導(dǎo)熱油傳熱技術(shù)在塑料加工中的應(yīng)用

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心 （上海 200042）

塑料加工制造過程是一個(gè)包含多個(gè)放熱和吸熱的工藝過程，所需要的熱量既可以通過外部加熱的方式直接獲取，也可以通過擠出過程中螺桿的摩擦間接獲得。塑料制造過程中加熱和溫度控制指標(biāo)要求各異，采用導(dǎo)熱油傳熱技術(shù)能很好地達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)工藝要求。

在塑料擠出機(jī)中，傳熱裝置的作用是：工藝部分（即螺桿部分）的溫度控制，出料螺桿和出料孔板的加熱，水下造粒所使用的循環(huán)水的冷卻。

傳統(tǒng)擠出機(jī)的螺桿部分采用盤繞式電熱絲或內(nèi)置式加熱器直接加熱，孔板則采用蒸汽加熱；而新型擠出機(jī)通常采用導(dǎo)熱油進(jìn)行間接加熱和溫度控制。

1 聚合物塑化擠出成型

擠出成型是聚合物特別是塑料成型的主要方法之一，其主要設(shè)備是螺桿擠出機(jī)。螺桿擠出機(jī)具有良好的特性，得到日益廣泛的應(yīng)用，管材、薄膜、板片材、異型材、電線電纜及中空容器等塑料制品的生產(chǎn)都離不開螺桿擠出機(jī)。

單螺桿擠出機(jī)的適用面較廣，一般用于成型擠出。在單螺桿擠出機(jī)中，能量平衡關(guān)系如式（1）所示。

其中：P—擠出機(jī)消耗的總功率；

Pm—螺桿的機(jī)械功率，其中一部分以熱能形式參與物料的塑化，其余部分轉(zhuǎn)換為物料輸送的壓力和動(dòng)能；

Ph—外部加熱源傳遞給物料的熱功率；

∑Pa—擠出機(jī)損失能量總和；

Ps—驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子的損耗功率；

Pr—驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的損耗功率；

Pt—能量傳遞過程中的損耗功率；

Pd—擠壓系統(tǒng)向環(huán)境的各種雜散損耗功率，包括人為冷卻所散失的熱能。

螺桿擠出成型加熱均勻、溫度控制精確。成型時(shí)熔化物料的熱量不僅有來自于外部的熱源熱量，而且有來自于內(nèi)部的剪切熱量；由于螺桿與物料有較多的接觸表面用來傳熱，因此螺桿一般都配有芯部加熱控溫系統(tǒng)，物料在螺槽中受熱均勻，升溫快且溫度控制精確。螺桿擠出成型中均勻的加熱條件可以減少因螺桿混合作用不足而產(chǎn)生的物料溫差。

雙螺桿擠出機(jī)是應(yīng)用廣泛的聚合物連續(xù)加工設(shè)備，可分為同向旋轉(zhuǎn)與異向旋轉(zhuǎn)兩類。同向雙螺桿擠出機(jī)有較強(qiáng)的混合能力，主要用于改性、填充、增強(qiáng)及塑料合金的生產(chǎn)等混料作業(yè)，其擠壓系統(tǒng)大多采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過變換各機(jī)筒組件、各螺桿元件的組合，來滿足特定混料過程對(duì)輸送、熔融、混煉、脫揮、均化等方面的特殊要求。異向雙螺桿擠出機(jī)可以建立較高的壓力且流量穩(wěn)定，主要用于要求截面尺寸精確的制品的成型擠出。當(dāng)進(jìn)行以熱敏性材料為主料的混合作業(yè)，或在單螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行混合作業(yè)出現(xiàn)輸送困難時(shí)，應(yīng)采用混合型異向雙螺桿擠出機(jī)。異向雙螺桿擠出機(jī)混合性能的好壞與其自身的強(qiáng)制輸送性能緊密相關(guān)，其混合性能可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的使用要求實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)節(jié)。

下面主要討論螺桿擠出成型過程中導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

2 用于擠出機(jī)出料螺桿和孔板加熱的導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備

由于出料螺桿只用于將熔融物料輸送到孔板，其驅(qū)動(dòng)功率相對(duì)較小，所產(chǎn)生的摩擦熱不足以維持物料的液相狀態(tài)，因此必須在出料螺桿外部對(duì)其進(jìn)行加熱。而在水下造粒過程中，孔板不斷被冷卻，所以需要補(bǔ)充供熱?？装逯械娜廴谖锪蠝囟葘?duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，因此，孔板加熱非常關(guān)鍵。

出料螺桿和孔板加熱是兩個(gè)相互獨(dú)立的加熱過程，通常采用雙循環(huán)導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備。每一個(gè)循環(huán)回路安裝有互不影響的電加熱器和導(dǎo)熱油循環(huán)泵，兩個(gè)循環(huán)回路共用一套輔助設(shè)備——膨脹槽、貯油槽、補(bǔ)油和排油裝置，這種設(shè)計(jì)可以使加熱設(shè)備造價(jià)降低，體積減小[1]?？刂坪桶踩b置一般是相互獨(dú)立的。根據(jù)安裝場(chǎng)地的要求，還可以將膨脹槽和貯油槽合二為一，安裝在設(shè)備下部。另外，還需要安裝導(dǎo)熱油與冷卻水的換熱器，用于冷卻擠出機(jī)的外殼。

根據(jù)不同的溫度要求，可以選擇礦物導(dǎo)熱油或合成導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)。如果溫度在320℃以下，可使用礦物導(dǎo)熱油；若溫度高于320℃，建議使用合成導(dǎo)熱油。為了防止導(dǎo)熱油因與空氣中的氧氣接觸而發(fā)生氧化反應(yīng)，可以對(duì)膨脹槽進(jìn)行氮?dú)饷芊鈁2]。

導(dǎo)熱油循環(huán)泵可采用無冷卻的機(jī)械密封泵或無泄漏的磁力泵。導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備可根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定以及安裝廠家的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。例如，可對(duì)電器儀表、電加熱棒和泵馬達(dá)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，也可對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，或根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。

3 用于水下造粒工藝的水冷器

孔板在擠出機(jī)出口端用水流進(jìn)行連續(xù)冷卻，使塑料熔融物驟冷硬化，然后由旋轉(zhuǎn)刀具切割成顆粒，該過程即水下造粒工藝。所得塑料顆粒由水流輸送到干燥器中進(jìn)行干燥，然后通過氣力輸送裝置輸送到料倉內(nèi)。

在水下造粒工藝中，水流不斷從塑料熔融物中獲得熱量，為使其溫度保持恒定，必須借助水冷器將熱量輸出。該水冷器由循環(huán)水泵、水與水之間的換熱器、相應(yīng)的安全和控制裝置以及管路組成。

4 用于擠出機(jī)溫度控制的導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備

在生產(chǎn)加工過程中，要求整套擠出機(jī)設(shè)備必須采用防爆設(shè)計(jì)，但是如果對(duì)螺桿段進(jìn)行直接加熱，不僅技術(shù)上極為復(fù)雜，而且運(yùn)行費(fèi)用較高，因此整體效果不佳。而利用導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備對(duì)整套擠出機(jī)設(shè)備進(jìn)行間接加熱和溫度控制，無論從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上來說，都是最佳的選擇。

因?yàn)閿D出機(jī)由多個(gè)工藝段組成，每一個(gè)工藝段要求不同的溫度控制，所以加熱設(shè)備必須具有多個(gè)相互獨(dú)立的導(dǎo)熱油循環(huán)回路。如果對(duì)每一個(gè)工藝段使用一臺(tái)加熱設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的溫度控制，雖然也能達(dá)到其技術(shù)要求，但是設(shè)備總費(fèi)用高，而且占地面積大。所以，新型擠出機(jī)設(shè)備一般使用一臺(tái)電加熱導(dǎo)熱油傳熱設(shè)備作為中心熱源，配以相應(yīng)數(shù)量的導(dǎo)熱油二次循環(huán)回路，分別對(duì)各個(gè)工藝段進(jìn)行相互獨(dú)立的溫度控制[3]。

采用導(dǎo)熱油加熱中心的熱源設(shè)備可以大幅度降低本來較高的防爆設(shè)計(jì)費(fèi)用，因?yàn)殡娖髟O(shè)備包括電加熱棒都是安裝在工藝設(shè)備之外，所以只要對(duì)循環(huán)泵馬達(dá)、氣動(dòng)控制閥、設(shè)備附近的接線盤做相應(yīng)的防爆處理即可。此外，采用導(dǎo)熱油加熱中心連接導(dǎo)熱油二次循環(huán)回路的設(shè)計(jì)，可以對(duì)擠出機(jī)設(shè)備中的各個(gè)工藝段同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的加熱和冷卻，從而達(dá)到一機(jī)多用的目的。

5 結(jié)語

在塑料制造和加工過程中，相對(duì)于傳統(tǒng)的直接加熱與冷卻技術(shù)，導(dǎo)熱油傳熱技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）可以完全避免由于尖峰溫度失控導(dǎo)致的局部過熱；

（2）給擠出機(jī)的每一部分提供精確且可重復(fù)的溫度控制，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定[4]；

（3）加熱器可集中安裝在供熱中心，例如，安裝在無爆炸危險(xiǎn)的位置，熱量則通過一個(gè)有分流道的管路網(wǎng)輸送給各個(gè)用熱設(shè)備，這樣可以大大節(jié)省防爆措施的開支；

（4）相應(yīng)的二次循環(huán)回路系統(tǒng)可以對(duì)單一的工藝段進(jìn)行調(diào)控冷卻；

（5） 導(dǎo)熱油沒有腐蝕性，可以使用普通碳鋼制造的管路和容器，且其使用壽命也比較長。

[1]汪琦.載熱體加熱系統(tǒng)的工藝流程 [J].化工裝備技術(shù),1994,15(1):8-10.

[2]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熱載體加熱技術(shù)在壓延法人造革生產(chǎn)中的應(yīng)用研究 [J].上?；ぃ?016，41(1)：13-16.

[3]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導(dǎo)熱油爐循環(huán)加熱供酯化縮聚反應(yīng)器使用的研究[J].上?；?，2016，41(3)：15-18.

[4]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)研究 [J].上?；?，2017，42(3)：36-39.