特殊纖維新型非接觸干燥爐結構分析

傅建根 金振鋒 韓劍飛

【摘 要】干燥過程是制備PAN基碳纖維的重要環節，且控制其內部溫度和纖維濕度尤為關鍵。本文利用有限元分析對非接觸干燥爐內氣流流場進行模擬，得到一個相對較為合理的流場，對于干燥爐內結構設計起到了積極作用。

【關鍵詞】非接觸干燥爐；流場；有限元分析；結構改進

簡介

碳纖維是一種含碳量在90%以上的新型特種纖維。除了具有一般碳素材料耐高溫、耐摩擦、導電、導熱、耐腐蝕等特性外，還具備紡織纖維各向異性、柔軟可加工性，軸向強度和模量高等優點[1]。隨著市場應用的不斷擴大及國家政策扶持力度的不斷加大，碳纖維產業受到了前所未有的關注，從最初的航空航天領域，到汽車、船舶行業，再到建筑、風電葉片、休閑體育行業，甚至到高鐵、電子電氣市場，“碳纖維”無疑成為了時下各個行業討論的熱詞。

目前普遍采用的碳纖維生產方法主要是將PAN基原絲通過預氧化、碳化等步驟后，分子間形成亂層石墨結構，再經過表面處理、上漿、熱干燥、非接觸干燥等環節制得碳纖維產品。非接觸干燥主要對上漿后纖維進行干燥，濕度控制在0.1%以下，對后續纖維在復合材料的應用起著重要作用。

我們利用目前主流的CFD商用軟件——Ansys CFX對干燥爐內氣體流動情況進行數值模擬，在此基礎上對設計新型臥式非接觸干燥爐，提高纖維質量一致性，利用臥式爐破浪型的氣流交流方式，更好干燥纖維。

一、設計輸入：

類型：非接觸干燥，臥式，單通道

-絲束：24K，330束

-纖維：1.66g/m（單束）

-寬度：3000mm

-速度：10-12m/min

-水含量：入口15%，出口小于0.1%

-上漿劑：環氧樹脂

-干燥方式：熱風循環爐（電加熱）

-操作溫度：最高300度（常規240度）

-加熱腔長度：13m

-溫區：4區

二、分析模型介紹

本次分析截取了干燥爐爐體1/4區域作為分析對象，如圖2.1；

邊界條件：（如圖2.1）

1、進口：設置與外界聯通邊界（opening），外界空氣溫度25℃；

2、出口：設置與外界聯通邊界（opening），外界空氣溫度25℃；

3、風機：設定風機區域為旋轉域，使之能提供走絲通道內大約2m/s的 風速；

4、熱源作用面：在交界面上設置熱源參數，模擬加熱器的效果，控制爐 內目標溫度為280℃；

5、本次分析先未考慮新風補充與廢氣排放，后續可以加入該項；

6、本次分析未考慮常溫含水絲束對爐體溫度場的影響；

7、本次分析主要用于考察干燥爐內風速分布的均勻性與溫度分布的均勻性，以及爐口處與外界空氣的關系（吸入情況與溢出情況）；

三、分析結果

3.1 速度分布結果

3.2 溫度分布結果

由于模型中的熱源作用面用來模擬電加熱器的效果，該面的溫度不真實（偏高），為不影響對走絲通道的溫度分布進行考察，故下面溫度的分布云圖只截取了走絲通道中的。

從圖3.2.1-3.2.2中均可以看出，進絲口有冷空氣被吸入，造成對爐體溫度的降低。

（作者單位：浙江精功科技有限公司精功研究院）