用于管道和型材擠出的高強力噴淋冷卻槽
2016-3-14 17:15:18??????點(diǎn)擊：
冷卻塑料管材和型材一直是一個(gè)挑戰，而在擠出速率超過(guò)682kg/h的今天，事實(shí)更是如此。當決定怎樣最佳地冷卻擠出產(chǎn)品時(shí)，需要關(guān)注的不僅是材料，而且還包括壁厚和擠出的幾何尺寸。在冷卻厚度僅為幾mm的窗戶(hù)線(xiàn)性型材和冷卻厚度達1.5in（38.1mm）的木質(zhì)復合材料裝飾蓋板時(shí)，其方法是有較大差別的。
高生產(chǎn)率的擠塑操作從過(guò)去發(fā)展到現在已走了一段較長(cháng)的路。過(guò)去，型材一般采用城市用水或井水在幾乎靜止的浸浴下進(jìn)行冷卻，當水吸取盡可能多的熱量后被排放到污水溝中。在生產(chǎn)率問(wèn)題促使一種更為智能的方法成為必需之前，水的供應和處理的費用就已經(jīng)足以使這種冷卻方法結束。在Conair公司的幫助下，擠塑廠(chǎng)商們正在精確地計算有多少熱量需要被消除以及需要多快的速度進(jìn)行消除，才能實(shí)現運營(yíng)成功且有利可圖。也許有人希望在使水盡可能冷的方面找到一些解決方法。然而實(shí)際上，問(wèn)題要比單獨的水冷要更加復雜。
自從發(fā)明塑料擠塑以來(lái)，下游冷卻設備的生產(chǎn)商以及他們的客戶(hù)都在尋求更好的方法來(lái)把過(guò)程熱量從擠塑型材中消除，而這種努力也得到了一個(gè)合理的進(jìn)展。目前，一種高強力噴淋冷卻槽（如圖1所示）代表了現有此類(lèi)技術(shù)的高水平。
冷水是最佳的嗎？
冷（湍流）水在幫助優(yōu)化熱傳遞速度方面可以起到很多作用，但是這種作用僅限于一個(gè)特定的壁厚范圍內。對于Schedule-40以上壁厚的管材，可以考慮從冷水轉到調溫水，以?xún)?yōu)化冷卻速度。當擠出物從熱的塑性狀態(tài)轉變?yōu)橛残誀顟B(tài)時(shí)，熱傳遞速度降低。因此，管材或型材外表面發(fā)生的結皮，實(shí)際上就把內部材料和冷卻水進(jìn)行了隔離（如圖4所示）。隨著(zhù)壁厚的增加，這變成了一個(gè)越來(lái)越嚴重的問(wèn)題。你可能是在浪費非常昂貴的冷卻水。事實(shí)上，最好在最初的冷卻槽，將水溫調高至26.5~54.5℃，在不使表面結皮的情況下帶走能量。
為了在水循環(huán)系統中精確控制水溫，可以在冰水機和過(guò)程回路之間使用一種Thermolator模溫機（如圖5所示）。當這些設備配備遠程熱電偶時(shí)，可以在1℃內控制冷卻槽水溫。對于擠塑應用，一般使用24kW、36kW或者甚至是48kW的加熱器、1.5~7.5hp的泵和調節閥，以?xún)?yōu)化應用。
從這個(gè)前提開(kāi)始：更冷并不一定是更好，因此了解哪一種冷卻方法在你的工藝情況下會(huì )表現最佳是很重要的。在各種擠塑應用中，對于優(yōu)化熱量排除和提供生產(chǎn)率，這里有如下一些建議。
1. 薄壁管材
冷卻壁厚為Schedule-40或更低的管材（如圖6所示），特別是RPVC管材，可使用帶有適當尺寸水循環(huán)系統的高強力噴淋槽，且在整個(gè)線(xiàn)上專(zhuān)門(mén)使用溫度范圍為3.3~7.2℃的冷卻水。適當設計的噴淋槽可以冷卻76~102mm的Schedule-40管材，對于7.3米的噴淋槽，其冷卻速度可達364~998kg/h。有意思的是，由于駐留時(shí)間和表面積問(wèn)題，為了實(shí)現每小時(shí)內相同的輸出量，冷卻51mm的Schedule-40管材，則實(shí)際上需要將冷卻槽長(cháng)度加長(cháng)約30%。
冷卻Schedule-80管材（如圖7所示），可以在主噴淋槽中通過(guò)使用調溫水來(lái)控制結皮的速度，同時(shí)把最大的熱量從壁中帶走。當確定水循環(huán)系統的尺寸和噴淋槽所需的長(cháng)度時(shí)，要記住輸出量（kg/h）。適當確定熱交換器的尺寸來(lái)控制水溫將是很關(guān)鍵的。
木塑復合材料和其他實(shí)心或泡沫型材（如圖8所示）也能從高強力噴淋槽中獲益，以進(jìn)行工藝優(yōu)化。同時(shí)，可再次利用調溫水來(lái)控制結皮速度，這將有助于優(yōu)化冷卻速度，且盡可能降低冷卻水的成本。目前，典型的加工速度約為682kg/h，而且通過(guò)發(fā)泡來(lái)降低這些型材的密度的工作正在進(jìn)行中。這種材料的絕緣特性將進(jìn)一步抑制冷卻速度。對于加工速度為682kg/h的發(fā)泡HDPE木塑復合材料（50%~60%木質(zhì)）生產(chǎn)線(xiàn)，它可能包含一系列安裝在主噴淋槽前的干燥定型工裝，帶有3個(gè)溫度區：第一區為7.3m長(cháng)的高強力噴淋槽，采用37.7~54.5℃的調溫水，第二區和第三區為4.9m長(cháng)的高強力槽，使用1.6~4.5℃的冷卻水，且在其后安裝一臺對夾式牽引機、切斷機和卸料臺。
4. 中空型材（窗戶(hù)和門(mén)線(xiàn)型，RPVC柵欄）
復雜的中空型材（如圖9所示），特別是那些帶有適用性和功能性規范的產(chǎn)品，可以利用噴淋技術(shù)提高速度和降低廢料。目前的技術(shù)是使用9.1m長(cháng)的干燥定型臺，結合一個(gè)帶有形成導向的浸泡槽。同時(shí)，將低真空用于該槽，幫助保持中空。對于高加工速度，擠塑機已采用昂貴的雙線(xiàn)，且配備雙牽引機、切斷機等。但是，高強力噴淋槽采用一個(gè)0.3~0.9m的前置干燥工具，能夠很容易地超過(guò)目前的冷卻和定型速度，同時(shí)占地面積較少。在這個(gè)噴淋槽中安裝一個(gè)形成導向系統，能夠從型材所有的面來(lái)控制噴淋的方向，或者在面與面之間采用不同的噴淋，以?xún)?yōu)化冷卻速度。至于實(shí)心型材和泡沫，可以再次設計這種干燥工裝，從而使它在特定溫度下工作，以?xún)?yōu)化定型和冷卻速度，同時(shí)確保在高速度下有一致的和可重復的工藝。
操作人員通過(guò)移動(dòng)球閥來(lái)調整流到定型工裝中的水流量，進(jìn)而來(lái)調整定型套的溫度，這種日子很快就會(huì )結束了。擠出和注塑不同，它一定有至少一個(gè)模具溫度控制單元，采用一個(gè)熱電偶讀出實(shí)際溫度并控制在1℃范圍內。如果一個(gè)過(guò)程要求3個(gè)203~305mm長(cháng)的定型工裝且每個(gè)帶有不同的溫度（這對泡沫型材是典型的），3個(gè)單個(gè)溫度控制單元不能被用來(lái)提供整個(gè)過(guò)程的一致性和可重復性，不僅是班次與班次之間，也包括月與月之間。
Conair公司將繼續同塑料擠塑行業(yè)合作，不僅提供設備，而且幫助解決生產(chǎn)工藝中的各種不確定性問(wèn)題，使它成為一門(mén)真正的科學(xué)。在對塑料怎樣冷卻有了一個(gè)更好的理解下，我們可以設計熱交換過(guò)程來(lái)為我們工作，而不是對我們不利，從而實(shí)現最大的輸出速度，同時(shí)盡可能地減少廢料。當擠出過(guò)程變得更科學(xué)時(shí)，它就會(huì )更具有一致性和可重復性。
對擠塑冷卻的一個(gè)回顧
歷史上，擠塑廠(chǎng)商依賴(lài)于空氣冷卻或浸泡冷卻來(lái)排除熱量。雖然冷卻技術(shù)在最近20年中進(jìn)步迅速，但是這些令人尊敬的技術(shù)仍然值得學(xué)習。
空氣冷卻在擠塑型材加工中已被使用了多年，令人驚訝的是它可能是冷卻型材的最佳方法之一，特別是對于薄壁型材而言。這種冷卻方式較大的缺點(diǎn)是空氣冷卻較慢，速度一般低于159kg/h，并且空間密集，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的空中架子來(lái)支撐跨距達6m的型材。雖然這個(gè)過(guò)程提供較慢的熱傳遞速度，但它通過(guò)使厚壁和薄壁以相同的速度冷卻，最大程度地減少了翹曲、扭曲和彎曲。因為空氣的冷卻速度是水的百分之一，不均勻的冷卻可能更少。通常，在第一段的3m中，注嘴被用來(lái)在型材的特定部分（較厚）吹空氣，而最后的3m則在型材上下方采用風(fēng)箱，使用更普遍的空氣冷卻。通過(guò)調節空氣注嘴，可以改變熱轉移的速度或對準厚壁或截面部分進(jìn)行更好的冷卻。雖然這是一種較慢的熱轉移方法，但是我們可以從中學(xué)到知識，把它應用到其他管材和型材的冷卻方法中。
浸泡冷卻簡(jiǎn)單地把熔融塑料從一個(gè)裝滿(mǎn)冷卻水的槽中引出，冷卻水通過(guò)一臺水泵、過(guò)濾器和熱交換器進(jìn)行循環(huán)，排除從擠出塑料中獲得的熱量。冷卻水一般是溫度控制的，它是一種轉移擠出物熱量非常有效的介質(zhì)。但是，由于在塑料和水之間存在較高的溫差，擠出型材周?chē)乃⒖瘫患訜?，?shí)際上阻礙了進(jìn)一步的熱傳遞。對此，解決的辦法是把湍流引入到槽中，把被加熱的水弄走，使較冷的水能接近擠出物。湍流被認為是該冷卻過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素。
如今，該行業(yè)正在不斷發(fā)明新技術(shù)，包括高強力噴淋冷卻和沿擠出線(xiàn)不同溫度的謹慎使用，它們能夠迅速提高擠出量的速度，并幫助加工廠(chǎng)商在一些最熱門(mén)的新市場(chǎng)中變得更具有競爭力。
高生產(chǎn)率的擠塑操作從過(guò)去發(fā)展到現在已走了一段較長(cháng)的路。過(guò)去，型材一般采用城市用水或井水在幾乎靜止的浸浴下進(jìn)行冷卻，當水吸取盡可能多的熱量后被排放到污水溝中。在生產(chǎn)率問(wèn)題促使一種更為智能的方法成為必需之前，水的供應和處理的費用就已經(jīng)足以使這種冷卻方法結束。在Conair公司的幫助下，擠塑廠(chǎng)商們正在精確地計算有多少熱量需要被消除以及需要多快的速度進(jìn)行消除，才能實(shí)現運營(yíng)成功且有利可圖。也許有人希望在使水盡可能冷的方面找到一些解決方法。然而實(shí)際上，問(wèn)題要比單獨的水冷要更加復雜。
自從發(fā)明塑料擠塑以來(lái)，下游冷卻設備的生產(chǎn)商以及他們的客戶(hù)都在尋求更好的方法來(lái)把過(guò)程熱量從擠塑型材中消除，而這種努力也得到了一個(gè)合理的進(jìn)展。目前，一種高強力噴淋冷卻槽（如圖1所示）代表了現有此類(lèi)技術(shù)的高水平。
冷水是最佳的嗎？
冷（湍流）水在幫助優(yōu)化熱傳遞速度方面可以起到很多作用，但是這種作用僅限于一個(gè)特定的壁厚范圍內。對于Schedule-40以上壁厚的管材，可以考慮從冷水轉到調溫水，以?xún)?yōu)化冷卻速度。當擠出物從熱的塑性狀態(tài)轉變?yōu)橛残誀顟B(tài)時(shí)，熱傳遞速度降低。因此，管材或型材外表面發(fā)生的結皮，實(shí)際上就把內部材料和冷卻水進(jìn)行了隔離（如圖4所示）。隨著(zhù)壁厚的增加，這變成了一個(gè)越來(lái)越嚴重的問(wèn)題。你可能是在浪費非常昂貴的冷卻水。事實(shí)上，最好在最初的冷卻槽，將水溫調高至26.5~54.5℃，在不使表面結皮的情況下帶走能量。
為了在水循環(huán)系統中精確控制水溫，可以在冰水機和過(guò)程回路之間使用一種Thermolator模溫機（如圖5所示）。當這些設備配備遠程熱電偶時(shí)，可以在1℃內控制冷卻槽水溫。對于擠塑應用，一般使用24kW、36kW或者甚至是48kW的加熱器、1.5~7.5hp的泵和調節閥，以?xún)?yōu)化應用。
從這個(gè)前提開(kāi)始：更冷并不一定是更好，因此了解哪一種冷卻方法在你的工藝情況下會(huì )表現最佳是很重要的。在各種擠塑應用中，對于優(yōu)化熱量排除和提供生產(chǎn)率，這里有如下一些建議。
1. 薄壁管材
冷卻壁厚為Schedule-40或更低的管材（如圖6所示），特別是RPVC管材，可使用帶有適當尺寸水循環(huán)系統的高強力噴淋槽，且在整個(gè)線(xiàn)上專(zhuān)門(mén)使用溫度范圍為3.3~7.2℃的冷卻水。適當設計的噴淋槽可以冷卻76~102mm的Schedule-40管材，對于7.3米的噴淋槽，其冷卻速度可達364~998kg/h。有意思的是，由于駐留時(shí)間和表面積問(wèn)題，為了實(shí)現每小時(shí)內相同的輸出量，冷卻51mm的Schedule-40管材，則實(shí)際上需要將冷卻槽長(cháng)度加長(cháng)約30%。
冷卻Schedule-80管材（如圖7所示），可以在主噴淋槽中通過(guò)使用調溫水來(lái)控制結皮的速度，同時(shí)把最大的熱量從壁中帶走。當確定水循環(huán)系統的尺寸和噴淋槽所需的長(cháng)度時(shí)，要記住輸出量（kg/h）。適當確定熱交換器的尺寸來(lái)控制水溫將是很關(guān)鍵的。
木塑復合材料和其他實(shí)心或泡沫型材（如圖8所示）也能從高強力噴淋槽中獲益，以進(jìn)行工藝優(yōu)化。同時(shí)，可再次利用調溫水來(lái)控制結皮速度，這將有助于優(yōu)化冷卻速度，且盡可能降低冷卻水的成本。目前，典型的加工速度約為682kg/h，而且通過(guò)發(fā)泡來(lái)降低這些型材的密度的工作正在進(jìn)行中。這種材料的絕緣特性將進(jìn)一步抑制冷卻速度。對于加工速度為682kg/h的發(fā)泡HDPE木塑復合材料（50%~60%木質(zhì)）生產(chǎn)線(xiàn)，它可能包含一系列安裝在主噴淋槽前的干燥定型工裝，帶有3個(gè)溫度區：第一區為7.3m長(cháng)的高強力噴淋槽，采用37.7~54.5℃的調溫水，第二區和第三區為4.9m長(cháng)的高強力槽，使用1.6~4.5℃的冷卻水，且在其后安裝一臺對夾式牽引機、切斷機和卸料臺。
4. 中空型材（窗戶(hù)和門(mén)線(xiàn)型，RPVC柵欄）
復雜的中空型材（如圖9所示），特別是那些帶有適用性和功能性規范的產(chǎn)品，可以利用噴淋技術(shù)提高速度和降低廢料。目前的技術(shù)是使用9.1m長(cháng)的干燥定型臺，結合一個(gè)帶有形成導向的浸泡槽。同時(shí)，將低真空用于該槽，幫助保持中空。對于高加工速度，擠塑機已采用昂貴的雙線(xiàn)，且配備雙牽引機、切斷機等。但是，高強力噴淋槽采用一個(gè)0.3~0.9m的前置干燥工具，能夠很容易地超過(guò)目前的冷卻和定型速度，同時(shí)占地面積較少。在這個(gè)噴淋槽中安裝一個(gè)形成導向系統，能夠從型材所有的面來(lái)控制噴淋的方向，或者在面與面之間采用不同的噴淋，以?xún)?yōu)化冷卻速度。至于實(shí)心型材和泡沫，可以再次設計這種干燥工裝，從而使它在特定溫度下工作，以?xún)?yōu)化定型和冷卻速度，同時(shí)確保在高速度下有一致的和可重復的工藝。
操作人員通過(guò)移動(dòng)球閥來(lái)調整流到定型工裝中的水流量，進(jìn)而來(lái)調整定型套的溫度，這種日子很快就會(huì )結束了。擠出和注塑不同，它一定有至少一個(gè)模具溫度控制單元，采用一個(gè)熱電偶讀出實(shí)際溫度并控制在1℃范圍內。如果一個(gè)過(guò)程要求3個(gè)203~305mm長(cháng)的定型工裝且每個(gè)帶有不同的溫度（這對泡沫型材是典型的），3個(gè)單個(gè)溫度控制單元不能被用來(lái)提供整個(gè)過(guò)程的一致性和可重復性，不僅是班次與班次之間，也包括月與月之間。
Conair公司將繼續同塑料擠塑行業(yè)合作，不僅提供設備，而且幫助解決生產(chǎn)工藝中的各種不確定性問(wèn)題，使它成為一門(mén)真正的科學(xué)。在對塑料怎樣冷卻有了一個(gè)更好的理解下，我們可以設計熱交換過(guò)程來(lái)為我們工作，而不是對我們不利，從而實(shí)現最大的輸出速度，同時(shí)盡可能地減少廢料。當擠出過(guò)程變得更科學(xué)時(shí)，它就會(huì )更具有一致性和可重復性。
對擠塑冷卻的一個(gè)回顧
歷史上，擠塑廠(chǎng)商依賴(lài)于空氣冷卻或浸泡冷卻來(lái)排除熱量。雖然冷卻技術(shù)在最近20年中進(jìn)步迅速，但是這些令人尊敬的技術(shù)仍然值得學(xué)習。
空氣冷卻在擠塑型材加工中已被使用了多年，令人驚訝的是它可能是冷卻型材的最佳方法之一，特別是對于薄壁型材而言。這種冷卻方式較大的缺點(diǎn)是空氣冷卻較慢，速度一般低于159kg/h，并且空間密集，采用一個(gè)簡(jiǎn)單的空中架子來(lái)支撐跨距達6m的型材。雖然這個(gè)過(guò)程提供較慢的熱傳遞速度，但它通過(guò)使厚壁和薄壁以相同的速度冷卻，最大程度地減少了翹曲、扭曲和彎曲。因為空氣的冷卻速度是水的百分之一，不均勻的冷卻可能更少。通常，在第一段的3m中，注嘴被用來(lái)在型材的特定部分（較厚）吹空氣，而最后的3m則在型材上下方采用風(fēng)箱，使用更普遍的空氣冷卻。通過(guò)調節空氣注嘴，可以改變熱轉移的速度或對準厚壁或截面部分進(jìn)行更好的冷卻。雖然這是一種較慢的熱轉移方法，但是我們可以從中學(xué)到知識，把它應用到其他管材和型材的冷卻方法中。
浸泡冷卻簡(jiǎn)單地把熔融塑料從一個(gè)裝滿(mǎn)冷卻水的槽中引出，冷卻水通過(guò)一臺水泵、過(guò)濾器和熱交換器進(jìn)行循環(huán)，排除從擠出塑料中獲得的熱量。冷卻水一般是溫度控制的，它是一種轉移擠出物熱量非常有效的介質(zhì)。但是，由于在塑料和水之間存在較高的溫差，擠出型材周?chē)乃⒖瘫患訜?，?shí)際上阻礙了進(jìn)一步的熱傳遞。對此，解決的辦法是把湍流引入到槽中，把被加熱的水弄走，使較冷的水能接近擠出物。湍流被認為是該冷卻過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素。
如今，該行業(yè)正在不斷發(fā)明新技術(shù)，包括高強力噴淋冷卻和沿擠出線(xiàn)不同溫度的謹慎使用，它們能夠迅速提高擠出量的速度，并幫助加工廠(chǎng)商在一些最熱門(mén)的新市場(chǎng)中變得更具有競爭力。
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