韓家德，杜鵬, 路義萍，黃 波，郝廣平

(哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

低壓聚乙烯電纜紫外交聯(lián)熱流場(chǎng)研究

韓家德，杜鵬, 路義萍，黃 波，郝廣平

(哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

紫外光交聯(lián)輻照箱中，高壓紫外汞燈作為輻射源，產(chǎn)生的輻射能使反射罩、燈管及聚乙烯電纜表面的溫度升高，若溫度過高會(huì)使電纜絕緣層表面發(fā)生熱氧化，甚至導(dǎo)致表面焦糊，嚴(yán)重使反射罩等受熱部件產(chǎn)生熱變形。為了改善汞燈與電纜表面的過熱問題，本文基于計(jì)算傳熱學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)原理，首先對(duì)低壓電纜紫外交聯(lián)箱內(nèi)部進(jìn)行三維湍流流場(chǎng)建模，研究交聯(lián)過程中電纜表面速度場(chǎng)，然后以電纜二維截面為研究對(duì)象，對(duì)電纜截面溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。 結(jié)果表明，在低壓電纜內(nèi)，絕緣與導(dǎo)體之間的熱傳導(dǎo)對(duì)絕緣層內(nèi)的溫度分布起了主要作用，裝置內(nèi)絕緣層表面的對(duì)流換熱直接影響電纜溫度。

流場(chǎng)；溫度場(chǎng)；聚乙烯電纜；紫外交聯(lián)；輻照箱

0 引 言

聚乙烯經(jīng)過交聯(lián)具有了網(wǎng)型和體型結(jié)構(gòu)性質(zhì)，其機(jī)械性能和耐熱性能顯著改善，從而成為了被廣泛使用的電力電纜絕緣材料[1]。

1956年Oster首次提出了光敏化交聯(lián)方法，20世紀(jì)80年代以后，Ranby教授及其合作者在聚乙烯的紫外光交聯(lián)研究方面取得了一些突破性進(jìn)展[2]。90年代末瞿保鈞等首先進(jìn)行紫外光引發(fā)交聯(lián)的基礎(chǔ)性研究，并在實(shí)驗(yàn)室中取得突破性進(jìn)展，隨后開展了應(yīng)用紫外光輻照技術(shù)生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜和控制電纜的工業(yè)化研究和試驗(yàn)[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)光交聯(lián)聚烯烴電纜技術(shù)的研究中，重點(diǎn)介紹光交聯(lián)機(jī)理、特點(diǎn)[3]，輻照設(shè)備原理[4]，光交聯(lián)聚烯烴電纜配料[5]，光交聯(lián)電纜耐熱性能[6]、機(jī)械性能[7]。在紫外光交聯(lián)低壓電纜紫外交聯(lián)設(shè)備的輻照箱中，高壓紫外汞燈作為輻射源，產(chǎn)生的輻射能使反射罩、燈管及聚乙烯電纜表面的溫度升高，若溫度過高會(huì)使電纜絕緣層表面發(fā)生熱氧化，甚至導(dǎo)致表面焦糊，嚴(yán)重使反射罩等受熱部件產(chǎn)生熱變形，因此，交聯(lián)輻照箱中通風(fēng)冷卻及輻照箱中電纜溫度場(chǎng)方面的研究非常重要。為了改善汞燈與電纜表面的過熱問題，文中針對(duì)某電纜光交聯(lián)輻照箱進(jìn)行三維流場(chǎng)及電纜二維橫截面溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，獲得實(shí)驗(yàn)條件下難以測(cè)量的流場(chǎng)物理量及溫度場(chǎng)特性，分析設(shè)備內(nèi)部冷卻介質(zhì)流場(chǎng)特性及電纜橫截面溫度分布特征，為低壓電纜紫外交聯(lián)質(zhì)量改善提供依據(jù)[8]。

1 物理模型

文中研究低壓聚乙烯電纜輻照箱殼體內(nèi)沿圓周方向安裝有三組燈箱，燈箱內(nèi)安裝有分流板、隔板、高壓紫外汞燈，高壓汞燈的背面安裝反射罩，輻照箱內(nèi)三組燈箱互成120°夾角。冷卻空氣通過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入輻照箱，鼓風(fēng)機(jī)與三組燈箱總進(jìn)風(fēng)口連接，將冷卻氣流送入交聯(lián)裝置內(nèi)，氣流通過分流板分流后，利用反射罩通風(fēng)口中形成的出流依次冷卻汞燈和電纜[9～11]。最后冷卻氣流沿軸向流出燈箱，依次通過出風(fēng)口、引風(fēng)機(jī)排入室外。在反射罩上開三排通風(fēng)孔，通風(fēng)孔之間的距離相同，這樣會(huì)減少通風(fēng)阻力，增加冷卻風(fēng)量，能更好的使電纜絕緣面換熱加強(qiáng)，并且使裝置內(nèi)產(chǎn)生的氣體很快的排放到室外高處大空間，減少污染,如圖1所示。

圖1 聚乙烯輻照箱冷卻風(fēng)路系統(tǒng)圖注：1-進(jìn)風(fēng)口；2-分流板；3-空氣射流；4-出風(fēng)口；5-冷卻氣流

流體場(chǎng)計(jì)算時(shí)，采用SOLIDWORKS軟件建立物理模型，根據(jù)輻照箱結(jié)構(gòu)周向及軸向?qū)ΨQ的通風(fēng)特點(diǎn)，為簡(jiǎn)化模型，以輻照箱周向二分之一、軸向二分之一為計(jì)算域，如圖2所示，燈箱和電纜采用實(shí)體顯示，空氣流通域以線框表示，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于輻照箱前端面中心，此端面位于xy軸方向，電纜軸心與z軸重合。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT的前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 物理模型圖

溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，低壓電纜由聚乙烯絕緣層和導(dǎo)體線芯兩部分組成，根據(jù)電纜幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，僅建立二維模型即可，為模擬輻照箱中的電纜在熱輻射和表面對(duì)流換熱條件下所導(dǎo)致的溫度變化，首先建立了一種典型的低壓電纜二維截面模型，導(dǎo)體標(biāo)稱截面積為240 mm2，聚乙烯絕緣層厚度為1.7 mm，無內(nèi)屏蔽層，如圖3所示。低壓電纜中導(dǎo)體線芯由多股導(dǎo)線絞合而成，導(dǎo)線之間有微小的間隙，為了便于建模和網(wǎng)格劃分，文中的導(dǎo)體線芯視為由單股導(dǎo)線組成。物理模型建立后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 低壓電纜二維模型網(wǎng)格圖

2 控制方程及求解條件

2.1 流場(chǎng)計(jì)算時(shí)基本假設(shè)和控制方程

輻照箱內(nèi)氣流馬赫數(shù)Ma<0.3，空氣視為不可壓縮流體；經(jīng)計(jì)算入口雷諾數(shù)Re>>2300，輻照箱內(nèi)冷卻空氣處于湍流流動(dòng)狀態(tài)，因此用質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程及反映湍流特性的k-ε兩方程[15]。

(1)

式中：φ為通用變量，代表u、v、w等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

2.2 溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)控制方程

(2)

輻射能量方程描寫的是輻射場(chǎng)中的輻射能量平衡，某一微元體在4π空間全波長(zhǎng)的輻射能量方程可成：

(3)

2.3 邊界條件和求解過程

由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到鼓風(fēng)機(jī)管道流量為0.34 m3/s，由此折算出交聯(lián)裝置進(jìn)風(fēng)口流速為8.95 m/s[16]，將其作為速度入口邊界條件，在出口處設(shè)定自由出流條件，運(yùn)用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬出進(jìn)、出口表壓力分別為122.66 Pa和-184.35 Pa，輻照箱周向豎直對(duì)稱面及燈箱軸向?qū)ΨQ面設(shè)為對(duì)稱邊界，其他固體壁面視為壁面邊界，分離求解器下，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理低雷諾數(shù)的粘性支層，SIMPLE算法耦合壓力速度方程組，使用二階迎風(fēng)離散格式，近壁面無量綱距離y+>30，滿足網(wǎng)格獨(dú)立解要求，收斂解殘差為 1×10?3。

溫度場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)材料物性參數(shù)的設(shè)定是的重要環(huán)節(jié)，往往關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。導(dǎo)體線芯的材料設(shè)定為純銅，在計(jì)算過程中，由于溫度、壓力變化不大，所有材料的物性參數(shù)都視為常數(shù)，電纜模型中的絕緣層、導(dǎo)體線芯在FLUENT軟件中的主要物性參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 物性參數(shù)設(shè)置電纜部件密度

根據(jù)廠家提供的資料，低壓電纜橫截面完全通過輻照箱交聯(lián)時(shí)進(jìn)入到離開需要5 s的時(shí)間。輻照箱中安裝了9只額定功率為6 kW的紫外汞燈。汞燈會(huì)向外發(fā)射輻射能，其中包括紫外部分、可見光部分以及紅外部分，本文中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)紅外波段占汞燈熱輻射能量的50%，其中聚乙烯對(duì)紅外部分的吸收系數(shù)較大，是導(dǎo)致電纜過熱的主要原因，對(duì)紫外和可見光波段的吸收系數(shù)很小，對(duì)溫升的貢獻(xiàn)很小，熱計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。汞燈石英管的透射率平均值約85%，透過石英玻璃的熱輻射一部分直接投射到聚乙烯表面，其余部分經(jīng)反射罩反射后，匯聚至聚乙烯表面(見圖1)，其中反射罩的材料為純鋁，結(jié)合反射罩橢圓結(jié)構(gòu)與材料特性可以計(jì)算出，約84%的紅外線經(jīng)反射后投射到電纜表面，且熱輻射均勻分布于電纜絕緣層上。所模擬的電纜截面為靜止不運(yùn)動(dòng)。假設(shè)厚度為1.7 mm絕緣層可以吸收50%投射到它表面的熱輻射，這部分熱輻射將全部轉(zhuǎn)化成熱量。

由以上分析可以計(jì)算出絕緣表面投射輻射熱流密度為84 451 W/m2，以此作為輻射引起并在電纜中產(chǎn)生的熱源。由于紫外交聯(lián)設(shè)備空冷系統(tǒng)為強(qiáng)制對(duì)流，表面換熱系數(shù)在20～100 W/m2·K范圍內(nèi)，因?yàn)闇囟确植家?guī)律相同，只是對(duì)流換熱系數(shù)大小不同影響電纜表面換熱程度，由傳熱學(xué)換熱原理可知，在一定范圍內(nèi)換熱效果隨著換熱系數(shù)的增大而增強(qiáng)。本文只研究絕緣層外表面為對(duì)流邊界條件時(shí)，換熱系數(shù)為平均值50 W/m2·K情況下電纜表面是否超溫。

電纜表面絕緣初始溫度為其在擠出機(jī)中擠出時(shí)的熔融聚乙烯溫度200 ℃，導(dǎo)體銅初始溫度為環(huán)境溫度25 ℃，計(jì)算時(shí)物性參數(shù)采用常溫常壓下的數(shù)值，見表1。在光交聯(lián)電纜生產(chǎn)過程中，需要保證絕緣層溫升在270 ℃以下，絕緣層聚乙烯在250 ℃情況下開始離析，因此需要保證絕緣層溫升在250 ℃以下，這里通過分析絕緣以及導(dǎo)體溫度給出低壓電纜橫截面溫度場(chǎng)分布。

3 流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 速度場(chǎng)分析

通過流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算得到輻照箱內(nèi)在反射罩上開三排通風(fēng)孔時(shí)，冷卻空氣體積流量為0.489 m3/s。圖4為通過湍流流場(chǎng)計(jì)算得到的輻照箱內(nèi)軸向中間位置的橫截面速度云圖及軸對(duì)稱面上的速度云圖。由圖可知，汞燈靠近反射罩側(cè)空氣流速為6.6～8.4 m/s，汞燈靠近電纜側(cè)空氣流速為3.6～4.8 m/s。電纜線表面空氣平均流速達(dá)到4.2 m/s，反射罩背部空氣流速達(dá)到7 m/s左右，在由背部進(jìn)入輻照箱內(nèi)的反射罩進(jìn)口處速度較大，約10 m/s左右，反射罩冷卻加強(qiáng)[16]，熱變形量將減小，保證反射罩聚光到電纜表面，有利于改善紫外交聯(lián)電纜產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖4 軸向中間位置橫截面和軸向?qū)ΨQ面速度分布云圖

3.2 溫度場(chǎng)分析

通過求解輻射傳遞方程和非穩(wěn)態(tài)能量守恒方程，得到電纜截面溫度場(chǎng)分布，圖5示出了低壓電纜橫截面溫度分布，由圖可知，絕緣外表層溫度最高，數(shù)值為245 ℃，沿半徑減小方向，深入絕緣層一定距離后溫度急劇降低，在絕緣層與導(dǎo)體交界面處平均溫度為68 ℃。由于導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)大，熱阻小，線芯平均溫度在5秒鐘時(shí)間內(nèi)由初始值25 ℃ 迅速升高至67.4 ℃，且溫度分布非常均勻，符合理論分析預(yù)期。

圖5 低壓電纜橫截面溫度分布(t=5 s)

從圖6中可以看出低壓電纜橫截面溫度隨徑向位置s變化曲線，導(dǎo)體中心位于s=0處，絕緣層聚乙烯外表面位于虛線A、D所在位置，虛線B、C為絕緣與銅導(dǎo)體線芯分界面。由以上分析可得出，最高溫度并沒有出現(xiàn)在絕緣外表面，而是出現(xiàn)在絕緣外表面相鄰層附近，由于絕緣表面與冷卻空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，所以外表層的溫度會(huì)稍低于相鄰層的溫度。絕緣內(nèi)部，隨深度增加，溫度下降很快，最大的溫度梯度出現(xiàn)在絕緣層與導(dǎo)體線芯分界面附近。線芯銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，吸收絕緣層的熱量后溫度迅速升高，且沿半徑方向溫度分布比較均勻。

圖6 低壓電纜橫截面溫度隨徑向位置變化曲線(t=5 s)

由以上分析可知，在電纜表面對(duì)流傳熱系數(shù)大于50 W/m2·K時(shí)，絕緣內(nèi)部最高溫度低于250 ℃, 在電纜紫外交聯(lián)過程中，不發(fā)生離析現(xiàn)象；通過調(diào)整電纜表面的投射輻射能量,以及適當(dāng)?shù)恼{(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，增大對(duì)流換熱系數(shù)，可改善電纜表面換熱效果，達(dá)到既保證交聯(lián)質(zhì)量又防止表面離析及焦糊顯現(xiàn)產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

文中通過低壓電纜紫外交聯(lián)輻照箱內(nèi)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬及電纜截面二維溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，得到結(jié)論如下：

(1)在反射罩上開三排通風(fēng)孔時(shí)，反射罩背部空氣流速達(dá)到7m/s左右，反射罩背部冷卻加強(qiáng)。

(2)在電纜表面對(duì)流傳熱系數(shù)大于50 W/m2·K時(shí)，絕緣內(nèi)部最高溫度低于250 ℃,在電纜紫外交聯(lián)過程中，不發(fā)生離析現(xiàn)象，通過調(diào)整電纜表面的投射輻射能量,以及適當(dāng)?shù)恼{(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，可做到既保證交聯(lián)質(zhì)量又防止表面離析及焦糊顯現(xiàn)產(chǎn)生。

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Research on Thermal and Flow Field for the Process of UV Cross-linking of the Low Voltage Polyethylene Cable

HAN Jia-de, DU Peng，LU Yi-ping, HUANG Bo, HAO Guang-ping

(School of Mechanical & Power Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

Radiant energy that UV mercury lamp as a radiation source in the UV cross-linking device produces makes the temperature of reflector lamp，and the surface of cable go up. If the temperature of the device is too high, thermal oxidation can happen in the surface of cable insulated layer, and even lead to surface anxious burnt, seriously make the reflector and other heated parts produce thermal deformation. In order to improve the overheating of UV mercury lamp and cable surface, based on the theories of Computational Heat Transfer and Computational Fluid Dynamics(CFD) in this article, first, the three-dimensional turbulent flow field of UV cross-linking device of Low-voltage Cable inside was modeled, and velocity field of cross-linking cable surface was researched in the process, then with two-dimensional section of the cable as the research object, the temperature field of the cable was simulated．The results show that within the low voltage cable, the heat conduction between the conductor and insulation plays a leading role in the distribution of temperature of the insulation layer , and the convective heat transfer on the surface of the insulating layer directly affect the temperature of the cable in the device.

Flow field；Temperature field； Polyethylene insulated cable； UV cross-linking；Irradiation box

2014-10-11

2014-11-05

韓家德(1965-),男,教授，主要從事流動(dòng)傳熱。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.009

TK

B

1009-3230(2014)12-0035-06