聚碳酸酯板材一維非穩(wěn)態(tài)傳熱實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算

張定國(guó),張官理,郭新濤,厲蕾,顏悅

(北京航空材料研究院,北京 100095)

0 引 言

塑料熱成形是以各種熱塑性塑料片材(大多數(shù)熱塑性塑料的半成品片材都可作為熱成形的原料:如PS,PMMA,PVC,ABS,PE,PP,PA,PC,及PET的半成品)為成形對(duì)象的二次成型技術(shù)。成形過(guò)程中,板材在被均勻加熱到玻璃化溫度附近以后,進(jìn)行成形。而隨著板材料種類(lèi)的變化,板材厚度的變化和加熱方式的變化,加熱均勻所需要的時(shí)間和加熱方式不同,傳統(tǒng)的方法靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加熱時(shí)間的控制和方式的選擇,存在效率低下和板材“未熱透”等現(xiàn)象,導(dǎo)致成形過(guò)程中局部出現(xiàn)制品厚度不均勻和翹曲等缺陷。

為了解決傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法對(duì)于加熱時(shí)間等工藝參數(shù)的確定存在準(zhǔn)確性差等缺陷[1]。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同厚度板材在不同加熱方式下的熱透時(shí)間,同時(shí)采用數(shù)值計(jì)算的方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 加熱問(wèn)題描述

實(shí)驗(yàn)中,板材采用氣體單面加熱,即只在板材的一個(gè)面利用氣體進(jìn)行加熱,而隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),熱量由加熱面向非加熱面進(jìn)行傳輸,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間以后,整個(gè)板材的溫度達(dá)到一定值,此時(shí)稱(chēng)板材達(dá)到“熱透”,這段時(shí)間稱(chēng)為熱透時(shí)間。

圖1中平面板材單面加熱示意圖。

熱透時(shí)間不僅與材料的種類(lèi)和厚度有系,還與烘箱的加熱方式有關(guān)系,本文討論如下兩種加熱方式下,不同的厚度PC板材加熱熱透和時(shí)間的關(guān)系,加熱方式為恒溫加熱和變溫加熱,如圖2。

圖1 板材加熱示意圖

圖2 恒溫加熱和變溫加熱示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料參數(shù)的測(cè)定

原材料:聚碳酸酯 錦西化工研究院

試驗(yàn)儀器:TXR-1熱物理實(shí)驗(yàn)儀和密度儀

試樣尺寸:R25.4(6毫米厚),R14(6毫米厚)圓柱

密度ρ:1.452(g/cm3)

對(duì)流換熱系數(shù)h:25(W/m2.K)

熱導(dǎo)率λ:0.28W/m.K

熱容c:1.52J/g.K

2.2 不同厚度PC板材熱透時(shí)間的測(cè)定

2.2.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)采用天津泰斯特儀器有限公司的101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱,它采用單邊鼓風(fēng)加熱的方式。同時(shí),在PC表面一個(gè)直徑小于1 mm,深度小于0.2 mm的小孔[2],以保證點(diǎn)觸式熱電偶和PC表面充分接觸,當(dāng)被測(cè)面的溫度達(dá)到加熱溫度時(shí),板材即被熱透。測(cè)溫用的是點(diǎn)接觸式鎳鉻-康銅熱電偶。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3。

2.2.2 恒溫加熱不同厚度PC溫度-時(shí)間關(guān)系

從圖4中可以看出,在定溫加熱的情況下,板材非加熱面的溫度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)急劇升高,當(dāng)溫度達(dá)到一定的溫度值的時(shí)候,其增長(zhǎng)速度明顯放緩,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的一段時(shí)間,溫度達(dá)到平衡值,此時(shí)PC板的各個(gè)位置均達(dá)到160℃,板材熱透。

當(dāng)板材厚度為4mm時(shí),溫度放慢增長(zhǎng)速度的臨界溫度為150℃,在前1000 s,板材由20℃急劇增加到150℃,在1000-2200 s這1200 s之間,板材慢慢增加到160℃,最終達(dá)到板材溫度平衡(熱透)。同理,板材厚度為6 mm時(shí)這個(gè)臨界溫度為140℃,當(dāng)厚度溫10 mm時(shí),這個(gè)臨界溫度為133℃左右,當(dāng)厚度為12 mm時(shí),此臨界溫度為130℃?？梢?jiàn),隨著厚度的增加,臨界溫度越小,因?yàn)殡S著厚度增加,熱流通過(guò)玻璃的路徑就越長(zhǎng),而導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)的動(dòng)力—溫度梯度減小,所以溫度達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 恒溫加熱厚度-時(shí)間關(guān)系

利用此曲線(xiàn)和理論計(jì)算的曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比[3],也能夠比較好的符合一維非穩(wěn)態(tài)傳熱理論。

2.2.3 變溫加熱不同厚度PC溫度-時(shí)間關(guān)系

從圖5中可以看出:除了有溫度變化率有大到小的臨界溫度值以外,在溫度加熱過(guò)程中,較之恒溫加熱,還有一個(gè)溫度變化率由小變大的拐點(diǎn),不同厚度拐點(diǎn)溫度值時(shí)不同的,由圖可以看出,拐點(diǎn)溫度值隨厚度的增加而增大,而在拐點(diǎn)之前溫度的升高比較緩慢。

較之定溫加熱,此種加熱方式相對(duì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間,PC才可以熱透。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

本文使用Abaqus有限元模擬軟件對(duì)兩種加熱方式的加熱過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,采用邊界條件為單面氣體加熱,非加熱面初始溫度為室溫,結(jié)合已知物理常數(shù),得到不同加熱過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果。

3.1 恒溫加熱模擬

圖6為恒溫加熱過(guò)程時(shí)間為200 s時(shí)截取的溫度分布云圖,如圖可見(jiàn),紅色區(qū)域?yàn)楦邷夭糠?藍(lán)色區(qū)域?yàn)槭覝夭糠?隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),中間部位開(kāi)始變?yōu)闇囟雀哂谑覝氐木G色,淡藍(lán)色,最后紅色部位向左邊推移,從而達(dá)到整個(gè)板材的熱透。

圖7板材的中間溫度隨著時(shí)間的變化率關(guān)系,大致趨勢(shì)和非加熱面時(shí)一樣的,可見(jiàn)板材中各個(gè)厚度上溫度變化的趨勢(shì)時(shí)一樣的,只是隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),溫度進(jìn)一步向另外一個(gè)面擴(kuò)展。

同時(shí),非加熱面的規(guī)律和中間層的溫度—時(shí)間變化規(guī)律和中間層的變化規(guī)律一樣,溫度快速增長(zhǎng)到一個(gè)臨界值以后,再緩慢增長(zhǎng)到設(shè)定溫度值,達(dá)到熱透。

3.2 變溫加熱模擬

如圖8所示,線(xiàn)形模擬結(jié)果取了不同厚度中間層溫度—時(shí)間變化關(guān)系,不同的厚度在開(kāi)始溫度緩慢增長(zhǎng),到達(dá)一個(gè)臨界值后,溫度增長(zhǎng)迅速,最后達(dá)到第二個(gè)臨界值以后,溫度再此緩慢增長(zhǎng),最終達(dá)到設(shè)置溫度。而剛開(kāi)始時(shí),由于溫度比較低,溫度梯度[4]較小,所以傳熱比較緩慢。當(dāng)溫度達(dá)到比較高的一個(gè)臨界值的時(shí)候,加熱溫度和板材溫度相差比較小,此時(shí)溫度梯度也比較小,鼓傳熱也比較慢。

圖9為非加熱面的溫度—時(shí)間關(guān)系,和圖8相比,達(dá)到相同溫度的時(shí)間延長(zhǎng),增長(zhǎng)趨勢(shì)和圖8一致。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比

由圖11和圖12可以看到,計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果具有比較好的吻合度。在高溫度段和低溫度段,實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)和模擬曲線(xiàn)都可以比較好的重合再一起,在130℃到150℃這一段,曲線(xiàn)的重合程度稍微減低,這是因?yàn)镻C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為149℃左右,實(shí)際實(shí)驗(yàn)中玻璃化轉(zhuǎn)變會(huì)吸收一部分熱量[5],影響溫度的升高。

4 結(jié) 論

4.1 加熱方式不同,熱傳導(dǎo)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律不相同;同一種加熱方式各個(gè)厚度方向上溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。

4.2 可以用數(shù)值解法求得不同時(shí)刻不同厚度上,不同加熱時(shí)間的溫度值,從而得到熱透時(shí)間等不同的工藝參數(shù)。

4.3 用Abaqus有限元模擬軟件可以模擬不同加熱方式,整個(gè)加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布情況,同時(shí)也可以得出整個(gè)加熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。

[1] 成都科技大學(xué).塑料成形工藝學(xué)[M].北京:輕工業(yè)出版社,1991,4.

[2] 丁浩.塑料工業(yè)實(shí)用手冊(cè)(上冊(cè))[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995,5.

[3] 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2002,7.

[4] 俞昌銘.熱傳導(dǎo)及其數(shù)值分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1981.

[5] 何曼君.陳維孝等.高分子物理[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1990,10.