衛(wèi)生陶瓷坯體干燥含水率不均勻度模擬研究

摘 要：為了提高衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)時干燥品質(zhì)，將分段式變溫變濕干燥與傳統(tǒng)定溫定濕干燥進行仿真對比，以熱風(fēng)溫、濕度為工藝參數(shù)，坯體內(nèi)部含水率分布不均勻系數(shù)作為評價指標(biāo)，采用三維擴散模型，應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件對陶瓷濕坯在不同溫濕度熱風(fēng)條件下進行干燥模擬仿真研究。仿真結(jié)果表明：隨干燥時間坯體含水率不均勻度整體趨勢是先升高后下降。含水率不均勻度隨著熱風(fēng)相對濕度降低和溫度的升高而增大，最大值出現(xiàn)時間提前。當(dāng)干燥初始溫度過高時，會在干燥前期產(chǎn)生較大的干燥不均勻，使用升溫降濕干燥工藝，能有效降低坯體干燥過程含水率不均勻度，降低產(chǎn)生干燥缺陷的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)生潔具；干燥模擬；干燥不均勻度；變溫變濕

1 前言

衛(wèi)生潔具陶瓷的生產(chǎn)工藝比較繁瑣，生產(chǎn)一件衛(wèi)生潔具過程可能需要十幾道工序才能進行[1]。實際生產(chǎn)中陶瓷坯體的干燥直接影響著陶瓷的后續(xù)生產(chǎn)，目前工業(yè)中應(yīng)用于衛(wèi)生陶瓷坯體的干燥技術(shù)為隧道窯熱風(fēng)干燥，但在干燥過程中存在干燥時間長、占用場地大、次品率高等缺陷，且衛(wèi)生陶瓷與日用陶瓷不同，其因體積大，厚度較厚，濕坯導(dǎo)熱性差，其干燥過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，影響因素較多。

陶瓷濕體在進行干燥時產(chǎn)生缺陷如裂紋會限制干燥操作的最大速率。干燥時坯體內(nèi)部同時存在兩種傳遞現(xiàn)象：熱量從陶瓷濕坯表面向內(nèi)傳導(dǎo)，水從濕坯內(nèi)部向表面擴散。如果這兩種現(xiàn)象在整個坯體上不均勻發(fā)生，干燥時就會產(chǎn)生不均勻的收縮，坯體內(nèi)水分分布均勻性越差，含水量不均勻系數(shù)越大，產(chǎn)生缺陷的幾率就會增加。

在陶瓷濕坯熱風(fēng)干燥過程中，坯體內(nèi)部濕熱遷移是一個復(fù)雜的多物理場耦合過程，其中涉及湍流、多孔介質(zhì)傳質(zhì)、多孔介質(zhì)傳熱、濕空氣傳熱、環(huán)境大氣等多個物理場。數(shù)值模擬作為一種經(jīng)濟有效的研究手段，在探索衛(wèi)生潔具陶瓷濕坯內(nèi)部的濕熱傳遞規(guī)律過程中日益受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注和重視。印度學(xué)者Mohan[2]對潮濕物體進行對流干燥，進行數(shù)值分析并建立數(shù)值模型，預(yù)測在對流干燥過程中的瞬態(tài)溫度變化和水分分布情況，得到其傳質(zhì)系數(shù)。國內(nèi)學(xué)者朱慶霞等人基于Whitaker方程，建立陶瓷坯體干燥熱濕方程，對其干燥進行模擬分析，探究了熱風(fēng)溫濕度及風(fēng)速對坯體干燥過程的影響，結(jié)果顯示風(fēng)速對多孔介質(zhì)的干燥速率影響較小，溫度及濕度對干燥速率影響較大。

變溫變濕干燥是利用坯體自身干燥特性，分段控制熱風(fēng)的溫度和濕度進行干燥生產(chǎn)，干燥過程中溫度由低升高，濕度由高降低。其比傳統(tǒng)的定溫定濕干燥所用時間短、投入小，干燥均勻性提高導(dǎo)致產(chǎn)品次品率降低，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。但企業(yè)中的數(shù)據(jù)往往來源于干燥試驗，試驗周期長，實驗器材及測量設(shè)備的誤差制約了企業(yè)的開發(fā)效率。為此，利用數(shù)字仿真軟件COMSOL Multiphysics對衛(wèi)生潔具陶瓷坯體定溫定濕干燥和變溫變濕干燥過程內(nèi)部水分梯度變化進行求解，結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB對其不均勻系數(shù)進行計算對比，以坯體內(nèi)含水率分布不均勻系數(shù)作為評價指標(biāo)，對比確定較優(yōu)的干燥工藝，為其后續(xù)優(yōu)化熱風(fēng)工藝參數(shù)提供技術(shù)依據(jù)。

2模型及參數(shù)

2.1衛(wèi)生陶瓷坯體仿真模型的建立

陶瓷坯體在干燥階段可認(rèn)為是連續(xù)的多孔介質(zhì)[4]，由于衛(wèi)生陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異大，干燥過程又是一個多物理場耦合的復(fù)雜變化，對坯體內(nèi)部熱質(zhì)傳遞的求解帶來很大的困難。為提高計算仿真速度和對比分析坯體內(nèi)部水分分布的情況，對衛(wèi)生陶瓷坯體的物理模型進行合理簡化，試驗暫不考慮坯體外部特征。根據(jù)實際衛(wèi)生陶瓷的厚度，坯體模型設(shè)為長150mm，寬150mm，厚20mm的長方體。采用自由四面體網(wǎng)格對煙葉模型進行網(wǎng)格劃分，完整網(wǎng)格包含191902個域單元、9644個邊界單元和440個邊單元。用軟件COMSOL Multiphysics對網(wǎng)格劃分后坯體模型如圖１所示。

對陶瓷坯體模型進行如下假設(shè)：1）在干燥前，坯體內(nèi)水分分布及溫度均勻；2）陶瓷坯體內(nèi)各向同性；3）陶瓷坯體內(nèi)部的熱量只進行熱傳導(dǎo)，內(nèi)部水分只進行擴散。

2.2評價指標(biāo)

2.2.1含水量不均勻系數(shù)

不均勻系數(shù)是表示坯體內(nèi)含水量分布均勻程度的物理量，不均勻系數(shù)越大，表明干燥過程中水分梯度越大，易導(dǎo)致坯體出現(xiàn)如開裂等瑕疵，影響干燥品質(zhì)。

為了測量坯體在干燥過程中含水量不均勻系數(shù)的準(zhǔn)確性，本研究選取的坯體數(shù)據(jù)采集點的位置如圖2所示。圖中每層25個數(shù)據(jù)點，共三層，總計75個數(shù)據(jù)采集點。

通過導(dǎo)出75個數(shù)據(jù)點各時間的干基含水率，應(yīng)用公式（1）和（2）計算坯體干燥過程中的含水率不均勻系數(shù)。

2.2.2干基含水率

2.3 控制方程及邊界條件

根據(jù)傅里葉定律，陶瓷坯體的傳熱微分方程：

式中：ρ為濕坯密度，kg/m3；λ為濕坯熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·k）；C為濕坯比熱容，J/（kg·K）；T為濕坯的溫度，k；t為時間，s；hg為濕坯的汽化潛熱，J/kg；M為濕坯的干基含水率，kg/kg

根據(jù)菲克定律，陶瓷坯體的傳質(zhì)微分方程：

式中：Dm為水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s; X為濕坯含水率，%。

求解傳熱微分方程的邊界條件：

式中：h為對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；φ為孔隙率，%；T0為濕坯的初始溫度，K；Tf為坯體溫度，K；γ為水汽化潛熱，J/kg；V為濕坯體積，m2；A為濕坯表面積，m2。

求解傳質(zhì)微分方程的邊界條件：

式中：X0為玉米的初始干基含水率，kg/kg；hm為對流傳質(zhì)系數(shù)；△X為水分含量差。

2.4干燥熱風(fēng)參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)前期文獻(xiàn)參考[6]及試驗研究，結(jié)合熱風(fēng)干燥自身特點，將干燥仿真過程分為定溫定濕和分段式變溫變濕兩種情況，將熱風(fēng)溫度參數(shù)分別選取30、50、70℃；再根據(jù)衛(wèi)生潔具濕坯初始含水率和干燥結(jié)束平衡含水率要求，將熱風(fēng)的相對濕度選取為80%、55%、30%和10%。其具體參數(shù)設(shè)定如表1、表2所示。

采用唐山某衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)廠的陶瓷坯料制備實驗中用到的坯體樣品模型，由于研究的坯體結(jié)構(gòu)簡單，采用擠壓成型的方法進行樣品制備。將制備好的陶瓷坯體樣品放入到干燥箱中，如圖3所示，在溫度為50℃，相對濕度為30%的條件下，對坯體樣品進行干燥，每隔30min將樣品取出，用電子天平測量坯體樣品質(zhì)量并記錄數(shù)值，直至干燥結(jié)束。

在此工況下，對坯體樣品進行干燥實驗與模擬，得到坯體初始及每30min干基含水率，將模擬與實驗進行比對驗證分析，干基含水率的最大誤差為±10%以內(nèi)，如圖4所示。

3結(jié)果與分析

3.1定溫定濕干燥下熱風(fēng)溫度和相對濕度對坯體含水率不均勻度的影響

定溫定濕熱風(fēng)干燥就是從始至終熱風(fēng)的參數(shù)不變，由于仿真的數(shù)據(jù)量大，受篇幅限制仿真后數(shù)據(jù)不一一列出。使用Origin軟件繪制各工藝下坯體含水率不均勻度曲線圖，如圖3、圖4和圖5所示，共12組工藝。隨著干燥時間的延長，坯體含水率不均勻度整體趨勢是先升高后下降。當(dāng)熱風(fēng)相對濕度較低時，坯體與熱風(fēng)的含濕量差距較大，坯體表面水分蒸發(fā)量較大，內(nèi)部水分向表面擴散的速度比表面蒸發(fā)量小，整體干燥速率也較高，因此熱風(fēng)相對濕度最低時含水率不均勻度最大。隨著熱風(fēng)相對濕度的增加，水分蒸發(fā)量降低，干燥速率隨之下降，含水率不均勻度最大值減小，其也隨干燥時間變化曲線向前移動。當(dāng)熱風(fēng)溫度為30℃時，相對濕度從5%提高到80%時，坯體含水率不均勻度最大值從108.1%降低到46.7%；當(dāng)熱風(fēng)溫度為50℃時，坯體含水率不均勻度最大值從112.1%降低到51.5%；當(dāng)熱風(fēng)溫度為70℃時，坯體含水率不均勻度最大值從116.1%降低到55.6%。這表明隨著熱風(fēng)相對濕度的增加，降低了坯體含水率不均勻度。對比顯示，隨著熱風(fēng)溫度的升高，坯體含水率不均勻度的最大值也在增大。

3.2變溫變濕干燥下熱風(fēng)溫度和相對濕度對坯體含水率不均勻度的影響

區(qū)別于定溫定濕干燥，變溫變濕干燥整個干燥過程的熱風(fēng)參數(shù)是分階段改變的。如表2所示熱風(fēng)參數(shù)設(shè)定，對四組工藝進行仿真計算。計算結(jié)果如圖4所示，對比工藝a、b、c仿真結(jié)果，坯體含水率不均勻度最大值發(fā)生在工藝a條件下，最大值為102.5%。隨著溫度的提高，干燥坯體含水率不均勻度的最大值隨干燥時間向前移動，即初始溫度過高會在干燥前期產(chǎn)生較大的干燥不均勻，更容易產(chǎn)生干燥缺陷。工藝d結(jié)果顯示，當(dāng)干燥過程中，熱風(fēng)溫度不斷升高，濕度不斷降低，坯體干燥過程的含水率不均勻度整體普遍低于其他工藝情況，此工藝參數(shù)條件下更能保證坯體不產(chǎn)生缺陷。在實際工廠生產(chǎn)中，采用升溫降濕干燥更能保證生產(chǎn)效益。

4結(jié)論

采用傳質(zhì)傳熱數(shù)學(xué)模型，借助仿真軟件COMSOL Multiphysics對衛(wèi)生陶瓷濕坯模型在定溫定濕與變溫變濕工藝下干燥含水率進行模擬分析，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB求解坯體模型的含水率不均勻度。結(jié)果表明：定溫定濕干燥中，隨著時間坯體含水率不均勻度整體趨勢是先升高后下降。含水率不均勻度隨著熱風(fēng)相對濕度降低而增大，最大值出現(xiàn)時間提前。隨著熱風(fēng)溫度的升高，坯體含水率不均勻度的最大值也在增大。

變溫變濕干燥中顯示，隨著干燥溫度的提高，坯體含水率不均勻度的最大值隨干燥時間向前移動，當(dāng)初始溫度過高時，會在干燥前期產(chǎn)生較大的干燥不均勻，更容易使坯體產(chǎn)生干燥缺陷。采用升溫降濕工藝參數(shù)時，能有效降低坯體干燥含水率不均勻度，降低產(chǎn)生干燥缺陷的風(fēng)險。本研究針對衛(wèi)生潔具坯體簡化模型進行研究，以干燥含水率不均勻度為指標(biāo)，確定升溫降濕干燥工藝為最佳工藝，為后續(xù)優(yōu)化衛(wèi)生潔具陶瓷干燥熱風(fēng)參數(shù)提供指導(dǎo)。

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