基于ANSYS的橡膠微波加熱的數(shù)值分析

董林福，劉 輝

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

硫化是橡膠制品加工的最后一道工序，橡膠制品硫化質(zhì)量的好壞直接決定其使用壽命。傳統(tǒng)的橡膠硫化加熱方式有蒸汽加熱、電加熱和導(dǎo)熱油加熱等。這些加熱方式本質(zhì)上都是通過(guò)表面熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度升高，熱量從表面?zhèn)鲗?dǎo)到內(nèi)部所需要的時(shí)間長(zhǎng)，加熱不均勻，效率低，厚制品還會(huì)產(chǎn)生外焦里嫩的現(xiàn)象，對(duì)制品的性能影響很大。微波是一種特殊的電磁波，可以直接深入到物體內(nèi)部，從內(nèi)部對(duì)物體進(jìn)行加熱，屬于內(nèi)熱源[1]。作為一種新興的加熱技術(shù)，微波加熱已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在微波加熱過(guò)程中，物料在吸收微波的時(shí)候整個(gè)物料同時(shí)被加熱，解決了傳統(tǒng)加熱時(shí)從外向內(nèi)進(jìn)行熱傳遞而導(dǎo)致的加熱效率低的問(wèn)題。

本工作利用ANSYS有限元軟件分析天然橡膠（NR）應(yīng)用傳統(tǒng)加熱方式和微波加熱方式的加熱效果，以期為微波加熱技術(shù)應(yīng)用于橡膠制品的硫化提供參考。

1 傳統(tǒng)加熱方式的模擬

本工作模擬采用的NR試樣為圓柱形，且形狀對(duì)稱，因此僅對(duì)一部分圓柱體進(jìn)行分析。模擬采用的NR試樣物理模型如圖1所示，NR試樣的半徑為0.05 m，高度為0.01 m。NR試樣的密度為0.913 Mg m-3，熱導(dǎo)率為0.2 W （m ℃）-1，比熱容為1 700 J （kg ℃）-1。定義試樣的初始溫度為0 ℃，對(duì)試樣上下表面及外表面進(jìn)行加載，載荷溫度為150 ℃。因?yàn)橐峁┓治霾煌訜釙r(shí)間NR試樣的溫度，所以采用瞬態(tài)熱分析[2]。共進(jìn)行4次模擬，加熱時(shí)間分別為50，100，150和200 s。圖2所示為不同加熱時(shí)間的NR試樣溫度分布。從圖2可以看出：加熱50 s后，試樣熱傳導(dǎo)開(kāi)始進(jìn)行，試樣上下表面及外表面開(kāi)始傳導(dǎo)熱量到內(nèi)部，此時(shí)內(nèi)部溫度為28.965 ℃，外表面溫度明顯高于內(nèi)部，溫差為121.035 ℃。加熱至100 s后，試樣內(nèi)部溫度升至60.328 ℃，內(nèi)外溫差仍然很大，為89.672 ℃。加熱150 s后，內(nèi)外溫差逐漸縮小，內(nèi)部最低溫度為86.803 ℃，內(nèi)外溫差達(dá)到63.197 ℃，但是內(nèi)外溫差仍然很大。加熱200 s后，最低溫度達(dá)到106.472 ℃，溫差為43.528 ℃。由此可以看出，傳統(tǒng)加熱方式加熱時(shí)間長(zhǎng)，效率低，溫差大。

圖1 NR試樣的有限元分析模型

圖2 不同加熱時(shí)間的NR試樣溫度分布

2 微波加熱方式的模擬

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)微波加熱NR試樣進(jìn)行數(shù)值模擬，在矩形諧振腔中進(jìn)行加熱，微波頻率為2 450 MHz，試樣的相對(duì)介電常數(shù)為3，初始溫度為0 ℃，其他參數(shù)與傳統(tǒng)加熱方式一樣[3]。微波功率為1 200 W，微波加熱時(shí)間分別為5，10，15，20和25 s。首先建立微波加熱分析模型（與傳統(tǒng)加熱方式相同，見(jiàn)圖1），微波從圓柱面上表面射入，試樣可以吸收入射的微波能量，微波可以穿透試樣，整個(gè)試樣都可以同時(shí)加熱[4]。

圖3所示為功率1 200 W、不同微波加熱時(shí)間的NR試樣的溫度分布，其內(nèi)部最高溫度、外部最低溫度及溫差如表1所示。

圖3 不同微波加熱時(shí)間的NR試樣溫度分布

表1 不同微波加熱時(shí)間的NR試樣內(nèi)部最高溫度、外部最低溫度及溫差

圖4所示為微波加熱時(shí)溫度隨時(shí)間的變化曲線和試樣內(nèi)外溫差隨微波加熱時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖4 溫度和溫度差隨微波加熱時(shí)間的變化曲線

試樣內(nèi)部最高溫度與外部最低溫度之間溫差的變化趨勢(shì)曲線顯示出微波加熱升溫快、效率高的特點(diǎn)。從溫差隨加熱時(shí)間的變化趨勢(shì)來(lái)看，傳統(tǒng)加熱方式隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，溫差逐漸減小，但溫差減小的速度緩慢；微波加熱時(shí)隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，溫差會(huì)逐漸加大，但從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其達(dá)到硫化溫度時(shí)的溫差比傳統(tǒng)加熱方式的溫差小。如當(dāng)微波功率為1 200 W、加熱25 s時(shí)，試樣外部最低溫度為119.75 ℃，溫差為18.911 ℃，基本達(dá)到硫化溫度，而傳統(tǒng)加熱方式加熱200 s時(shí)，外部最低溫度為106.472 ℃，溫差為43.528 ℃。

采用同樣的方法，對(duì)不同的微波功率、相同的加熱時(shí)間進(jìn)行模擬。加熱時(shí)間設(shè)定為20 s，微波功率分別為500，800和1 200 W。其內(nèi)部最高溫度、外部最低溫度及溫差如表2所示。

表2 不同微波功率的NR試樣內(nèi)部最高溫度、外部最低溫度及溫差

由表2可以看出，在微波加熱過(guò)程中，隨著微波功率的增大，內(nèi)部最高溫度和外部最低溫度越來(lái)越高，溫差也越來(lái)越大。

3 結(jié)語(yǔ)

本工作運(yùn)用ANSYS軟件分析得出了采用傳統(tǒng)加熱方式和微波加熱方式的NR溫度模擬結(jié)果。通過(guò)比較分析，得出以下結(jié)論。

（1）微波加熱方式比傳統(tǒng)加熱方式加熱效率高、時(shí)間短，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以加熱到硫化所需溫度。

（2）微波加熱方式比傳統(tǒng)加熱方式加熱均勻。

（3）微波加熱膠料的溫度隨著微波加熱時(shí)間的延長(zhǎng)、微波功率的增大而升高，內(nèi)部最高溫度與外部最低溫度之間的溫差隨著時(shí)間的延長(zhǎng)、微波功率的增大而升高。因此在進(jìn)行微波加熱時(shí)，要合理選擇微波加熱時(shí)間和微波功率，以減小內(nèi)部最高溫度與外部最低溫度之間的溫差。