聚氨酯发泡机混合器中物料的流场分析

　　摘要:利用AN SYS，以展开的流道为对象，分析了物料在混合器中的流场，并根据速度场求出了剪切应力.结果表明:物料在纵向槽内存在低速区，设训一花鼓时纵向槽不宜太深，花鼓棱与纵向槽的交界处应圆弧过渡;横截而方向存在环流，有利于物料充分混合.

 

　　随着聚氨酯工业的发展，聚氨酯发泡机应用广泛.该机主要由储料装置、计量装置、混合器和控制系统组成.其中，混合器是核心部件，是发泡机的心膨l]，其性能直接影响到物料的混合效果和发泡质量.由于混合器内物料流动的状态复杂，目前搅拌式混合器的设计仅凭经验，因此研究其结构和参数对提高发泡机性能及其制品的质量很有意义.以搅拌花鼓为研究对象，有限元分析软件ANSYS为平台，对混合器内流体的流场进行分析，确定物料在流道中的速度、压力分布及剪切应力，与实验结果基本吻合，为混合器设计提供依据.
 

聚氨酯发泡机混合器中物料的流场分析

　　1混合器结构及工作原理

 

　　搅拌式混合器结构如图1所示.它主要由搅拌腔套、搅拌花鼓和花鼓驱动装置组成.搅拌花鼓与搅拌腔套形成环形混合室.工作时，A,B组分分别由两计量泵通过组分进料口3,6被泵入混合室，花鼓5在驱动电机1的作用下高速旋转，搅拌腔套静止，随着花鼓转动，物料在混合器中被剪切、拉伸，实现混合[2 3].

 

　　2. 1几何模型

 

　　图2为搅拌花鼓的几何模型.花鼓为带有纵向槽的矩形螺杆，其直径为30 mm、根径25 mm,槽宽3 mm,螺旋槽深1.0一3.0 mm.图3是流道的三维几何模型，它是利用ANS YS软件前处理功能从搅拌腔套中减去搅拌花鼓得到的[用.

 

　　由于流体经过流道的时间相对开始凝胶的时间很短，所以转化率可看作零(反应热可忽略);鉴于反应液体的粘度不高(25场寸为4一6 Pa0s),摩擦产生热量所引起的温度变化可忽略.由粘度模型公式，可将粘度假定为常数.为了简化计算，做如下假设:

 

　　(1)将搅拌花鼓和搅拌腔套分别展开成两个平面，忽略机筒和花鼓间的曲面效应.

 

　　(2)流道壁面无滑移.

 

　　(3)物料的动力粘度为4 Pa0s，密度1. 2X 103kg/m3.

 

　　3结果分析

 

　　3. 1螺旋槽方向速度图

 

　　由图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区，这个区域的大小与拖拽速度和螺旋槽的深度有关:拖拽速度越大，螺旋槽深度越小，该区域越小;速度等值线在花鼓棱与纵向槽的交界处呈圆弧状.所以，纵向槽不宜太深，在花鼓棱与纵向槽的交界处应圆弧过渡.

 

　　3. 2横截面速度分布图

 

　　由图6可知，在螺旋槽横截面中心及底部两侧存在低速区，但它对生产能力并没有影响.由图7可知，横截面方向的速度存在明显的回流现象，这使物料在流道中翻转，有利于物料的充分混合.

 

　　图6截面方B,C,D分别是螺旋槽深度为3 mm , 1 mm和2 mm时的压力分布.可以看到，螺旋槽深度为3mm时，压力和波动均较小，物料流动平稳;螺旋槽深1 mm和2 mm时，压力和波动急剧增加，增加了计量泵的压力和轴动密封的难度.

 

　　3. 4转速对剪切应力的影响

 

　　如图9所示，剪切应力与花鼓转速成正比，转速越大，物料所受剪切应力越大，混合越充分.

 

　　3. 5螺旋槽深度方向剪切应力分布

 

　　如图10所示，螺旋槽距搅拌腔套在0. 5 m m以内时剪切应力基本保持不变，0. 5 -' 0. 7 mm时剪切应力随螺旋槽距腔套距离的增大急剧下降，大于0. 7 mm时剪切应力随螺旋槽距腔套距离的增大继续下降，但下降幅度较前者小，这说明越靠近腔套的物料混合越充分.

 

　　4结语

 

　　a.物料在纵向槽内存在低速区，设计花鼓时，纵向槽不宜太深，花鼓棱与纵向槽的交界处应圆弧过渡.

 

　　b.横截面方向存在回流现象，有利于物料的充分混合.

 

　　c.压力和压力波动幅度随螺旋槽深度的减小而增加.

 

　　d.剪切应力与花鼓转速成正比，与螺旋槽到腔套距离的关系是:距离越大，剪切应力越小.