帶散熱孔的回轉窯滾圈應力及散熱效果研究

司磊磊，曹樹棟，周銀波

（1.中國礦業大學安全工程學院；2.江蘇康國化工機械制造有限公司：江蘇徐州221000）

帶散熱孔的回轉窯滾圈應力及散熱效果研究

司磊磊1，曹樹棟2，周銀波1

（1.中國礦業大學安全工程學院；2.江蘇康國化工機械制造有限公司：江蘇徐州221000）

采用數值模擬軟件模擬了回轉窯不同散熱孔數量時滾圈的散熱效果以及應力分布情況。結果表明，當沒有散熱孔時，滾圈外邊界溫度高達661.83 K；而隨著散熱孔數量的增多，散熱效果逐漸增強。當散熱孔數量在12～36個時，滾圈外邊界最低溫度為491.34～449.05 K。受力分析結果表明，滾圈外周向存在5個應力集中區，最大接觸應力為294.47 MPa，通過與Hertz理論值比較相對誤差僅為2.17%。散熱孔邊緣最大應力值為55.1 MPa。研究結果可為帶散熱孔滾圈的實際施工數量提供理論指導。

回轉窯；散熱孔；滾圈；接觸應力；數值模擬

氫氟酸回轉窯是生產氫氟酸的主要設備，由爐體、夾套、傳動裝置、滾圈、托輪和擋輪裝置、出料裝置和潤滑裝置等部分組成。而滾圈作為回轉窯重要的零件之一，爐體和物料等眾多部分的重量都要通過滾圈傳遞到支撐裝置上［1-2］。回轉窯內部溫度一般可達600℃以上，過高的溫度會致使回滾圈強度下降，減少滾圈使用壽命，甚至會導致滾圈失效產生安全事故［3-4］。

眾多學者針對滾圈的受力及傳熱做了大量研究。程志華分析了不同外界溫度對滾圈變形及受力的影響，結果表明，分析滾圈應力應變時外界溫度是一個不容忽視的因素［5］。李學軍運用赫茲接觸理論，推導了水平和傾斜狀態下托輪與滾圈的接觸應力分布，并理論分析了滾圈和托輪的易受損部位，為回轉窯軸向調控奠定了理論基礎［6-8］。鐘自鋒通過有限元方法對回轉窯進行了熱力耦合分析，通過對應力、應變分布云進行分析了各個位置的最大應力與變形，并由此提出了相應的優化方案，為現場回轉窯的設計提供了思路［9］。這些研究成果主要集中在大型回轉窯滾圈和托輪的應力應變分析，很少涉及到帶散熱孔的滾圈應力分析和散熱孔散熱效果分析。因此需要開展散熱孔對回轉窯滾圈的受力及散熱效果研究。

本研究以某廠氫氟酸回轉窯為對象，采用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對不同數量散熱孔的滾圈散熱效果進行分析，并利用軟件中的固體力學模塊分析了散熱效果最好時滾圈的應力分布情況。為現場回轉窯滾圈的散熱孔設計提供一定的理論指導。

1　數值模擬方案

1.1滾圈受力分析

眾多研究表明，滾圈內部所受壓力為復合曲線［6-7，10］。壓力載荷F可用式（1）表示：

F=F1（K-cosλ）/（πRc）。（1）

式中，F1為滾圈單位長度上垂直方向的載荷，Rc為滾圈內外半徑平均值，λ為筒體體壁角度，K為無量綱系數（,β為初始觸角）。見圖1。

圖1　滾圈壓力分布曲線

表1　模擬參數Tab 1 Simulation parameters

1.2托輪與滾圈接觸力分析

根據Hertz理論可知，滾圈與托輪之間的接觸應力為［3，11-12］：

式中，P為滾圈外表面線載荷，P=Gd/（2ldcos α），Gd為滾圈對托輪的總壓力，ld為滾圈寬度，α為托輪支撐半角；a為接觸區域半寬；E*為滾圈與托輪的當量彈性模量，，vd、Ed、vt和Et分別為滾圈和托輪的泊松比和彈性模量；R為滾圈與托輪的相對曲率半徑，R=RdRt/（Rd+Rt），Rd和Rt分別為滾圈和托輪半徑；p0為接觸區域最大壓力。

1.3數值模擬

COMSOL Multiphysics是一款大型通用偏微分方程求解軟件，本文利用COMSOL中的固體傳熱模塊和固體傳力學塊進行數值模擬，為了研究散熱孔的散熱效果，分別模擬了沒有散熱孔和散熱孔數量為12、18和36個時滾圈的散熱情況。滾圈為對稱結構，為了減少計算時間，取1/4滾圈進行建模，在兩端設置為對稱邊界，將滾圈的內邊界設定為溫度邊界，滾圈外邊界和散熱孔設置為熱通量邊界。由材料力學理論可知，隨著散熱孔數量的增多，滾圈的力學強度逐漸降低，因此在模擬散熱孔對滾圈所受應力的影響時，選用散熱效果最好的36個散熱孔的滾圈模型進行建模。滾圈內壁所受應力以式（1）進行加載。為了得到精確的計算結果，在滾圈與托輪接觸處的網格應該細化，因此在網格構建時在接觸區域進行了加密［11，13-14］。考慮到實際情況，在托輪內圈設定為固定約束邊界條件。具體模擬參數見表1。

2　結果與討論

2.1散熱孔散熱效果

圖2為不同散熱孔數量的溫度分布。

圖2　不同散熱孔數量的溫度分布云

從圖2可以看出，滾圈溫度總體分布規律呈現由內向外逐漸降低。沒有散熱孔時，滾圈外部溫度高達661.83 K，散熱效果十分差。而當散熱孔數量在12、18和36個時，滾圈外邊界溫度隨著散熱孔數量增多，外邊界溫度逐漸降低，分別為491.34 K、488.17 K和449.05 K。分析可知，隨著散熱孔數量的增多散熱效果逐漸增強。當散熱孔數量較低時，散熱效果并不明顯，由12個散熱孔增加到18個散熱孔時，外界最低溫度只下降了3 K左右。而由12個散熱孔增加到36個散熱孔時，外邊界最低溫度下降了42 K，溫度下降十分明顯。

圖3為3種不同情況時單個散熱孔邊緣的溫度分布曲線。

圖3　單個散熱孔邊緣溫度分布

由圖3可知，散熱孔數量越多，散熱孔靠近滾圈外邊緣的溫度越低，在散熱孔數量達到36個時，散熱孔內外邊緣溫差可達372.5 K，但在散熱孔數量為12和18個時，散熱孔內外邊緣溫差只有332.06 K和335.07 K。

2.2滾圈受力

圖4為滾圈應力分布云。

圖4　滾圈應力分布云

從圖4可以看出，滾圈應力集中區主要分布在5個位置，分別為滾圈的頂端、左右兩端及滾圈與托輪接觸區域，模擬結果與文獻［7］相互吻合。在托輪與滾圈接觸處最大應力為294.47 MPa，為了驗證模型的準確性，依據經典Hertz理論公式，計算了托輪與滾圈接觸應力的理論最大值為301 MPa，相對誤差僅為2.17%，誤差較小，結果可信，且模擬與理論計算最大值均未超過材料最大壓迫應力，因此滾圈完全滿足設計要求。

圖5為滾圈外周向應力分布曲線。因為回轉窯為軸對稱結構，因此只分析0～180°的應力分布曲線。

圖5　滾圈外周向應力分布

從圖5可以看出，應力最大區域集中在滾圈與托輪的接觸中心處（30°位置），而當遠離接觸區域位置時，應力迅速下降。依據式（3）理論計算接觸區域半寬為2.633 mm，與模擬結果基本符合［15-16］。相比于滾圈與托輪的接觸處，滾圈中部與頂端區域的應力較小，滾圈中部應力分布為26.6～31.1 MPa，滾圈頂端應力分布為16.9～19.0 MPa。

圖6為3個應力集中區域內散熱孔的應力分布曲線。

圖6　散熱孔邊緣應力分布

從圖6可以看出，散熱孔邊緣應力分布情況與滾圈外周向應力分布基本一致，其中正對托輪處的散熱孔邊緣應力較大，最大應力達到55.1 MPa，而中部與頂端孔邊緣應力值較小，分別為40.0 MPa和30.9 MPa。分析可知，雖然滾圈的應力分布主要集中在托輪與滾圈的接觸區域，但散熱孔的存在，使得散熱孔周圍存在應力集中區域，而且除了滾圈與托輪的接觸區域外，散熱孔邊緣的應力分布明顯大于滾圈外周向應力分布。

綜上所述，滾圈散熱孔數量越多滾圈散熱效果越好。但當散熱孔增多時必然會引起滾圈內部存在應力集中區域，導致滾圈破壞變形。結合應力分析結果可知，當滾圈散熱孔數量在36個時，滾圈最大接觸應力為294.47 MPa，而散熱孔邊緣最大應力為55.1 MPa，所使用材料強度完全可以滿足需求。

3　結論

當沒有散熱孔時，滾圈外邊緣溫度高達661.83 K，滾圈散熱效果不明顯，隨著散熱孔數量的增多，散熱效果逐漸增加。當散熱孔數量達到36個時，滾圈外邊界最低溫度為449.05 K，散熱孔內外邊緣溫差可達到372.5 K。散熱效果良好。

模擬了36個散熱孔時的滾圈受力分析，結果表明，滾圈外周向存在5個應力集中區，最大應力存在于托輪與滾圈接觸處，為294.47 MPa，并與理論計算值進行了比較，相對誤差僅為2.17%。散熱孔邊緣最大應力存在于托輪正對應處，為55.1 MPa。除托輪與滾圈接觸區域外，散熱孔邊緣應力普遍大于滾圈外周向應力值。

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PVDF膜將成為光伏背板外層材料領導者

據統計，2015年全球新增光伏裝機量達59 GW，中國新增約15 GW。中國是目前最大的光伏制造市場，光伏組件由玻璃-EVA-電池片-EVA-背板的結構封裝而成，背板位于光伏組件最外層，是光伏組件的關鍵保護材料。而背板最外層的材料則是決定背板使用壽命的關鍵因素。

PVDF是含氟高分子中戶外耐久性、耐酸雨、耐大氣污染、耐腐蝕、抗污染和耐霉菌等方面綜合性能最好的一種戶外使用材料，PVDF膜作為背板關鍵的外層保護材料，在2011年以前，供應全部來自國外公司，如法國ARKEMA、韓國SKC、日本DENKA等。隨著光伏材料的不斷國產化，PVDF膜這一被國外廠商壟斷的材料也開始被打破。

按照1 GW光伏電站折合7×106 m2背板使用量來計算，2015年的背板使用量達4.1×108 m2，2016年、2017年分別為4.8×108 m2、5.6×108 m2。目前含氟型復合背板占據背板市場70%～80%的份額。由于最近接連出現耐候性PET背板、涂覆背板的粉化、脫層問題，其可靠性受到光伏組件廠的擔心、質疑，未來含氟型復合背板將會逐步擠壓涂覆背板和耐候PET背板的市場空間。

對于國外PVDF膜供應商而言，在中國面臨最大的問題是本土化的服務和產品定制化。而PVF膜由杜邦獨家供應，采用的糊式加工法成本高，導致PVF膜的售價幾乎無下降空間。隨著KPK背板在國家電站項目的逐步開放，未來5年內，PVF膜會由于成本無法降低導致份額逐漸減少，PVDF膜將成為背板外層保護材料的領導者。

（本刊編輯部）

研究與開發

TQ052.5

A

10.3969/j.issn.1006-6829.2016.02.003

徐州市科技局資助，項目編號XC13A029

2016-02-22