任世雄，李進良，盧  濤，王奎升

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

    摘要：建立了7種不同?？缀?種不同加熱油流道水下切粒模板的三維傳熱模型，并對各個模型進行了數(shù)值求解，獲得了各個模板模型內(nèi)部的溫度場；并計算了在不同溫度的冷卻水、不同的加熱油的對流換熱系數(shù)、不同模板材料下的模板的溫度場。結(jié)果表明，由于受到冷卻水的冷卻作用，各模板切粒帶表層處溫度比較低；沿著厚度方向，由于受到加熱油和聚合物的加熱作用，切粒帶深層的溫度逐漸升高；在加熱油加熱和冷卻水冷卻的共同作用下，在0 mm≤z≤10 mm處，切粒面淺層的溫度梯度較大。通過分析表明，?？壮叽鐚δ０宓臏囟葓龌緵]有影響；加熱油流道形式、冷卻水的溫度、加熱油的對流換熱系數(shù)和模板的材料對模板的溫度場有一定影響，這為模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、邊界條件的確定和模板材料的選擇提供了可靠的理論依據(jù)。

    關(guān)鍵詞：聚合物；水下切粒模板；溫度場；數(shù)值模擬

    由于聚合物生產(chǎn)裝置生產(chǎn)的聚合物樹脂是粉料而不是粒料，給下游工廠加工塑料制品帶來很多困難，所以要將聚合物樹脂造成粒狀，然而所有大型造粒機組均依賴進口，造粒模板是造粒機的關(guān)鍵易損耗部件，模板的好壞直接影響塑料粒子的品質(zhì)。長期以來，依賴進口模板維持生產(chǎn)。大約每8個月就需要更換或維修，目前生產(chǎn)能力為200kt／a的聚合物模板的進口價高達20萬美元／塊。   

    聚合物粉料與添加劑混合后進入擠出機筒體，在294～513 K的高溫下擠壓熔融，在擠出機螺桿有作用下，通過造粒模板成型孔被擠出，進入水冷卻粒室，被高速旋轉(zhuǎn)的切刀切成顆粒，模板是完成聚合物切粒zui為關(guān)鍵的部件之一，模板加熱溫度場的均勻性直接影響熔融物料能否順利均勻地通過造粒模板的成型通道，若溫度控制不均勻，會造成部分?？孜锪系牧魉俨痪鶆?，在切粒刀盤的作用下會出現(xiàn)長短不一的不規(guī)則顆牲，嚴重影響產(chǎn)品品質(zhì)．

    圖1為模板的結(jié)構(gòu)圖，切粒帶在模板的中央，切粒帶上的模孔均勻分布，為了滿足切粒工藝要求，模板的熱工作環(huán)境較為復(fù)雜。如圖2所示，聚合物入口溫度較高，大約為533 K，與模板切粒面接觸的水溫較低，約333 K，模板內(nèi)部必然存在一定的溫度梯度，為了避免聚合物在模孔內(nèi)不至于凝固而造成?？锥氯?，需要在模板內(nèi)部布置加熱油流道，通過加熱油對模板進行保溫．由于*壟斷，特別是對于大型*模板，無法獲得其內(nèi)部加熱油流道的結(jié)構(gòu)。為了滿足國內(nèi)對模板的巨大需求，對模板溫度場進行數(shù)值計算，并研究?？缀图訜嵊土鞯赖膸缀纬叽鐚δ０鍦囟葓龅挠绊?，對開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模板具有重要意義。   

      本文擬從傳熱學角度，通過構(gòu)造不同形式的?？缀图訜嵊土鞯赖慕Y(jié)構(gòu)模型，選擇不同水溫的冷卻水、不同加熱油的換熱系數(shù)、不同模板材料，對模板傳熱過程進行模擬，獲得模板內(nèi)部的溫度分布，為模板的設(shè)計、邊界條件和材料的選擇提供可靠的理論依據(jù)。

    1 控制方程

    假設(shè)模板內(nèi)部的導熱為無熱源的穩(wěn)態(tài)導熱,其能量守恒議程為:

      2 物理模型和邊界條件

    由于模板的結(jié)構(gòu)特點,在Gambit軟件里建立1/4模板模型,并劃分網(wǎng)格,約190萬個網(wǎng)格,并在Fluent軟件里進行求解.

      2.1 模板的結(jié)構(gòu)形式

      2.1.1 ?？椎慕Y(jié)構(gòu)

    模板的模孔結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示,x為?？准毝蔚纳疃?y為模孔粗段的深度,7種尺寸組合如表1所示.

      2.1.2 加熱油流道的結(jié)構(gòu)

    加熱油流道的3種結(jié)構(gòu)如圖5所示.

      2.2 邊界條件和物性參數(shù)

    模擬算例的邊界條件和模板的物性參數(shù)如表2,3所示.

      3 結(jié)果與討論

    如圖6所示,模板中心和切粒面上側(cè)由于受到冷卻水的作用,溫度較低切粒帶下側(cè)受到聚合物的加熱作用溫度較高,受到加熱油的加熱作用流道作用周圍溫度較高.

    圖7~11為不同條件下切粒帶的溫度變化趨勢.由這些圖可以看出,在切粒帶表面,即0 mm≤z≤10 mm處,由于受到冷卻水的冷卻作用,溫度梯度較大；在10 mm≤z≤20 mm處,由于受到冷卻水和加熱油的冷卻和加熱作用,溫度梯度逐漸減小；在20 mm≤z≤30 mm處,溫度基本不再變化.

    如圖7所示,對于不同加熱油的換熱系數(shù),在10 mm≤z≤25 mm處,模板的溫度存在較大的差異,換熱系數(shù)越高,在10 mm≤z≤25 mm處模板溫度就越高.

    如圖8所示,對于不同溫度的冷卻水,在切粒帶表面溫度差異較大,冷卻水的溫度越低,模板表面溫度越低,沿切粒帶厚度方向溫度差異越來越小.

    如圖9所示,不同材料的模板的溫度分布存在較大差異.分析表明,熱導率越大（如1^#材料）,熱油的加熱作用就越容易影響到切粒帶的其他地方,使得其他地方溫度越高；熱導率越?。ㄈ?^#材料）,熱油的加熱作用就越不容易影響到切粒帶的其他地方,使得其他地方溫度越低.

    如圖10所示,7種?？壮叽缦碌哪０迩辛У臏囟葓龌鞠嗤?說明?？壮叽鐚δ０迩辛У臏囟葓龌緵]有影響.

    如圖11所示,3種加熱油流道形式下的溫度場在0 mm≤z≤13 mm處基本相同；在13 mm≤z≤30 mm處,流道1較低,流道3溫度較高,流道2介于其他兩種形式之間.

      4 結(jié)論

      （1）由于受到冷卻水的冷卻作用,各模板切粒帶表層處溫度比較低；沿著厚度方向,由于受到加熱油和聚合物的加熱作用,切粒帶深層的逐漸升高；在加熱油加熱和冷卻水冷卻的共同作用下,切粒面淺層的溫度梯度較大；

      （2）模孔尺寸對模板的溫度場沒的影響；加熱油流道形式,冷卻水溫度,加熱油的對流換熱系數(shù)和模板材料對模板的溫度場有一定的影響.

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