聚合物熔体冷却器结构设计及优化

作     者：李晓丹 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何亚东;苏春慧

授予年度：2017年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：挤出发泡 冷却传热 数值模拟 综合评价指标 红外成像 

摘      要：配方,工艺和设备是发泡材料挤出生产过程的重要环节。在发泡材料加工成型的过程中,成型设备对制品质量具有重要的影响。挤出发泡过程需要设备对聚合物熔体进行冷却换热和混合,从节能经济性方面考虑需要综合性能优异,兼具冷却和混合性能的熔体冷却结构。在挤出发泡过程中,要求能够严格控制聚合物熔体的温度和压力,结构紧凑,易安装,冷热流体流道分明,不易造成流体泄漏。常规的换热设备由于适用于牛顿流体,而聚合物流体压力高,黏度大,热敏性较高,常规的换热设备结构流道形式和结构强度不适用于聚合物材料。因此本文设计了换热效率高,压力损失小,混合性能好,冷流体流道独立密封避免泄漏的聚合物熔体孔芯式冷却结构。利用Fluent数值模拟分析软件,对不同结构参数的孔芯换热结构进行数值模拟,分析不同结构参数对于设备压力损失,冷却温度,混合程度等性能的影响规律。数值模拟分析结果显示,孔径的大小在压力损失和传热性能方面需要平衡考虑。孔芯越小,压力损失越大,而传热性能越好,混合效果也越好。孔芯数目在压力损失和传热性能方面影响作用不大,在传热,混合方面存在最优值。数值模拟中设计了 DOE实验,结果显示影响压力损失和混合性能的因素由主至次分别为:工艺产量孔芯直径孔芯数量。根据模拟结果拟合推导出该结构的压力损失和传热系数计算公式,并提出了综合评价指标,分析不同结构参数的设备性能,得到了最优结构参数值,可为后续的放大设计提供理论参考。利用红外成像的实验方法,进行聚合物挤出发泡实验,对数值模拟分析结果进行实验验证。实验结果与模拟结果变化规律相同,且数值误差均在允许的误差范围内,进一步验证了数值模拟结果的准确性和可靠性。因此后续可根据实验和数值模拟研究规律,对孔芯换热结构进行进一步的结构优化和改进设计。