熱風熔融廢舊塑料造粒機熔融室溫度場分析

譚 磊，黃興元?，王 涵，潘留雯

（南昌大學機電工程學院，江西省輕質高強結構材料重點實驗室，南昌 330031）

0 前言

塑料因其成本低、質量輕、強度高、耐腐蝕、加工方便等優異性能，被廣泛應用在國民經濟的各個領域。但隨著塑料制品的不斷使用，廢舊塑料也隨之與日俱增，給環境造成的污染也日趨嚴重。目前，廢舊塑料主要的處理方法是：填埋、焚燒、再生利用等。填埋處理是一種操作簡單、投資成本低的處理方法，但填埋占用土地面積，浪費土地資源［1］；焚燒處理是回收利用廢舊塑料燃燒時所產生的熱量，但是焚燒會釋放多種有害物質，如強致癌物質二惡英［2］，嚴重危害人類健康和生態環境；再生造粒是通過造粒工藝將廢舊塑料變為顆粒的回收方法，也可用于成型加工，制得的產品性能與原產品的性能相差不多，具有很高的經濟價值［3］。相比于填埋處理和焚燒處理，再生造粒是真正意義上的資源再生循環利用。近年來，諸多學者對其展開了研究。周獻華等［4?5］根據新型的熱風熔融造粒工藝設計出立式熱風循環加熱廢舊塑料回收造粒實驗樣機，而陳丹等［6?7］在周獻華等研究基礎上完成了實驗研究和改進設計，證實了熱風熔融造粒工藝的可行性。立式熱風循環加熱廢舊塑料回收造粒機作為新型的塑料回收造粒機，使用新型的塑料回收造粒機工藝，即熱風熔融塑料回收造粒方法。它采用熱風循環加熱廢舊塑料，使塑料熔融，進而擠出造粒。相比于傳統螺桿擠出造粒工藝，它直接加熱廢舊塑料，省去了粉碎、清洗、烘干等過程，減少工藝步驟，節約投資成本，加快回收。立式熱風循環加熱廢舊塑料回收造粒實驗樣機結構簡圖如圖1所示。工作原理為：廢舊塑料由料斗落于熔融箱體，通過熱風循環加熱并在攪拌軸連續攪拌作用下加速熔融，最后通過螺桿擠出造粒，同時熱風在離心風機作用下，依次通過離心風機、加熱管然后進入熔融箱體，這樣往復循環完成加熱。

圖1 立式熱風循環造粒機結構圖Fig.1 Structure diagram of vertical hot air circulation granulator

熔融室作為暫時存儲和熔融塑料的筒體，其溫度分布對熔融塑料至關重要：一方面熱量集中區域，塑料吸收過多的熱量，導致塑料受熱分解；另一方面熱量稀少區域，塑料熔融過慢，加熱時間變長，工作效率變低。故本次模擬考慮在多參數的環境下，即進風口直徑、進風口位置和風速等，研究熔融室溫度變化、分布等，對多參數環境下的熔融室溫度分布、變化獲得足夠的認知，并采用正交試驗法，得出熔融室最優結構參數。

本文針對上述問題，對照機器，簡化模型，使用Fluent軟件進行模擬，分析各參數對非對稱熔融室溫度分布的影響，同時采用正交試驗法得到熔融室最優結構參數，提供結構合理、方便可靠的優化方案，使機器能夠更有效地熔融，提升造粒效率。

1 熔融室模型建立

熔融室的幾何模型如圖2所示，熔融室幾何參數如表1所示。

圖2 熔融室幾何模型Fig.2 Geometry model of the melting chamber

表1 熔融室幾何參數Tab.1 Geometric parameters of melting chamber

塑料靜置于熔融室底部，吸收熱量，為保證塑料在熔融室中得以充分吸收熱量，故而對熔融室進行優化設計，改善熔融條件，加快熔融，模型中攪拌軸對塑料起攪拌作用，為簡化分析，不考慮攪拌軸的影響，先做初步研究分析，后續再進行系統分析。因此對模型進行簡化，模型中只保留進風口、熔融室和篩網并使用Fluent中的Design Modeler進行幾何建模，如圖3所示，篩網如圖4所示，篩網幾何參數見表2。

圖3 熔融室Fig. 3 Melting chamber

圖4 篩網Fig.4 Sieve

表2 篩網幾何參數 mmTab.2 Screen geometric parameters mm

2 網格的劃分及邊界條件的設定

設置進風管道上表面為入口，篩網間間隙為出口，進風管道與熔融室外表面為固體壁面。入口邊界條件：入口采用速度入口；出口邊界條件：出口采用壓力出口，壓力設置為0；固壁采用無滑移壁面條件；求解器設定為基于壓力的求解器。入口邊界溫度為135℃，入口空氣密度為1.225 kg/m3，比熱為1 006.43 J/（kg?K），熱導率為0.024 2 W/m?K，黏度為1.789 4×10-5kg/m?s。

3 數值模型的選擇

由于本模擬涉及對流傳熱流動，需要求解標準的k?ε湍流模型和能量方程。

標準k?ε湍流模型的方程中湍流動能方程k和湍流耗散率ε如式（1）和式（2）［8］所示：

式中ρ——空氣密度，kg/m3

k——空氣紊流動能，J

t——時間，s

xi、xj——坐標位置

ui、uj——xi、xj坐標方向上的空氣流速，m/s

μi——動力黏度，kg/（m?s）

ε——紊流動能耗散率，%

Gk——由平均流速梯度產生的湍流動能，kg/（m?s2）

σk——k方程的湍流普朗特數

σε——ε方程的湍流普朗特數

C1ε——經驗常數

C2ε——經驗常數

Sk——自定義源項

Sε——自定義源項

能量方程如式（3）［9］所示：

式中T——熱力學溫度

v——平均速度

K——流體傳熱系數

Cp——比熱容

ST——黏性耗散項

4 Fluent模擬結果及分析

4.1 進風口直徑對熔融室溫度分布的影響

熔融室仿真參數設置如表3所示，為查看模擬結果建立中間平面，并為方便觀察熔融室溫度分布，將該平面簡化為a、b、c、d 4條直線，取每條直線上相同若干點的溫度數據，采用origin進行數據處理，代替該平面溫度分布。塑料熔融時，大多處于熔融室中下部分，故在熔融室模型中下部分等距取4條直線，由進風口至篩網分別是a、b、c、d 4條直線。如圖5所示，模擬結果如圖6所示。

圖5 熔融室直線分布Fig.5 Linear distribution of melting chamber

圖6 不同進風口直徑溫度云圖Fig.6 Model temperature clouds with different inlet diameters

表3 熔融室模擬參數Tab.3 Melt chamber simulation parameters

由圖中分析得：隨著進風口直徑不斷增大，沿進風口區域附近的溫度明顯增高，待該區域附近溫度達到最高溫度即邊界溫度，保持不變。采用origin進行數據處理，可得如圖7所示結果。

結合熔融室模型分析點線圖7可得：熱風由進風口進入，溫度最高，進入熔融室后沿進風口方向向周圍流動，溫度降低至穩定，最后到達熔融室壁面，溫度最低。因此熔融室溫度分布為：進風口最高，沿進風口左右迅速降低至平穩，最后流動至壁面，溫度達到最低，逐級產生溫差。最后比較1，2，3，4模型上相同直線溫度數據，進行溫度比較可得如圖8所示結果。

圖7 不同進風口溫度分布Fig.7 Different inlet temperature distribution

結合熔融室模型分析點線圖8可得：溫度最高點仍為進風口位，隨著進風口直徑地增加而不斷增加，待進風口直徑達到120 mm，溫度達到最大并保持不變，即達到入口邊界溫度。但各圖各直線左部分溫度數據也隨著進風口半徑的增加而逐漸提高且直線趨于平緩，熔融室溫差逐漸減小。可得結論：隨著不斷擴大進風口直徑，熔融室溫差減小，故為改進熔融室溫度分布均勻性，應盡可能擴大進風口直徑。

圖8 各線溫度分布Fig.8 Temperature distribution of each line

4.2 進風口位置對熔融室溫度分布的影響

熔融室仿真參數如表4所示，模擬結果如圖9所示。

表4 熔融室模擬參數Tab.4 Simulation parameters of melt chamber

圖9 對距中心主軸不同距離的溫度云圖Fig.9 Model temperature nephograms at different distances from the central spindle

由圖中分析得：隨著進風口遠離中心主軸，溫度最高點隨進風口位置改變而變化，熔融室溫度分布也發生相應的變化。采用origin進行數據處理，可得如圖10所示結果。

結合熔融室模型分析點線圖10可得：進風口仍是熔融室溫度最高位，溫度沿著進風口向兩邊降低至平穩。隨著進風口遠離中心主軸，溫度最高處隨著改變，熔融室其余位置溫度分布也發生改變。各熔融室模型溫度分布中，最高溫度數值變化不大，但其余位置溫度分布變化明顯。第8模型中，熔融室左部分產生過大溫差，即第4直線溫度分布于其他3條直線溫度分布差異過大，使熔融室溫度分布不均勻；第5模型中，熔融室左部分雖沒有明顯的溫差現象，但整體溫度過低，均處于50～70℃范圍內，與進風口溫度分布差異太大，致使熔融室整體產生過大溫差，整體溫度分布不均勻，在模型6與7中，6的溫度分布更加均勻，且與主軸差距不大。因此得：距主軸130 mm進風口的熔融室溫度分布更加均勻。

圖10 不同進風口位置的溫度分布Fig.10 Temperature distribution at different inlet locations

4.3 風速對熔融室溫度分布的影響

熔融室仿真參數如表5所示，模擬結果如圖11所示。

表5 熔融室模擬參數Tab.5 Simulation parameters of melt chamber

圖11 不同風速模型的溫度云圖Fig.11 Temperature cloud diagram of different wind speed models

由圖中分析得：隨著風速的增加，熔融室溫度分布并無明顯變化。為仔細觀察熔融室溫度分布，采用origin進行數據處理，可得如圖12所示結果。

結合熔融室模型分析點線圖12可得：各熔融室模型溫度分布中，最高溫度數值變化不大，其余位置溫度分布變化較為明顯。模型9中，熔融室左部分第4直線均與其他3條直線溫度差異過大，溫度分布不均勻。模型10、11與12，隨著風速不斷增大，熔融室溫度分布越趨于穩定，且隨著風速不斷地增大，熔融室左區域溫度不斷增加，即遠離進風口位，但最高溫度位及數值并沒有明顯改變。因此得：熔融室風速達到3 m/s及以上，熔融室溫度分布均勻且穩定。

圖12 不同風速模型的溫度分布Fig.12 Temperature distribution of different wind speed models

5 多參數正交模擬設計

上述模擬主要是對熔融室各參數的單參數影響規律分析，多參數的優化更能直觀地展現各參數對熔融室溫度均勻性影響的規律。正交法是一種廣泛使用的多參數結構優化方法，使用正交試驗法后，可以分析計算各因素對模擬結果的影響，并通過圖表形式表現出來，再通過方差分析綜合比較，最后確定優化參數［10］。影響熔融室溫度均勻性的3個參數為進風口直徑d、進風口距中心距離s和進風口風速v，選取3個水平。根據因素及水平劃分，采用3因素3水平的正交模擬矩陣，采用正交表L9（33），如表6所示。考核指標為高溫區與低溫區溫度的差值，即為進風口區域溫度與遠離進風口熔融室區域溫度的差值，得到相應的正交表。

表6 影響熔融室溫度分布的因素和水平Tab.6 Factors and levels that affect the temperature distribution of the melting chamber

考察3因素3水平的差值影響，所有不同的模擬條件共有33個，根據正交試驗設計，安排9組仿真模擬，模擬的目的是得到溫度差值影響最小的參數及各個參數對溫度差值影響優先級，最后得出最佳參數組合。

通過表7觀察正交模擬結果，進行方差分析得表8。通過正交試驗和方差分析，各參數對試驗指標的影響可由方差分析的顯著性得到，即：進風口直徑=進風口距中心距離>風速。

表7 熔融室參數正交模擬表Tab.7 Orthogonal simulation table of L9（33）melting chamber parameters

表8 方差分析表Tab.8 Analysis of variance table

根據正交模擬的優化結果，模擬中的最優結果應為A3B3C2，即進風口直徑為120 mm，進風口距中心為150 mm，進風口風速為2 m/s。熔融室溫度差為47.7℃；

6 結論

（1）當其他條件不變時，熔融箱體內溫度分布隨著進風口直徑的增大而顯著增加；隨進風口距中心主軸發生相應變化；隨進風口速度增大而無明顯變化；

（2）各參數對溫度均勻性的影響：進風口直徑=進風口距中心距離>風速，且為使熔融室箱體內溫度分布合理且均勻，廢舊塑料得以充分地吸收熱量，因此采用進風口直徑為120 mm，進風口距中心為150 mm的優化方案。