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聚合物熔体冷却设备的传热与数值研究

聚合物熔体冷却设备的传热与数值研究

作者：费腾北京化工大学

学位级别：硕士

在挤出发泡过程中,由于聚合物体系的黏度在与发泡剂混合后会急剧下降,需要对聚合物熔体进行冷却,以提高聚合物体系的熔体强度,从而获得质量良好的发泡产品。冷却单螺杆挤出机仍然是决定整个生产过程中生产产量的重要设备,其性能基本上... 详细信息

在挤出发泡过程中,由于聚合物体系的黏度在与发泡剂混合后会急剧下降,需要对聚合物熔体进行冷却,以提高聚合物体系的熔体强度,从而获得质量良好的发泡产品。冷却单螺杆挤出机仍然是决定整个生产过程中生产产量的重要设备,其性能基本上决定了整个挤出发泡生产线的稳定性。多年来,泡沫行业中的大多数关于冷却单螺杆的具体细节设计仍然是商业秘密,并没有具体的研究报道。因此,本文通过理论分析得到预测冷却单螺杆降温过程的模型,并对螺杆结构参数与工艺参数进行了优化。针对串联挤出发泡生产线中的二阶冷却单螺杆的传热性能进行研究,简化冷却单螺杆模型,用平均温度表征螺槽深度方向熔体温度变化的方法,建立聚合物熔体传热理论分析模型。用平均剪切速率简化黏性生热,把黏性生热看成内热源,并代入能量方程中,通过求解能量方程得到聚合物熔体截面平均温度沿挤出方向变化预测模型和降温曲线。针对聚合物熔体传热理论分析模型分析了结构参数与工艺参数对聚合物熔体降温过程的影响规律。通过CFD数值模拟冷却单螺杆内聚合物的传热过程,并验证了聚合物熔体传热理论分析模型的准确性。设计DOE试验,分析了产量、螺纹升角、转速、槽深对聚合物熔体平均温度的影响程度,结果显示对聚合物熔体降温过程影响作用由大到小分别是槽深、转速、产量、螺纹升角,并得到优化参数。最终通过Visual Basic编程设计了聚合物熔体降温过程预测程序。为冷却单螺杆的设计以及结构参数和工艺参数的选择提供了一定的指导。

关键词：挤出发泡冷却传热冷却单螺杆理论计算数值模拟

基于ANSYS Workbench的聚合物熔体孔芯式冷却结构数值模拟及优化

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北京化工大学学报（自然科学版） 2018年第6期45卷 66-72页

作者：李晓丹汪澎王泽鸣信春玲何亚东北京化工大学机电工程学院北京100029 泰信塑料有限公司泰安271000

提出了一种结构强度大、冷流体流道独立密封的孔芯式冷却结构,采用数值模拟计算分析孔芯直径和孔芯数量两个主要结构参数对熔体冷却均化性能的影响规律,并利用综合评价指标计算得到了一定工艺条件下的最优结构参数值。研究结果表明:与... 详细信息

提出了一种结构强度大、冷流体流道独立密封的孔芯式冷却结构,采用数值模拟计算分析孔芯直径和孔芯数量两个主要结构参数对熔体冷却均化性能的影响规律,并利用综合评价指标计算得到了一定工艺条件下的最优结构参数值。研究结果表明:与孔芯数量相比孔芯直径对结构冷却均化性能的影响更加显著;适当减小孔芯直径、增大孔芯数量有助于减小孔芯结构的压力损失,提高孔芯结构的冷却均化性能;在固定外形尺寸且10 kg/h产量的工艺条件下,最优化结构参数值为孔芯直径6 mm,孔芯数量12。

关键词：挤出发泡冷却传热混合性能数值模拟综合评价指标

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微细管道超临界二氧化碳制冷技术研究

微细管道超临界二氧化碳制冷技术研究

作者：张玉东辽宁石油化工大学

学位级别：硕士

超临界二氧化碳是一种升高到临界压力并加热到高于临界值的温度的物态。与常规压力以及温度低于临界值的普通物态不同,它具有许多关键特性,例如类似液体的相对密度和类似蒸气的粘度。超临界二氧化碳传热的科学研究分为两种类型:加热和制... 详细信息

超临界二氧化碳是一种升高到临界压力并加热到高于临界值的温度的物态。与常规压力以及温度低于临界值的普通物态不同,它具有许多关键特性,例如类似液体的相对密度和类似蒸气的粘度。超临界二氧化碳传热的科学研究分为两种类型:加热和制冷,其中加热工况多用于热动领域,而冷却工况常见于空调制冷领域,本文主要探究冷却工况传热研究。本文以超临界二氧化碳为研究对象,对不同冷却工况下超临界二氧化碳在2mm内径微管道中的冷却传热进行了科学研究和数值模拟计算。关键分析是影响冷却管道中超临界二氧化碳传热的因素,包括流动方式、重力、质量流量、热通量和入口温度均造成不同程度的作用。根据数值模拟FLUENT的使用,并将沿着超临界二氧化碳流体流动方向YZ平面的纵截面与冷却管不同位置处XY平面横截面的密度场和速度场以及温度场的云图结合在一起,可以更加直观、全面地分析超临界二氧化碳在微管内冷却传热的变化,这进一步论证了分析结果,了解超临界二氧化碳液体的流动和传热。对上述超临界二氧化碳在2mm内径微管中冷却传热影响因素的计算结果分析,得出结论:给定工况下离心力作用,提高质量流速、热流密度会造成传热强化,水平螺旋管传热效果要高出水平直管10%左右;重力引起的浮升力和提高入口温度会造成传热恶化。其中,冷却工况下微细管道超临界二氧化碳传热发生变化的根本原因可以从流体流动和物性变化两方面来解释:一方面上述影响因素或直接或间接影响了流体管内流动的湍流程度,进而影响传热效率;另一方面:由于超临界二氧化碳流体在冷却管内传热流动过程其热物理性质随温度不同变化过于复杂,尤其在冷却管近壁面处边界层准临界温度区域内物性的变化变得十分剧烈。该处流体比热容以及热导率的变化同时也是导致传热突然发生变化的最根本的原因。本课题中数值模拟可靠性验证证实了数值模拟是研究超临界二氧化碳流体的流动和传热性能的一种非常合理的方法,但必须更有效地设置初始条件并模拟。此外,本研究的整个过程和结果也有助于进一步研究以超临界二氧化碳为冷却工作液的微细冷却管结构和传热性能。本文的研究为以后对超临界二氧化碳制冷技术的深入研究提供了理论依据。

关键词：微细管道二氧化碳制冷技术超临界二氧化碳准临界温度冷却传热

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聚合物熔体冷却器结构设计及优化

聚合物熔体冷却器结构设计及优化

作者：李晓丹北京化工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：挤出发泡冷却传热数值模拟综合评价指标红外成像