辊压机加热辊热仿真分析

□ 李 杨

江苏正威新材料有限公司 江苏如皋 226500

1 分析背景

纤维增强热塑性片材具有密度低、比强度高、比模量高、抗冲击、抗疲劳、耐腐蚀、易成形等优点,在交通运输、新能源、建筑、航空、航天等领域得到广泛应用,成为复合材料领域的研究热点[1-2]。连续毡增强热塑性片材具有各向同性、抗移性好、浸润型好、机械刚度高等其它片材难以代替的优势,受到业界关注。连续毡增强热塑性片材是在连续毡与上下淋膜层加热、加压情况下,由热塑性树脂与连续毡充分浸润并经冷却定型生成的片材[3-4]。连续辊压复合生产线具有构思独特、结构新颖、传热效率高、投资少等优点,在连续毡增强热塑性片材复合领域具有良好的应用前景。

加热辊是热塑性片材辊压机的关键部件,其性能直接关系到热塑片材的生产质量和整条连续辊压复合生产线的运行速度。加热辊的主要性能参数包括结构强度、加热能力、辊面温度均匀度,通过将加热后的热油循环输送至加热辊流道中,对辊面加热,由钢带将热量传递至热塑性片材。加热辊的热计算是加热辊设计的关键,良好的流道布置和充分的热源供应是连续辊压复合生产线生产效率和产品质量的保证,笔者对加热辊进行热仿真分析。

2 加热辊流道设计

加热辊采用芯轴+辐板的结构设计,外径为3 500 mm,壁厚为50 mm,辊面宽度为1 800 mm。加热辊的流道采用钻深孔方式制造。根据经验,加热辊流道孔径为25 mm,沿直径为3 450 mm的圆周均布,共有72个孔,每九个孔为一组,分为八组。加热辊芯轴的两端连接中心回转接头,导热油一端进油,一端回油。加热辊辊筒材料为Q345B钢,芯轴采用Q345B钢锻件,焊后去应力退火,加工后校静平衡。加热辊辊面设计温度为150～250 ℃,辊面温度均匀度不大于5 K。

3 加热辊传热理论

导热油与主加热辊的传热属于热对流,加热辊与物料的传热属于热传导,加热辊与周围非接触物体的换热属于热辐射[5-6]。三维无内热源稳态温度场在直角坐标系中的微分方程为:

(1)

式中:t为温度,是空间坐标(x,y,z)的函数。

传热问题常见的边界条件可以归纳为三类。第一类边界条件为:

T|Γ=T0

(2)

式中:T为传热物体温度场;Γ为物体边界;T0为物体边界上的温度。

第二类边界条件为:

(3)

式中:λ为导热系数;n为Γ(x,y,z)处的法向分量;q为给定边界的热流密度常数。

第三类边界条件为:

(4)

式中:h为边界上物体与周围流体的表面对流换热系数;tw为物体给定边界的温度;tf为周围流体的温度。

加热辊传热过程中的假设条件如下[7]:周围空气温度恒定,加热辊非工作面与周围空气以对流方式进行热量交换,工作表面以热传导方式对物料传递热量,不考虑传热过程中的热辐射散热,不考虑物料的物性参数和边界条件随温度的变化。

对于已知导热系数的各向同性连续介质,导热油与辊筒符合第一类边界条件,单位长度圆筒壁热流量Ql为:

(5)

式中:Q为圆筒壁热流量;l为圆筒长度;t1为圆筒壁最内层表面温度;t2为圆筒壁最外层表面温度;Rλi为每一层材料的热阻。

对流换热包括流经固体表面的流体热对流和紧贴固体壁面底层的流体导热两种基本方式,由牛顿冷却公式计算对流换热量Qd,为:

Qd=Ah(tω-tf)

(6)

式中:A为固体发生对流换热的表面积。

为计算对流换热量,需要先计算平均表面对流换热系数[8-9]。对于自然对流换热,利用瑞利准则判断空气沿水平圆柱的自然对流,瑞利准则为:

Ra=GrPr

(7)

式中:Gr为格拉晓夫准则数;Pr为普朗特准则数。

相关计算式如下:

h=λNu/L

(8)

式中:Nu为努谢尔常数;L为传热面几何特征长度。

Nu=C(GrPr)n1

(9)

式中:C为流态因数;n1为流态指数。

Gr=gβΔtL3/γ2

(10)

式中:g为重力加速度;β为体胀系数;Δt为流体上下面温度差;γ为运动黏度。

当Ra不小于109时,流体为紊流。

实际应用中,流道的表面并不是绝对光滑的,于是斯坦登准则数St为:

(11)

式中:Re为雷诺数;v为流体速度;Cp为流体比热容;ρ为流体密度。

StPr2/3=f/8

(12)

式中:f为流道摩擦因数。

由此计算得到导热油放热对流热交换系数h为1 157.47 W/(m2·K)。

加热辊安装在车间内,加热辊的工作温度远高于车间的环境温度,由此加热辊会向车间辐射散热,散热量Qs为:

(13)

式中:ε为黑度,无量纲量;A1为加热辊表面积;σ为玻尔兹曼常数;Ts为加热辊的表面温度;Tsur为车间的环境温度。

4 加热辊热仿真

应用SolidWorks软件对加热辊进行建模,为便于计算和划分网格,只对加热辊辊筒外壁进行建模。应用SolidWorks软件自带的Flow Simulation插件进行仿真分析,实现建模与仿真无缝对接[10]。对加热辊模型进行封盖处理,设置流道进口导热油速度为2.5 m/s,入口压力为0.2 MPa,导热油温度为280 ℃,流道出口压力为0.1 MPa,出口温度为20 ℃。导热油的牌号为HD-330,其密度为1 157.47 kg/m3,比热容为2 240 J/(kg·K),运动黏性系数为2.6 MPa·s,导热系数为0.113 0 W/(m·K)。加热辊辊筒的材料选用Q345B钢,其密度为7 850 kg/m3,比热容为460 J/(kg·K),导热系数为49.8 W/(m·K)。加热辊的初始温度设置为20℃。

为保证计算精度并适当减小计算量,网格划分采用五级,封闭细孔缝。加热辊模型网格划分如图1所示。导热油流动区域分为八组,流道循环路线及温度分布如图2所示。

加热辊辊面温度分布云图如图3所示。由图3可以看出,加热辊辊面温度最高值为279.65 ℃,最低值为260.69 ℃,最大温差为18.96 K。根据加热辊的使用和验收要求,在加热辊两侧距边缘各200 mm位置和辊中间位置沿辊面圆周方向非均匀分布各取八个测量点,这24个测量点的温度最高值与最低值之差即为辊面温度均匀度的测量值。加热辊辊面温度测量值见表1。

表1 加热辊辊面温度测量值

由表1可知,加热辊辊面温度均匀度为4.23 K,满足设计要求。

加热辊在工作过程中,辊面会向周围辐射散热,加热辊热辐射区域如图4所示。为有效减少热量散失,改善周围的工作环境,加热辊外层要加防护罩。

根据设计经验,导热油流速、导热油温度、导热油黏度、流道直径都会对加热辊辊面温度产生影响。加热辊辊面温度随上述影响因素的变化情况如图5～图8所示。

由仿真分析可知,随着导热油黏度的变化,加热辊辊面温度变化很小,导热油黏度对加热辊辊面温度的影响较小。在其它条件不变的情况下,流道直径,即导热油过流面积对加热辊辊面温度影响明显,两者之间呈线性关系。

导热油流速与导热油温度对加热辊辊面温度的影响较大。在设计时,主要通过对流道直径进行优化来控制加热辊辊面温度。在实际生产中,主要通过模温机比例积分微分闭环控制调节导热油温度和流速,以达到控制加热辊辊面温度的目的。

5 结束语

加热辊是热塑性片材辊压机的重要部件,加热辊的设计质量直接关系到连续辊压复合生产线的效率和产品质量。传统的加热辊设计主要依靠经验,存在一定的盲目性。笔者通过对加热辊导热油加热传递理论进行分析,明确加热辊热设计的影响因素,并对加热辊进行三维建模,应用SolidWorks软件Flow Simulation插件进行仿真。仿真分析结果表明,在八组流道、流道直径25 mm、导热油流速2.5 m/s的情况下,加热辊辊面温度均匀度为4.23 K,满足设计要求。在实际应用中,通过对导热油温度和流速进行比例积分微分控制,可以实现加热辊辊面温度的准确控制。