聚合物加工基础-4传热.ppt
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聚合物加工基础第四章传热热量传递是自然界最普遍的现象。
凡热量传递是自然界最普遍的现象。
凡有温差存在的地方,热量总是自发地由高有温差存在的地方,热量总是自发地由高温向低温传递温向低温传递-热力学第二定律。
热力学第二定律。
化学工业与传热关系尤为密切,几化学工业与传热关系尤为密切,几乎所有的过程都有热量的进出。
乎所有的过程都有热量的进出。
4.1传热基本问题和原理傅立叶定律是热传导的基本定律,它指出:
单位时傅立叶定律是热传导的基本定律,它指出:
单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比,即面积成正比,即4.1.14.1.1传热原理传热原理聚合物加工中的热传导服从傅立叶定律。
聚合物加工中的热传导服从傅立叶定律。
式中式中Q单位时间传导的热量,简称传热速率,单位时间传导的热量,简称传热速率,wS导热面积,即垂直于热流方向的表面积,导热面积,即垂直于热流方向的表面积,m2导热系数导热系数(thermalconductivitythermalconductivity),w/m.kw/m.k。
式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。
黏性发热-内摩擦力产生热能塑性形变加热-颗粒移动,机械能转化4.1.2聚合物的热稳定性聚合物的热稳定性限制了加工最高温度和经聚合物的热稳定性限制了加工最高温度和经受高温的时间。
受高温的时间。
传热的判据(温度梯度和熔融速率)传热的判据(温度梯度和熔融速率)4.1.3聚合物的热物理性能参数密度、比热容、粘度、热导率、热扩散系数等与温度和聚合物形态密切相关。
实际上各种添加剂会导致各项参数的变化。
4.1.4选择适宜的速度熔体的粘度很大,会造成粘性耗散,导致聚熔体的粘度很大,会造成粘性耗散,导致聚合物热降解。
合物热降解。
外部输入机械功能量消耗大外部输入机械功能量消耗大流动速度标准:
最高传热速率,加热均匀,流动速度标准:
最高传热速率,加热均匀,停留时间短停留时间短4.1.5压实体的性质聚合物的形态为微细粒子(聚合物的形态为微细粒子(3mm3mm)粒状、粉状、纤维状粒状、粉状、纤维状压实后具有一定刚性和不均匀的孔隙度,应压实后具有一定刚性和不均匀的孔隙度,应力分布不均匀。
力分布不均匀。
4.2传热机理热能量平衡方程热能量平衡方程u单位体积内能增加速率单位体积内能增加速率u对流传热引起的内能增加速率对流传热引起的内能增加速率u由热传导引起的内能增加速率由热传导引起的内能增加速率u由压缩做功产生的内能增加速率(可逆)由压缩做功产生的内能增加速率(可逆)u由机械功耗散引起的内能增加速率,包括黏性耗散和由机械功耗散引起的内能增加速率,包括黏性耗散和塑性形变耗散(不可逆)塑性形变耗散(不可逆)u外界加入其他能源,如介电加热和反应热引起的内能外界加入其他能源,如介电加热和反应热引起的内能增加速率增加速率对流传热热传导压缩能量黏性耗散塑性形变耗散耗散混合熔融4.3熔融方法分类无熔体移走的传导熔融移动热源的加热和熔融强制熔体移走的传导和熔融耗散混合熔融4.3.1无熔体移走的传导熔融4.3.1.1操作原理熔融全部热量由接触熔融全部热量由接触或暴露表面提供,熔融速或暴露表面提供,熔融速率仅由传导决定。
率仅由传导决定。
例:
滚塑例:
滚塑4.3.2移动热源的加热和熔融在聚合加工中,如聚氯乙烯焊接,连续介电在聚合加工中,如聚氯乙烯焊接,连续介电在聚合加工中,如聚氯乙烯焊接,连续介电在聚合加工中,如聚氯乙烯焊接,连续介电加热密封或两辊间加热或冷却薄板、薄膜。
加热密封或两辊间加热或冷却薄板、薄膜。
加热密封或两辊间加热或冷却薄板、薄膜。
加热密封或两辊间加热或冷却薄板、薄膜。
热源和聚合物材料之间总有一个静止,一个热源和聚合物材料之间总有一个静止,一个热源和聚合物材料之间总有一个静止,一个热源和聚合物材料之间总有一个静止,一个移动。
移动。
移动。
移动。
另一种情况,结晶聚合物的熔体冷却。
熔体另一种情况,结晶聚合物的熔体冷却。
熔体另一种情况,结晶聚合物的熔体冷却。
熔体另一种情况,结晶聚合物的熔体冷却。
熔体不移动,但熔固界面处放出结晶潜热,视不移动,但熔固界面处放出结晶潜热,视不移动,但熔固界面处放出结晶潜热,视不移动,但熔固界面处放出结晶潜热,视为内部移动热源。
为内部移动热源。
为内部移动热源。
为内部移动热源。
4.3.3强制熔体移走的传导熔融有拖动移走和压力移走两种方法。
有拖动移走和压力移走两种方法。
特点:
特点:
11、液相传导速率因液相层薄,增大了温度梯度,所、液相传导速率因液相层薄,增大了温度梯度,所以提高了传导速率;以提高了传导速率;22、因及时移走部分熔体,使熔体在高温区的停留时、因及时移走部分熔体,使熔体在高温区的停留时间缩短,减少了降解机会。
因而存在提高壁温的可能间缩短,减少了降解机会。
因而存在提高壁温的可能性。
性。
33、膜内的黏性耗散为加热熔融增加了一个重要热源。
、膜内的黏性耗散为加热熔融增加了一个重要热源。
4.3.3强制熔体移走的传导熔融熔融的一部分热量由接触表面的传导提供,一部分热量通过熔膜中的黏性耗散将机械能转变为热能来提供。
4.3.4耗散混合熔融双螺杆挤出机的特点是挤压、破碎、混合能双螺杆挤出机的特点是挤压、破碎、混合能力强。
进入撤出机的粒子群很快受到强烈的力强。
进入撤出机的粒子群很快受到强烈的挤压,粒子的塑性形变产生形迹耗散,随即挤压,粒子的塑性形变产生形迹耗散,随即被新生熔体、漏流和返流熔体强烈混合形成被新生熔体、漏流和返流熔体强烈混合形成固液悬浮液,同时将耗散参量均匀分布在整固液悬浮液,同时将耗散参量均匀分布在整个容积内,体系呈现耗散混合熔融机理。
个容积内,体系呈现耗散混合熔融机理。
4.4几何形状、边界条件和物理性质对熔融过程的影响聚合物传热问题的边界条件可以归纳为三类:
(1)限定表面温度;
(2)限定表面对流条件;(3)限定表面热流密度。
4.5聚合物在注射成型中的冷却结晶性聚合物冷却阶段的温度分布结晶性聚合物冷却阶段的温度分布无定型聚合物冷却阶段的温度分布冷却时间的计算4.5.3冷却时间的计算什么是塑件在模具内的冷却时间?
什么是塑件在模具内的冷却时间?
通常指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出制件的这一段时间。
通常指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出制件的这一段时间。
可开模的标准:
塑件已充分固化,具有一定的强度和刚度,开模推可开模的标准:
塑件已充分固化,具有一定的强度和刚度,开模推出时不致变形开裂。
出时不致变形开裂。
衡量塑件已充分固化的准则:
衡量塑件已充分固化的准则:
塑件最大壁厚中心部分的温度已冷却到该种塑料的热变形温度塑件最大壁厚中心部分的温度已冷却到该种塑料的热变形温度以下。
以下。
塑件截面内的平均温度已达到所规定的塑件的出模温度。
塑件截面内的平均温度已达到所规定的塑件的出模温度。
对于结晶形塑料,最大壁厚的中心层温度达到固熔点,或结晶对于结晶形塑料,最大壁厚的中心层温度达到固熔点,或结晶度达到某一百分比。
度达到某一百分比。
(1)塑件最大壁厚中心部分温度达到热变形温度时所需的冷却塑件最大壁厚中心部分温度达到热变形温度时所需的冷却时间时间T1(s)为为式中式中S塑件的壁厚,塑件的壁厚,mm;1塑料热扩散率,塑料热扩散率,mm2s;tc塑料注射温度,塑料注射温度,;tM模具温度,模具温度,;t1塑料的热变形温度,塑料的热变形温度,;确定;确定t1时还应根据经验。
时还应根据经验。
针对上述三种准则,有三种计算塑件冷却时间公式针对上述三种准则,有三种计算塑件冷却时间公式
(2)塑件截面内平均温度达到规定的塑件出模温度时所需要的冷却塑件截面内平均温度达到规定的塑件出模温度时所需要的冷却时间时间T2(s)为为式中式中t2截面内平均温度,截面内平均温度,。
(3)结晶形塑料制件的最大壁厚中心温度达到固熔点时所需的冷却时结晶形塑料制件的最大壁厚中心温度达到固熔点时所需的冷却时间间T3(s)聚乙烯聚乙烯(棒类棒类)(板类)(板类)聚丙烯聚丙烯(棒类棒类)(板类)(板类)以上两式的适用范围以上两式的适用范围是是tc=193.3248.9,tM=4.479.4。
以上两式的适用范围是以上两式的适用范围是tc=232.2282.2,tM=4.479.4。
聚甲醛聚甲醛(棒类棒类)(板类)(板类)以上两式的适用范围是以上两式的适用范围是tc190,tM125。
思考题为什么塑料加热与冷却不能有太大的温差?
答:
塑料是热的不良导体,导热性较差。
答:
塑料是热的不良导体,导热性较差。
加热时,热源与被加热物的温差大,物料表加热时,热源与被加热物的温差大,物料表面已达到规定温度甚至已经分解,而内部温面已达到规定温度甚至已经分解,而内部温度还很低,造成塑化不均匀。
冷却时温差大,度还很低,造成塑化不均匀。
冷却时温差大,物料表面已经冷却,而内部冷却较慢,收缩物料表面已经冷却,而内部冷却较慢,收缩较大,形成较大的内应力。
较大,形成较大的内应力。
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- 聚合物 加工 基础 传热