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摘要 聚合物与导热油在切粒模板中的流动与传热研究 摘要 水下切粒系统作为一种先进技术日益受到聚合物造粒a n - r _ 的重 视和应用，适应大批量和持续生产等要求，朝着大型化和强适应性等 技术方向发展。模板是完成聚合物切粒最为关键的部件之一。 模板内部聚合物熔体和导热油的流动与传热情况对切粒模板的 切粒性能具有重要影响。本文建立了模板的三维传热模型，采用f l u e n t 分析软件对聚合物在单个模孔中的相变流动与传热进行数值模拟，获 得了模板中的温度、速度、压力和相变分布，还评估了不同边界条件、 不同切粒层材料、不同模板结构以及不同聚合物流变特性对模板中温 度、相变以及压力分布的影响。结果表明：受到冷却水的冷却作用， 切粒面附近的温度最低，温度梯度较高；受导热油和聚合物的加热作 用，离切粒面越远，温度越高，但温度梯度比较平缓；聚合物仅在模 孔出口附近凝固，在这里聚合物中的热量被冷却水带走，聚合物的温 度低于液相线温度，从而出现凝固现象；由于模板中导热油的加热作 用，远离切粒面的模孔内的聚合物仍保持流动而没有凝固，因此不会 堵塞模孔从而导致压降增加。 本文还建立了1 4 模板及其内部导热油的三维传热模型，并对该 模型进行数值求解，获得了模板内部的温度、速度和压力分布，结果 表明：导热油通道的布置形式使得导热油在模板中的流动阻力均匀， 北京化工人学硕上学位论文 从而使得导热油在模板中流量均匀，有利于提高切粒区域模板温度的 均匀分布；模板切粒层附近模板周围的温度分布比较均匀，从而保证 较高的模孔开孔率和良好的切粒质量。 对造粒模板内部流动与传热的研究可以为模板结构的优化设计、 操作条件的合理选取、模板材料的选择提供比较可靠地理论依据。 关键词：造粒模板，传热，流动，相变，数值模拟 i i 目录 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ff l o wa n dh e a t t r a n s f e r o ft h ep o l y m e ra n dt h et h e r m a l o i li nt h ed i e a b s t r a c t p e l l e t i z i n gs y s t e mu n d e rw a t e ra sak i n do fa d v a n c e dt e c h n o l o g yi s e x t e n s i v e l yu s e di nt h ep o l y m e rp r o c e s s i n gi n v o l v i n gp a l l e t i z i n g ，a n di ti s d e v e l o p i n gt o w a r dl a r g e s c a l ea n db e t t e ra d a p t a b i l i t y , f i n a l l ya c h i e v e st h e d e m a n do fl a r g eb a t c ha n dc o n t i n u a lp r o d u c t i o n t h ed i ei sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to f t h ep a l l e t i z i n gp r o c e s s t h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ft h ep o l y m e ra n dt h e r m a lo i li n t h ed i eh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c to nt h ep a l l e t i z i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed i e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l so fh e a tt r a n s f e rh a v eb e e ne s t a b l i s h e da n d n u m e r i c a l l ys o l v e du s i n gac o m m e r c i a ls o f t w a r ep a c k a g e ，f l u e n t ，i no r d e r t oo b t a i nd i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y , p r e s s u r e ，a n d l i q u i d f r a c t i o no ft h ep o l y m e ri nt h ed i e t h ei n f l u e n c e so ft h eb o u n d a r y c o n d i t i o n s ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ep e l l e t i z i n gl a y e r , t h es t r u c t u r e o ft h ed i e ，a n dt h ev i s c o s i t yo ft h ep o l y m e ro nt h ep r e s s u r ea n dp h a s e c h a n g eo ft h ep o l y m e ra n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ed i eh a v e b e e ne v a l u a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h er e g i o nc l o s e 1 1 1 北京化下大学硕一l ：学位论文 t ot h ep a l l e t i z i n gs u r f a c ei s r e l a t i v e l yl o ww i t has h a r pt e m p e r a t u r e g r a d i e n td u e t ot h ec o o l i n ge f f e c to ft h ec o o lw a t e r , w h i l et h et e m p e r a t u r e d e e p e ri n s i d et h ed i ei sh i g h e r , w i t hal o w e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，a sa r e s u l to ft h eh e a t i n ge f f e c to ft h eh o tt h e r m a lo i la n dt h ep o l y m e r a s o l i d i f i c a t i o np h a s ec h a n g eo ft h ep o l y m e ro c c u r sn e a rt h ep o l y m e ro u t l e t d u et oh e a tl o s sf r o mt h ep o l y m e rt ot h ew a t e r , w h i l ed e e p e ri n s i d et h e h o l et h ep o l y m e rr e m a i n sf l u i dw i t h o u ts o l i d i f i c a t i o n ，d u et oh e a t i n gb y t h et h e r m a lo i l t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l so f1 4d i ea n dt h et h e r m a lo i li n s i d ea l s o h a v eb e e ne s t a b l i s h e da n dn u m e r i c a l l ys o l v e db yf l u e n tt oo b t a i nv e l o c i t y , p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t h et h e r m a lo i la n dt h et e m p e r a t u r ei nt h ed i e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eu n i f o r m i t yo ft h ef l o wr e s i s t a n c eo ft h et h e r m a lo i l i nt h ed i el e a d st ot h eu n i f o r m i t yo ft h ef l u xo ft h et h e r m a lo i l ，a sar e s u l t o ft h eu n i f o r ma r r a n g e m e n to ft h et h e r m a lo i lc h a n n e li nt h ed i e t h e r e f o r e ，t h eu n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h e d i en e a r t h e p e l l e t i z i n gr e g i o ni si m p r o v e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o v i d e sar e l i a b l em e t h o dt oo p t i m i z et h e d e s i g no ft h ed i e ，t h ec h o i c eo fm e t a l l i cm a t e r i a lf o rt h ed i e ，a n dt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ep o l y m e rp e l l e t i z i n gu n d e rw a t e r k e y w o r d s ：p e l l e t i z i n gd i e ；h e a tt r a n s f e r ；f l o w ；p h a s ec h a n g e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 符号说明 符号说明 凝固区域常数 定压比热容，j k 百1 k - 1 当量直径，m i n 单位面积扩散阻力的导数 控制容积x 方向所受的力，n 控制容积y 方向所受的力，n 控制容积z 方向所受的力，n 显焓，l d m o l - l 参考焓，l d m o l - 1 总焓，l d m o l - 1 液体材料的潜热，l d m o l - l 稠度系数，k g s n 2 i n 质量流率 流动指数 努塞尔数 普朗特数 斯坦顿数 热流密度，w k 1 m 之 雷诺数 源项 源项线性化处理时的常数部分 源项在r 变化的曲线在p 点的斜率 由于液体凝固产生的源项 时间，s 温度，k 液化温度，k 固化温度，k 参考温度，k z 方向的速度，m s d 由于液体的凝固产生的回拉速度在z 方向上的分量，m s 以 速度矢量，m s d y 方向速度，m - s 1 由于液体的凝固产生的回拉速度在y 方向上的分量，m s 1 z 方向的速度，m s 1 由于液体的凝固产生的回拉速度在z 方向上的分量，m s - 1 空间坐标，m 空间坐标，m 空间坐标，m 潜热，l d m o l - 1 x i 勺如d r b ek日m廊n虬r g凡s昂曲，r蛐巧“坳u v坳wx y z 岍 北京化t 人学硕1 ：学位论文 a v 控制容积的体积，m 3 5 x 控制容积的x 方向的长度，m 缈控制容积的y 方向的长度，m 止控制容积的z 方向的长度，m 希腊符号 b 8 r a p t 缈 刁 下标 拧 w 液相体积分数 为了防止被0 除而设置的一个小量( = 0 0 0 1 ) 广义扩散系数 导热系数，w m l - k 1 动力粘度， 密度，k g m - 剪应力 广义变量 表观粘度， 水、加热油、聚合物、空气， 边界法向， 壁面 x i i 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 何其他个人或集体已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，均己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：莹么牡日期：2 划丝l 曼二卜 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2 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： 叁鸣牡日期： 导师签名：勃数 日期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国石油化工事业的飞速发展，我国建立了很多塑料工业生产基地，使 得树脂产量不断增加，品种也越来越齐全，树脂产品有粒状、粉末状之分。对于 粒状产品，通常要求粒子规整、晶莹饱满、无棱角碎块现象、无松散和绒毛状物 质、无任何污染粒子存在，以保证树脂产品的质量【l 】。 大型挤压造粒机是大型乙烯及深加工装置( 聚丙烯、聚乙烯等) 的关键设备， 长期被德国、日本少数厂家垄断，它们控制着包括我国在内的市场、价格和交货 期，处于高度垄断。一台3 0 万吨年生产能力的挤压造粒机已由2 0 0 2 年的五六 百万美元涨到目前的千余万美元，交货期也由1 0 1 2 个月延至1 8 2 4 个月，严重 影响了我国石化工程项目的投资和建设进度，制约了我国石化工业的快速发展。 近年来，我国石化行业致力于大型挤压造粒机组国产化的设计研发，并掌握 了主要零部件的制造技术和一些带有诀窍性的特种技术，以及这些零部件的质量 控制技术【2 1 。我国生产的国产化全密度聚乙烯大型造粒模板装机，自开车连续运 行，已经生产出合格产品1 6 万吨，且达到了同类进口产品的技术性能和使用要 求。但由于多方面的原因，目前造粒模板国产化之路仍不太连续，许多企业仍支 出大量外汇，依靠进口模板维持生产。 1 1 1 挤压造粒系统的工艺流程 挤压造粒系统的工艺流程如图1 1 所示。脱气后的粉料树脂和各种添加剂混 合后，经料斗送至混炼机中熔融，并通过节流阀调节混炼程度；熔融树脂经熔融 泵增压，经过换网器的过滤网去除部分杂质后，送至模板；经模孑l 挤出后的聚合 物进入切粒机的封闭水腔中，有旋转切刀在冷却水中进行切割造粒；颗粒料被冷 却水带入除块器中，将大块颗粒除去后送至离心干燥机脱水干燥；干燥后的颗粒 料送至振动筛筛分，合格产品被送入净化仓存放【3 】。 北京化工人学硕十学位论文 接体避橱栅聚乙埔固体缓知嗣 惹体馥樊i l 捧窑l 热漉菜筑 齿 轮 箍 盐 齿袍霜 莨麓腱 剿剖熟豳户丰煅 l 俺体冷却ll u 砖帮瘩 。_ l 查墨缝l鞭动i m耆协i 弥协叠糸曩 图1 - 1 挤压造粒系统的工艺流程图 f i g 1 - 1s k e t c ho fe x t r u s i o np a l l e t i z i n gp r o c e s s 水下切粒系统广泛用于聚烯烃类塑料的大规模生产。切粒机通常有两种工作 模式：一种是“间隙式”切粒，切刀与模板之间有固定的间隙，这种切粒方式操 作简单，切刀与模板磨损小、使用寿命长，但切出的颗粒形状不规则、碎屑多、 带尾严重；一种是“接触式”切粒，切刀始终与模板保持接触，这种切粒方式切 出的颗粒外观整齐、碎屑少不带尾，产品质量高，但切刀与模板磨损快，使用 寿命短。“接触式 切粒方式即切刀始终与模板保持接触，动力来自于0 2 m p a 的仪表风( 压缩空气) ，仪表风通过气液转换装置产生1 6 m p a 的液压油作用在 切刀轴上，对切刀产生向前的推力，切刀运行过程中的磨损量通过进刀压力自动 得到补偿，切刀在切粒室内高速旋转，从模板挤出的高温熔融聚合物被切成圆柱 体颗粒，经过6 0 冷却水冷却后输送到干燥、筛分系统处理，合格的粒料输送 到成品料仓进行包装，如图1 2 所示【4 】。 冷m a r e , 麓辫黼 l 。蜘较熏；2 震褰曩；3 刀赣麓进量；t 花镰联簟薯；s 切稳电仉； 矗移动肆蠢；7 ，气灌转换旋重；i 鼻心中焉譬；9 曩动簿 图l - 2 切粒机流程图 f i g 1 - 2s k e t c ho f p e l l e t i z e r 2 第一章绪论 1 1 2 影响切粒质量的重要因素 切粒过程是一个复杂的过程，切粒质量的好坏受到切粒机的切刀、模板、切 粒水【5 】和熔体流动速率( m f r ) 等诸多因素的影响。 ( 1 ) 切粒刀对切粒质量的影响 切粒到强度过高，常会引起切粒刀与模板的过度磨损，造成模板与使用寿命 的缩短，极易发生切粒刀断裂现象。切粒刀强度过低，又会引起切粒刀严重磨损， 造成产品部规则、颗粒多、粉尘多等切粒质量问题。 切粒刀的锐利程度对颗粒产品外观影响最大。切粒到锋利，则颗粒的断面越 平滑，反之越粗糙，甚至发生粘连。为了保证颗粒产品粒子晶莹、饱满、无棱角、 碎块，就必须选择合适的切粒刀材料及热处理工艺。 切粒刀旋转速度的高低影响颗粒的长短、弯曲程度和平稳操作。转速过高， 切出的颗粒质量较短；转速过低，切出的颗粒较长，颗粒弯曲较严重甚至发生缠 刀事故。 ( 2 ) 模板工况对切粒质量的影响 造粒模板在实际使用中，背面接触高温物料，本体内流通压力为4 5 m p a ， 整体的加热温度在2 2 0 左右，而正面是6 0 左右的冷却水，又有切粒刀紧密贴 合在模板表面上高速旋转。因此要求造粒模板表面粗糙度及加工尺寸精度高，否 则会引起垫刀、颗粒碎片多，并造成切刀磨损严重，影响造粒模板与切粒刀的最 佳匹配和运行。 造粒模板钎焊硬质合金块的强度也是影响颗粒质量的一个重要因素。合金硬 质块钎焊强度低，会造成合金块在熔融树脂压力作用下凸出模板表面，导致切粒 刀切粒不均匀，有许多颗粒碎片及粉末出现。若硬质合金块凸出模板表面太多， 会发生打刀现象。 当模板的开孔率不够时，切出的颗粒树脂大小不一，严重时产生大量的碎片 或长条料，这些形状各异的颗粒树脂由于流动性不好而容易堵塞预脱水器、脱块 器等设备和系统的管道，而发生缠刀、“灌肠 等事故。预防措施：( 1 ) 开车前模 板要充分加热，并且从模板处拉足够的料，必须确保模板的开孔率在8 5 以上。 ( 2 ) 定期更换换筛器的筛网，防止有杂质经过堵住模孔【6 】。 造粒模板加热介质温度场的均匀性，直接影响着熔融物料能否顺利均匀得通 过造粒模板的成型通道。若温度控制不均匀，会造成部分成型孔物料的流速不均 匀，在切粒刀盘的作用下，颗粒产品将会长短不一、不规则的颗粒增多，影响颗 粒的表观密度，不利于后段工序的操作运行。并且颗粒外观粗糙，毛刺、飞边较 多，严重时堵塞成型孔通道，影响造粒模板背面高温物料的压力分布【l 】。 北京化工大学硕1 ：学位论文 造粒系统运行时出现的问题之一是模板温度偏低，这会影响颗粒的质量甚至 会造成模板堵塞。究其原因是：在机组运行中，形响模板的因素主要有4 个方面： 一是物料通过模板的流速，流速越高，模板温度会高些，二是给模板加热的导热 油的流速和温度：三是使模板冷却切粒水的流速和温度：四是模板的绝热性能。在 试生产前期，观察到经过几次开停机之后，模板温度逐渐在降低，而各方面操作 条件没有大的变化，但板温却从1 7 4 降到了1 4 8 ；在1 次停机降温之后，检查 时发出引起板温下降的主要原因是模板的隔热效果差了。这时可采取更换其中隔 热垫片的办法，使模板温度重又回到正常值【7 】。 ( 3 ) 切粒水对切粒质量的影响 切粒水水温由板式冷却器和低压蒸汽联合控制，流量、压力由切粒水泵出口 阀控制。水温过高易出现串料。缠刀灌肠等事故；水温过低易使模板温度低，冻 堵模孔。同时树脂变脆，切削时碎屑增多。在保证水流量、压力的同时必须控制 好水温，温度可通过手动设定由联合装置的电磁阀自动控制。切粒水温度与产品 的m f r 关系很大，当生产不同牌号的产品时，水温应作相应的调整。 ( 4 ) 熔体流动速率( m f r ) 对切粒质量的影响f 8 】 高m f r 的产品，由于熔体的流动性增加，对切刀的要求更加苛刻，任何一 把切刀出问题都有可能导致产生大量的块料。 在生产高m f r 产品时，由于熔体到模板出口处的压力相对较低，因此可以 适当提高进刀压力，以获得良好的粒子形态。 在相同负荷下生产高m f r 产品时，由于熔体流过模板模孔的速度增加，因 此一般切刀转速要有所提高，来保持颗粒的长度一致 由于模板直接和冷却水接触，因此温度较低，在生产低m f r 产品时，堵孔 的几率增加，将影响生产的稳定和产品外观。因此，建议在生产低m f r 产品时 提高模板温度。然而，在生产高m f r 产品时，为降低熔体的流动性而获得较好 的切粒效果，则建议适当降低模板温度。 冷却水起到冷却熔体和输送颗粒的作用。适宜的水温能够改善切粒状况，延 长切刀的使用寿命。通常，在保证切粒外观良好的情况下，可以提高颗粒水温度， 即使在生产高m f r 产品时，冷却水的冷却能力也可以满足颗粒冷却，且较高的 水温有利于离心干燥器对颗粒的干燥处理。参数做相应的调整，使产品的性能更 加稳定。如对于m f r 较低的管材料，应该通过降低冷却介质的温度来加强挤压 机的撤热，同时保持节流阀处于开位置，从而降低聚合物的热降解和挤压降解。 对m f r 较高的p p 牌号，则应该采用降低模板温度、适当关闭节流阀开度、提 高挤压机负荷的方法来保证熔体在切粒时具有良好的加工性能。 4 11 3 造粒模板 卜秽荔 t ? ? 。芝； ? 孓：立多 图l o 造粒模板的结构幽 f i g i - 3 t h es t r u c t k r t ! d r a w i n go f t h e d i e ( 2 ) 造粒模板的工作条件及要求 造粒模板使用条件比较苛刻，物料流入一侧是2 0 0 以上的粘流态熔融树 脂，流出端为6 0 7 0 的冷却水。模板造粒带区域设有若干加热通道，高温高压 北京化工大学硕上学位论文 蒸汽或高温导热油长期在此通过。造粒带硬质面因其材质与本体不同，二者之间 必然存在着一定的热应力。因此，高质量的造粒模板必须满足以下条件【9 】： a 加热通道设计合理，蒸汽加热后造粒面温度温度均匀，确保物料不在模孔 中凝固或堵塞，并保证物料流出速度一致； b 加热通道密封性好，不能产生泄漏； c 造粒带材料耐磨性好，且与基体焊接牢固可靠； d 选材和结构合理，能耐温3 0 0 ，并有足够的机械强度承受来自物料、 导热介质的压力及切刀传递的压力。 ( 3 ) 造粒模板形式及加热方式 造粒模板的形式多样，按加热介质分为蒸汽、热油及电加热；按换热方式分 为辐射式气道、环型冷道和空腔列管换热；按出料带硬质合金形式分为单体硬质 合金块钎焊、整体硬质合金钎焊、堆焊( 喷焊) 和硬质合金；按出料带和模板本 体连接形式分为整体式和组合模环式【l 】。 模板是大型挤压造粒装置中的关键零件，其加热方式的合理与否直接影响到 切粒的成品率及开孔率的高低，直接影响到挤出机的产量，因此选型时必须慎重 对待。模板的加热方式主要有以下几种： a 高压蒸汽加热。与简体加热方式一样，这种方式可为企业节约能源，但蒸 汽压力和温度的波动同样会影响到挤出机的开孔率及制品的质量，导致产品成品 率下降。如果模板的高压蒸汽疏水器工作效果不好会造成模板加热不均，加热效 果差从而导致断刀或出现长条料等现象，严重时会导致“灌肠”。预防措施：( 1 ) 适当调整切粒机转速和切刀进刀压力。( 2 ) 打开疏水器前的导淋阀排水( 为防止 一个疏水器造成加热效果不好，车间在技改时已增加一个并联的疏水器) 。 b 导热油加热。这种控制方式可以确保模板温度的平稳控制，不会因颗粒冷 却水温度的变化而发生变化，模板开孔率高，切粒效果好，因而得到了广泛的应 用。本文中模拟模板传热时就采用了这种加热方式。 c 电加热。由于水下切粒模板与机头体相连，且被密封在切粒室内，电加热 从理论上是可行的，但对加热棒及模孔的分布有着十分高的设计和制造要求，且 安装和维护都十分不便，故仅有少量用户在中等规格的机型上使用，且效果一般。 d 模板不采用加热。仅靠熔体和机头体的热传导让模板保证恒定的温度， 这种做法可靠性比较低，由于模板温度不能进行单独控制，经常会由于模板温度 不稳定导致其开孔率下降，影响切粒效果，这种方式在小型机上比较常见，在大型 设备上用的很少【1 0 1 。 ( 4 ) 节能对造粒模板的设计要求 现阶段，模板是进一步提高挤出机的关键问题之一。因为随着产量的提高， 6 第一章绪论 物料流在模板处的阻力加大，压力升高，机组的能耗上升。而切粒机在相应转速 下，切粒阻力增大，产量并未相应提高。 降低模板压力可通过增加模孔数或扩大模孔直径来实现。孔数增加l o ，其 压力大约可降5 ；而孔径扩大1 0 ，其模板压力约可降低3 0 ，但孔径的扩大会 使颗粒变大，产品质量受到影响，而下游设备也需进一步改造。故通过增加模孔 数和切刀把数，使挤出机产量提高，其工作效率也大为改善，比能耗降低o 0 0 8 k w h k g 。 模板孔数的增加会使模板压力降低，若压力过低( 通常不低于4 m p a ) ，将导致 模板出料不均匀且变慢，切粒时会产生大量的小片料和碎屑，严重时会出现缠刀。 同时，孔数的增多，产量增大，给切粒水冷却系统增加负担，若粒子的热量不能 及时撤走，将产生粘粒，直接威胁到设备的正常运行。另外，模板孔数的过多增 加，会使模板的加热量大幅上升，反而增加挤压机的能耗。故模板增加孔数应控 制在3 0 左右较为合适【l l 1 2 】。 ( 5 ) 造粒模板国内外发展现状 塑料造粒模板是聚乙烯、聚丙烯等塑料原料生产过程中关键的易损部件，其 质量的优劣直接影响着塑料原料的质量和产量。长期以来国内大型石化企业一直 依赖进口模板维持生产。进口模板不仅价格昂贵，而且供货周期长，为了不影响 生产，许多企业不得不备有一定量的库存，从而造成大量资金的积压。目前国内 已有大型塑料生产线1 0 0 多条，许多企业仍在进行改造扩建，预计到2 0 1 0 年， 塑料原料产量会比现在翻一番，每年用于造粒模板方面的开支可达数亿元人民 币。 塑料造粒模板是一种具有高风险、高附加值的高科技产品。目前世界上只有 美国、日本、德国、法国等少数国家掌握该产品设计、开发及生产技术。国内大 型石化企业目前使用的模板绝大部分是由同本制钢所、日本神户制钢所以及德国 w p 公司提供的。国内在二十世纪八十年代末期开始了塑料造粒模板的国产化工 作，并取得了一些可喜进展。但由于多方面的原因，目前造粒模板国产化工作进 展仍不十分理想，许多企业仍支出大量外汇，依靠进口模板维持生产。 造粒模板通常由不锈钢本体和硬质耐磨造粒带两部分构成。二者之间采用真 空钎焊技术实现牢固连接。在本体中有若干物料流入通道和数百至数千个孔径为 2 2 3 5 m m 的物料留出通道，在流出通道之间设有多条物料加热流道，加热介质 为高压蒸汽或高温导热油，加热温度通常为2 0 0 3 0 0 。塑料造粒时，物料在螺 杆的旋转推动下，通过被加热的模板本体后，立即受到5 0 6 0 的切粒水冷却并 发生硬化，随后便会被高速旋转的切刀切成颗粒。为保证切粒质量，多数情况下 切刀与造粒带硬质面之间必须紧密贴合，因此理想的造粒带材料特性应具备：1 ) 7 北京化t 人学硕l 学位论文 硬度高、耐磨性好；2 ) 耐热、耐腐蚀性好；3 ) 导热率低且与不锈钢之i 日j 焊接性 能好。下表为目前常用的造粒带材料、制备工艺及其优缺点比较。 表1 1 几种造粒带材料比较 材料 嘉警 硬度h r c耐磨性耐蚀性 导热率焊接性能 目前美国、德国、法国等欧美国家及辽阳斯佳均采用w c c o 硬质合金，日 本则多采用t i c 。f e 钢结硬质合金，w c - n i 因硬度低、耐磨性差己逐渐被放弃【1 3 】。 国内已研制出以w c c o 为造粒带的塑料造粒模板【1 4 舶】。 1 2 国内外的研究情况 造粒模板是生产聚乙烯、聚丙烯的专用模具，是挤出过程的重要设备之一。 模板内部熔融流体和导热油的流道形状及其分布对切粒的大小和品质具有重要 的影响。因此有必要研究模板内部的流动与传热，为合理设计模板提供参考依据。 聚合物经过挤出机的混炼融化后进入模板中，通过模板中的多个模孔挤出， 而模孔是收敛流道，孔径逐渐变小。在聚合物成型加工过程中，聚合物熔体常常 需要在收敛流道内流动，对聚合物在收敛流道内的流动进行数值模拟具有非常重 要的理论和实际意义。 以往大多数类似研究集中在二维问题上【1 川9 1 。而柳和生f 2 2 】等利用罚函数有 限元法，采用幂律本构模型，不仅对聚合物熔体在l 型异型材挤出口模内的三维 等温流动进行了模拟，也对聚合物熔体在矩形收敛口模内的三维等温流动进行了 模拟，得到了口模内熔体流动的速度场和温度场。 赵国群【2 3 】等采用罚有限元法，在考虑了聚合物口模内流动的粘性耗散项以 及温度和剪切速率对粘度的影响下，模拟了聚合物熔体在圆形渐变为正方形截面 的收缩口模内三维非等温挤出流动，得到了速度场、温度场和黏度分布。 赵良知主要研究了不同入口锥角短口模流道挤出加工过程中聚合物熔体的 粘弹特性，以及在口模流动过程压力损失，入口弹性贮能和挤出胀大比之间的关 系【2 4 1 。 8 第一章绪论 挤出口模内的温度场能够影响口模捏聚合物的流动。b i n gy a n g 等【2 5 】和 h o w a r dw c o x ，c h r i s t o p h e rw m a c o s k o 2 6 】研究了口模温度对其内部聚合物流动 的影响。 口模的几何尺寸也能够影响口模内的流动和温度分布。j w o r t b e r g ，e h a b e r s t r o h ，j l u t t e r b e c k ，u m a s b e r g ，j s c h m i d ta n dqt a r g i e l 2 7 1 和r a m a nv c h i m v e l l a ，y j a l u r i a ，a h a b i b 2 8 】研究了口模的几何尺寸对口模内的流动的影 响。 。 模板切粒侧与冷却水接触，受到冷却水的冷却作用，聚合物流动到模孔出口 附近时有少量会凝固。为了预测最终的聚合物的性质和确保切粒的质量，有必要 研究加工条件下的聚合物的凝固。无论如何，由于工业加工中的凝固常常包括流 场，高的热梯度和高的压力，因此能够描述聚合物行为的模型就变得非常复杂。 许多人在用各种各样的方法研究了聚合物的相变【2 ”1 1 。v b r u c a t o 等【3 2 1 为研 究高冷却速率下的半晶体状聚合物的结晶行为提供一种实验方法。c s “等【3 3 】 对聚合物加工过程中的相变问题进行了有限元分析。r l eg o f f 掣3 4 】研究了没有 剪切时的半晶体状聚合物凝固过程中的传热并对其进行了建模。b s c h e n 和 w h l i u 等【3 5 】为包含相变的注模填充过程提出了一个两相模型。l i n gc y a n g 等 【3 6 3 7 1 使用隐式有限差分方法研究了幂律流体在圆管中的稳态凝固和瞬态凝固，并 且分析了p e c l e t 数、n a h m e 数以及幂律指数对凝固层形状的影响。 近年来，有越来越多的人致力于研究模板中的流动与传热。任世雄和卢涛等 网建立了切粒模板的三维传热模型，并对其进行数值求解，获得了模板内部的 温度分布。任世雄和李进良等【3 9 】对不同模孔和不同加热油流道切粒模板的三维 模型进行数值求解，还计算了在不同温度的冷却水、不同的加热油对流换热系数 以及不同模板材料下的模板的温度场。 王敦旭【l3 】对造粒模板换热系统的流动及传热进行了仿真研究，并且通过调 控各种生产参数得到了换热系统的最优传热及流动参数。石奇峰等 4 0 1 应用f l u e n t 软件对造粒模板的加热介质在不同压强下的流场和温度场以及模板的温度场进 行了模拟，并指出造粒模板的结果缺陷及改进方案。 1 3 本课题的任务 本课题的主要任务就是通过采用稳态固化与熔化模型的数值模拟方法，模拟 模孔内聚合物的相变流动和传热情况，预测并分析聚合物的凝固状况，得到模板 及其内部的聚合物的温度场，速度场、压力场和相变场。最后对数值结果进行分 析，为优化设计模板及合理选择操作参数提供理论依据。主要研究内容为： ( 1 ) 在g a m b i t 软件中建立单个模孔的模板，进行网格划分，设置合适的 9 北京化t 人学硕一i ：学位论文 边界条件 ( 2 ) 采用商业c f d 软件中的f l u e n t 对模孔中聚合物的相变流动与传热 进行稳态数值模拟。 ( 3 ) 改变模孔和流道的形状，改变模板切粒层的材料，改变边界条件、改 变聚合物流变特性后继续进行计算。 ( 4 ) 对不同导热油通道下导热油在模板中的流动与传热进行计算。 1 0 第二章模板中聚合物相变流动与传热的数学模型 2 1 模板中聚台物相变流动与传热的控制方程 为了满足切粒j ：艺要求，模扳的热工作环境比较复杂。如图2 - l 所示经过 挤出机的混炼融化后，高温聚合物进入到模板中，在切粒端受到冷却水的冷却作 用，被水下旋转切粒刀从模板的切粒面切下。由于切粒模扳和冷却水的对流换热， 模板及聚合物的温度下降。为了避免聚合物在模孔中不至于因凝固造成摸孔堵 塞，需要在模板内部椎置导热油流道，通过热油对模板进行保温。 鸯! 研牲面 圈2 - l 模扳内部的传热过程 f 嘻厶i h e a t t r a n s f e r w i t h i n t h e d i e 为分析方便，可进行如下假设：l 聚合物的固、液单相的比热、导热系数、 密度为常数；2 凝固相变发生在一定的温度范围内；3 聚合物流体不可压缩、 流态层流、壁面无滑移、忽略重力；4 聚合物流体为幂律流体。得到描述聚合物 熔体相变流动与传热的连续方程、动量方程和能量方程。 21 l 连续性方程 质量守恒方程叉称为连续性方程，其表达式为； 塑十掣+ 掣+ 掣：o ( 2 1 ) 新缸却玉 上式中的第2 ，3 ，4 项是质量流密度( 单位时间内通过单位面积的流体质量) 的散度，可用矢最符号写出为： 北京化丁人学硕i ：学位论文 害+ d i v ( p 【，) ：0 掰 ” 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为： d i v u = 0 2 1 2 动量方程 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 一多孔度( e n t h a l p y - p o r o s i t y ) 技术模拟流体的固化和熔化过程。在流体的固化 和熔化问题中，流场可以分成流体区域、固体区域和两者之间的糊状区域。“焓 多孔度 技术术采用的计算策略是将流体在网格单元内占有的体积百分比定义 为多孔度( p o r o s i t y ) ，并将流体和固体并存的糊状区域看作多孔介质区进行处理。 在流体的固化过程中，多孔度从i 降低到0 ；反之，在熔化过程中，多孔度则从 0 升至1 。“焓一多孔度 技术通过在动量方程中添加汇项( 即负的源项) 模拟因 固体材料存在而出现的压强降。 流体区域的动量方程为标准的动量方程，即： o ( p u ) + 坌! 旦竺竺! + o ( m u ) + o ( p w u ) o ta x o y 3 z = 一妻+ 昙( 万挑u + 2 玎罢) + 昙卜( 象+ 雾) + 昙 刁( 暑+ 罢) + 以 曼螋+ o ( p u v ) + o ( p w ) + o ( p w v ) ：争取瓣牖陋均豺默老+ 耕孵q 。4 o ( p w ) + o ( p u w ) + o ( m w ) + o ( p w w ) o to x o y o z = 一警+ 未 刁( 芸+ 暑) + 参 刀( 笔+ 爹) + 鲁( 石旃y u + 2 叩警) + p e 糊状区的动量方程要在标准动量方程中添加由于液体凝固产生的源项【4 2 】： 是= 锱l ( 掣 岛= 高( 掣) 协5 ， 是= 溯k ( 掣 1 2 第二章模板中聚合物相变流动与传热的数学模型 因此糊状区域的动量方程的表达式为： a ( p u ) 。a ( p u u ) a ( m u ) 。a ( p w u ) 8 t a ) c 却 a z = 一罢+ 昙( 砌刁罢) + 瓤塞+ 计划鲁+ 剀+ p f 一s ， a ( p v ) 。a ( p u v ) 。a ( p v v ) 。a ( p w v ) l t t a t瓠 如酰 一考+ 取是+ 讣导( 砌y 刁讣荆老+ 别射 p f 。一s ， a ( p w ) 。a ( p u w ) 。a ( m w ) a ( p w w ) r t 一 8 t 融 如跣 = 一警+ 取罢+ 卦瓤耋+ 剀+ 妄 砌v 刁卦 p f z s ： 其中，为液体体积分数，占为预防被0 除而设的一个小于0 0 0 1 的数，a 。啪 为糊状区常数，u p ，v p ，w p 为牵连速度。 聚合物流体为幂律流体，本构方程为： z = m j 疗一1 ( 2 7 ) 式中，朋为稠度，户为剪切速率，计算使用聚丙烯的物性参数： m = 3 8 0 2 n s 4 m 2 ，以：0 4 。 2 1 3 能量方程 其中 材料的焓通过显焓h 和潜热蜩的和来计算： h = h + a h 7 h = h 一、c p d t 并且 阿2 参考焓，= 参考温度，c p = 定压比热 液体分数可定义为： ( 2 8 ) ( 2 9 ) 北京化t 人学硕 ：学位论文 b = t 。妇 ( 2 1 0 ) 乃。脚 丁 。妇 冥中第三个表达式被称为杠杆定律。 潜热焓可写成材料潜热的函数： 胡= 肚 ( 2 1 1 ) 是液体材料的潜热，因为0 ps1 所以凝固区材料的潜热值的范围是 0 ， l 】 对于凝固熔化问题，能量方程可以写作： 妄( ) + 岳( 础) + 品( 舢) + w n ) ：旦f 旯塑+ 五塑+ 五a z1 + 旦f 名塑+ a 望+ a 塑1 + ( 2 1 2 ) 叙i 氏却出却i 苏匆瑟 昙f 五娶+ 力要+ 兄罢1 + 品 芘i苏却瑟j 。 其中h ：焓，p ：密度，s r ：源项 当r u i d u s 时即为液体区的能量 方程 2 2 边界条件 即： 切粒模板与冷却水的接触面( 切粒面) 、导热油流道为对流换热边界条件， 一旯孰= 五亿一) 除了进出口流动边界条件外，其余表面为绝热表面，即： 一旯到：o a n i 矿 1 4 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ? 兰砉 第二章模板中聚合物相变流动与传热的数学模型 2 3 基于有限体积法的控制方程离散方法以及数值求解方法阳1 2 3 1 数值模拟方法及分类 随着计算机技术和计算方法的发展，许多复杂的工程问题都可以采用区域离 散化得数值计算并借助计算机得到满足工程要求的数值解。 区域离散化就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间。实施过程是 把所计算的区域划分成许多互不重叠的子区域，确定每个子区域的节点位置和该 节点所代表的控制体积。节点是需要求解的未知物理量的几何位置，控制体积是 应用控制方程或守恒定律的最小几何单位。一般把节点看成控制体积的代表。控 制体积和子区域并不总是重合的。在区域离散化过程开始时，由一系列与坐标轴 相应的直线或曲线簇所划分出来的小区域称为子区域。网格是离散的基础，网格 节点是离散化物理量的存储位置。 常用的离散化方法有有限差分法( f d m ) 、有限元法( f e m ) 和有限体积法 ( f v m ) 。而f l u e n t 是基于有限体积方法的。有限体积法又称为控制容积法，是 将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待 解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程。其中的未知数是网 格节点上的因变藿。子域法加离散，就是有限体积法的基本思路。有限体积法的 基本思路易于理解，并能得到直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是因变 量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控 制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒 对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足，这是有限 体积法吸引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格及其细密时， 离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的 积分守恒。 2 3 2 基于有限体积法的控制方程离散方法 将连续的空间用离散的点来记录，称为离散化。在离散的点之间用光滑曲线 通过内插装连接。即使对于假的离散数据，只要在头脑内想象成连续的函数即可 对微分方程进行求解。这样，只要已知现在的时间和空间，就可根据这些离散数 据对将来的对间和空间进行预测。 数值流j 奉力学的问题一般要了解每时每刻流场的变化，即对控制方程进行积 分求解。实际上是求空