基于ANSYS的橡膠微波加熱的數值分析

董林福，劉 輝

（沈陽化工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110142）

硫化是橡膠制品加工的最后一道工序，橡膠制品硫化質量的好壞直接決定其使用壽命。傳統的橡膠硫化加熱方式有蒸汽加熱、電加熱和導熱油加熱等。這些加熱方式本質上都是通過表面熱傳導實現內部溫度升高，熱量從表面傳導到內部所需要的時間長，加熱不均勻，效率低，厚制品還會產生外焦里嫩的現象，對制品的性能影響很大。微波是一種特殊的電磁波，可以直接深入到物體內部，從內部對物體進行加熱，屬于內熱源[1]。作為一種新興的加熱技術，微波加熱已經得到了廣泛的應用。在微波加熱過程中，物料在吸收微波的時候整個物料同時被加熱，解決了傳統加熱時從外向內進行熱傳遞而導致的加熱效率低的問題。

本工作利用ANSYS有限元軟件分析天然橡膠（NR）應用傳統加熱方式和微波加熱方式的加熱效果，以期為微波加熱技術應用于橡膠制品的硫化提供參考。

1 傳統加熱方式的模擬

本工作模擬采用的NR試樣為圓柱形，且形狀對稱，因此僅對一部分圓柱體進行分析。模擬采用的NR試樣物理模型如圖1所示，NR試樣的半徑為0.05 m，高度為0.01 m。NR試樣的密度為0.913 Mg m-3，熱導率為0.2 W （m ℃）-1，比熱容為1 700 J （kg ℃）-1。定義試樣的初始溫度為0 ℃，對試樣上下表面及外表面進行加載，載荷溫度為150 ℃。因為要提供分析不同加熱時間NR試樣的溫度，所以采用瞬態熱分析[2]。共進行4次模擬，加熱時間分別為50，100，150和200 s。圖2所示為不同加熱時間的NR試樣溫度分布。從圖2可以看出：加熱50 s后，試樣熱傳導開始進行，試樣上下表面及外表面開始傳導熱量到內部，此時內部溫度為28.965 ℃，外表面溫度明顯高于內部，溫差為121.035 ℃。加熱至100 s后，試樣內部溫度升至60.328 ℃，內外溫差仍然很大，為89.672 ℃。加熱150 s后，內外溫差逐漸縮小，內部最低溫度為86.803 ℃，內外溫差達到63.197 ℃，但是內外溫差仍然很大。加熱200 s后，最低溫度達到106.472 ℃，溫差為43.528 ℃。由此可以看出，傳統加熱方式加熱時間長，效率低，溫差大。

圖1 NR試樣的有限元分析模型

圖2 不同加熱時間的NR試樣溫度分布

2 微波加熱方式的模擬

運用ANSYS軟件對微波加熱NR試樣進行數值模擬，在矩形諧振腔中進行加熱，微波頻率為2 450 MHz，試樣的相對介電常數為3，初始溫度為0 ℃，其他參數與傳統加熱方式一樣[3]。微波功率為1 200 W，微波加熱時間分別為5，10，15，20和25 s。首先建立微波加熱分析模型（與傳統加熱方式相同，見圖1），微波從圓柱面上表面射入，試樣可以吸收入射的微波能量，微波可以穿透試樣，整個試樣都可以同時加熱[4]。

圖3所示為功率1 200 W、不同微波加熱時間的NR試樣的溫度分布，其內部最高溫度、外部最低溫度及溫差如表1所示。

圖3 不同微波加熱時間的NR試樣溫度分布

表1 不同微波加熱時間的NR試樣內部最高溫度、外部最低溫度及溫差

圖4所示為微波加熱時溫度隨時間的變化曲線和試樣內外溫差隨微波加熱時間的變化趨勢。

圖4 溫度和溫度差隨微波加熱時間的變化曲線

試樣內部最高溫度與外部最低溫度之間溫差的變化趨勢曲線顯示出微波加熱升溫快、效率高的特點。從溫差隨加熱時間的變化趨勢來看，傳統加熱方式隨加熱時間的延長，溫差逐漸減小，但溫差減小的速度緩慢；微波加熱時隨加熱時間的延長，溫差會逐漸加大，但從發展趨勢來看，其達到硫化溫度時的溫差比傳統加熱方式的溫差小。如當微波功率為1 200 W、加熱25 s時，試樣外部最低溫度為119.75 ℃，溫差為18.911 ℃，基本達到硫化溫度，而傳統加熱方式加熱200 s時，外部最低溫度為106.472 ℃，溫差為43.528 ℃。

采用同樣的方法，對不同的微波功率、相同的加熱時間進行模擬。加熱時間設定為20 s，微波功率分別為500，800和1 200 W。其內部最高溫度、外部最低溫度及溫差如表2所示。

表2 不同微波功率的NR試樣內部最高溫度、外部最低溫度及溫差

由表2可以看出，在微波加熱過程中，隨著微波功率的增大，內部最高溫度和外部最低溫度越來越高，溫差也越來越大。

3 結語

本工作運用ANSYS軟件分析得出了采用傳統加熱方式和微波加熱方式的NR溫度模擬結果。通過比較分析，得出以下結論。

（1）微波加熱方式比傳統加熱方式加熱效率高、時間短，在很短的時間內就可以加熱到硫化所需溫度。

（2）微波加熱方式比傳統加熱方式加熱均勻。

（3）微波加熱膠料的溫度隨著微波加熱時間的延長、微波功率的增大而升高，內部最高溫度與外部最低溫度之間的溫差隨著時間的延長、微波功率的增大而升高。因此在進行微波加熱時，要合理選擇微波加熱時間和微波功率，以減小內部最高溫度與外部最低溫度之間的溫差。