聚氨酯發泡機混合器中物料的流場分析

　　摘要:利用AN SYS，以展開的流道為對象，分析了物料在混合器中的流場，并根據速度場求出了剪切應力.結果表明:物料在縱向槽內存在低速區，設訓一花鼓時縱向槽不宜太深，花鼓棱與縱向槽的交界處應圓弧過渡;橫截而方向存在環流，有利于物料充分混合.

 

　　隨著聚氨酯工業的發展，聚氨酯發泡機應用廣泛.該機主要由儲料裝置、計量裝置、混合器和控制系統組成.其中，混合器是核心部件，是發泡機的心膨l]，其性能直接影響到物料的混合效果和發泡質量.由于混合器內物料流動的狀態復雜，目前攪拌式混合器的設計僅憑經驗，因此研究其結構和參數對提高發泡機性能及其制品的質量很有意義.以攪拌花鼓為研究對象，有限元分析軟件ANSYS為平臺，對混合器內流體的流場進行分析，確定物料在流道中的速度、壓力分布及剪切應力，與實驗結果基本吻合，為混合器設計提供依據.
 

聚氨酯發泡機混合器中物料的流場分析

　　1混合器結構及工作原理

 

　　攪拌式混合器結構如圖1所示.它主要由攪拌腔套、攪拌花鼓和花鼓驅動裝置組成.攪拌花鼓與攪拌腔套形成環形混合室.工作時，A,B組分分別由兩計量泵通過組分進料口3,6被泵入混合室，花鼓5在驅動電機1的作用下高速旋轉，攪拌腔套靜止，隨著花鼓轉動，物料在混合器中被剪切、拉伸，實現混合[2 3].

 

　　2. 1幾何模型

 

　　圖2為攪拌花鼓的幾何模型.花鼓為帶有縱向槽的矩形螺桿，其直徑為30 mm、根徑25 mm,槽寬3 mm,螺旋槽深1.0一3.0 mm.圖3是流道的三維幾何模型，它是利用ANS YS軟件前處理功能從攪拌腔套中減去攪拌花鼓得到的[用.

 

　　由于流體經過流道的時間相對開始凝膠的時間很短，所以轉化率可看作零(反應熱可忽略);鑒于反應液體的粘度不高(25場寸為4一6 Pa0s),摩擦產生熱量所引起的溫度變化可忽略.由粘度模型公式，可將粘度假定為常數.為了簡化計算，做如下假設:

 

　　(1)將攪拌花鼓和攪拌腔套分別展開成兩個平面，忽略機筒和花鼓間的曲面效應.

 

　　(2)流道壁面無滑移.

 

　　(3)物料的動力粘度為4 Pa0s，密度1. 2X 103kg/m3.

 

　　3結果分析

 

　　3. 1螺旋槽方向速度圖

 

　　由圖5可以看出，在拖拽速度的作用下，螺旋槽方向的截面存在低速區，這個區域的大小與拖拽速度和螺旋槽的深度有關:拖拽速度越大，螺旋槽深度越小，該區域越小;速度等值線在花鼓棱與縱向槽的交界處呈圓弧狀.所以，縱向槽不宜太深，在花鼓棱與縱向槽的交界處應圓弧過渡.

 

　　3. 2橫截面速度分布圖

 

　　由圖6可知，在螺旋槽橫截面中心及底部兩側存在低速區，但它對生產能力并沒有影響.由圖7可知，橫截面方向的速度存在明顯的回流現象，這使物料在流道中翻轉，有利于物料的充分混合.

 

　　圖6截面方B,C,D分別是螺旋槽深度為3 mm , 1 mm和2 mm時的壓力分布.可以看到，螺旋槽深度為3mm時，壓力和波動均較小，物料流動平穩;螺旋槽深1 mm和2 mm時，壓力和波動急劇增加，增加了計量泵的壓力和軸動密封的難度.

 

　　3. 4轉速對剪切應力的影響

 

　　如圖9所示，剪切應力與花鼓轉速成正比，轉速越大，物料所受剪切應力越大，混合越充分.

 

　　3. 5螺旋槽深度方向剪切應力分布

 

　　如圖10所示，螺旋槽距攪拌腔套在0. 5 m m以內時剪切應力基本保持不變，0. 5 -' 0. 7 mm時剪切應力隨螺旋槽距腔套距離的增大急劇下降，大于0. 7 mm時剪切應力隨螺旋槽距腔套距離的增大繼續下降，但下降幅度較前者小，這說明越靠近腔套的物料混合越充分.

 

　　4結語

 

　　a.物料在縱向槽內存在低速區，設計花鼓時，縱向槽不宜太深，花鼓棱與縱向槽的交界處應圓弧過渡.

 

　　b.橫截面方向存在回流現象，有利于物料的充分混合.

 

　　c.壓力和壓力波動幅度隨螺旋槽深度的減小而增加.

 

　　d.剪切應力與花鼓轉速成正比，與螺旋槽到腔套距離的關系是:距離越大，剪切應力越小.