導熱油傳熱技術在塑料加工中的應用

汪 琦 俞紅嘯 張慧芬

上海熱油爐設計開發中心 （上海 200042）

塑料加工制造過程是一個包含多個放熱和吸熱的工藝過程，所需要的熱量既可以通過外部加熱的方式直接獲取，也可以通過擠出過程中螺桿的摩擦間接獲得。塑料制造過程中加熱和溫度控制指標要求各異，采用導熱油傳熱技術能很好地達到高標準工藝要求。

在塑料擠出機中，傳熱裝置的作用是：工藝部分（即螺桿部分）的溫度控制，出料螺桿和出料孔板的加熱，水下造粒所使用的循環水的冷卻。

傳統擠出機的螺桿部分采用盤繞式電熱絲或內置式加熱器直接加熱，孔板則采用蒸汽加熱；而新型擠出機通常采用導熱油進行間接加熱和溫度控制。

1 聚合物塑化擠出成型

擠出成型是聚合物特別是塑料成型的主要方法之一，其主要設備是螺桿擠出機。螺桿擠出機具有良好的特性，得到日益廣泛的應用，管材、薄膜、板片材、異型材、電線電纜及中空容器等塑料制品的生產都離不開螺桿擠出機。

單螺桿擠出機的適用面較廣，一般用于成型擠出。在單螺桿擠出機中，能量平衡關系如式（1）所示。

其中：P—擠出機消耗的總功率；

Pm—螺桿的機械功率，其中一部分以熱能形式參與物料的塑化，其余部分轉換為物料輸送的壓力和動能；

Ph—外部加熱源傳遞給物料的熱功率；

∑Pa—擠出機損失能量總和；

Ps—驅動電機定子的損耗功率；

Pr—驅動電機轉子的損耗功率；

Pt—能量傳遞過程中的損耗功率；

Pd—擠壓系統向環境的各種雜散損耗功率，包括人為冷卻所散失的熱能。

螺桿擠出成型加熱均勻、溫度控制精確。成型時熔化物料的熱量不僅有來自于外部的熱源熱量，而且有來自于內部的剪切熱量；由于螺桿與物料有較多的接觸表面用來傳熱，因此螺桿一般都配有芯部加熱控溫系統，物料在螺槽中受熱均勻，升溫快且溫度控制精確。螺桿擠出成型中均勻的加熱條件可以減少因螺桿混合作用不足而產生的物料溫差。

雙螺桿擠出機是應用廣泛的聚合物連續加工設備，可分為同向旋轉與異向旋轉兩類。同向雙螺桿擠出機有較強的混合能力，主要用于改性、填充、增強及塑料合金的生產等混料作業，其擠壓系統大多采用模塊化結構，通過變換各機筒組件、各螺桿元件的組合，來滿足特定混料過程對輸送、熔融、混煉、脫揮、均化等方面的特殊要求。異向雙螺桿擠出機可以建立較高的壓力且流量穩定，主要用于要求截面尺寸精確的制品的成型擠出。當進行以熱敏性材料為主料的混合作業，或在單螺桿擠出機上進行混合作業出現輸送困難時，應采用混合型異向雙螺桿擠出機。異向雙螺桿擠出機混合性能的好壞與其自身的強制輸送性能緊密相關，其混合性能可根據不同應用場合的使用要求實現較大范圍的調節。

下面主要討論螺桿擠出成型過程中導熱油傳熱設備的結構。

2 用于擠出機出料螺桿和孔板加熱的導熱油傳熱設備

由于出料螺桿只用于將熔融物料輸送到孔板，其驅動功率相對較小，所產生的摩擦熱不足以維持物料的液相狀態，因此必須在出料螺桿外部對其進行加熱。而在水下造粒過程中，孔板不斷被冷卻，所以需要補充供熱。孔板中的熔融物料溫度對產品的最終質量有著至關重要的影響，因此，孔板加熱非常關鍵。

出料螺桿和孔板加熱是兩個相互獨立的加熱過程，通常采用雙循環導熱油傳熱設備。每一個循環回路安裝有互不影響的電加熱器和導熱油循環泵，兩個循環回路共用一套輔助設備——膨脹槽、貯油槽、補油和排油裝置，這種設計可以使加熱設備造價降低，體積減小[1]。控制和安全裝置一般是相互獨立的。根據安裝場地的要求，還可以將膨脹槽和貯油槽合二為一，安裝在設備下部。另外，還需要安裝導熱油與冷卻水的換熱器，用于冷卻擠出機的外殼。

根據不同的溫度要求，可以選擇礦物導熱油或合成導熱油作為傳熱介質。如果溫度在320℃以下，可使用礦物導熱油；若溫度高于320℃，建議使用合成導熱油。為了防止導熱油因與空氣中的氧氣接觸而發生氧化反應，可以對膨脹槽進行氮氣密封[2]。

導熱油循環泵可采用無冷卻的機械密封泵或無泄漏的磁力泵。導熱油傳熱設備可根據相應的技術規定以及安裝廠家的具體要求進行設計和制造。例如，可對電器儀表、電加熱棒和泵馬達進行防爆設計，也可對整個控制系統進行防爆設計，或根據國際標準與國內標準進行設計和制造。

3 用于水下造粒工藝的水冷器

孔板在擠出機出口端用水流進行連續冷卻，使塑料熔融物驟冷硬化，然后由旋轉刀具切割成顆粒，該過程即水下造粒工藝。所得塑料顆粒由水流輸送到干燥器中進行干燥，然后通過氣力輸送裝置輸送到料倉內。

在水下造粒工藝中，水流不斷從塑料熔融物中獲得熱量，為使其溫度保持恒定，必須借助水冷器將熱量輸出。該水冷器由循環水泵、水與水之間的換熱器、相應的安全和控制裝置以及管路組成。

4 用于擠出機溫度控制的導熱油傳熱設備

在生產加工過程中，要求整套擠出機設備必須采用防爆設計，但是如果對螺桿段進行直接加熱，不僅技術上極為復雜，而且運行費用較高，因此整體效果不佳。而利用導熱油傳熱設備對整套擠出機設備進行間接加熱和溫度控制，無論從技術上還是從經濟上來說，都是最佳的選擇。

因為擠出機由多個工藝段組成，每一個工藝段要求不同的溫度控制，所以加熱設備必須具有多個相互獨立的導熱油循環回路。如果對每一個工藝段使用一臺加熱設備進行單獨的溫度控制，雖然也能達到其技術要求，但是設備總費用高，而且占地面積大。所以，新型擠出機設備一般使用一臺電加熱導熱油傳熱設備作為中心熱源，配以相應數量的導熱油二次循環回路，分別對各個工藝段進行相互獨立的溫度控制[3]。

采用導熱油加熱中心的熱源設備可以大幅度降低本來較高的防爆設計費用，因為電器設備包括電加熱棒都是安裝在工藝設備之外，所以只要對循環泵馬達、氣動控制閥、設備附近的接線盤做相應的防爆處理即可。此外，采用導熱油加熱中心連接導熱油二次循環回路的設計，可以對擠出機設備中的各個工藝段同時進行獨立的加熱和冷卻，從而達到一機多用的目的。

5 結語

在塑料制造和加工過程中，相對于傳統的直接加熱與冷卻技術，導熱油傳熱技術具有如下優勢：

（1）可以完全避免由于尖峰溫度失控導致的局部過熱；

（2）給擠出機的每一部分提供精確且可重復的溫度控制，從而確保產品質量的穩定[4]；

（3）加熱器可集中安裝在供熱中心，例如，安裝在無爆炸危險的位置，熱量則通過一個有分流道的管路網輸送給各個用熱設備，這樣可以大大節省防爆措施的開支；

（4）相應的二次循環回路系統可以對單一的工藝段進行調控冷卻；

（5） 導熱油沒有腐蝕性，可以使用普通碳鋼制造的管路和容器，且其使用壽命也比較長。

[1]汪琦.載熱體加熱系統的工藝流程 [J].化工裝備技術,1994,15(1):8-10.

[2]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熱載體加熱技術在壓延法人造革生產中的應用研究 [J].上海化工，2016，41(1)：13-16.

[3]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油爐循環加熱供酯化縮聚反應器使用的研究[J].上海化工，2016，41(3)：15-18.

[4]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油循環供熱系統的自動控制技術研究 [J].上海化工，2017，42(3)：36-39.