芳纶纸高温压光过程冷却段的传热模拟研究

陈军　耿浩　白静静

摘要：经过320℃高温压光的芳纶纸在出压区冷却过程中纸面温度会急剧变化，导致纸幅收缩会对卷曲造成不利影响。为探究芳纶纸出压区后的降温情况，利用牛顿冷却定律和对比参量公式推导出芳纶纸低速热压光过程中的传热方式，借助Matlab软件模拟计算了单辊加热下芳纶纸离开压区后的温度，并与纸张的实际温度测量值进行了对比。结果表明，在压光机车速10 m/min、压光温度320℃条件下，芳纶纸出压区后的热对流形式以自然对流为主；芳纶纸在出压区初期降温较明显，在1 m的特征长度内芳纶纸的温度降至502℃，在5 m的假设特征长度内，芳纶纸的温度降至室温。

关键词：芳纶纸；压光；传热；模拟

中图分类号：TS758+7；TQ0213

文献标识码：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802004

芳纶纸因其优异的热稳定性、耐阻燃性、高介电强度以及良好的机械性能，可作为高温绝缘材料和蜂窝材料被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域[12]。采用280℃以上高温压光使芳纶纤维和浆粕达到玻璃化转变温度而熔融形成致密的结构[34]，以此提升芳纶纸的物理性能。

芳纶纸在压区内的传热过程十分重要，它基本决定了纸张最终的各项物理性能。芳纶纸幅在高温压区受热，造成纸幅离开压区时纸幅表面和空气间存在较大的温度差，使芳纶纸在卷曲过程中因冷却收缩出现褶痕，对芳纶纸的后续加工造成不利影响。因此，清楚了解芳纶纸在自由区域的传热传质，对优化设备、减少能源消耗以及提高产品质量有着重要的参考意义。纸张在自由区域传质传热情况的研究[57]大多是用来辅助验证纸张在压区内传热传质拟合模型的准确性，并没有单独探究纸幅在预热区和出压区的传热情况，以上研究基本是普通纸张高速热压的情况，与芳纶纸高温低速的压光工艺不同。

本研究借助数学方法探究芳纶纸高温低速压光下出压区后的传热方式，利用非接触式温度测量仪测量芳纶纸在冷却过程中的实际温度值来验证模拟值，得出芳纶纸出压区后的理论降温曲线，可为芳纶纸实际压光操作的预热过程提供一定的理论参考。

1数学模拟

11对流条件分析

Zhao[8]针对普通纸的热压降温过程研究得出，当热压车速达500 m/min以上，热压温度在250℃以下时，纸幅出压区后和外界环境以强制对流为主。不同于普通纸张纤维，芳纶纤维的玻璃化转变温度在280℃左右，需采用超过280℃高温对芳纶纸进行热压处理才能达到预期效果，为了确保热量能够及时传到纸幅内部，热压车速需尽量控制在较低车速范围内，因而芳纶纸采用高温低速的压光工艺。在热压车速10 m/min，温度320℃条件下，芳纶纸幅和空气间的对流情况将发生一定的变化，需要分析具体的对流形式。

一般引入混合对流[9]来比较强制对流和自然对流对整个对流传热过程的影响。自然对流中，浮升力与黏滞力的比值用格拉晓夫Gr数来表示；强制对流中，惯性力和黏滞力的比值用雷诺数Re来表示。混合对流中需要的是浮升力和惯性力的比值，该比值可以通过Gr和Re的组合来完成，具体见式（1）。

GrRe2=gαv Δtl3ν2·ν2u2 l2（1）

式中，αv为体积变化系数，对于理想气体其值等于气体绝对温度的倒数；l为特征长度（在压光系统中可以理解为从出压光辊到卷取部之间的距离）；Δt为温差；g为重力加速度；u为运动黏滞系数；ν为流体的流动速度。

通过上述特征数的组合消除黏度，得到判断对流形式的标准（见表1）。

即在上述物理性能参数条件下，芳纶纸幅出压区后的热对流形式为自然对流，强制对流对于对流传热的影响可以忽略不计。根据上述公式可知，当压光机的车速超过12997 m/min，即GrRe2≤10时，纸张出压光机后的冷却情况将变得复杂，在此不做讨论。

12数学计算模拟

确定了自然对流的条件后，便可以利用牛顿冷却公式对芳纶纸出压区后的热量传递进行计算，以此得出芳纶纸的冷却温度。假设出压区时纸张厚度仍保持原始状态，且在厚度方向上的温度梯度分布均匀，空气温度不发生变化，可将纸幅分为沿压光机运行方向上多个单元长度，将每个单元的长度设为1 mm，单位体积内纸张所具有的总能量用式（3）表示。

Q=C·m·t=C·ρ·v·T（3）

式中，C为纸张的比热容；m为单位体积纸张的质量；ρ为纸张的密度；v为纸张的单位体积；T为单位体积内纸张的平均温度。

在每一个体积单元上，纸张热表面与空气对流的传热量用牛顿冷却公式[10]表示，见式（4）和式（5）。

Φ=h（tw-tf ）A=hΔTA（4）

Q′=h（tw-tf ）At=hΔTAt（5）

式中，tw为壁面温度；tf为流体温度；△T为壁面和流体之间的温差；A为单元面积；h为表面传热系数即热对流系数；t为时间；Φ为传热功率；Q′为传热量。

表面传热系数h对上述公式影响最为明显，确定h值就需要确定流动状态、流体的热物理性质是否发生相变和表面几何因素等条件。以上已经计算得出了芳纶纸出压区后的对流方式为自然对流，h值也就基本确定了。

對上述方程进行分析，空气在第一个时间间隔内掠过第一个体积单元后，这个单元剩余的能量为Q-Q′，即为第二个时间间隔开始时同一体积单元的初始总能量值，再次代入牛顿冷却公式即可求出第二个时间间隔结束时该单元剩余的能量，对上述描述反复操作即可得出该体积单元在每一时间间隔结束时的温度，将特征长度内每一个体积单元做相同的循环运算即可得出该条件下纸张出压区后的温度变化规律曲线。各物性参数见表3。

2实验

21实验原料

（间位）芳纶纸卷，幅宽560 mm。

22实验设备和仪器

高温试验热压机（非标设备，委托生产商制造）；FLUKE62激光红外测温枪。

23实验方法

将芳纶纸通过高温实验热压机，设定热压机车速为10 m/min，压力为 4 MPa，加热温度为320℃，上下压辊同时加热，用激光红外测温枪（误差范围在±15℃）测量纸张在出压区后每20 cm间隔的实际温度，为减小压辊不同位置对实验结果带来的偏差，对不同取样点测量5组数据。由于设备在15 m的特征长度（指物体长度中有代表意义的长度）时已经完成卷纸，所以实测值最大只进行到了15 m。

3结果与讨论

芳纶纸出压区后的理论拟合温度曲线与芳纶纸表面实测温度曲线如图1所示。

从图1可以看出，忽略其他传热形式的影响，芳纶纸在出压区初期降温十分明显，随着纸幅出压区长度增加，芳纶纸降温趋势逐渐放缓，最终和空气温度一致。在总特征长度1/3的范围内，纸张的温度已接近室温。

对比理论拟合温度和实测温度可以看出，实测值和理论值比较吻合，但实测温度总是略高于理论拟合温度。虽然实际温度测量值和理论迭代值存在小幅的偏差，但该研究结果依然能为芳纶纸的压光操作预热过程提供一定的理论参考。纸幅离开压区后纸幅温度在极短的时间内下降到室温，这对纸张的预热工段在压光系统中的设计位置十分重要，如果希望预热后的纸幅能以一个较高的温度进入压光工段，那么就需要将预热段尽可能的贴近压光段或在两工段间加装保温装置以保证纸幅的温度不会迅速下降。换而言之，也可以添加水循环降温辅助辊或者加强空气流动吹散加热辊附近的炽热空气，使纸幅在最短的特征尺度内完成冷却。

为了比较热压车速对芳纶纸出压区后降温速率的影响，模擬了5、10、20和40 m/min 4种车速下的芳纶纸理论温度变化，Matlab拟合结果如图2所示。

从图2可以看出，不同热压车速下芳纶纸出压区降温趋势相同，芳纶纸在出压区初期降温最明显，且随着车速的增加，降温速率增加，但实际热压车速的确定需要综合考虑芳纶纸在压区内的传质传热情况。

4结论

（1）在压光温度320℃、压光车速10 m/min条件下，对比参量值Gr/Re2远大于10，表明芳纶纸出压区后的热对流形式为自然对流。

（2）芳纶纸在出压区初期降温十分明显，随着时间的增加降温趋于平缓。在1 m的特征长度内纸张的温度降至502℃，在5 m的假设特征长度内，纸张的温度降至室温。这能为芳纶纸实际压光操作的预热过程提供一定的理论参考，对压光系统的预热辊的位置设计具有重要的指导意义。

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（责任编辑：董凤霞）