塑料薄膜与流延辊换热过程的模拟分析

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1、塑料薄膜与流延辊换热过程的模拟分析李福森;王栓虎;李欣兴;杨晓青【摘 要】为实现流延辊辊面温度场的均匀性和稳定性,保证塑料薄膜的高质生产,应 用 Fluent 软件对双向回流式螺旋流道的流延辊的换热过程进行了数值模拟;分析了 流延膜在流延辊上冷却时的导热、对流、辐射综合的非稳态传热过程,了解了流延 膜冷却过程中的传热机理,得出了流延辊内部流道结构、冷却水的流量对流延辊换 热强度的影响趋势.研究结果表明,该研究可以为流延辊结构的合理设计、流道参数 的优化提供指导.【期刊名称】机电工程【年(卷),期】2010(027)008【总页数】4页(P56-59) 【关键词】 流延辊;塑料薄膜;传热;数值模

2、拟;冷却机理【作 者】 李福森;王栓虎;李欣兴;杨晓青【作者单位】 南京理工大学,机械工程学院,江苏,南京,210094;南京理工大学,机械工 程学院,江苏,南京,210094;南京理工大学,机械工程学院,江苏,南京,210094;南京理 工大学,机械工程学院,江苏,南京,210094【正文语种】 中 文【中图分类】 TH122;TH123;TQ337.10引言 流延加工法是制造薄膜的一种高速生产方法1,其生产出的薄膜具有透明度好、光 泽性高、平整度好、尺寸精度高等优点。同时,由于是平挤薄膜,后续工序如印刷、 复合等极为方便2,因而广泛应用于食品、医药用品、纺织品、日用品的包装。 在流延法生产

3、塑料薄膜的过程中,从模头挤出的熔融聚合物的冷却过程对塑料薄膜 的质量起着重要的作用。树脂经过挤出机熔融塑化,从机头通过狭缝式模头挤出,流 到流延辊上,急剧冷却,然后再经过测厚、多级牵引、切边、电晕处理,最后收卷以获 得薄膜产品3-5。流延膜的冷却成型过程主要发生在流延辊上,其冷却效果的好坏 决定了薄膜物理性能的高低。在此生产过程中,流延辊辊面温度场的稳定性和均匀 性是保证薄膜质量的关键,因此,合理的布置流延辊的内部流道结构,研究流延膜的冷 却机理,了解冷却过程中的传热机理,对获得高质量的薄膜和指导生产有重要意义。 本研究通过对双向回流式螺旋流道的流延辊的换热过程进行模拟分析,以获得稳定 工况下

4、流延辊换热过程中的动态走势。1 流延辊的结构及工作过程的分析 流延辊是直径较大的钢辊,表面经特殊的钝化处理,即镀硬铬。流延辊依靠强制水循 环冷却。为提高冷却效果,降低辊筒表面温差,辊筒内部设计为空心的,并设有内套;为 进一步减小辊面的横向温差,采取双向进水、双向出水的螺旋结构;为便于介质回流, 夹套之间设有螺旋夹板。如图 1所示,冷却介质沿螺旋流道交错流动。图1 流延辊内部流道结构示意图本研究对图 1 所示的流延辊的换热过程进行数值模拟,并分析流延辊内部流道结构 冷却水的流量和温度对其换热效果的影响,了解薄膜冷却过程中的传热机理,并通过 对结果的分析来指导生产实践。熔融聚合物从模头挤出后,经过

5、空气对流和热辐射换热后,流到流延辊上。塑料薄膜 在流延辊上的冷却过程是导热、对流、辐射综合的非稳态传热过程。在换热过程中, 流延辊的冷却效果和表面温度场的均匀性与流延辊的构造、辊筒直径、塑料薄膜与 辊筒的包角、热交换效率、冷却介质的传热系数、流延膜的厚度和温度等因素有关6 ,工作过程如图 2所示。图2 流延辊工作过程简图1.1 换热机理 塑料薄膜在流延辊上冷却时,由粘流态凝固成高弹态。冷却过程中,其下表面与流延 辊相接触，靠热传导冷却。Billon7等人对这一换热过程进行了热分析，提出了聚合 物薄膜在稳定状态下流到流延辊筒中的能量平衡模型,在这一热传导过程中,薄膜下 表面的温度作为界面温度如下

6、:式中Tx与流延辊筒相接触的薄膜表面的温度;bpol(Tpol)聚合物的散热 率;broil辊筒金属的散热率;Tpol聚合物的定性温度;Troll辊筒的温度。 在流延辊筒上,薄膜的上表面与空气进行对流换热和热辐射,热量交换方程如下8:式中Tsa与空气相接触的薄膜表面的温度;Ta靠近薄膜的空气温度;Tb远离薄 膜的空气温度疋pol和ga薄膜和空气的热辐射系数;k薄膜的热导率;。一 Stefan-Boltzmann常数;h对流热导率。冷却水在螺旋管道内交错流动,在冷却水流道表面处,冷却水与流延辊发生对流换热, 其换热方程如下9:式中q1流延辊螺旋流道表面传给冷却水的热量；h1螺旋流道表面与冷却水的

7、 对流换热系数;tw和tf流道表面的温度和冷却水的温度。流延辊内部中空,其内壁面与空气之间的换热方式包括对流和热辐射。由于内部温 度低,相对于对流换热量而言,由热辐射引起的换热量可忽略不计,故有:式中q2流延辊内壁面与空气进行自然对流所得的换热量；h2空气自然对流换热系数;ta和tb流延辊内壁面的温度和辊内空气的温度。1.2 传热模型塑料薄膜生产过程中，伴有导热、对流和热辐射,Fluent软件通过求解下面能量方程来计算此传热问题10:式中keff有效导热率;Jj组分j的扩散通量;等式右边的前三项分别表示由于导 热、组分扩散和粘性耗散所产生的能量传递;Sh包括化学反应放热和体积热源产 生的热量。

8、对流换热边界和辐射换热边界为:式中hext对流换热系数疋ext介质的热辐射系数;q一由于热对流而产生的换热 量;q由于热辐射而产生的换热量;oStefan-Boltzmann常数。2 流延辊换热过程中的仿真计算2.1 建模分析塑料薄膜在流延辊上行进的过程中,几何形状只存在轻微的变化,故在此过程中只考 虑冷却,忽略因牵引力而引起的薄膜在拉伸方向上的形变;流延膜在宽度方向上的温 度变化很小,可以认为宽度方向上温度分布一致;流延辊内部流道结构复杂,忽略导流 通路对辊体的影响,只考虑螺旋循环水通路,建立流延辊模型如图 3所示。图3 流延辊简化模型图根据生产实际情况,取塑料薄膜材料为聚丙烯,流延辊的长度

9、L=4 500 mm,仿真计 算时取一个导程,S=900mm,辊筒半径r=360mm,聚丙烯薄膜的厚度8=0.05 mm, 薄膜的生产速率v=400 m/min,冷却水的温度T=20C初设冷却水的速度为2 m/s。2.2 仿真结果分析根据所建模型和分析计算得到流延膜与空气换热的温度变化图（如图 4所示）,及其 流延膜与流延辊换热的温度变化图（如图 5所示）。对比两图可以看出,流延膜与流延辊换热的热交换面比流延膜与空气换热的热交换 面先达到塑料薄膜的结晶点,而且流延膜与流延辊换热的热交换面的温度下降比流 延膜与空气换热的热交换面的温度下降的快,且幅度大。由于塑料薄膜两个换热表 面的冷却速度不同,

10、因此在生产厚度较大的薄膜时,将会出现较大的晶态差异,导致薄 膜内部结构和性能的不均匀。基于上述情况,可以通过调节塑料薄膜与流延辊之间 的换热强度来使塑料薄膜两个表面的冷却速度趋于一致。而影响塑料薄膜与流延辊 换热强度的主要因素是流延辊冷却水流道结构和冷却水的流量和温度,因此可以通 过使用不同规格类型的流延辊或改变冷却水的流量、温度,使塑料薄膜的两个表面 具有比较接近的冷却速度,从而保证薄膜产品在厚度方向上具有一致的晶态结构。图中显示流延膜的温度从接触流延辊时的513 K降到脱离流延辊时的308 K,冷却 过程和相变过程主要发生在流延膜与流延辊开始接触的前 1/3圆周内,在后面接触 的时间内,温

11、度变化幅度小,此时薄膜已成高弹态。仿真计算过程中得到流延膜与流 延辊之间的换热量为208.39 kJ,与空气的换热量为584.86 J。从换热得到的数据 可以看出,流延膜由粘流态结晶成高弹态所散发的热量绝大部分被流延辊中的冷却 水带走,而与空气对流、辐射交换的热量相对较少,由此可见流延辊在流延膜冷却成 型过程中起着重要作用。在流延辊内部流道结构相同的情况下,改变冷却水的流速,可得到不同情况下冷却水 与流延辊流道表面单位时间内的换热量（如表 1所示）,在流道结构尺寸不同的情况 下流延辊与冷却水的换热量如表 2所示。表1冷却水流速不同的情况下流延辊与冷却水的换热量V/（ms-1） 0.5 1 1.

12、5 2 2.5 Q/J 138 913.19 155 263.08 174 641.8 190 104 201 214.56表2流道尺寸不同的情况下流延辊与冷却水的换热量流道尺寸/(mmxmm)40x2845x25 50x23 55x20 60x18 Q/J 152052.53160 686.09165 384.39174641.8 177 702.13将换热得到的数据拟合成曲线,如图 6、图 7所示。塑料薄膜从接触流延辊开始,通过热传导方式把绝大部分热量传给流延辊,可见通过 流延辊的换热量直接影响着塑料薄膜的结晶程度。从图 6中可以看出,随着冷却水 水流速度的增大,其换热量逐渐增大。冷却水在

13、流道内交错循环流动,流速的改变影 响着冷却水的雷诺数、湍动能和比耗散率,因此,根据流延辊的规格适当的调节冷却 水的水流速度,控制流延辊进出口的水流温差,可以增强塑料薄膜与流延辊的换热强 度。图 7显示了随着流道截面尺寸高度的变小、宽度的增大,换热量也随之增大。 这是因为塑料薄膜在向流延辊传热时,大部分热量沿辊筒径向传递,再经由冷却水带 走,因此合理的布置流道结构,设置高度和宽度的比例,可以增强换热强度。不管是通 过调节冷却水的水流速度还是通过改变流延辊的规格来增大流延辊与冷却水的换热 量,其目的均是为了维持流延辊外壁面温度的稳定和均匀。因为在塑料薄膜与流延 辊换热的过程中,塑料薄膜直接与流延辊

14、的外壁面接触传热,流延辊的外壁面温度直 接影响着塑料薄膜的冷却速度和薄膜的结晶状态。3 结束语本研究通过应用Fluent软件对流延膜在流延辊上冷却过程的仿真分析，得出了流延 膜的冷却速率主要取决于流延膜的厚度和流延辊外壁面的温度。研究结果表明,决 定流延辊外壁面温度的主要因素有:流道的结构尺寸、冷却水的流量和温度。在实 际生产中,辊面温度越低,冷却速率越快,薄膜的结晶度越好,但在生产厚度较大的薄膜 产品时,辊面温度的波动容易使得薄膜有较大的晶态差异,从而影响薄膜的质量和性 能。因此,除了通过增大冷却水的流量、选用不同规格类型的流延辊的方法来增强 流延膜与流延辊之间的换热强度外,还需要设计先进的

15、冷却水温度控制系统,来实现 流延辊表面温度的精确控制。实际应用结果表明,该研究能为流延辊结构的合理设计及流道参数的优化提供帮助, 在工程生产应用中具有一定的指导意义。参考文献(References):1 SILAGY D,DEMAY G,AGASSANT J F.Stationary and stability analysis of the film casting p rocessJ.Journal of Non-New tonian Fluid Mechanics,1998,79(23):563-568.2 于庆顺，杨伟，李忠明，等聚丙烯流延膜的加工与应用J工程塑料应用,2002,30(

16、11):25-26.3 LAMBERTIG,TIT0MANLI0 G,BRUCATO V.Measurement and modeling of the film casting processJ.Chem ica l Engineering Science,2001,56(20):5749-5750.4 李晓伟，孟继安,徐凤英，等流延法生产塑料薄膜传热过程数值模拟J.塑料科 技,2007(2):60-61.5 李钢，孙宇，董野基于Fluent仿真的流延辊流道设计研究J.塑 料,2008,37(6):35-37.6 姚祝平塑料挤出成型工艺与制品缺陷处理M.北京:化学工业出版社,2005.7 TOSH ITAKA K,CAMPBELL G A.塑料薄膜加工技术M.北京:化学工业出版社,2003.8 杨世铭，陶文栓传热学M.4版北京:高等教育出版社,2006.9 刘春泽热工学基础M.北京:机械工业出版社,2004.10 温正，石良辰,任毅如.FLUENT流体计算应用教程M.北京:清华大学出版社,2009.