低壓聚乙烯電纜紫外交聯熱流場研究

韓家德，杜鵬, 路義萍，黃 波，郝廣平

(哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080)

低壓聚乙烯電纜紫外交聯熱流場研究

韓家德，杜鵬, 路義萍，黃 波，郝廣平

(哈爾濱理工大學機械動力工程學院，哈爾濱 150080)

紫外光交聯輻照箱中，高壓紫外汞燈作為輻射源，產生的輻射能使反射罩、燈管及聚乙烯電纜表面的溫度升高，若溫度過高會使電纜絕緣層表面發生熱氧化，甚至導致表面焦糊，嚴重使反射罩等受熱部件產生熱變形。為了改善汞燈與電纜表面的過熱問題，本文基于計算傳熱學和計算流體動力學(CFD)原理，首先對低壓電纜紫外交聯箱內部進行三維湍流流場建模，研究交聯過程中電纜表面速度場，然后以電纜二維截面為研究對象，對電纜截面溫度場進行數值模擬。 結果表明，在低壓電纜內，絕緣與導體之間的熱傳導對絕緣層內的溫度分布起了主要作用，裝置內絕緣層表面的對流換熱直接影響電纜溫度。

流場；溫度場；聚乙烯電纜；紫外交聯；輻照箱

0 引 言

聚乙烯經過交聯具有了網型和體型結構性質，其機械性能和耐熱性能顯著改善，從而成為了被廣泛使用的電力電纜絕緣材料[1]。

1956年Oster首次提出了光敏化交聯方法，20世紀80年代以后，Ranby教授及其合作者在聚乙烯的紫外光交聯研究方面取得了一些突破性進展[2]。90年代末瞿保鈞等首先進行紫外光引發交聯的基礎性研究，并在實驗室中取得突破性進展，隨后開展了應用紫外光輻照技術生產交聯聚乙烯絕緣電力電纜和控制電纜的工業化研究和試驗[3]。

目前，國內外對光交聯聚烯烴電纜技術的研究中，重點介紹光交聯機理、特點[3]，輻照設備原理[4]，光交聯聚烯烴電纜配料[5]，光交聯電纜耐熱性能[6]、機械性能[7]。在紫外光交聯低壓電纜紫外交聯設備的輻照箱中，高壓紫外汞燈作為輻射源，產生的輻射能使反射罩、燈管及聚乙烯電纜表面的溫度升高，若溫度過高會使電纜絕緣層表面發生熱氧化，甚至導致表面焦糊，嚴重使反射罩等受熱部件產生熱變形，因此，交聯輻照箱中通風冷卻及輻照箱中電纜溫度場方面的研究非常重要。為了改善汞燈與電纜表面的過熱問題，文中針對某電纜光交聯輻照箱進行三維流場及電纜二維橫截面溫度場數值模擬，獲得實驗條件下難以測量的流場物理量及溫度場特性，分析設備內部冷卻介質流場特性及電纜橫截面溫度分布特征，為低壓電纜紫外交聯質量改善提供依據[8]。

1 物理模型

文中研究低壓聚乙烯電纜輻照箱殼體內沿圓周方向安裝有三組燈箱，燈箱內安裝有分流板、隔板、高壓紫外汞燈，高壓汞燈的背面安裝反射罩，輻照箱內三組燈箱互成120°夾角。冷卻空氣通過鼓風機進入輻照箱，鼓風機與三組燈箱總進風口連接，將冷卻氣流送入交聯裝置內，氣流通過分流板分流后，利用反射罩通風口中形成的出流依次冷卻汞燈和電纜[9～11]。最后冷卻氣流沿軸向流出燈箱，依次通過出風口、引風機排入室外。在反射罩上開三排通風孔，通風孔之間的距離相同，這樣會減少通風阻力，增加冷卻風量，能更好的使電纜絕緣面換熱加強，并且使裝置內產生的氣體很快的排放到室外高處大空間，減少污染,如圖1所示。

圖1 聚乙烯輻照箱冷卻風路系統圖注：1-進風口；2-分流板；3-空氣射流；4-出風口；5-冷卻氣流

流體場計算時，采用SOLIDWORKS軟件建立物理模型，根據輻照箱結構周向及軸向對稱的通風特點，為簡化模型，以輻照箱周向二分之一、軸向二分之一為計算域，如圖2所示，燈箱和電纜采用實體顯示，空氣流通域以線框表示，坐標系原點位于輻照箱前端面中心，此端面位于xy軸方向，電纜軸心與z軸重合。采用計算流體動力學軟件FLUENT的前處理軟件Gambit進行網格劃分。

圖2 物理模型圖

溫度場計算時，低壓電纜由聚乙烯絕緣層和導體線芯兩部分組成，根據電纜幾何結構特點，僅建立二維模型即可，為模擬輻照箱中的電纜在熱輻射和表面對流換熱條件下所導致的溫度變化，首先建立了一種典型的低壓電纜二維截面模型，導體標稱截面積為240 mm2，聚乙烯絕緣層厚度為1.7 mm，無內屏蔽層，如圖3所示。低壓電纜中導體線芯由多股導線絞合而成，導線之間有微小的間隙，為了便于建模和網格劃分，文中的導體線芯視為由單股導線組成。物理模型建立后，對其進行網格劃分，如圖3所示。

圖3 低壓電纜二維模型網格圖

2 控制方程及求解條件

2.1 流場計算時基本假設和控制方程

輻照箱內氣流馬赫數Ma<0.3，空氣視為不可壓縮流體；經計算入口雷諾數Re>>2300，輻照箱內冷卻空氣處于湍流流動狀態，因此用質量、動量守恒方程及反映湍流特性的k-ε兩方程[15]。

(1)

式中：φ為通用變量，代表u、v、w等求解變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

2.2 溫度場計算時控制方程

(2)

輻射能量方程描寫的是輻射場中的輻射能量平衡，某一微元體在4π空間全波長的輻射能量方程可成：

(3)

2.3 邊界條件和求解過程

由實驗測量得到鼓風機管道流量為0.34 m3/s，由此折算出交聯裝置進風口流速為8.95 m/s[16]，將其作為速度入口邊界條件，在出口處設定自由出流條件，運用Fluent進行數值模擬出進、出口表壓力分別為122.66 Pa和-184.35 Pa，輻照箱周向豎直對稱面及燈箱軸向對稱面設為對稱邊界，其他固體壁面視為壁面邊界，分離求解器下，選取標準k-ε兩方程湍流模型，采用標準壁面函數處理低雷諾數的粘性支層，SIMPLE算法耦合壓力速度方程組，使用二階迎風離散格式，近壁面無量綱距離y+>30，滿足網格獨立解要求，收斂解殘差為 1×10?3。

溫度場數值模擬時材料物性參數的設定是的重要環節，往往關系到計算結果的準確性。導體線芯的材料設定為純銅，在計算過程中，由于溫度、壓力變化不大，所有材料的物性參數都視為常數，電纜模型中的絕緣層、導體線芯在FLUENT軟件中的主要物性參數設置見表1。

表1 物性參數設置電纜部件密度

根據廠家提供的資料，低壓電纜橫截面完全通過輻照箱交聯時進入到離開需要5 s的時間。輻照箱中安裝了9只額定功率為6 kW的紫外汞燈。汞燈會向外發射輻射能，其中包括紫外部分、可見光部分以及紅外部分，本文中根據經驗假設紅外波段占汞燈熱輻射能量的50%，其中聚乙烯對紅外部分的吸收系數較大，是導致電纜過熱的主要原因，對紫外和可見光波段的吸收系數很小，對溫升的貢獻很小，熱計算時可忽略不計。汞燈石英管的透射率平均值約85%，透過石英玻璃的熱輻射一部分直接投射到聚乙烯表面，其余部分經反射罩反射后，匯聚至聚乙烯表面(見圖1)，其中反射罩的材料為純鋁，結合反射罩橢圓結構與材料特性可以計算出，約84%的紅外線經反射后投射到電纜表面，且熱輻射均勻分布于電纜絕緣層上。所模擬的電纜截面為靜止不運動。假設厚度為1.7 mm絕緣層可以吸收50%投射到它表面的熱輻射，這部分熱輻射將全部轉化成熱量。

由以上分析可以計算出絕緣表面投射輻射熱流密度為84 451 W/m2，以此作為輻射引起并在電纜中產生的熱源。由于紫外交聯設備空冷系統為強制對流，表面換熱系數在20～100 W/m2·K范圍內，因為溫度分布規律相同，只是對流換熱系數大小不同影響電纜表面換熱程度，由傳熱學換熱原理可知，在一定范圍內換熱效果隨著換熱系數的增大而增強。本文只研究絕緣層外表面為對流邊界條件時，換熱系數為平均值50 W/m2·K情況下電纜表面是否超溫。

電纜表面絕緣初始溫度為其在擠出機中擠出時的熔融聚乙烯溫度200 ℃，導體銅初始溫度為環境溫度25 ℃，計算時物性參數采用常溫常壓下的數值，見表1。在光交聯電纜生產過程中，需要保證絕緣層溫升在270 ℃以下，絕緣層聚乙烯在250 ℃情況下開始離析，因此需要保證絕緣層溫升在250 ℃以下，這里通過分析絕緣以及導體溫度給出低壓電纜橫截面溫度場分布。

3 流場數值模擬結果及分析

3.1 速度場分析

通過流場數值計算得到輻照箱內在反射罩上開三排通風孔時，冷卻空氣體積流量為0.489 m3/s。圖4為通過湍流流場計算得到的輻照箱內軸向中間位置的橫截面速度云圖及軸對稱面上的速度云圖。由圖可知，汞燈靠近反射罩側空氣流速為6.6～8.4 m/s，汞燈靠近電纜側空氣流速為3.6～4.8 m/s。電纜線表面空氣平均流速達到4.2 m/s，反射罩背部空氣流速達到7 m/s左右，在由背部進入輻照箱內的反射罩進口處速度較大，約10 m/s左右，反射罩冷卻加強[16]，熱變形量將減小，保證反射罩聚光到電纜表面，有利于改善紫外交聯電纜產品的質量。

圖4 軸向中間位置橫截面和軸向對稱面速度分布云圖

3.2 溫度場分析

通過求解輻射傳遞方程和非穩態能量守恒方程，得到電纜截面溫度場分布，圖5示出了低壓電纜橫截面溫度分布，由圖可知，絕緣外表層溫度最高，數值為245 ℃，沿半徑減小方向，深入絕緣層一定距離后溫度急劇降低，在絕緣層與導體交界面處平均溫度為68 ℃。由于導體導熱系數大，熱阻小，線芯平均溫度在5秒鐘時間內由初始值25 ℃ 迅速升高至67.4 ℃，且溫度分布非常均勻，符合理論分析預期。

圖5 低壓電纜橫截面溫度分布(t=5 s)

從圖6中可以看出低壓電纜橫截面溫度隨徑向位置s變化曲線，導體中心位于s=0處，絕緣層聚乙烯外表面位于虛線A、D所在位置，虛線B、C為絕緣與銅導體線芯分界面。由以上分析可得出，最高溫度并沒有出現在絕緣外表面，而是出現在絕緣外表面相鄰層附近，由于絕緣表面與冷卻空氣進行對流換熱，所以外表層的溫度會稍低于相鄰層的溫度。絕緣內部，隨深度增加，溫度下降很快，最大的溫度梯度出現在絕緣層與導體線芯分界面附近。線芯銅的導熱系數大，吸收絕緣層的熱量后溫度迅速升高，且沿半徑方向溫度分布比較均勻。

圖6 低壓電纜橫截面溫度隨徑向位置變化曲線(t=5 s)

由以上分析可知，在電纜表面對流傳熱系數大于50 W/m2·K時，絕緣內部最高溫度低于250 ℃, 在電纜紫外交聯過程中，不發生離析現象；通過調整電纜表面的投射輻射能量,以及適當的調整通風系統，增大對流換熱系數，可改善電纜表面換熱效果，達到既保證交聯質量又防止表面離析及焦糊顯現產生。

4 結束語

文中通過低壓電纜紫外交聯輻照箱內三維流場數值模擬及電纜截面二維溫度場數值計算，得到結論如下：

(1)在反射罩上開三排通風孔時，反射罩背部空氣流速達到7m/s左右，反射罩背部冷卻加強。

(2)在電纜表面對流傳熱系數大于50 W/m2·K時，絕緣內部最高溫度低于250 ℃,在電纜紫外交聯過程中，不發生離析現象，通過調整電纜表面的投射輻射能量,以及適當的調整通風系統，可做到既保證交聯質量又防止表面離析及焦糊顯現產生。

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Research on Thermal and Flow Field for the Process of UV Cross-linking of the Low Voltage Polyethylene Cable

HAN Jia-de, DU Peng，LU Yi-ping, HUANG Bo, HAO Guang-ping

(School of Mechanical & Power Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

Radiant energy that UV mercury lamp as a radiation source in the UV cross-linking device produces makes the temperature of reflector lamp，and the surface of cable go up. If the temperature of the device is too high, thermal oxidation can happen in the surface of cable insulated layer, and even lead to surface anxious burnt, seriously make the reflector and other heated parts produce thermal deformation. In order to improve the overheating of UV mercury lamp and cable surface, based on the theories of Computational Heat Transfer and Computational Fluid Dynamics(CFD) in this article, first, the three-dimensional turbulent flow field of UV cross-linking device of Low-voltage Cable inside was modeled, and velocity field of cross-linking cable surface was researched in the process, then with two-dimensional section of the cable as the research object, the temperature field of the cable was simulated．The results show that within the low voltage cable, the heat conduction between the conductor and insulation plays a leading role in the distribution of temperature of the insulation layer , and the convective heat transfer on the surface of the insulating layer directly affect the temperature of the cable in the device.

Flow field；Temperature field； Polyethylene insulated cable； UV cross-linking；Irradiation box

2014-10-11

2014-11-05

韓家德(1965-),男,教授，主要從事流動傳熱。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.009

TK

B

1009-3230(2014)12-0035-06