关于密炼机转子的冷却问题

周元华　编译

关于密炼机转子的冷却问题

周元华编译

详细介绍了对密炼机转子冷却问题的研究成果。重点阐述了已开发成功的流动解析技术在预测转子冷却性能方面的运用情况。经过实验确认，二段结构转子的冷却功能比一体结构转子的强。

密炼机；转子结构；冷却；预测

0　前　言

近年来，对混炼轮胎用橡胶的密炼机的热能和能量的管理，乃是以削减CO2排放量为代表、以减轻环境负荷为目的的世界性潮流。所以，这个问题就显得非常重要。原因之一，是人们要求轮胎能有效地利用能量，其代表就是如今倍受人们关注的低油耗轮胎。所谓低油耗轮胎，就是减少发动机驱动力中，因轮胎变形生热而消耗的能量，以减少燃油费支出。多数低油耗轮胎在制造过程中需配合白炭黑，而白炭黑和橡胶的结合性差，所以，在混炼过程中还要使用硅烷偶联剂，在适宜的温度条件下，让偶联剂参与反应。为此，低油耗轮胎生产过程中，温度管理比以往生产的轮胎更具重要性。再者，为了提高生产效率和产品质量，要赋予胶料高剪切力，而剪切生热会使胶料温度快速提升，造成胶料焦烧。为此，在混炼过程中需要对橡胶进行冷却。原因之二，橡胶厂在产业界被列入能源消耗量大的范畴。平均每吨胶料需消耗1～2.5 kWh的电量，其中，30%～50%消耗在橡胶混炼过程中。对于橡胶密炼机来说，其消耗能源的大半部分用于温升。用冷却水去热，有效地利用能源，无论从环境保护，还是从降低生产成本角度来讲，这个观点无疑是很重要的。

文中就现有转子冷却方面所做的研究，用作者所在公司的流动解析法介绍了转子冷却的方法。此外，文中还谈到了研究该方法所要求的解析技术。

1　转子冷却结构和冷却性能预测技术的开发

1.1转子冷却结构

在密炼机里对橡胶的冷却，通常是采用水冷办法。这种水冷办法大致上可分为二种。一种是用包含了活塞或者含冷却下垂门在内的箱体冷却；另一种是直接转子冷却。箱体冷却是通过在箱体内部设置了几条水流道实现的。到目前为止，经过不断开发，已经获得了适宜的冷却功能。另一方面，转子直接冷却方法还有改善的空间。密炼机所消耗的能源约40%用于橡胶，约10%为机械损耗，剩下的50%通过冷却水除热被排出。箱体冷却和转子直接冷却，其效果相同，所以转子冷却的结构对密炼机的冷却性能有很大的影响。

下文先介绍使用至今的转子冷却装置的构造。图1是切线式转子中最具代表性的两种冷却方式简图，即一体结构冷却方式和二段结构冷却方式。

图1　转子冷却结构

一体结构冷却方式是将转子和冷却水流道整合成为一个整体.，冷却水流过转子内单一的流道，去热冷却。但是，流道内水的流速慢，热传导率低，冷却能力比二段结构方式的差。二段结构冷却方式是在转子内，由几条沿着转子凸棱分布的流道构成了冷却结构，冷却水保持快速流动。

冷却水流道接近转子的表面，所以冷却能力比一体结构的强。Schmahl等人对箱体式冷却和不同结构的转子冷却的性能作了实验性的研究。至于转子冷却，可以随意设定一个初始温度，经过一段时间后再比较转子的表面温度和它的平均值。

1.2关于转子冷却橡胶的研究

对于密炼机内的冷却问题，已开展了一些研究，其中包括实验性求得总导热系数的研究。在该项研究中使用了7 L（容量）的切线式密炼机，用冷却水去除密炼机内的热量，然后求得箱体内表面基准的总导热系数。根据这一研究结果，推算出密炼机内的总导热系数约为150～300 W/（m2·K），当然这还要取决于密炼机的结构和转子的转速。

入江等人把密炼机的容量设定为75 L，研究了改变与橡胶投入量相对应的导热面积比例时的倾向和对黏弹性的影响。依据这一研究，确认了即使增大导热面积的比例，总的导热系数大致上仍保持不变。当弹性处于支配地位时，总的导热系数才增大。但是，分别对箱体冷却和转子冷却的除热量进行研究的实例还是凤毛麟角，到目前为止还没能定量地掌握密炼机转子的除热量。

2　将热流动解析法用于密炼机的开发

2.1为开发密炼机用解析法作前期预测

密炼机里的橡胶呈部分充满状态，并在密炼机内流动，而要掌握其内部流动状态和温度分布情况并非易事。因此，目前仍凭经验进行开发，这样既花费时间又浪费经费。该文作者所在公司为了掌握混炼过程中胶料的行为，并把它融入密炼机的设计中，目前已开发出一种利用部分充满流动解析来预测混炼性能的方法。根据该解析方法可以确认，预测的分布性能与实际的分布性能基本一致。另外，对转子的作用力以及转矩这样的机械性负荷，也能作定性的预测。但是，存在着计算工作量增加的问题。按照现状，目前对温度的计算还不行。正如以上所述，橡胶混炼过程中的温度预测和流动预测同等重要，所以必须确立解析技术。为此，针对转子冷却问题，已开发了利用热传导解析原理的预测技术.

2.2转子冷却预测技术

2.2.1关于预测技术的概要

该文作者供职的公司利用转子的热传导解析原理，开发了转子放热预测技术，其对象是一体结构的转子和二段结构的转子，对它们的冷却功能进行了对比。首先，比较了在室温下进行的非常规冷却实验和温度下降时的情况，以此来验证解析技术是否适用。然后，采用该解析方法，预测实际混炼条件下的放热并进行了比较。

转子周围环境可分为流经转子内部的冷却水部分，转子自身的金属部分和转子外面的橡胶部分三大块。所以，通过计算各部分的热传导率，解析转子的热传导，就能预测转子的除热量。文中，橡胶的热传导率是固定的，而温度为一定值，金属部分只考虑转子材质的热传导率，冷却水的热传导率可通过冷却水的流量计算。再者，假定转子表面和橡胶呈全接触状态，计算如此进行。

2.2.2冷却实验

为了确认热传导解析的精确度，首先比较了非常规状态下的实验和温度的变化情况。把内部冷却结构不同，但外形相同的转子加热到规定温度，然后通冷却水，用温度计录仪测定转子表面温度的变化情况。图2是实验用转子的外形。将转子表面涂成黑色，用热观测仪检测其表面温度。将转子长棱工作面的温度作为研究对象，将实验结果和解析结果进行了对比。

图2　转子冷却实验

图3是用温度计录仪计测的结果，图4是非常规的解析结果。

图3　转子冷却实验结果

比较了不同冷却结构300 s后的温度分布情况。根据图4可以确认，无论是实验还是解析，二段结构的转子冷却功能较强。将实验结果和解析结果作了对比，转子的凸棱部分比其他部分难以冷却，即使在解析过程中也再现了这一情况。图5列示了解析和实验过程中，通冷却水后转子表面温度随时间的变化情况。

图4　与转子冷却有关联的热传导解析结果

图5　与转子冷却有关联的实验与解析之比较

通过转子初始温度Tint和冷却水温度Tcool的差异，使转子表面温度标准化。冷却水一开始流动，转子表面温度就慢慢下降，和一体结构的转子相比，二段结构转子下降比例大，容易冷却。再比较一下实验结果和解析结果，它们的初始值各不相同，但是温度下降的斜度已趋向一致，在非常规状态下可定性地再现转子的温度。

2.2.3预测转子旋转情况下的放热

为了定量地评价解析的预测精确度，表1示出了在设定了实验和旋转条件的解析过程中，于常规状态下的放热量。在实验中，先设定常规状态下的放热量，再评价测定开始后到300 s时的平均冷却速率。在解析过程中，假定转子表面温度为150 ℃，评价此时的放热量。无论是实验还是解析，都是二段结构转子的冷却功能较强。另外，将一体结构转子和二段结构转子作比较后确认，实验结果的平均冷却速率的比例和解析结果的放热量的比例都是2.8，在定量方面也可作高精度的预测。

采用已开发成功的预测技术，来预测先前的研究课题，即不同形状的转子和提高了等级的转子的冷却性能。加之，从对流动的解析中可反映出接触转子表面的橡胶的量，计算出更接近于实际状况的放热量。

表1　转子旋转条件下的放热预测结果

3　对密炼机解析技术的展望

通过以上叙述得知，热传导解析技术可预测转子的冷却功能。另外，正如上文所述，在流动解析方面也可作定性的预测。为此，计算工作量的增加仍然是个问题，下一步可以把两者结合起来，就所谓部分充满状态下的热流动——密炼机内的实况进行解析。今后还将考虑橡胶熔融过程的再现，以及把弹性模型应用于流动解析等研究课题。

4　结　语

以上，在阐述密炼机转子冷却的重要性，和具有代表性的冷却结构的同时，还介绍了已开发成功的解析技术。通过运用热传导解析技术，就能定量地预测转子的冷却状况。但是，为了要预测考虑了橡胶性能变化的密炼机的流动状态，还需要做与流动相关联的解析。橡胶密炼机是机械负荷重的装置，所以更要考虑与其结构解析相关联的问题。今后将继续开发流动·热·结构三个方面的预测技术.

［1］東孝祐等. 密闭式混練機におけるロータ冷却［J］. 日本ゴム協会誌， 2015（4）：18-21.

［责任编辑：张启跃］

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2016-05-12