塑料擠出生產線中冷卻水槽的設計與改進

方萬漂

（中廣核俊爾新材料有限公司，浙江 溫州 325011）

塑料擠出生產線中冷卻水槽的設計與改進

方萬漂

（中廣核俊爾新材料有限公司，浙江 溫州 325011）

分析了冷卻水槽在塑料擠出生產中存在的問題，提出了其設計的基本原則，通過對冷卻效率的計算分析，指出設計時必須考慮的因素和相應的解決方法，給出了針對水槽現有問題的改進思路和方法。

冷卻水槽；冷卻效率；設計；改進

作為改性塑料生產線中必不可缺少的裝置，冷卻水槽對塑料料條冷卻時間和溫度的控制尤為重要[1～2]。根據擠出生產線的產能，冷卻水槽一般將長度控制在4～6m左右，擠出的料條進入靠近機頭一端的水槽開始冷卻，料條出水后在余下水槽上方沿著尼龍材質的導輪牽引，先后經過除水機和切粒機生產出塑料粒子。粒子常見的缺陷與水槽冷卻效果有著密切的關系，如粒子長條，粉末超標和粒子水分超標，由于過水時間長，粒條冷卻時間長，導致料條脆性和含水量增加，這類情況時就需要通過減少過水量來控制，此外切粒機切料黏粒、連粒則是由于粒子韌性大，不宜切斷，需要加長過水使料條充分冷卻[3～5]。因而，對于保證產品質量而言，需要在實際生產中準確控制冷卻時間和溫度，其前提就是要用合適的水槽設備進行定量的分析，得出統計規律和經驗結論，從而服務實際生產。

1　冷卻水槽的設計

1.1設計原則

盡可能使料條冷卻均勻，便于后續切粒工序的進行；車間設備維修調整時，水槽移動和水平度調節需要簡單省力；考慮水槽使用中水面出現泡沫的清理和水槽底部污垢的定期清洗；考慮水槽的使用成本和安裝檢修。

1.2冷卻效率的計算

對冷卻水槽進行設計，必須先對其使用環境進行了解，明確設計的目標。對水槽換熱效率進行計算時，提出如下基本假設[6]：初始狀態下，水槽裝滿常溫的水；水槽水溫保持恒溫狀態，即冷卻過程中，料條降溫釋放的熱量等于出水管所排水吸收的總熱量；計算過程中料條處于動態平衡狀態，位于水槽中的料條長度始終不變；不考慮外界空氣與水和料條之間的對流換熱情況。

根據現有設備的使用情況進行分析，需要的測量以下的基本數據：塑料料條浸入水中時的溫度為T料條1，離開水面時的溫度為T料條2，料條的比熱容c料條，料條浸入水中的長度為L，料條浸入水中的質量為M料條，切粒機的牽引速度為V，生產產量為S，進水管中水溫為T進水，進水流量為V進水，出水管中水溫為T出水，出水量為V出水，水的密度為ρ。水槽冷卻過程中，總的熱量保持平衡，即料條降溫釋放的熱量Q料條等于出水管所排水吸收的總熱量Q出水，列出熱平衡方程如下：

Q料條=Q出水（1）

即c料條M料條（T料條1T料條2）=c水ρV出水（T出水T進水） （2）

其中，M料條=LS/V （3）

從上式中可以看出，料條浸入水中冷卻效果與出水管出水量密切相關，在水槽設計的參數計算中，要充分考慮生產的產能，切粒機的相應參數和水槽擺放的總長度。通常，為達到理想的冷卻效果，理論上需要將進水量和出水量開到最大，同時料條的過水距離盡可能增加。實際上，為了控制切粒的效果和減小粉末，我們需要對過水時間和距離進行必要的調整來實現。

1.3設計方法

首先，根據廠房的布置情況和水槽的擺放位置，初步確定水槽的長度、寬度和高度；其次進行進出水管道相關技術參數的選取和計算，根據擠出機生產產量的最大值S，單位是kg/h，切粒機的最大牽引速度V，單位是m/s，料條浸入水中的最短長度L，單位是m，運用上述公式（2）和（3）計算出水量的最大值V出水，單位是m3/h。然后根據冷卻循環系統中水的流速，單位是m/s，從而可以計算出出水管的最大管徑，進水管管徑的大小與出水管相等。需要注意的是，為了提升冷卻效果和方便后續設備升級，需要在水槽設計過程中將計算值取大一些。

其次，料條過水和脫水的過程中，需要料條支架輔助，其位置和數量往往取決于冷卻效果，通常視其過水長度而定，若過水距離長，則需要在水中走S形曲線，保證料條充分冷卻。料條支架分為固定支架和可移動支架，固定支架由于拆卸安裝困難，需要保證足夠長的壽命，其支架上的滾輪為金屬材質且在料條的作用下可以繞軸自由轉動。最后，為方便料條入水，入水一端的水槽設計為傾斜45°。料條經過支架進入脫水器時，料條擺動抖落下的水經常會灑落在水槽外面，設計時需要增加支架和水槽末端的距離。

2　冷卻水槽的改進

2.1原有冷卻水槽裝置存在的問題

老舊生產線在冷卻水槽的設計和安裝過程中，沒有過多的考慮實際生產可能會出現的一些問題，因而使用過程中往往費時費力，具體表現在以下幾個方面：

（1）水槽整體移動困難，水平度不高。水槽底座支撐部分為兩根焊接結構的矩形鋼管，水槽中裝滿水時移動很費力，此外，裝拆卸螺桿時挪動水槽困難，也給工人增加了勞動力，不利于實際生產高效操作，并且由于廠房地面不平整等原因，導致水槽部分傾斜，可能會出現溢水的現象。

（2）水槽進出水設計不合理。由于水槽只設計了一個進水管和一個出水管，注水時先關閉出水管，同時打開進水管，當水位到達一定程度時再打開出水管放水，從而使水槽中的水位保持在一個穩定的狀態。實際上，由于出水管打開的時間無法精確控制，可能導致進水速度始終大于出水速度，最終水槽中的水會溢出。此外，由于料條出水后在水槽上方的膠輥導輪上牽引運動，料條沾水滴落入水槽中會產生白色泡沫，不符合生產過程中的6S標準，同時清污不方便。

（3）水槽靠近擠出機機頭部分的溫度不可控?？拷鼨C頭部分的水槽溫度過高或過低，都會產生大量不合格品。擠出機剛開機時由于工藝參數不穩定，會產生一定的隔離料，其中水槽初始溫度過低也是一個重要原因。生產過程中由于出水速度慢等原因造成水槽溫度過高，影響冷卻效果，同樣會造成次品。

2.2冷卻水槽裝置的改進

針對老舊水槽中存在的問題和不足之處，對其提出了一些改進想法和設計，具體包括以下幾個方面：

（1）水槽移動分為兩個部分，一是水槽整體位置保持不變，槽體移動，移動方式可以是在槽體與底部支架之間安裝滾輪，或者是齒輪齒條裝置，外加一個搖柄把手輔助，如圖1所示；二是水槽整體可以移動，可以通過在底部支撐架下方安裝四個小輪子實現，由一對萬向小輪和一對同向小輪組成。對于水槽水平度，一方面可以設法提高地面平整度，另一方面在支撐架中部裝上梯形螺紋升降桿件，起到輔助支撐和調節水平的作用，如圖2所示。

圖1　滾輪示意圖

圖2　梯形螺紋桿件示意圖

（2）水槽進出水設計分為進水設計和出水設計，進水口可以安裝在遠離擠出機機頭一端的槽體上部，為避免大口徑流入水量過大，造成水滴濺落，可以將大口徑進水口換成一排小口徑進水口，使進水量平穩。同時進水口位于槽體上部，可以有效地與水槽中的水進行對流換熱，將水面上的泡沫沖走進入槽體兩側的溢水口，減小泡沫現象。出水口安裝在擠出機機頭一端的槽體底部，輔助過濾網過濾，為了保證水槽中水位平穩和泡沫量少，需要使進水量大于出水量，同時在槽體兩側安裝溢水裝置，使多余的水連同泡沫一起被帶走，達到清潔的作用，如圖3所示。

圖3　溢水裝置示意圖

圖4　滑動膠輥支架

（3）水槽冷卻溫度和時間可控，在進出水口兩端各安裝一個溫度計，可以通過實時觀測其溫度來調節料條的冷卻溫度。冷卻時間即過水量，傳統的膠輥支架焊接固定在槽體上無法自由移動，過水距離一定，無法調節其冷卻時間，現在改用可滑動式卡扣膠輥支架，既可以使膠輥放置在水槽上方，也可以將其倒置放在水槽中，膠輥隨著料條的牽引繞中心軸轉動，較小自身的磨損，如圖4所示，便于過水時間的調節操作，提高工藝相符率。對水槽溫度變化與料條切粒的容易程度以及成品粉末現象之間的規律進行統計總結，可以針對料條過水時間的長短和水槽溫度的高低來制定準確的工藝標準，從而減少不可控環節，提高產品質量。

3　結論

冷卻水槽作為塑料擠出行業和相關行業中的常用設備，其設計的優劣對生產中的使用和成本有重要影響。本文通過將以上的設計和改進思路融入水槽設計中，加工后安裝的新水槽在實際生產中使用更加方便省力，提高了工藝相符率和產品合格率，經濟實用，可以在改性塑料行業大力推廣。

[1] 馬世勝.轉載溜槽的設計與改進[J].選煤技術,2003(3):22～23.

[2] 倪少龍.造粒水槽冷卻循環水系統的設計與改造[J].廣東化工，2004(5):17～18.

[3] 唐崇健.用于冷卻水槽中的組合式導輪及裝置[J].電線電纜. 1994(2):41～42.

[4] 欒英杰,魏振軍.塑料擠出機冷卻水槽的應用研究[J]. 黑龍江科技信息. 2007(14):12.

[5] 梁哲,王聰.攀鋼120 t轉爐屋頂電除塵器集水槽的設計與改進[J].工業安全與防塵，1999(8):1～3.

[6] 李靜,梁劇,曾誠.擠出塑料管定型冷卻系統的瞬態傳熱分析[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2013,41(7):81～86.

(R-03)

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燕豐 供稿

Design and improvement of the cooling water tank in the plastic extrusion line

TQ320.663

1009-797X(2016)14-0082-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.027

方萬漂（1979-），男，高級工程師，主要從事高分子材料的改性研究。

2016-02-18