生物质胶体（橡胶）工业热水循环温控技术使用效果研究

王宏鹏，阎强，王立谦，殷博*

（1.山东省威海市三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200；2. 黑龙江省科学院， 黑龙江 哈尔滨 150010）

生物质胶体（橡胶）工业热水循环温控技术使用效果研究

王宏鹏1，阎强1，王立谦2，殷博2*

（1.山东省威海市三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200；2. 黑龙江省科学院， 黑龙江 哈尔滨 150010）

Using effect research of biomass colloid (rubber) industrial hot water circulating temperature control technology

随着生态文明建设的不断深入，生物质胶体的需求量不断攀升，有效提高生物质胶体加工工艺和产品质量，是扩大生物质胶体应用范围的重要保障。本文针对当前生物质胶体的加工工艺中温控制精确度不高的问题，提出将热水循环温控系统应用到橡胶炼机和挤出机控制中，采用模糊控制方法对温度控制系统进行改进，实验表明热水循环系统不仅能节水、节能还能有效降低混炼时间，提升产品品质，提高挤出效率。

生物质胶体；热水循环；模糊控制

在改革创新的助力下，先进技术不断涌入中国，一定程度上促进了橡胶加工工业的发展。橡胶加工过程中会放出大量的热，如何在最短的时间内降低温度，合理利用热能，是橡胶生产中的关键。一般采用强制冷方法进行降温，而当前的强制冷工艺多存在混炼周期长，混炼不充分，挤出速率低，挤出物料质量差等特点，而且没有有效的利用热能，造成资源浪费，因此探究一种新型热水循环的温度控制系统有重要意义。

在一些发达国家热水循环技术已经被用到混炼机、挤出机和喂料机中，取得了很好的效果，因此，将热水循环技术应用到生物胶体加工工艺中，是可行的。

1 热水循环的使用效果分析

1.1 密炼机的改进

国内加工工业还存在老式的管理模式，严重阻碍了热水循环技术在密炼机应用中的推广。而创新的脚步没有停止，研究人员的探索热情没有消失，青岛科技大学的研究人员就对热水循环技术在密炼机中的应用效果进行了研究。

研究实验以1.7 L的密炼机为基础，以胎面胶、子午线轮胎带束胶和胎体胶为材料进行了热水循环试验。实验水温冷热分别为27 ℃和47 ℃，转子速度设为120 r/min，填充系数是0.6。探究了冷水和热循环水对排胶温度、混炼时间、功率最值、能耗和需水量等因素的影响。具体体现在以下几个方面。

(1) 排胶温度。试验表明，在相同混炼周期条件下，采用循环热水的胶料温度高于采用冷却水的胶料温度，胎面胶平均高12%，子午线轮胎带束层胶平均高9%，胎体胶高7%。同时分散度分析结果表明，循环热水缩短了混炼周期，循环热水90 s混炼胶料的分散度相当于冷却水120 s混炼胶料。因此，从混炼周期看，循环热水降低了排胶温度，因此对相同的胶料分散度而言，采用冷却水和循环热水排胶温度变化并不明显，其综合排胶温度分别为：胎面胶由 113 ℃上升到118 ℃，子午线轮胎带束层胶由118 ℃上升到 123 ℃，胎体胶由102 ℃上升到106 ℃，排胶温度均升高约4%。

(2) 混炼周期。该研究表明，采用循环热水的胶料分散度比冷却水混炼有明显提高。在相同混炼条件下，采用循环热水混炼的胎面胶分散度提高了3级，子午线轮胎带束层胶提高2～3级，胎体胶提高2级。同时，在相同混炼条件下，密炼机混炼120 s的分散度比混炼90 s约提高2 级。对比可知，采用循环热水混炼90 s的胶料分散度相当于采用冷却水混炼120 s的胶料，即在相同分散度条件下，采用循环热水的混炼周期比冷却水缩短了25%。循环热水比冷却水时间短的原因是混炼过程中，混炼仓温度较高，采用冷却水强制降温的方法会使混炼仓壁发生致露效用，形成的露膜附在混炼壁上，这样会使物料在混炼仓中形成打滑现象，降低混炼质量。采用循环热水方法可以有效防止这一现象的发生，循环热水可以在混炼仓周围形成保温膜，一方面保证混炼仓温度降低，另一方面在一定的温度和转子的作用下，物料更容易混匀。要注意的是，温度降低到一定程度时要有效延长冷却水的循环时间，这样才能得到合适的分散胶料。实验结果显示，混炼刚开始时，冷水入口温度达12～15 ℃时，物料有打滑现象，温度升高过程中，打滑现象逐渐消失，实验循环水温度一般设定为40～50 ℃为宜。

（3）功率峰值和能耗计算。有效降低功率峰值可以提升密炼机的稳定性，从而提高整个机器设备的运转效率和稳定性。通过对密炼机峰值功率的测定，可知循环热水温度控制技术可有效减少混炼各周期的峰值功率，当投入新胶和炭黑时，可有效降低峰值功率8%～9%。密炼机的电能单耗、功率消耗和混炼时间成正比，与混炼胶料的质量成反比，使用循环热水时使混炼过程峰值功率降低，且混炼周期缩短，因此可显著降低电能单耗。混炼周期缩短25%时，循环热水所用循环泵和电热器能耗可降低12%。

（4）水量消耗。热水循环系统的主体就是水，通过设定目标温度来驱动水循环温度和时间，没有达到既定温度时水循环不会向回路供水，这便有效的降低了循环需水量，比一般较强制冷系统少近85%。如实验过程中热水循环系统供给的水为500 kg/h，而冷却水方式则要3 000 kg/h。

1.2 热水循环系统在冷喂料机中的应用

传统喂料机的温控系统采用分段强制冷却的方法，需要人工对各水管温度进行预实验，操作复杂，控制精度不高；而且需要反复实验来确定合适的温度值，浪费了挤出材料和能耗。而新式的热水循环系统不仅可以对机器产生的热量进行适当的利用，还可以在喂料过程中做适当的温度补偿，提升物料的流性，提高喂料机的效率。

实验过程中使用Φ65冷喂料机为基础机型，螺杆长径比为12，螺杆转速为20～70 r/min，挤出材料为胎面胶、内胎胶和胶管胶。

（1）喂料机各段温度分布。在喂料机温度控制一般分三段：喂料段、机体段和机头段，其中机头段温度最高，而且定型处又需要降温，需要配备降温设备。在实验条件下，喂料段温度为45～55 ℃时，机体段温度可达55～65 ℃，机头温度为65～75 ℃，机器产能最高。实验表明喂料机工作过程中，一定温度区间内，喂料机产能会随着温度的升高而提高，超过一定的范围，喂料机的产能又会随温度的升高而降低。因此采用热水循环温度控制技术能提高喂料机的产能。

（2）挤出机温度分布于能耗功率的关系。在较低温度的条件下，由于吃料能力和输送能力较小，导致胶料在螺槽中的有效工作长度也较低 。随着温度升高，吃料能力和输送能力逐渐增大，使胶料在螺槽中的有效长度增大，因而随着温度的升高，消耗功率随之增大。但温度升高到一定值时，吃料能力和输送能力均都达到最大值，此时，随着温度的升高，螺槽中的胶料变得越来越软，黏度也越来越小，消耗功率随之减小。

2 模糊控制方法应用在热水循环控制系统中的可行性分析

模糊控制是一种典型的智能控制方法，其最大特点是将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制。由于温度具有一定的滞后性，传统的控制方式很难达到理想的控制效果，而模糊控制方法以其不依赖于被控对象的精确数学模型的特点，很好的适应了温度控制的需求。由于热水循环系统是一个随机性的非线性系统，因此模糊控制非常适合挤出机的温度控制。模糊控制通过调整参量的设置和模糊学习等调节挤出机转动速率，并将检测的温度反馈给水温控制系统，控制加热功率，从而完成挤出机螺杆转速和温度的协同控制。

3 结语

工业智能化的脚步已不可逆转，生物质胶体加工控制系统的技术革新已势在必行。本文通过将水循环温度控制技术应用到密炼机和喂料机的过程进行分析，验证了水循环温度控制方式可以有效提升生物质胶体加工设备的产能。探讨了模糊控制方法改进水循环温度控制系统的可行性，力求为生物质胶体加工工艺的发展提供理论支持。

[1] 张海燕. 塑料挤出机温度控制系统设计[D]. 武汉理工大学，2011.

[2] 张慧. 橡胶制品加工过程中温度控制机理及装备设计软件的研究开发[D]. 青岛科技大学，2006.

[3] 李淑英，王忠建，张杨. 多股流换热器的通道分配设计方法[J]. 流体机械，2011(11).

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TQ330.8

1009-797X(2016)06-0082-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.06.029

王宏鹏（1983-），女，工程师，学士，主要从事能源管理工作。

*通讯作者。

2016-02-01