聚合物熔体冷却器的理论计算和结构设计

摘要

高分子聚合物熔体冷却器应用于聚合物挤出发泡生产线，其应用目的是在高分子聚合物熔体进入发泡机头前，将其冷却至最适宜的发泡温度。由于其单位体积换热面积大，能够准确控制熔体温度，并且设备内部构造简单、易拆装等特点，在高分子聚合物发泡领域备受关注，但是由于熔体冷却器结构需要适应换热流场复杂的聚合物熔体，目前还未实现在工业生产中的大规模应用。应用高分子聚合物熔体冷却器可以简化发泡生产线,大大缩短生产周期,优化发泡制品质量，其优势非常明显，但现有专门应用于高黏度熔体的冷却设备较少，因此本文所研究的高分子聚合物熔体冷却器的设计研发技术在聚合物挤出发泡领域具有重大意义。
　　本文针对高分子聚合物在发泡过程中具有高黏度、低流速的特点，研发具有多孔式换热内芯的熔体冷却器。首先根据高聚物熔体的换热需求、工艺条件及对流传热理论对熔体冷却器进行理论计算和结构设计。在设计计算过程中，应用Visual Basic6.0可视化程序设计语言，将计算过程程序化，系列化，并输出计算结果。对比分析熔体冷却器的结构参数对换热性能的影响规律。
　　为研究熔体冷却器内部流场换热均匀性及压力降情况，应用polyflow流体流动分析软件模拟高聚物熔体从熔体冷却器入口到出口的流动过程，分析模拟结果发现，高聚物熔体温度在其流动方向上呈均匀下降趋势，且黏度随温度降低而增大。对比三种多孔式换热内芯的换热温度场和熔体压降，发现随孔组数增加，熔体流道直径减小，换热面积增大，熔体换热速率越快，且出口温差越小，熔体压降越大。
　　在实验室现有双螺杆挤出机生产线的基础上，应用本文所研发的熔体冷却器，根据实验需求自行搭建温度及压力测量平台，完成整个挤出发泡装置的调试，并进行了最终的挤出发泡成型实验，研究高聚物熔体在熔体冷却器中的换热效率及熔体压力降,对三种不同结构参数的换热内芯进行对比试验,验证了理论计算结果和模拟分析结论的正确性,并应用综合评价指标对熔体冷却器进行评价,为其优化设计提供理论依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高分子聚合物挤出加工设备简介

1．3 温度和压力对聚合物挤出发泡过程影响

1．4 前人研究成果

1．4．1 螺杆挤出机冷却方式研究现状

1．4．2 聚合物熔体传热流动特性研究

1．4．3 各类换热器的应用及特点

1．4．4 高聚物熔体冷却器研究现状

1．5 本课题研究的内容、目的及意义

1．5．1 本课题研究的目的和意义

1．5．2 本文研究内容

第二章 聚合物熔体冷却器结构设计及理论计算

2．1 聚合物熔体冷却器结构设计

2．1．1 聚合物熔体冷却器整体结构设计

2．1．2 聚合物熔体冷却器换热内芯设计

2．2 聚合物熔体冷却器理论计算

2．2．1 高分子聚合物对流传热系数计算方式确定

2．2．2 影响多孔式换热内芯换热面积及熔体压降因素研究

2．3 VB计算程序及界面开发

2．4 本章小结

第三章 聚合物挤出发泡成型实验

3．1 实验原料

3．2 实验设备

3．3 实验流程

3．4 实验结果分析

3．4．1 熔体冷却器传热性能评价指标

3．4．2 三种结构参数换热内芯性能评价

3．5 本章小结

第四章 聚合物熔体冷却器内部流场模拟分析

4．1 物理模型的建立

4．2 数学模型

4．2．1 控制方程建立

4．2．2 本构方程选择

4．2．3 参数渐近方程建立

4．3 有限元模型

4．4 边界条件设置

4．5 高聚物熔体流动换热过程模拟结果分析

4．5．1 高聚物熔体换热过程温度分布分析

4．5．2 高聚物熔体换热过程黏度分布分析

4．5．3 三种结构参数多孔式换热内芯流场对比分析

4．6 本章小结

第五章 全文总结

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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