多層PET/PE復(fù)合膜的大尺度間歇熱封工藝能耗研究

張怡輝，劉言松，王琳，劉磊，宋文杰

多層PET/PE復(fù)合膜的大尺度間歇熱封工藝能耗研究

張怡輝，劉言松*，王琳，劉磊，宋文杰

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

分析熱封設(shè)備連續(xù)加熱熱封工藝的能耗模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)適合大尺度熱封設(shè)備的間歇加熱熱封工藝。首先通過(guò)電熱特性試驗(yàn)了解鎳鉻合金的升降溫規(guī)律，擬合得到鎳鉻合金的升降溫模型。其次分析連續(xù)加熱熱封工藝能耗模型，提出適用于大尺度熱封設(shè)備的間歇加熱熱封工藝流程，并建立能耗模型。以多層聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯（PET/PE）復(fù)合膜為熱封對(duì)象，以最小能耗為優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算得到最優(yōu)的熱封工藝流程。大尺度熱封設(shè)備采用間歇加熱熱封工藝加工可以有效減少能量損耗。

大尺度熱封；熱封工藝；升降溫模型；能耗模型；多層PET/PE復(fù)合包裝膜

建筑材料對(duì)節(jié)能和保溫的要求較高，我國(guó)每年新增約20億m2建筑，其中95%以上是高能耗建筑，必須采取節(jié)能措施。總體來(lái)看，我國(guó)高速發(fā)展的建筑業(yè)要求節(jié)約能源、減少環(huán)境污染，為人類提供舒適的居住環(huán)境[1]。包裝工業(yè)在我國(guó)輕工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著重要地位，建筑保溫材料包覆鋁塑膜的熱封加工是包裝行業(yè)的重要分支之一。鋁塑膜材料的熱封質(zhì)量對(duì)于建筑保溫材料的保溫效果起著決定性作用，而熱封包裝設(shè)備將直接影響熱封性能[2]。

熱封設(shè)備常用的熱封工藝為連續(xù)加熱，即從熱封設(shè)備開(kāi)始工作到結(jié)束工作，熱封片始終保持加熱狀態(tài)，并且溫度穩(wěn)定。這種熱封工藝適用于熱封材料尺寸小、熱封周期短、熱封前準(zhǔn)備時(shí)間短的小尺度熱封設(shè)備。對(duì)于大尺度熱封設(shè)備，熱封材料尺寸大會(huì)導(dǎo)致熱封前的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，若采用連續(xù)加熱熱封工藝，則在加工過(guò)程中損耗的能量更大。這里通過(guò)優(yōu)化分析連續(xù)加熱熱封工藝，提出一種適用于大尺度熱封設(shè)備的間歇加熱熱封工藝，以期有效減少熱封過(guò)程中的能量損耗。

1 電熱特性試驗(yàn)及建立升降溫模型

為了研究分析熱封設(shè)備的加工工藝，并優(yōu)化設(shè)計(jì)適用于大尺度熱封的間歇加熱熱封工藝，必須了解熱封設(shè)備加熱片的溫度變化規(guī)律。綜合考慮外界因素，搭建大尺度熱封試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行電熱特性試驗(yàn)。

1.1 材料

電熱合金是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的一種功能材料，英美等國(guó)對(duì)Cr20Ni80合金的研究始于20世紀(jì)30年代末期[3]。Cr20Ni80合金具有奧氏體組織，其電阻率均勻穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小、高溫抗氧化性能良好，且具有良好的加工塑性，耐腐蝕性強(qiáng)，無(wú)磁性。根據(jù)GB/T 1234—1995《高電阻電熱合金》可知，Cr20Ni80合金的最高使用溫度可達(dá)1 200 ℃，常用于熱封設(shè)備加熱片材料[4-5]。采用Cr20Ni80合金進(jìn)行電熱特性試驗(yàn)，材料的尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度）為1 000 mm× 8 mm×0.2 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

主要通過(guò)通電、斷電來(lái)測(cè)量材料本身溫度的變化情況，試驗(yàn)裝置主要分為電源、溫度采集、試驗(yàn)臺(tái)。

1）電源。PLC電源選用24 V直流電壓源。加熱電源選用5～24 V可調(diào)直流電壓源，用于測(cè)量不同電壓下合金片的溫度變化情況?？烧{(diào)電壓源配置直流電壓顯示屏，能更直觀地看到電壓的變化情況。

2）溫度采集。采用西門(mén)子S7-200PLC（CPU226）作為溫度采集的主機(jī)模塊，擴(kuò)展熱電偶輸入模塊（GM231-P4）用于輸入溫度信號(hào)，選用貼片式熱電偶傳感器（PT-100）進(jìn)行溫度信號(hào)采集，通過(guò)STEP7 MicroWIN與組態(tài)王Kingview模擬建立人機(jī)界面，顯示溫度。其中，通信線纜型號(hào)為PPI-CH340。

3）試驗(yàn)臺(tái)。為了保證試驗(yàn)的安全，試驗(yàn)臺(tái)必須具備良好的絕緣特性和耐熱特性。此外，試驗(yàn)臺(tái)的材料還應(yīng)具備較小的導(dǎo)熱系數(shù)，以減少試驗(yàn)過(guò)程中的誤差。電木又稱酚醛塑料，具有良好的絕緣性，可承受300 ℃的高溫，且導(dǎo)熱性極差，滿足試驗(yàn)需求，故選用電木為試驗(yàn)臺(tái)材料。試驗(yàn)臺(tái)體與定滑輪、牽引繩、吊環(huán)等部件配合使用，用于固定鎳鉻合金。其中，定滑輪材料為尼龍，L形固定板材料為鐵，牽引繩材料為芳綸長(zhǎng)纖。電熱特性試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物如圖1所示。

1.鱷魚(yú)夾 2.通信線 3.熱電阻溫度模塊 4.貼片溫度傳感器 5.鎳鉻合金 6.PLC 7.試驗(yàn)臺(tái) 8.24 V DC電源 9.直流電壓顯示屏 10.定滑輪 11.可調(diào)電壓源 12.牽引繩 13.L形固定板

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）步驟。連接所有試驗(yàn)器材，通過(guò)牽引繩將合金片固定于試驗(yàn)臺(tái)上，并通過(guò)鱷魚(yú)夾連接線和導(dǎo)線將合金片與電源連接；在鎳鉻合金中間位置涂抹導(dǎo)熱硅脂，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱和絕緣作用，將溫度傳感器粘貼至導(dǎo)熱硅脂上；通過(guò)STEP7-WIN軟件與組態(tài)王聯(lián)合編程，將溫度傳感器采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，并記錄；將連接好的鎳鉻合金與溫度傳感器置于相對(duì)封閉的環(huán)境（1 000 mm×200 mm×200 mm）中，減少外界空氣流速對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；啟動(dòng)24 V DC電源檢測(cè)溫度采集是否正常；再啟動(dòng)5～24 V DC可調(diào)電源進(jìn)行試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)組設(shè)計(jì)。鎳鉻合金電熱特性升溫試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，組別為No.1—6；降溫試驗(yàn)取電壓為0 V，室溫為20 ℃，合金溫度為160 ℃，目標(biāo)溫度為30 ℃，組別為No.7。每組參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，并進(jìn)行分析。

表1 鎳鉻合金片電熱特性升溫試驗(yàn)組

Tab.1 Electrothermal characteristics of Ni-cr alloy sheet temperature test group

1.4 結(jié)果與分析

根據(jù)表1依次調(diào)節(jié)電源電壓，分別取起始溫度為20 ℃和100 ℃進(jìn)行電熱特性試驗(yàn)，組別分別為No.1—3、No.4—6，在不同的電壓作用下，鎳鉻合金溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，隨著電壓的升高，鎳鉻合金溫度升至160 ℃的速度越快，所消耗的時(shí)間越短。為了對(duì)比不同起始溫度下鎳鉻合金的升溫變化情況，取起始溫度為20、100 ℃，測(cè)量不同電壓下鎳鉻合金升至160 ℃的升溫曲線變化情況，溫度變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在10 V電壓作用下，起始溫度為100 ℃與起始溫度20 ℃相比，前者升至160 ℃所需時(shí)間較長(zhǎng)。在15、20 V電壓作用下，不同起始溫度下加熱片升至160 ℃的時(shí)間基本不變。結(jié)果表明，隨著電壓的升高，起始溫度對(duì)升溫時(shí)間的影響逐漸降低。

圖2 不同電壓下鎳鉻合金溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖3 不同情況下合金溫度升至160 ℃變化曲線

根據(jù)降溫參數(shù)，將鎳鉻合金加熱至160 ℃后，斷開(kāi)電源，使鎳鉻合金自然降溫，溫度變化曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，鎳鉻合金的溫度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低，曲線逐漸趨于平緩。

圖4 鎳鉻合金降溫曲線

1.5 鎳鉻合金升降溫模型

根據(jù)電熱試驗(yàn)可得，加熱片兩端所通電壓越大，升溫速度越快。在高低電壓下加熱片溫升過(guò)程的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 在高低電壓下加熱片溫升的優(yōu)缺點(diǎn)

Tab.2 Advantages and disadvantages of heating sheet temperature rise under high and low voltage

由圖2可知，在10 V電壓下鎳鉻合金溫度的變化較慢，升溫時(shí)間較長(zhǎng)；在20 V電壓下，鎳鉻合金溫度的變化較快，由于系統(tǒng)存在滯后性，較難控制溫度，故這里選擇電壓15 V為最優(yōu)加熱電壓。通過(guò)Matlab-polyfit函數(shù)對(duì)圖2中15 V電壓下加熱片溫度?時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行四次多項(xiàng)式擬合，推導(dǎo)出鎳鉻合金溫度與時(shí)間的多項(xiàng)式，即鎳鉻合金升溫模型，見(jiàn)式（1）。鎳鉻合金升溫模型擬合曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)升溫曲線如圖5所示。

式中：u為升溫時(shí)鎳鉻合金溫度，℃；為加熱時(shí)間，s；為時(shí)間系數(shù)。

同理，根據(jù)圖4可得鎳鉻合金的降溫模型，見(jiàn)式（2）。鎳鉻合金降溫模型擬合曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)降溫曲線如圖6所示。

圖5 鎳鉻合金升溫模型擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)升溫曲線

圖6 鎳鉻合金降溫模型擬合曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)降溫曲線

式中：d為降溫時(shí)鎳鉻合金溫度，℃；為時(shí)間系數(shù)。

由圖5—6可知，通過(guò)四次多項(xiàng)式擬合得到的鎳鉻合金升降溫模型曲線與試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)曲線高度吻合，故鎳鉻合金升降溫模型具有一定的準(zhǔn)確性。

2 熱封工藝能耗模型

2.1 熱封過(guò)程分析與設(shè)計(jì)

采用傳統(tǒng)熱封工藝，加熱片在加工過(guò)程中一直處于加熱狀態(tài)，設(shè)備持續(xù)工作。對(duì)于大尺度熱封設(shè)備，加工材料都存在輔助時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)熱封設(shè)備加工此類材料時(shí)，設(shè)備的實(shí)際工作時(shí)間在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的占比很小，所以存在嚴(yán)重的能量損耗。

為了優(yōu)化能源損耗問(wèn)題[6]，分析設(shè)計(jì)了較節(jié)能的熱封工藝。設(shè)備在工作期間正常工作，使加熱片溫度升高，并穩(wěn)定在熱封溫度，在輔助階段降低設(shè)備的輸出功率，減少能量消耗，從而實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。

待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，取1個(gè)加工周期，對(duì)連續(xù)加熱熱封工藝進(jìn)行分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)間歇加熱的熱封工藝。

1）連續(xù)加熱熱封工藝。待設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后，將電壓2保持不變，工作時(shí)間為周期，溫度保持在熱封溫度c，連續(xù)加熱型設(shè)備的電壓、溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 連續(xù)加熱設(shè)備電壓、溫度與時(shí)間關(guān)系

2）間歇加熱熱封工藝。在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，取1個(gè)加工周期為研究對(duì)象。將加熱片的溫度變化分為4個(gè)階段：升溫階段，加熱片兩端電壓從3升至1，熱封片溫度升至熱封溫度，耗時(shí)1；熱封階段，加熱片溫度保持在熱封溫度c，保持時(shí)間為2–1；降溫階段，設(shè)備斷電，加熱片在對(duì)流換熱的作用下自然降溫，溫度降至低溫l降溫時(shí)間為3–2；保溫階段，加熱片溫度保持于低溫l，保持時(shí)間為–3。間歇加熱型設(shè)備的電壓、溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖8所示。

2.2 熱封工藝能耗模型

加熱片的電阻為，加熱片兩端電壓為，由電功計(jì)算式（3）得到加熱片消耗的能量。

連續(xù)加熱型設(shè)備加工1個(gè)周期所需能量c的計(jì)算見(jiàn)式（4）。

式中：為加熱時(shí)間，s。

圖8 間歇加熱設(shè)備電壓、溫度與時(shí)間關(guān)系

間歇加熱型設(shè)備加工1個(gè)周期所需能量i的計(jì)算見(jiàn)式（5）。

加熱片材料選擇Cr20Ni80，其電阻=0.545 Ω，熱封溫度為c，室溫為0，間歇加熱熱封工藝保溫階段的保持溫度為l。

間歇加熱熱封工藝加工周期各個(gè)階段的工作電壓和加熱時(shí)間的計(jì)算如下。

1）升溫階段。加熱片兩端電壓為1。通過(guò)Matlab-SOLVE函數(shù)對(duì)式（1）進(jìn)行求解，得到u的反函數(shù)式，見(jiàn)式（6）。

將c代入式（6），得到溫度從0升至c的時(shí)間a；同理代入l，得到溫度從0升至l的時(shí)間b，則升溫階段所需時(shí)間的計(jì)算見(jiàn)式（7）。

2）熱封階段。熱封時(shí)間為s。在熱封階段，加熱片溫度保持熱封溫度c不變。為了保持溫度不變，加熱片在時(shí)刻內(nèi)通電產(chǎn)生的熱量等于對(duì)流換熱消耗的能量，由能量平衡關(guān)系[7-10]可得，見(jiàn)式（8）。

式中：為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·K)；為鎳鉻合金表面積，m2；為加熱時(shí)間，s。

化簡(jiǎn)后可得電壓的表達(dá)式，見(jiàn)式（9）。

3）降溫階段。同理，對(duì)式（2）求解，可得d的反函數(shù)式，見(jiàn)式（10）。

4）保溫階段。取材料的1個(gè)加工周期，則保溫時(shí)間的計(jì)算見(jiàn)式（11）。

保持加熱片的溫度l不變，與熱封階段同理，可計(jì)算出加熱片兩端電壓U，見(jiàn)式（12）。

將各個(gè)階段的電壓、時(shí)間代入式（3）—（4）中，得到連續(xù)加熱熱封工藝能耗模型，見(jiàn)式（13），以及間歇加熱熱封工藝能耗模型，見(jiàn)式（14）。

3 多層復(fù)合膜熱封能耗模型分析

PET/PE 復(fù)合膜通過(guò)干式復(fù)合，即用涂膠方式將PET與PE材料復(fù)合在一起。該膜具有良好的阻隔性、耐油性、耐應(yīng)力開(kāi)裂性、耐化學(xué)品性、耐低溫性和安全性，被廣泛應(yīng)用于食品、藥品等產(chǎn)品的包裝。文中采用多層PET/PE復(fù)合膜為熱封材料。

在加工過(guò)程中，大尺度熱封設(shè)備具有加工材料尺寸大、輔助時(shí)間較長(zhǎng)、加工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。根據(jù)工程實(shí)踐可知，一般大尺度熱封設(shè)備的熱封周期為1～2 min，這里取熱封周期=1 min，以研究邊界條件。

在熱封壓力一定的情況下，PET/PE 復(fù)合膜的最佳熱封溫度為138～160 ℃[11-15]，取多層復(fù)合膜的熱封溫度為160 ℃，相關(guān)熱封參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 多層復(fù)合膜熱封參數(shù)

Tab.3 Thermal sealing parameters of multilayer composite films

將上述參數(shù)代入式（13）—（14），得到多層PET/PE復(fù)合膜在1個(gè)工作周期內(nèi)連續(xù)加熱或間歇加熱的能耗。

多層復(fù)合膜連續(xù)加熱熱封工藝下加工1個(gè)周期的能耗為常數(shù)，而間歇加熱熱封工藝下加工1個(gè)周期的能耗與溫度l相關(guān)，取l為90～159 ℃，能耗曲線如圖9所示。

圖9 不同熱封工藝下設(shè)備能耗曲線

由圖9可以看出，當(dāng)保持溫度l在區(qū)間[90，111.3]時(shí)，間歇加熱熱封工藝下設(shè)備的能耗大于連續(xù)加熱熱封工藝下設(shè)備的能耗；當(dāng)保持溫度l在區(qū)間(111.3，159]時(shí)，間歇加熱熱封工藝下設(shè)備的能耗小于連續(xù)加熱熱封工藝下設(shè)備的能耗。

保持溫度l在區(qū)間[90，144.4]時(shí)，隨著溫度l的升高，間歇加熱熱封工藝下設(shè)備的能耗降低；在區(qū)間(144.4，159]時(shí)，隨著l的升高，間歇加熱熱封工藝下設(shè)備的能耗升高。當(dāng)保持溫度為l144.4 ℃時(shí)，設(shè)備加工1個(gè)周期復(fù)合膜的能耗最小，m8.125 kJ。計(jì)算得到最節(jié)能的加工參數(shù)，加工參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 多層復(fù)合膜熱封階段參數(shù)

Tab.4 Thermal sealing stage parameters of multilayer composite films

4 結(jié)論

1）在分析連續(xù)加熱熱封工藝能耗模型的基礎(chǔ)上，提出間歇加熱熱封工藝流程。

2）以鎳鉻合金電熱特性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，構(gòu)建連續(xù)加熱熱封工藝下的能耗模型及間歇加熱熱封工藝下的能耗模型。

3）以多層PET/PE復(fù)合膜為熱封對(duì)象進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)于大尺度熱封設(shè)備，使用間歇加熱熱封工藝可以減小能耗。確定了低溫保持溫度與熱封周期的關(guān)系，得到了間歇加熱熱封工藝保持溫度的最優(yōu)值，確定了該復(fù)合膜的最佳熱封工藝流程。

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Energy Consumption Model of Large-scale Intermittent Heating Thermal Sealing Process of Multilayer PET/PE Composite Films

ZHANG Yi-hui, LIU Yan-song*, WANG Lin, LIU Lei, SONG Wen-jie

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

The work aims to analyze the energy consumption model of continuous heating thermal sealing process of thermal sealing equipment, and optimize intermittent heating thermal sealing process suitable for large-scale thermal sealing equipment. Firstly, the temperature rise and fall rule of nichchromium (Ni-Cr) alloy were studied by electric heating characteristic test, and the temperature rise and fall model of Ni-Cr alloy was obtained by fitting. Secondly, an energy consumption model of continuous heating thermal sealing process was analyzed, and an intermittent heating thermal sealing process suitable for large-scale thermal sealing equipment was proposed and an energy consumption model was established. With multi-layer PET/PE composite membrane as the thermal sealing object, and the optimal thermal sealing process was calculated with the minimum energy consumption as the optimization objective. The results show that the energy loss of large-scale thermal sealing equipment can be reduced effectively with the intermittent heating thermal sealing process.

large-scale thermal sealing; thermal sealing process; heating and cooling model; energy consumption model; multilayer PET/PE composite packaging film

TB486；TS206

A

1001-3563(2023)17-0254-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.031

2023-02-09

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃（17JK0099）；陜西科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金（2018BJ-05）

責(zé)任編輯：彭颋