聚合物水下切粒模板温度场的数值模拟研究

1、聚合物水下切粒模板温度场的数值模拟研究任世雄，李进良，卢 涛，王奎升（北京化工大学机电工程学院，北京100029） 摘要：建立了7种不同模孔和3种不同加热油流道水下切粒模板的三维传热模型，并对各个模型进行了数值求解，获得了各个模板模型内部的温度场；并计算了在不 同温度的冷却水、不同的加热油的对流换热系数、不同模板材料下的模板的温度场。结果表明，由于受到冷却水的冷却作用，各模板切粒带表层处温度比较低；沿着 厚度方向，由于受到加热油和聚合物的加热作用，切粒带深层的温度逐渐升高；在加热油加热和冷却水冷却的共同作用下，在0 mmz10 mm处，切粒面浅层的温度梯度较大。通过分析表明，模孔尺寸对模板的温

2、度场基本没有影响；加热油流道形式、冷却水的温度、加热油的对流换热系数和模板的材 料对模板的温度场有一定影响，这为模板的结构设计、边界条件的确定和模板材料的选择提供了可靠的理论依据。 关键词：聚合物；水下切粒模板；温度场；数值模拟 由于聚合物生产装置生产的聚合物树脂是粉料而不是粒料，给下游工厂加工塑料制品带来很多困难，所以要将聚合物树脂造成粒状，然而所有大型造粒机组均依赖进 口，造粒模板是造粒机的关键易损耗部件，模板的好坏直接影响塑料粒子的品质。长期以来，依赖进口模板维持生产。大约每8个月就需要更换或维修，目前生产能 力为200kta的聚合物模板的进口价高达20万美元块。 聚合物粉料与添加剂混合

3、后进入挤出机筒体，在294513 K的高温下挤压熔融，在挤出机螺杆有作用下，通过造粒模板成型孔被挤出，进入水冷却粒室，被高速旋转的切刀切成颗粒，模板是完成聚合物切粒最为关键的部件 之一，模板加热温度场的均匀性直接影响熔融物料能否顺利均匀地通过造粒模板的成型通道，若温度控制不均匀，会造成部分模孔物料的流速不均匀，在切粒刀盘的 作用下会出现长短不一的不规则颗牲，严重影响产品品质 图1为模板的结构图，切粒带在模板的中央，切粒带上的模孔均匀分布，为了满足切粒工艺要求，模板的热工作环境较为复杂。如图2所示，聚合物入口温度较高， 大约为533 K，与模板切粒面接触的水温较低，约333 K，模板内部必然存在

4、一定的温度梯度，为了避免聚合物在模孔内不至于凝固而造成模孔堵塞，需要在模板内部布置加热油流道，通过加热油对模板进行保温由于 国外技术垄断，特别是对于大型先进模板，无法获得其内部加热油流道的结构。为了满足国内对模板的巨大需求，对模板温度场进行数值计算，并研究模孔和加热油 流道的几何尺寸对模板温度场的影响，对开发具有自主知识产权的模板具有重要意义。 本文拟从传热学角度，通过构造不同形式的模孔和加热油流道的结构模型，选择不同水温的冷却水、不同加热油的换热系数、不同模板材料，对模板传热过程进行模拟，获得模板内部的温度分布，为模板的设计、边界条件和材料的选择提供可靠的理论依据。 1 控制方程 假设模板内

5、部的导热为无热源的稳态导热,其能量守恒议程为: 2 物理模型和边界条件 由于模板的结构特点,在Gambit软件里建立1/4模板模型,并划分网格,约190万个网格,并在Fluent软件里进行求解. 2.1 模板的结构形式 模孔的结构 模板的模孔结构尺寸如图4所示,x为模孔细段的深度,y为模孔粗段的深度,7种尺寸组合如表1所示. 加热油流道的结构 加热油流道的3种结构如图5所示. 2.2 边界条件和物性参数 模拟算例的边界条件和模板的物性参数如表2,3所示. 3 结果与讨论 如图6所示,模板中心和切粒面上侧由于受到冷却水的作用,温度较低切粒带下侧受到聚合物的加热作用温度较高,受到加热油的加热作用流

6、道作用周围温度较高. 图711为不同条件下切粒带的温度变化趋势.由这些图可以看出,在切粒带表面,即0 mmz10 mm处,由于受到冷却水的冷却作用,温度梯度较大；在10 mmz20 mm处,由于受到冷却水和加热油的冷却和加热作用,温度梯度逐渐减小；在20 mmz30 mm处,温度基本不再变化. 如图7所示,对于不同加热油的换热系数,在10 mmz25 mm处,模板的温度存在较大的差异,换热系数越高,在10 mmz25 mm处模板温度就越高. 如图8所示,对于不同温度的冷却水,在切粒带表面温度差异较大,冷却水的温度越低,模板表面温度越低,沿切粒带厚度方向温度差异越来越小. 如图9所示,不同材料的

7、模板的温度分布存在较大差异.分析表明,热导率越大（如1#材料）,热油的加热作用就越容易影响到切粒带的其他地方,使得其他地方温度越高；热导率越小（如9#材料）,热油的加热作用就越不容易影响到切粒带的其他地方,使得其他地方温度越低. 如图10所示,7种模孔尺寸下的模板切粒带的温度场基本相同,说明模孔尺寸对模板切粒带的温度场基本没有影响. 如图11所示,3种加热油流道形式下的温度场在0 mmz13 mm处基本相同；在13 mmz30 mm处,流道1较低,流道3温度较高,流道2介于其他两种形式之间. 4 结论 （1）由于受到冷却水的冷却作用,各模板切粒带表层处温度比较低；沿着厚度方向,由于受到加热油和聚合物的加