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热压板孔道结构及其传热仿真分析

发布时间:2019-11-03 23:40 点击数:
  

  中国工程院农业学部热压板孔道结构及其传热仿真分析 (福建农林大学材料工程学院,福建福州350002)摘要:为设计一种适合于导热油为加热介质、水为冷却介质的热压板孔道结构,对现有的蒸汽热压机热压板孔 道进行结构改进设计,并用ANSYS 软件进行温度场仿真分析。比较温度场仿真分析结果,确定了一种温差较小 的四进四出热压板孔道结构;其仿真结果显示,用热油加热时热压板板面最大温差 5.753,用水冷却时热压板 工作面内板面温差 6,达到产品生产要求。该分析方法简单,成本低,结果可供参考。 关键词: 热压板孔道结构温差 传热仿真分析 中图分类号:THl22; S777;TKl22 文献标识码:A 文章编号: channelstructure hot-pressplaten itssimulation analysis heattransfer ZHANG Su.mei (Coll ege Mater ia Engineering,F ujian Agriculture ForestryUniversity,Fuzhou,Fujian 350002,China) Abstract:In order newchannel structure hot-pressplaten。with thermal oil hotenergy coolingenergy newchannel structure design improvingexisting vapor hot—press machine.Its temperature Field Simulation analysis ANSYSsoftware.By comparing temperaturestimulation analysis differentprojects improvedchannel structure fourenter ports fourexports lessdifference made.TheSimulation analytic results show newchannel structure heating thermaloil hot-pressplaten 5.753andwhen cooling hot-pressplaten workingface resultsshow product.Theanalytic method lower.Theresult cat,be used reference.Keywords:hot-press platen,channel structure,difference emper atu re imula ti heattransfer 传统人造板蒸汽热压机热压温度较低、热压时间较长,且蒸汽输送压力随温度上升而增加。 有机载热体导热油具有可在封闭状态以低压进行液相循环及传递热量、使用温度可高达340等 优点,使其在人造板加工领域中的应用逐渐推广。目前,导热油在人造板热压领域的应用,主要 是通过把加热后的热油循环输送到热压板孔道中对热压板及板坯进行加热来实现的,该方法主要 用于薄板坯热压。对于人造板中的三板(胶合板、刨花板和中密度纤维板)的典型三段降压曲线 所对应的热压及厚板的热压,板坯在加热及保温保压后一般需在热压机内冷却到一定温度再卸板。 若借鉴现有方法,即通过换热器用水或其他冷却剂对热油进行间接冷却后再把冷油循环输送到热 压板【l-2】,对热压板及板坯进行冷却,则冷却速度慢、耗时长,难以满足要求。实践证明用水冷却 的速度远比用冷导热油的快【3】,但因导热油与水不能混合,必须对现有热压机的热压板孔道结构 进行重新设计才能使用。为寻求板面温差较小的孔道结构,以使板面变形尽量小14。5J,笔者用 ANSYS)软件进行传热仿真分析,以确定较佳方案。 674 “木(竹)材低碳加工与绿色保障”学术研讨会 201 热压板孔道结构设计和传热边界条件设置1.1 热压板孔道结构初步设计 要使载热体导热油和冷却水在不同的通道输送,必须在热压板中分别加工出各自独立的导热 油通道和冷却水通道。因无实际应用例子可借鉴及实验条件的限制,笔者参考现有文献睁 10j,先 采用与蒸汽热压机压板相同的孔道间距 100 rnnl,孔径 c1)25 Irdll,规格尺寸为 600rnnlxl 400 1111,工作面尺寸为2 440 mmxl 220 mm 的横向开孔热压板(图1A)为例,进行改进设计。将两进两 种结构在传热过程中压板的温度分布情况,采用ANSYS 软件进行传热仿真分析。 初定热压板孔道结构示意图Fig.1 Preliminarily designed channel structure hot-pressplaten 1.2 热压板传热边界条件设置 三维无内热源稳态温度场在直角坐标系中的微分方程为[9-10】: 为温度。传热问题的常见边界条件可归纳 为以下3 Ir对热压板的传热过程做以下基本假设【l 0】:周围空气温度恒定;热压板非工作表面与周围空 气以对流换热方式进行热量交换,工作表面以热传导方式对板坯输出热量;不考虑传热过程中 的辐射换 热;不考虑材料物性参数和边界条件随温度的变化。 设定热压板的侧面边界条件为对称边界条件,热压板的内通道面与导热油的外表面设为耦 合面,热压板非工作表面设为对流边界条件(第3 类边界条件)。取热压板与空气的对流换热系 数为8.45 Wm-E.K【91,周围空气温度为2512。入口边界条件设为速度入口边界条件,取导热 油的平均流速 ms。1(据查一般W=2-4 msd),取孔道中导热油温度 150,导热油牌 HD一330,其相应密度l 157 kgm一,比热容 240J(kgK)~,运动粘性系数2.6 MPaS, 导热 系数 850kgm 460J(kgK)~,导热系 】,热压板初始温度取25 ,热压板孔道直径为 25 mm。导热油放热的对 675 中国工程院农业学部 流换热系数为【12’1 口:竺型:0.023RP08Pr03兰:1157.47 为导热系数,尸,为流体的普朗特数,尺P流体的雷诺数,d 热压板孔道 直径。 初定孔道结构温度场仿真分析及结果比较按以上基本假设,根据传热模型的对称性,对图l 线 作为热压板传热分析的简化几何模型,用 ANSYS 件实体建模后划分网格。分别用温度150热油对进油通道进行加热,边界条件及载 荷定义完成 后,仿线S,最后提交 ANSYS 软件进行瞬态温度场求解,得用 导热油分别加 热时的压板温度分布云图(图2)。由图2 得到相应于图1A 的板面最大温差 是9.656,图1B 的板面最大温差47.755,图1C 的板面最大温差46.708,可见与没 加工通水孔道的压板(图 1A)相比,加工了通水孔道的热压板板面温差大大超出未加工通水孔道 的压板,且远远超出合格 板的温差要求范围【9】。用水冷却的仿真结果与此类似,此处略去水冷却 仿线 飞鬈143 嘲44黼.047 107322l 17212& 38、46t1 48.8 117.$16譬12s 129C 加热时热压板1/4几何模型的温度分布云图 Fig.2 Temperature cloud contours geometrymodel 1/4hot-press platen heating对图lC 的孔道间距进行调整,纵向孔距改为80 mm, 横向导热油进口两相邻孔道之间、水与水及水与导热油之 问的孔道问距为70 mm,其它导热油相邻孔道之问的问距 为90 mm;对以150热油加热进行传热仿真分析,求 得到的温度分布云图(图3),其板面最大温差11.34, 温差大为缩小,在工作面范围内热压板温差9.5,基本 138,254‘0 140、774j 145814l 达到合格板生产温差要求范围【9J。 139 514142,034 44.55414 7,074 Fig.3Temperature distribution cloud contour separationdistance 针对图1B、图IC 道结构图及图3温度分布云图 特点进一步调整,把导热油孔道改为 四进四出,再进行实体建模、划分网格及加载求解,经多次 调整最后确定纵向油和水孔道间距 为70 mm,横向中部导热油孔道问问距为86 mm,其它横向相 邻孔道之间问距及布置见图 4A。图 4A 中导热油与水及水与水孔道问的间距为 69 mm,整块热压 板的孔道布置左右对称, 图4B 是在ANSYS 软件中建立的1/4 热压板几何模型图。 676 “木(竹)材低碳加工与绿色保障”学术研讨会 201 改进后热压板孔道结构及其简化几何模型Fig.4 Improved channel structure hot-pressplate Rssimp lified geometry model 4B划分网格、边界条件和载荷定义后,求解得用 150导热油加热时的温度分布云 可见板面最大温差为5.753,达一等品 生产要 为导热系数,d为热压板孔道直径。 20水的密度 998 kgm一、比热容 183 J(kgK) ~、运动粘度系数 1.005 MPaS、导热系数 X=0.60 w(mK)一、水流速取 500S,仿真结果见图 可见温度最高点出 现在热压板一侧的边缘,板面最大温差8.391,工作面内温差约6,达一等品生产要求[9】。 143.712i4,1.99lea5,269147.5,17148.82620.甜 62t.91l23.775256427.505 144,351145 629146,908148.186.c 149.465 20.97822、84324.70826,57328 437 水冷却温度分布云图Fig.5 Temperature distribution cloud contour Fig.6 Temperature distribution cloud contour heating oilcooling 结论比较 ANSYS 软件分析得到的温度分布云图可见,输送导热油和水的通道若采用初定方案 的两进两出孔道结构,孔道间距需进一步调整以缩小板面温差。采用孔道间距调整后的四进四出 布置方案,用热油加热时,热压板板而最大温差 5.753,达一等品生产要求;用水冷却 时热压 板板面最大温差 8.391,工作面内板面温差 6,是可行的。用 ANSYS 软件进行 温度仿真分 析,其方法简单、成本低。该分析方法对单层压机及多次压机都适用。 从热压板温度分布特点看,可进一步优化孔道间距使温差更小。本设计的孔道结构其尺寸及 回路布置对热压板整体的刚度和强度是否有影响、影响程度多大,有待进一步研究。 677 中国工程院农业学部 参考文献 在导热油加热冷却系统中的应用【J】.工业控制计算机,2007,2001):69—70,81.【2】赤井康昭.载热体加热冷却装置以及载热体温度控制方法:中国,101801519ALP].2010— 08.11. 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