雙源熱壓機(jī)傳熱分析及輸送管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張素梅

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建福州350002)

傳統(tǒng)人造板熱壓一般采用蒸汽熱壓機(jī).蒸汽熱壓機(jī)以鍋爐提供的飽和蒸汽為加熱介質(zhì)，以水為冷卻介質(zhì)，蒸汽溫度波動(dòng)大，且飽和蒸汽隨著溫度的增加，壓力也增大[1].而有機(jī)載熱體導(dǎo)熱油具有的可在封閉狀態(tài)以低壓(一般不超過0.8 MPa)進(jìn)行液相循環(huán)及傳遞熱量、使用溫度高達(dá)340℃等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其在人造板加工領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛.

研究表明熱壓板板面溫差越小，溫度分布越均勻，熱壓板的翹曲變形越小，產(chǎn)品質(zhì)量越能得到保證[2－5].適合于以導(dǎo)熱油為加熱介質(zhì)、以水為冷卻介質(zhì)的四進(jìn)四出熱壓板孔道結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果表明該產(chǎn)品能達(dá)到合格產(chǎn)品的生產(chǎn)要求[2，6]，但若要使產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)等品的生產(chǎn)要求，必須進(jìn)一步縮小熱壓板板面溫差.本文針對(duì)目前人造板熱壓機(jī)所使用的單源載熱體蒸汽和導(dǎo)熱油的特點(diǎn)[6]，對(duì)以蒸汽和導(dǎo)熱油為加熱源、以水和冷導(dǎo)熱油為冷卻源的雙源熱壓機(jī)進(jìn)行研究;以文獻(xiàn)[6]中孔道結(jié)構(gòu)的熱壓板為模板，用ANSYS有限元軟件對(duì)使用雙源載熱體的熱壓板進(jìn)行傳熱仿真分析，再與只以導(dǎo)熱油為加熱源、以水為冷卻源的單源載熱體的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)使用不同熱源的熱壓機(jī)輸送管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為優(yōu)等產(chǎn)品的生產(chǎn)提供快速恒溫的熱壓設(shè)備.

1 載熱體傳熱仿真分析

鋼材熱壓板規(guī)格尺寸為2600 mm×1400 mm×70 mm，工作面尺寸為2440 mm×1220 mm，孔道直徑為25 mm，孔道結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示[6].采用 ANSYS有限元軟件對(duì)用單、雙源載熱體分別進(jìn)行傳熱仿真分析，比較其熱壓板面溫度分布、溫差及溫度隨時(shí)間的變化情況.傳熱仿真分析的邊界條件、傳熱過程的基本假設(shè)及相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[6].

1.1 單源載熱體傳熱仿真分析

對(duì)圖1的1/4簡(jiǎn)化幾何模型，用150℃導(dǎo)熱油對(duì)熱壓板進(jìn)行加熱，設(shè)定加熱仿真計(jì)算終止時(shí)間為3000 s，采用ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)求解，得到仿真結(jié)束時(shí)的熱壓板溫度分布云圖(圖2)，熱壓板中心點(diǎn)及離板面1/4處的溫度隨時(shí)間的變化曲線(圖3).用20℃水對(duì)溫度為150℃的熱壓板進(jìn)行冷卻，設(shè)定冷卻仿真計(jì)算終止時(shí)間為1200 s，仿真結(jié)束時(shí)的熱壓板溫度分布云圖見圖4，溫度隨時(shí)間變化曲線見圖5.相關(guān)熱分析參數(shù)見文獻(xiàn)[6].

圖1 熱壓板孔道結(jié)構(gòu)Fig.1 Channel structure of hot-press platen

圖2 導(dǎo)熱油加熱溫度分布云圖Fig.2 Temperature distribution cloud contour of heating with thermal oil

圖3 導(dǎo)熱油加熱溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature-time graph of heating with thermal oil

圖4 水冷卻溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution cloud contour of cooling with water

圖5 水冷卻溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Temperature-time graph of cooling with water

1.2 雙源載熱體傳熱仿真分析

飽和蒸汽和導(dǎo)熱油在熱壓板管路里的放熱都可以按對(duì)流放熱過程計(jì)算，導(dǎo)熱油在熱壓板管路里處于紊流工作狀態(tài)，管內(nèi)紊流放熱的計(jì)算公式表示如下[7－8]:

式中，Nu為努謝爾特?cái)?shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，Pr為流體的普朗特?cái)?shù)，Re為流體的雷諾數(shù)，d為熱壓板孔道直徑.

忽略熱壓板周圍空氣對(duì)流的影響，用150℃的熱油和蒸汽對(duì)熱壓板同時(shí)加熱，蒸汽沿進(jìn)水孔道流動(dòng)，對(duì)圖1的1/4簡(jiǎn)化幾何模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)定加熱仿真計(jì)算時(shí)間為2700 s，求解得到的熱壓板溫度分布云圖(圖6)，熱壓板中心點(diǎn)及離板面1/4處的溫度隨時(shí)間的變化曲線見圖7.其中150℃飽和蒸汽的密度為2.547 kg·m－3，運(yùn)動(dòng)粘度為 5.47 MPa·s，比熱容為 2320 J·kg－1·K，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.0297 W·m－1·K[9]，飽和蒸汽的平均流速為20 m·s－1.將這些參數(shù)代入式(1)計(jì)算的蒸汽對(duì)流換熱系數(shù)(α1)=262.3 W·m－2·K.

圖6 導(dǎo)熱油和蒸汽同時(shí)加熱溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution cloud contour of heating with thermal oil and vapor

圖7 導(dǎo)熱油和蒸汽同時(shí)加熱溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Temperature-time graph of heating by thermal oil and vapor

用20℃的水和導(dǎo)熱油同時(shí)冷卻，對(duì)同一簡(jiǎn)化幾何模型進(jìn)行仿真分析，設(shè)定仿真計(jì)算時(shí)間為1200 s，求解得到熱壓板溫度分布云圖(圖8)，溫度隨時(shí)間的變化曲線見圖9.其中20℃導(dǎo)熱油的密度為860 kg·m－3，運(yùn)動(dòng)粘度為 30 MPa·s，比熱容為 1842 J·kg－1·K，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.1236 W·m－1·K[9]，平均流速為3 m·s－1，將這些參數(shù)代入式(2)計(jì)算的冷油對(duì)流換熱系數(shù)(α2)=711.93 W·m－2·K.

圖8 冷水和導(dǎo)熱油同時(shí)冷卻溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution cloud contour of cooling with water and thermal oil

圖9 冷水和導(dǎo)熱油同時(shí)冷卻溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Temperature-time graph of cooling with water and thermal oil

1.3 單、雙源載熱體傳熱仿真分析比較

根據(jù)以上傳熱仿真分析結(jié)果和圖2可知，僅用導(dǎo)熱油單源加熱，熱壓板板面最大溫差為5.8℃.由圖3可知，將熱壓板從20℃加熱到140℃所用的時(shí)間是1200 s.從圖4可得，用水冷卻時(shí)熱壓板板面最大溫差為8.4℃.由圖5可得用20℃的水將150℃熱壓板冷卻到50℃所用的時(shí)間是750 s.而圖6顯示，用熱油和蒸汽同時(shí)將熱壓板加熱到140℃所用的時(shí)間約是1000 s.圖7顯示仿真結(jié)束時(shí)熱壓板板面最大溫差1.2℃，達(dá)到優(yōu)等品生產(chǎn)要求[1].圖8顯示，用20℃的水和導(dǎo)熱油同時(shí)將熱壓板冷卻到50℃所用的時(shí)間約為420 s.圖9顯示仿真結(jié)束時(shí)熱壓板板面最大溫差為2.6℃，達(dá)到優(yōu)等品的生產(chǎn)要求[2].

在同樣條件下雙源載熱體加熱所用時(shí)間比單源載熱體少200 s，雙源載熱體加熱熱壓板板面最大溫差比單源載熱體小4.5℃;雙源載熱體冷卻所用的時(shí)間比單源的少330 s，板面最大溫差比單源載熱體小5.8℃.可見采用雙源載熱體，熱壓板的溫度分布更均勻，加熱及冷卻時(shí)間更短.

2 載熱體輸送管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的預(yù)期目的

為了減少板面溫差、縮短加熱及冷卻時(shí)間，并滿足人造板中的三板典型3段降壓降溫曲線的熱壓要求[10]，在加熱段，熱油和蒸汽分別由循環(huán)泵同時(shí)輸送，從各自的管道進(jìn)入熱壓板孔道進(jìn)行加熱;到保溫保壓階段結(jié)束進(jìn)入冷卻段時(shí)，冷油和水分別進(jìn)入導(dǎo)熱油管道和進(jìn)水管道，先將里面的熱油和蒸汽排出，再循環(huán)輸送到熱壓板進(jìn)行冷卻，排出的熱油輸送到緩沖槽備用.冷卻階段結(jié)束進(jìn)入保溫保壓階段時(shí)，停止冷水輸送，而熱油及蒸汽分別進(jìn)入導(dǎo)熱油和進(jìn)水管道，先將里面的水及冷油排出，再循環(huán)輸送，排出的導(dǎo)熱油和水分別輸送到緩沖槽和蓄水池;同時(shí)控制冷、熱油及蒸汽流量，使熱壓板的溫度保持恒定.當(dāng)冷卻溫度達(dá)到卸板要求的溫度時(shí)，所有的載熱體都停止輸送，熱油器停止加熱，打開熱壓板，卸出板坯.下一個(gè)壓板工作開始時(shí)，重復(fù)上述步驟.

2.2 載熱體輸送管道結(jié)構(gòu)

2.2.1 雙源載熱體管道結(jié)構(gòu) 通過對(duì)現(xiàn)有熱壓機(jī)載熱體輸送管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[11－14]，設(shè)計(jì)雙源載熱體輸送的管道結(jié)構(gòu).考慮到進(jìn)板及卸板的需要，將導(dǎo)熱油、水及蒸汽的進(jìn)出口設(shè)置在與進(jìn)板方向(縱向)平行的熱壓機(jī)兩側(cè).重新設(shè)計(jì)的管道結(jié)構(gòu)總體布置示意圖見圖10，主要由載熱體輸送管道裝置、滯留熱油導(dǎo)出裝置、冷卻水導(dǎo)出及蒸汽輔助加熱裝置、控制單元等組成.

載熱體輸送管道結(jié)構(gòu)裝置包括通冷、熱導(dǎo)熱油和水及蒸汽的輸送管道，以及相應(yīng)的熱油輸送泵、冷油輸送泵、熱油流量控制閥V1、冷油流量控制閥V2、儲(chǔ)油槽、油氣分離器、蒸汽發(fā)生器等.滯留熱油導(dǎo)出裝置由控制閥V3、滯油導(dǎo)出管、緩沖槽組成.冷卻水導(dǎo)出及蒸汽輔助加熱裝置由蒸汽發(fā)生器、蒸汽泵、蒸汽管、控制閥V5及冷卻水輸送管道、冷卻水控制閥V4組成.冷卻水用自來水即可，冷卻后的水及蒸汽冷凝水由蓄水池回收備用.

該裝置中各個(gè)流量控制閥的開與關(guān)由控制單元發(fā)出的信號(hào)決定，各組成部分按工藝流程要求完成板坯的熱壓膠合.

導(dǎo)熱油加熱時(shí)，氣體、水分和低揮發(fā)組分的分離裝置由油氣分離器、膨脹管、膨脹槽、排氣管、溢流管、過濾器組成，并按標(biāo)準(zhǔn)及安全要求進(jìn)行布置和安裝[11－14].

2.2.2 單源載熱體管道結(jié)構(gòu) 將圖10中組成蒸汽輔助加熱裝置的蒸汽發(fā)生器、蒸汽泵、蒸汽輸送管道撤除，并關(guān)閉控制閥V5，即為單源導(dǎo)熱油熱壓機(jī).

電熱蒸汽發(fā)生器(也稱小型鍋爐)效率高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，不需專業(yè)操作工，符合現(xiàn)代環(huán)保要求;而傳統(tǒng)燃煤或燃料蒸汽鍋爐效率低，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自動(dòng)控制，不符合環(huán)保要求.

圖10 載熱體輸送管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 The sketch of pipes structure of heat carrier

3 小結(jié)與討論

(1)傳熱仿真分析結(jié)果表明，在同樣條件下采用雙源載熱體加熱所用的時(shí)間比單源載熱體少200 s，雙源載熱體加熱熱壓板板面最大溫差為1.2℃，比單源載熱體小4.5℃;雙源載熱體冷卻所用的時(shí)間比單源載熱體少330 s，板面最大溫差2.6℃，比單源載熱體小5.8℃.雙源載熱體板面溫度分布更均勻，產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)等品生產(chǎn)要求，加熱及冷卻所用時(shí)間也更短.

(2)電熱蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.熱壓過程的冷卻段也可根據(jù)需要選擇只通冷油(或水)的慢速冷卻.若產(chǎn)品為合格品，則加熱段只需用導(dǎo)熱油加熱，冷卻段只用水冷卻即可，蒸汽輔助裝置可不用.導(dǎo)熱油加熱源可以是電源或燃料氣和燃料油，該裝置中各組成部分的具體控制裝置及方法將在后續(xù)研究中繼續(xù)探討.

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