理 磺化反应是一种向有机分子中引入磺酸基( - - s 0 3 h ) 或磺酰氯基( 一s 0 3 c 1 ) 的 反应过程【9 】。磺化过程中，磺酸基取代碳原子上的氢称为直接磺化。磺化是放热 反应，低温磺化时需要冷却，而高温磺化则需要加热保温。通常用浓硫酸或发烟 硫酸作为磺化剂，有时也用三氧化硫、氯磺酸、二氧化硫加氯气、二氧化硫加氧 以及亚硫酸钠等作为磺化剂。以硫酸、氯磺酸或三氧化硫在液相磺化时一般用釜 式反应器等l l 引。 电池隔膜生产磺化法的目的是在聚烯烃非织造布上接上磺酸基团从而改善 其亲水性使隔膜具有较高的吸液速率、保液率和离子交换率。聚烯烃非织造布一 般采用双组分纤维即聚丙烯和聚乙烯，其中聚乙烯还包括高密度聚乙烯和低密度 聚乙烯。磺化反应一般使用发烟硫酸、浓硫酸、氛磺酸、磺酞氮等，而用发烟硫 酸可得到更好的磺化效果。在磺化反应中使非织造布具有一定的张紧力这样可增 加隔膜的机械强度。 天津工业大学硕十学位论文 1 2 非织造布磺化设备 1 2 1 研制非织造布磺化设备的必要性 由于电池隔膜用量相当大，磺化处理必须机械化；磺化处理机械化还可以避 免手工磺化处理带来的质量不稳定、操作人员容易受高温浓硫酸及其蒸发气体伤 害等问题。，因此，机械化的磺化装置磺化机，是非织造布磺化处理的必要设 备。 如前所述，我国每年大量进口电池隔膜，国内生产量很小，而且质量还不能 和进口相比，只能用于低端电池产品，国内急需开展高质量电池隔膜生产工艺和 设备的研究。在课题组检索的国内外文献范围内，仅发现一篇日本专利文献 ( j p 2 0 0 2 1 4 1 0 4 3 ) 涉及到对卷布批量磺化处理的装置。该文献提出的磺化装置存 在如下缺陷：1 磺化处理时，布的张力调节依靠调节辊之间的距离来实现的，且 不能实时显示张力值，不容易控制布的张力；2 布的运行速度也不能调节，使得 磺化工艺单一，难以获得优选工艺参数，适用范围也受到限制；3 布在浓硫酸液 中要绕过多个辊，结构复杂，也给磺化前布的安装操作造成不便；4 仅有一个清 洗槽，清洗效果不尽理想。 尚未见到国内生产机械化电池隔膜设备的文献。 因此，研制用于高分子纤维非织造布磺化处理的磺化机是必要的。 应该指出，这里的磺化机与化工行业的磺化设备有本质的区别，其具有更多 的纺织机械特点。 1 2 2 研制非织造布磺化设备主要解决的问题 用浓硫酸作为磺化剂对批量高分子纤维非织造布( 以下简称非织造布) 进行 磺化处理时，磺化温度约在11 0 - - - , 1 4 0 c ，硫酸浓度一般是9 8 ，高分子纤维非织 造布通常呈圆卷状。 在对高分子纤维非织造布进行批量磺化处理时，要考虑如下情况： 由于非织造布是有机高分子材料，必须严格控制磺化时间，否则，不仅磺化 质量得不到保证，可能还会造成布被硫酸烧坏； 对于非织造布的磺化要均匀； 非织造布在磺化槽内磺化后，要按工艺要求及时清洗掉布上残留的硫酸，以 保证磺化质量； 一次磺化和清洗处理非织造布的长度通常都在数百米，且非织造布呈卷状， 从机械动作上看，磺化、清洗工艺就是对非织造布进行连续放卷，磺化，清洗， 第一章电池隔膜及磺化机的总体设计 收卷的过程； 磺化剂采用温度在1 1 0 - - - 1 4 0 1 2 、浓度为9 8 的硫酸，要有必要的排风等保护 措施，避免操作人员受到伤害； 要考虑废酸等的处理n 3 1 问题； 磺化剂的加热和温度控制要满足生产、工艺要求； 磺化机要便于操作和维护。 1 2 3 磺化机总体方案设计 针对现有技术的不足，本课题要设计一种磺化机，它适用于各种卷状非织造 布的连续磺化处理，具有非织造布张力可控，处理中非织造布的线速度可调，方 便控制磺化开始和结束，磺化剂可加热和控温，磺化处理质量好，生产效率高， 操作更安全等特点。 由于待磺化的非织造布成卷状，首先要放卷，即在磺化前把非织造布展开。 然后，根据磺化工艺要求，将非织造布在磺化液中磺化，非织造布从磺化液中出 来后，为了清洗掉非织造布上残余的磺化液，需要把非织造布清洗3 次。经过3 次清洗后，要把非织造布卷绕成卷。为了控制磺化时非织造布的张力，在放卷和 磺化之间设置了非织造布的张力检测装置。 考虑到方便更换磺化液和清洗槽内的水，磺化槽和清洗槽应该布置在适合人 操作的高度。所以，磺化槽和3 个清洗槽放置在距地面高度相等的机架上。 放卷轴水平布置，在放卷轴一侧，在垂直放卷轴的水平方向，张力检测、磺 化、第一清洗、第二清洗、第三清洗和收卷成直线排列，图卜2 为磺化机总体布 局图。 圈圆圈圆圈圜圈 ， 布运行方向 图1 2 磺化机的总体布局 磺化机采用框架式机架、在机架上依次成直线排列着放卷部分、张力检测装 置、磺化部分、清洗部分、收卷部分等，图1 - 3 是磺化机总体布局侧视图。 图卜3 中，3 l 为磺化槽，4 1 a 、4 1 b 、4 1 c 分别是第一清洗槽、第二清洗槽和 天津工业大学硕七学位论文 第三清洗槽。 机架1 的主体部分( 即磺化和清洗部分，参见图卜3 ) 为3 层结构，其余部 分( 即放卷和收卷部分) 的机架为2 层结构。机架1 的上层为方管，其它部分为 槽钢。磺化部分3 和清洗部分4 部分安装在该部分机架1 的中层；放卷部分2 和 收卷部分5 安装在该部分机架1 的上层，所述机架l 的2 层结构部分的上层与3 层结构部分的中层高低位置一致，构成工艺直线排列。 1 3 本章小结 本章主要分析了镍氢电池的市场需求和镍氢电池对隔膜的要求，介绍了我国 电池生产用隔膜的现状。根据磺化对保证镍氢电池隔膜性能的重要性和磺化处理 的特点，认为研制用于电池隔膜生产的磺化机是非常必要的。在分析了研制磺化 机必须考虑的问题基础上，提出了磺化机的总体设计方案。 第一章电池隔膜及磺化机的总体设计 图1 - 3 磺化机的侧视图 第二章磺化槽及加热系统设计 第二章磺化槽及加热系统设计 磺化时，磺化液放置在磺化槽中，非织造布要在一定温度的磺化液中浸泡一 定时间；磺化液保持在l1 0 1 5 0 之间的某个温度，具体温度值取决于工艺参数， 温度误差一般不超过士5 。由于磺化工艺对磺化液温度有比较严格的要求，本磺 化槽加热系统由两部分组成：电加热器和闭环温度控制系统。 磺化液是浓度为9 8 的浓硫酸，所以磺化槽必须耐1 5 0 的浓硫酸，且必须 保证不要出现硫酸泄露等安全事故，所以磺化槽组件需要特制。 2 1 磺化槽组件的设计 磺化槽组件包括磺化槽、加热器和保护壳等。 如前所述，磺化液是浓硫酸，最高工作温度1 5 0 ，所以磺化槽的材料必须 要能承受1 5 0 ( 2 的浓硫酸。为此，我们比较了常用其材料的耐高温浓硫酸性能， 并把一些材料放在工作温度下的浓硫酸中，考察其耐高温浓硫酸的特性。试验表 明，一般金属材料的耐高温浓硫酸特性均不好，这与相关文献【1 4 a s 的论述一致。 为此，研究了四种非金属材料作为磺化槽材料的可能性。 1 # 材料由石英砂和焦粉( c ) 在高温下还原反应生成，具有高强度、高硬度、 高耐磨、耐高温、抗氧化性强、遇强酸强碱不反应，导电导热性好、耐急冷急热 等特点。缺点是产品脆性较大，在强烈外界冲击力作用下会发生破碎，原材料和 制作成本都较高。 2 # 材料是以刚玉为主晶相的陶瓷材料，具有机械强度高、莫氏硬度高达9 2 、 耐化学腐蚀性、价格相对便宜和导热性良好等特点。由于制造工艺的原因，其在 高温浓硫酸作用下表面会变黑，即硫酸对添加剂产生了强烈的氧化作用，同时浓 硫酸液体也由无色变成黑色，直接影响隔膜质量。另外在烧结的过程中会发生明 显的形变，尺寸稳定性较差。 3 # 材料是用二氧化硅制造的特种工业技术玻璃，其特点是：耐高温、耐腐蚀、 热稳定性好、透光性能好。3 # 材料的各项性能指标基本符合磺化槽材料的使用要 求，实验也证明高温浓硫酸对其没有任何损害。不足之处就是原材料成本较高， 加工工艺复杂。 4 # 材料密度为2 2 9 c m 3 ，吸水率小于0 0 1 。耐化学腐蚀性极佳，耐热性能 较好，力学性能较好，动静摩擦系数小。4 # 材料的制作工艺难度较高。 天津i 业大学硕十学位论文 比较四种材料来看，3 # 材料的制作成本罐高1 # 材料次之，2 、4 # 材料较低。 但4 # 材料加工困难，2 # 材料容易变形h 禽有微量杂质，3 # 材料鲥冲击性较差， 所以综合考虑，堆后选定1 # 材料为最终磺化槽材料。 为了便于磺化上艺进行，结合l # 材料具有很好的热稳定性的特点，把确化 槽设计成长方体形状，敞。考虑到磺化液的强腐蚀性，采用外置电加热器，即 在磺化槽底面和两个长侧面布置3 块铝电加热板。为了改善加热板和磺化槽问的 导热性能，在加热板和磺化槽间放置了石墨导热材料i l “”l 。为了防止磺化槽受到 意外碰撞等损坏时浓硫酸外溢，造成不安争事故，设计了一个保护壳，材料是 3 1 6 l ，这样，即使磺化槽受损，可以保证在一定时日j 内磺化液不外泄。磺化槽和 加热板均放在保护壳中，构成磺化槽组件。在加热板和保护壳之自j 放置了一定厚 度的石棉隔热材料，以减少通过保护壳散失的热最，并能控制保护壳的温度，避 免给操作者造成伤害。 2 2 加热系统传热数学模型 2 21 传热计算方法确定 图2 - 1 磺化槽的照片 第二章磺化槽及加热系统设计 因为磺化时磺化液的温度为1 1 0 - - 1 5 0 ，且磺化是非2 4 小时连续工作，每 次磺化前需要把磺化液加热到所需温度。显然为了缩短准备时间，磺化液加热到 工作温度所用时间不能太长。设计要求在3 0 分钟左右能把磺化液加热到工作温 度，需要选择合适的加热器功率，以满足加热时间的要求。 如前所示，磺化槽采用外加热，即在磺化槽的两个侧面和底部外面布置3 块 铝板电加热器。在铝板电加热器与磺化槽间充填石墨盘根材料，以提高加热器和 磺化槽间的导热能力。 由于在磺化液加热过程中，电加热板、磺化槽和磺化液的温度是变化的，故 计算所需加热功率问题是非稳态导热问题。由于不需要严格计算磺化液的温度分 布，决定采用采用集总参数法计算加热时间。 2 2 2 传热系统满足集总参数法条件的验证 由传热学可知，能否采用采用集总参数法求解一维非稳态传热问题，要根据 毕渥数大小判定，只要满足采用集总参数法条件，计算出的瞬态温度场误差不会 超过5 。对加热或冷却的大平壁，判定条件1 8 1 是 忍= 蒜燃n ，m 协- ， 式中：e 一毕渥数；m 一系数，对于大平板、长圆柱和球，m 分别等于l ，1 2 和1 3 。 ( 1 ) 铝电热板的毕渥数 铝电加热板通过石墨材料向磺化槽传热，对于铝加热板，其毕渥数计算公式 为 式中：2 广铝的导热系数( w m k ) ，这里2 l = 2 0 0 w m k ；吮一铝电热板厚度( m ) ， 这里皖= o 0 2 5 m ；砧一石墨导热层的导热系数( w m k ) ，这里a s = 4 6 8 w m k ； 蟊一石墨导热层的厚度( m ) ，这里以= 0 0 1 m ；么一铝电热板和石墨间传热面 积。 因此，铝电热板的毕渥数为 一 = 以一九皖一以 皖一叫一靠一彬 8 天津工业大学硕士学位论文 e ，：盟：0 0 2 5 4 6 8 ：0 0 5 9 0 1 “ 6 。五，0 0 1 2 0 0 ( 2 ) 磺化槽的毕渥数 l 拌材料的导热系数赴= 8 1 2 0 w m k ，本磺化槽使用天津艾斯达陶瓷有限公司 生产的l 撑材料，2 c = 5 0 w m k 计算，磺化槽的壁厚蠢= o 0 0 8 m ，对于热量传入， 磺化槽的毕渥数为 曰矿；：鱼生：0 0 0 8 x4 6 8 ：0 0 7 5 o 1 以砧0 0 1 5 0 磺化槽内壁向磺化液传热，磺化槽的表面传热系数h = 1 2 6 ( w m 2 k ) 。对于 热量传出，磺化槽( 热量传入) 的毕渥数 l b 脚= 竺筹= 旦学- o 瞅叫 h a c 式中：4 磺化槽与磺化液间的传热面积( m 2 ) 。 ( 3 ) 磺化液的毕渥数 通过对流换热，磺化槽通过底面和4 个侧面向磺化液传热，磺化液向空气传 热。目前还没有检索到这种情况是否能用集总参数法的判断条件。在没有强排风 条件下，实际测量了磺化液在加热过程中各点温度，其各点间的温差不超过3 。 所以，对于磺化液可以使用集总参数法。 综上所述，不论从热量流入或流出，上述3 个导热体均满足使用集总参数法 条件，可以采用集总参数法计算本加热系统的非稳态传热问题。 2 3 铝电热板功率的计算 采用集总参数法，根据能量守恒( 控制容积) 建立加热系统的数学模型。 对于某个控制容积，任一瞬时的能量守恒关系可以表述为： 第二章磺化槽及加热系统设计 从各个方向以各种方式进入控制容积的热流一从 各个方向以各种方式流出控制容积的热流+ 控制容积 中内热源的瞬时热功率= 控制容积中蓄存热量的增加 速率 2 3 1 传热数学模型 ( 1 ) 铝电热板的传热数学模型 铝电热板的传热数学模型是 只一q ：见叱气拿 口r ( 2 - 3 ) ( 2 _ 4 ) 式中：r 一铝电热板内加热器功率( w ) ；q 一铝电热板瞬时流出的热量( w ) ；见 一铝板的密度( g c m 3 ) ，见= 2 7 9 c m 3 ；屹一铝板的体积( c m 3 ) ，屹= 7 4 8 0 c m 3 ； 气一铝板的比热容( j k g k ) ，气= 0 8 8 x 1 0 3 j k g k ：气一铝电热板温度( ) ； 粤一铝板温度随时间的增加速率。 d r 由于石墨导热层所用材料较少，故忽略石墨层由于温度升高造成所含热量的 变化。根据傅立叶定律和数值微分，铝电热板瞬时流出热量为 q l ：允s 彳l 毕w ( 2 5 ) d o 式中：4 一石墨与铝电热板实际接触面积( i n 2 ) ；砧一石墨导热层的导热系数 ( w m k ) ，以= 4 6 8w ，m k ；，c 一磺化槽温度( ) ；蟊一石墨导热层的厚 度( m ) ，蟊= o o l m 。 4 = 弛。 ( 2 - 6 ) 式中：a o 。一石墨传热层与铝电热板名义接触面积( m 2 ) ，即铝电热板一侧的面 积，4 。= 0 2 9 9 2 m 2 ；k 一考虑石墨传热层与铝电热板实际接触面积与名义接触 面不同而引入的系数。由于石墨填料是截面为方形的编织物，且弹性很差，造成 与铝电热板和磺化槽实际接触面积比名义接触面积小很多，故取k = o 1 ； 将式( 4 ) 带入式( 3 ) ，得 昂一九4 警= 见屹气瓦d x ( 2 - 7 ) 天津工业大学硕士学位论文 将有关参数带入式( 6 ) ，得 p o 一4 6 8 0 1 0 2 9 9 2 垃：2 7 7 4 8 0 1 0 一0 8 8 1 0 3 丝( 2 8 ) 0 0 1 一d f 7 整理，得铝电热板传热数学模型 r 一1 4 ( t 一t o ) ：1 7 7 7 2 4 8 拿( 2 - 9 ) ( 2 ) 磺化槽的传热数学模型 磺化槽的传热数学模型是 q q 2 = 肪v c c c 冬 ( 2 1 0 ) 口f 式中：q 一磺化槽内表面与磺化液对流瞬时流出的热量( w ) ；忽l # 材料的密 度( g c m 3 ) ，, o l = 2 9 9 c m 3 ；v c 一磺化槽的体积( c m 3 ) ，v c = 4 6 9 1 2 c m 3 ；勺一 磺化槽材料的比热容( j k g k ) ，勺= 4 7 0 j k g k ；乞一磺化槽的温度( ) ；华 口_ 一磺化槽温度随时间的增加速率。 磺化槽内表面与磺化液通过对流传热瞬时流出的热量 q 2 = a 2 以- t o ) 式中：4 一磺化槽内表面与磺化液接触的面积( m 2 ) ； 系数( w m k ) ；0 一磺化液的温度( ) 。 将式( 2 1 1 ) 和有关参数带入式( 2 1 0 ) ，得 q 一鸣( o t c ) = 2 9 4 6 9 1 2 l o - 3 x 4 7 0 拿 口f 整理，得磺化槽的传热数学模型 1 4 ( 气一f c ) 一4 ( r r 一乞) ：6 3 9 4 1 l d ，t c | - ( 3 ) 磺化液的传热数学模型 磺化液的传热数学模型是 ( 2 1 1 ) 一磺化液的对流传热 ( 2 1 2 ) q q 3 = p y v r c r _ d r , ( 2 1 3 ) a f 式中：q 3 一磺化液表面瞬时流向空气的热量( w ) ；所一磺化液的密度( g c m 3 ) ， 第二章磺化槽及加热系统设计 所= 1 8 4 9 c m 3 ；v r 一磺化液的体积( c m 3 ) ，按磺化液深度1 6 c m ，v c = 3 2 0 0 0 c m 3 ； 勺一磺化液的比热容( j k g k ) ，勺= 1 4 6 x 1 0 3 j k g k ；0 一磺化液的温度( ) ； 孚一磺化液温度随时间的增加速率。 d f q 3 = a 3 h k ( t y t x ) ( 2 1 4 ) 式中：4 一磺化液与空气的接触的面积( 1 1 1 2 ) ，鸣= 0 2 m 2 ；k 一空气的对流传 热系数( w m k ) ，k - 2 w m k ；t r 一磺化液的温度( ) ；k 一周围空气的 温度( ) 。 整理，得 彳2 h r ( t r - - i c ) 一0 4 ( t y - ，j | c ) = 8 5 9 6 4 8 鲁 ( 2 1 5 ) 因此，由铝电热板、石墨导热层、磺化槽、磺化液构成的传热系统的传热数 学模型是 昂一1 4 ( t l - t c ) - 1 7 7 7 2 4 8 鲁 1 4 ( t l - - 乇) 一么2 以( 。一r c ) 一3 9 4 1 1d 万t c ( 2 1 6 ) 口f 协( f r 一，c ) 地4 ( t r - - t r ) = 8 5 9 螂鲁 式( 2 1 6 ) 是微分方程组，采用m a t l a b 技术计算语言【1 9 1 ，可以用数值方法 得到解。即给定铝加热板内电加热器功率，可以得到铝加热板、磺化槽、磺化液 在不同时间的温度。显然，铝加热板内电加热器功率不同，达到预定温度所用时 间不同，从而可以根据指定的磺化液达到预定温度所需加热时间确定铝加热板内 加热器的功率。 2 - 3 2 传热数学模型的验证 从安全和减少硫酸带来的环境污染考虑，本课题实际通过加热水来检验上述 传热数学模型的正确性。可以证明，用水来替代硫酸磺化液，传热系统仍然符合 使用集总参数法的条件。 用水来替代硫酸时，需要把式( 2 1 5 ) 中磺化液的对流传热系数风替换为水 的表面对流传热系数办。，磺化液的密度和比热容替换为水的密度和比热容，并 把试验时加水的深度替代磺化液深度。 天津t 业大学硕士学位论文 由于磺化槽与槽内液体的对流传热可以简化为方腔自然对流传热，这是近年 传热研究领域的一个前沿问题【2 0 ，2 1 1 ，研究多限于自然传热的数值研究，尚未看到 有关适用工程计算的非稳态自然传热系数的研究结果。考虑到本研究对计算精度 没有过高的要求，采用平板恒温自然对流传热系数作为磺化槽与槽内流体的自然 对流传热系数，计算过程省略。 用水替代硫酸后，由铝电热板、石墨导热层、磺化槽、磺化液构成的加热系 统的传热数学模型是 t o 一1 4 ( t ) ：1 7 7 7 2 4 8 譬 1 4 ( t 一t c ) 一彳2 h s ( t s t o ) ：6 3 9 4 1 1d t ，c a 2 h s ( t s t c ) 一o 4 ( t s 一，r ) = p s c s v s _ d t s ( 2 - 1 7 ) 式中：凤一水的对流传热系数( w m k ) ；风一水的密度( g c m 3 ) ，风= l g e m 3 ； 1 ，s 一水的体积( c m 3 ) ，按水深度1 6 e m ，1 ，s = 3 2 0 0 0 c m 3 ；c s 一水的比热容 ( j k g k ) ，c s ：4 2 x 1 0 3 j k g k ；t s 一水的温度( ) ；睾一水温度随时间的 d f 增加速率；其它参数同前。 取铝电加热板功率为3 4 3 0 w ，水的自然对流传热系数h s = 2 0 0 w m k ，有 3 4 3 0 1 4 ( t _ ，c ) ：1 7 7 7 2 4 8 睾 1 4 ( t 工一t c ) 一9 7 6 ( t s f c ) ：6 3 9 4 1 1d t ，c 一 9 7 6 ( b 一七) 一o 4 ( t s 一2 6 ) ：1 3 4 4 0 0 d ，t s ( 2 - 1 8 ) 用m a t l a b 科学计算语言编程，采用o d e 4 5 求解一阶常微分方程( 组) 的解。因 为o d e 4 5 程序是用数值方法求解微分方程组的解，不能得到其解析解，得到的数 值解见图2 2 。 图中小圆圈是用传感器测量的加热过程中不同时间下铝电加热器的温度，星 号是用传感器测量的加热过程中不同时间下水的温度。从图中可以看出根据式 ( 2 1 8 ) 计算出的加热过程中铝电加热器温度、水的温度与实际吻合较好。因此， 式( 2 1 6 ) 所示的磺化液加热系统的传热模型是正确的。 2 4 本章小结 * = i 磺化槽加热系* ” 由于磺化液是浓硫酸，且磺化时磺化液的温度最高可达1 5 0 c ，研究了磺化 槽材料的选择和结构设计问邀。为r 保证在规定时间内把一定量的磺化液加热到 规定温度，研究了磺化槽加热系统的传热问题，采用集总参数法，得到了磺化槽 加热系统传热模型，实际证明该加热模型符合实际加热情况。 图2 - 2 理论加热曲线和实际加热曲线比较 第三章磺化机张力控制系统的设计 第三章磺化机张力控制系统的设计 在磺化反应中，应使非织造布具有一定张力，这样可以增加隔膜的机械强度 【2 】。根据试验结果，磺化时非织造布的张力一般取2 0 - - , 3 0 n 5 0 m m ，按幅宽3 0 0 m m 计算，磺化时非织造布的总张力为1 2 0 , - - 1 8 0 n 。 3 1 放卷系统的受力分析和数学模型 由于磺化质量受非制造布张力的影响，所以，磺化处理中张力控制是十分重 要的一环，张力控制的好坏直接影响到产品质量。同时张力控制系统复杂，故研 究较为困难 2 2 , 2 3 1 。针对以上问题，以放卷张力控制系统为研究对象，在分析张力 控制系统放卷部分受力情况的基础上，确定了放卷张力系统的数学模型。 3 1 1 放卷张力控制系统简化模型 本磺化机放卷张力控制系统的物理模型如图3 1 所示【摊2 6 1 。 图3 1 张力控制物理模型 天津工业大学硕士学位论文 系统的工作原理为：当卷材的张力值与设定值不一致时，张力控制器经运算 后输出相应的控制电流，改变磁粉制动器输出的制动力矩t ，以达到控制张力 的目的。 3 1 2 放卷系统的受力分析和数学模型 料卷筒匀速运转时，根据扭矩平衡公式【2 7 】： f r t = 9 ( 3 1 ) 式中：，为张力，足为料筒实时半径，丁为控制转矩，夕为摩擦阻尼系数，国为 角速度。 则静态张力方程为： f ：p c o + r r ( 3 - 2 ) 由式( 3 2 ) 可知，只需保持r + c o p 随半径尺成比例变化即可保证张力稳定。 当料卷受到干扰，速度和张力发生变化时产生加速度，得到动态平衡方程： f r t = p o , + j i d c o ( 3 3 ) 衍 、 7 式中：t ，为卷筒的转动惯量。 由式( 3 1 ) ，( 3 2 ) ，( 3 3 ) 可得： 一p+jd蠢to+tf = ! 一 足 ( 3 - 4 ) 由式( 3 - 4 ) 可知，转动惯量 转速国、加速度掣、料卷半径r 都对张力 讲 有影响，所以系统的控制难度比较大。 下面简要分析各影响因素对张力的影响。 ( 1 ) 速度1 ，对张力的影响 料卷卷绕一周需要一定时间，故可将半径r 在一段时间内看作定值，此时可 以认为转动惯量，稳定，讨论速度v 对张力的影响。 设在时间增量出内，料卷上非织造布长度增量为刃，半径增量为d r ，料厚 第三章磺化机张力控制系统的设计 为h ，线速度为1 ，则料卷端面面积增量为： d s = d l h = 2 咒r 搬= v h c l t 得 积讷 办2 破 根据圆周运动角速度公式国= 云，则有： d m d md r1 ，v h 1 ，2 h 一= 一一= = 一 d td rd t r 22 x r2 i c r 3 把式( 3 6 ) 代入式( 3 3 ) 可得 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) f r t ：一，兰+ 兰 ( 3 7 ) 2 x r r 式中：- ，为总转动惯量，：厶+ 昙而p 俾4 一r 4 ) ，其中p 为材料体密度，6 为卷 材宽度；s o 为卷芯的转动惯量；，为料卷最小半径。 所以，式( 3 7 ) 得： f r r = 弋山+ 2 1 z b p ( r 4 - r 4 ) 面v 2 h + 盖 ( 3 - 8 ) 整理，得 f = 一( 厶+ l g b p ( r - - r 4 ”丽v 2 h + 素+ 丢 ( 3 - 9 ) 式( 3 9 ) 表明，当其他条件不变时，在非织造布运动速度范围内，卷材的 线速度增大则其张力也增大，反之亦然；当速度有较小的变化，都会引起张力的 较大变化。 ( 2 ) 卷径r 实时变化对张力的影响 在系统工作过程中，r 实时变化导致放卷张力实时变化，同时放卷辊的转动 惯量j 值也实时变化。 在式( 3 3 ) 中，j o 为卷芯转动惯量，- 厂为实时转动惯量，所以 ，：山+ 三而p ( r ( f ) 一，4 ) ( 3 - 1 0 ) 天津t 业大学硕士学位论文 将式( 3 1 0 ) 代入式( 3 9 ) 得： f = 南啪+ 扣( ) ) 嘉+ 上r ( t ) 2 ( 3 - 1 1 ) 整理，得 f = 南刈 ( _ ，4 ) ) 羔+ 斋 式中：毛= j 1 而p ；j | ：= 瓦h 由式( 3 1 2 ) 可以看出，张力f 受半径r ( ，) 和速度v 影响的同时， 动惯量j 。，料卷最小半径厂及卷筒上的卷材的体密度p 有关。 ( 3 1 2 ) 还与卷芯转 半径r ( t ) 的实时变化和速度1 ，的干扰是影响张力控制的最主要因素。因此在 设计张力控制系统时应该着重考虑系统对半径的鲁棒性，以及克服速度冲击带来 的干扰，特别在速度比较高时。 3 1