特殊纖維新型非接觸干燥爐結(jié)構(gòu)分析

傅建根 金振鋒 韓劍飛

【摘 要】干燥過程是制備PAN基碳纖維的重要環(huán)節(jié)，且控制其內(nèi)部溫度和纖維濕度尤為關(guān)鍵。本文利用有限元分析對非接觸干燥爐內(nèi)氣流流場進(jìn)行模擬，得到一個相對較為合理的流場，對于干燥爐內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了積極作用。

【關(guān)鍵詞】非接觸干燥爐；流場；有限元分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

簡介

碳纖維是一種含碳量在90%以上的新型特種纖維。除了具有一般碳素材料耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等特性外，還具備紡織纖維各向異性、柔軟可加工性，軸向強度和模量高等優(yōu)點[1]。隨著市場應(yīng)用的不斷擴大及國家政策扶持力度的不斷加大，碳纖維產(chǎn)業(yè)受到了前所未有的關(guān)注，從最初的航空航天領(lǐng)域，到汽車、船舶行業(yè)，再到建筑、風(fēng)電葉片、休閑體育行業(yè)，甚至到高鐵、電子電氣市場，“碳纖維”無疑成為了時下各個行業(yè)討論的熱詞。

目前普遍采用的碳纖維生產(chǎn)方法主要是將PAN基原絲通過預(yù)氧化、碳化等步驟后，分子間形成亂層石墨結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過表面處理、上漿、熱干燥、非接觸干燥等環(huán)節(jié)制得碳纖維產(chǎn)品。非接觸干燥主要對上漿后纖維進(jìn)行干燥，濕度控制在0.1%以下，對后續(xù)纖維在復(fù)合材料的應(yīng)用起著重要作用。

我們利用目前主流的CFD商用軟件——Ansys CFX對干燥爐內(nèi)氣體流動情況進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上對設(shè)計新型臥式非接觸干燥爐，提高纖維質(zhì)量一致性，利用臥式爐破浪型的氣流交流方式，更好干燥纖維。

一、設(shè)計輸入：

類型：非接觸干燥，臥式，單通道

-絲束：24K，330束

-纖維：1.66g/m（單束）

-寬度：3000mm

-速度：10-12m/min

-水含量：入口15%，出口小于0.1%

-上漿劑：環(huán)氧樹脂

-干燥方式：熱風(fēng)循環(huán)爐（電加熱）

-操作溫度：最高300度（常規(guī)240度）

-加熱腔長度：13m

-溫區(qū)：4區(qū)

二、分析模型介紹

本次分析截取了干燥爐爐體1/4區(qū)域作為分析對象，如圖2.1；

邊界條件：（如圖2.1）

1、進(jìn)口：設(shè)置與外界聯(lián)通邊界（opening），外界空氣溫度25℃；

2、出口：設(shè)置與外界聯(lián)通邊界（opening），外界空氣溫度25℃；

3、風(fēng)機：設(shè)定風(fēng)機區(qū)域為旋轉(zhuǎn)域，使之能提供走絲通道內(nèi)大約2m/s的 風(fēng)速；

4、熱源作用面：在交界面上設(shè)置熱源參數(shù)，模擬加熱器的效果，控制爐 內(nèi)目標(biāo)溫度為280℃；

5、本次分析先未考慮新風(fēng)補充與廢氣排放，后續(xù)可以加入該項；

6、本次分析未考慮常溫含水絲束對爐體溫度場的影響；

7、本次分析主要用于考察干燥爐內(nèi)風(fēng)速分布的均勻性與溫度分布的均勻性，以及爐口處與外界空氣的關(guān)系（吸入情況與溢出情況）；

三、分析結(jié)果

3.1 速度分布結(jié)果

3.2 溫度分布結(jié)果

由于模型中的熱源作用面用來模擬電加熱器的效果，該面的溫度不真實（偏高），為不影響對走絲通道的溫度分布進(jìn)行考察，故下面溫度的分布云圖只截取了走絲通道中的。

從圖3.2.1-3.2.2中均可以看出，進(jìn)絲口有冷空氣被吸入，造成對爐體溫度的降低。

（作者單位：浙江精功科技有限公司精功研究院）