張超產(chǎn)

（江陰邁森金屬制品有限公司技術(shù)部）

冷卻滾筒冷卻膠粉的應(yīng)用

張超產(chǎn)

（江陰邁森金屬制品有限公司技術(shù)部）

針對(duì)橡膠不同制品，需要噴水降溫冷卻的研究

冷卻滾筒;噴水;篩分

我國(guó)目前廢舊橡膠回收利用的方式以生產(chǎn)加工再生橡膠為主，生產(chǎn)再生橡膠：老式脫硫?yàn)楦邷馗邏簞?dòng)態(tài)脫硫法。新式脫硫?yàn)槌爻核芑摿蚍ā＠鲜矫摿蚬蕹隽蠝囟戎辽僭?50℃左右，甚至還要高。膠粉粒子：高溫?cái)D出機(jī)擠出的橡膠粒子。溫度可以達(dá)到160℃左右，使用旋風(fēng)冷卻裝置，使用風(fēng)機(jī)和料倉(cāng)、增加了設(shè)備的音量，噪音很大。冷卻效果不明顯。需要增加2道冷卻管道或者3道冷卻管道。高溫的膠粉和粒子不及時(shí)冷卻，接觸空氣中的氧氣就會(huì)發(fā)生降解，會(huì)影響再生膠的伸長(zhǎng)與強(qiáng)度。在堆放時(shí)，因硫化作用放熱，還會(huì)產(chǎn)生自燃，給企業(yè)帶來(lái)不安全，不得不采用大面積攤晾和人工翻揚(yáng)來(lái)降低膠粉溫度，增加了企業(yè)占地面積和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

冷卻滾筒(以下簡(jiǎn)稱滾筒)在工作時(shí)，膠粉由入料口落到滾筒內(nèi)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流使通過(guò)導(dǎo)流板上的膠粉流態(tài)化，同時(shí)冷卻滾筒加水系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)口形成水霧，與流態(tài)化的膠粉在冷卻板上進(jìn)行換熱冷卻。流態(tài)化的膠粉從入料口方向，向出料口方向運(yùn)動(dòng)，從滾筒出口卸出。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中膠粉之間通過(guò)接觸摩擦傳熱。促進(jìn)熱交換，提高冷卻效果。水分帶走熱量隨氣流進(jìn)入除味系統(tǒng)。

在膠粉冷卻過(guò)程中，必須控制加水量，膠粉中水分過(guò)大或者過(guò)小，都將影響下道工序。加水量小，則相對(duì)蒸發(fā)的少，冷卻效果不明顯。加水量過(guò)大，膠粉水分大，流動(dòng)性差，在設(shè)備中易粘附，會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性。膠粉潮濕，影響膠粉的性能指標(biāo)。

本設(shè)計(jì)采用對(duì)加水系統(tǒng)進(jìn)行控原理，通過(guò)檢測(cè)膠粉溫度，濕度等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后，控制加水系統(tǒng)的加水量，不但能保證加水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，更能提高加水系統(tǒng)的精確度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻滾筒出口膠粉溫度和水分的精確控制。

圖1

1、加水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在滾筒入口處安裝一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器，用于檢測(cè)入口膠粉溫度和濕度。滾筒出口處安裝一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器，用于檢測(cè)出口的溫度和濕度。

加水控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，濕度傳感器，溫度傳感器將檢測(cè)信號(hào)傳給PLC，經(jīng)PLC運(yùn)算后，通過(guò)模擬量輸出信號(hào)控制流量閥1、2、3、和4的開關(guān)。從而控制加水量。

通過(guò)分析滾筒加水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出。滾筒靠近入口的4組加水裝置加水后。由于氣流對(duì)流比較強(qiáng)烈，水與膠粉在冷卻滾筒中能充分交換熱量，對(duì)膠粉起到明顯的降溫作用。根據(jù)加水裝置的工藝設(shè)計(jì)，把加水控制系統(tǒng)用于降溫目的膠粉冷卻控制。

2、膠粉冷卻控制數(shù)學(xué)原理

冷卻滾筒降溫原理實(shí)質(zhì)就是熱交換過(guò)程，其中包含鼓風(fēng)機(jī)帶走的熱量、水分蒸發(fā)帶走的熱量、粉塵及其他熱交換形式帶走的熱量。那么根據(jù)熱量守恒（能量）守恒原理，冷卻滾筒熱量平衡方程可表示為：

式中：?JS—是膠粉從冷卻滾筒帶走的熱量變化（J）；

?J1—水分蒸發(fā)帶走的熱量（J）；

?J2—鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)帶走的熱量（J）；

?J3—其他熱交換形式帶走的熱量（J）；

實(shí)際生產(chǎn)中，?J1和?J2占主導(dǎo)部分，忽略?J3.我們可以得到：

下面分析剩余兩種情況。

第一種，水分蒸發(fā)與膠粉熱量的關(guān)系。

水分蒸發(fā)帶走的熱量與水分蒸發(fā)量、水溫有關(guān)，假設(shè)加水水溫為A℃，在冷卻滾筒中膠粉充分熱交換后，水溫等于膠粉降溫后的溫度。在鼓風(fēng)機(jī)的氣流作用下完全蒸發(fā)，那么根據(jù)能量平衡定律，可得：

式中：?J—水分蒸發(fā)帶走的熱量（J）；

Q水—單位時(shí)間水分蒸發(fā)量（包括滾筒加水

質(zhì)量和膠粉進(jìn)入滾筒膠粉含水質(zhì)量（Kg）；

C水—水的比熱容（J/Kg·℃）；

?T水—水的溫度變化（℃）；

A—加水水溫（℃）；

T出—出口溫度（℃）。

那么由以上可以看出膠粉熱量的變化與Q水?T水成正比關(guān)系。

第二種，鼓風(fēng)與膠粉熱量的關(guān)系。

鼓風(fēng)降溫，同樣遵循能量平衡定律，假設(shè)空氣經(jīng)冷卻滾筒與膠粉進(jìn)行了充分的熱交換，就是說(shuō)經(jīng)滾筒后空氣溫度與降溫后的相同，那么可得：

式中：?J2—鼓風(fēng)帶走的熱量（J）；

Q空—單位時(shí)間通過(guò)滾筒空氣的質(zhì)量（Kg/S）；

C空—空氣的比熱容（J/Kg·℃）；

?T空—空氣的溫度變化（℃）。

由以上分析可以看出，空氣的熱交換與水分蒸發(fā)的熱交換存在相同的數(shù)學(xué)形式，由于空氣的比熱容比水的比熱容小很多，所以表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為：

式中：?Js—膠粉從滾筒入口到出口的熱量變化：

?J1—水分蒸發(fā)帶走的熱量。

式中：?Js—膠粉從入口到出口的熱量變化；

T入—入口膠粉溫度（℃）；

T出—出口膠粉溫度（℃）；

C膠—膠粉比熱容（J/Kg·℃）；

Q膠—單位時(shí)間加膠粉量（kg/s）。

由式3、5、6可以得出：

那么，整理式7，可得：

分析式8，其中C膠C水為常數(shù)，作為滾筒供膠也是恒定的，當(dāng)把出口溫度作為目標(biāo)控制溫度T設(shè)時(shí)，那式8又可簡(jiǎn)化為：

式中：Q水—單位時(shí)間加水量（kg/s）；

K1K2—式8簡(jiǎn)化后的系數(shù)。

由式9可以得出，單位時(shí)間加水量與冷卻滾筒入口膠粉溫度成正比關(guān)系。

3、水分控制數(shù)學(xué)原理。

加水系統(tǒng)在降溫的同時(shí)對(duì)膠粉的濕度也產(chǎn)生了影響，這時(shí)滾筒出口的濕度檢測(cè)探頭可以檢測(cè)到膠粉的實(shí)際濕度，根據(jù)工藝要求，膠粉水分含量一般控制在0.8%～1.2%的范圍內(nèi)。

增濕的加水量與膠粉是正比關(guān)系，可得以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

Q量=Q膠x( M設(shè)- M初） （10）

式中：Q量—單位時(shí)間增濕加水量（kg/s）；

Q膠—單位時(shí)間加膠粉量（kg/s）；

M初—加水前水分含量；

M設(shè)—水分設(shè)定值。

水分控制和降溫控制的不同處是，水分控制無(wú)法提前預(yù)測(cè)，就是說(shuō)在滾筒入口檢測(cè)的膠粉濕度不能應(yīng)用于增濕計(jì)算，原因是膠粉原有水分經(jīng)過(guò)冷卻滾筒時(shí)大量的蒸發(fā)了，那么只能通過(guò)檢測(cè)出口膠粉水分含量，控制膠粉增濕加水量。

增濕系統(tǒng)預(yù)置值，是增濕部分投入運(yùn)行前計(jì)算獲得，由上式可以看出，其原理與冷卻控制類似，最終由積分環(huán)節(jié)可以消除誤差。當(dāng)M設(shè)-M出＞0時(shí)，輸出增加，加水量增加，提高膠粉水分含量：當(dāng)M設(shè)-M出＜0時(shí)，輸出減少，加水量減少，降低膠粉水分含量：當(dāng)M設(shè)-M出=0時(shí)，控制誤差為0。

4、修正

通過(guò)軟件可以監(jiān)視物料出口溫度，出口濕度和時(shí)間的關(guān)系曲線，通過(guò)觀察曲線的動(dòng)態(tài)過(guò)程，修正控制系統(tǒng)中參數(shù)，使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。另外，因?yàn)榧竟?jié)的變化影響滾筒的降溫增濕效果，可以通過(guò)組態(tài)界面對(duì)系統(tǒng)控制參數(shù)做工藝配方。不同的外部環(huán)境和不同物料，選擇不同的工藝配方參數(shù)和篩網(wǎng)，方便靈活。

5、結(jié)語(yǔ)

加水控制原理應(yīng)用于冷卻滾筒的加水系統(tǒng)，可使加水系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)膠粉、粒子溫度和濕度，自動(dòng)調(diào)整加水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠粉和粒子的溫度、水分的自動(dòng)控制。另外，根據(jù)生產(chǎn)需要膠粉大小和粒子的大小，可更改不同型號(hào)的篩網(wǎng)。以滿足生產(chǎn)需要。

[1]侯傳安、孫紅霞， 組合式膠粉冷卻干燥器的研制與開發(fā) 焦作大學(xué)學(xué)報(bào) 2012.01

[2] 蔡少剛、吳慧雅、張榮秀 沸騰冷卻床加水系統(tǒng)的自動(dòng)控制 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù) 2012.3

張超產(chǎn)，男，出于1984年2月，畢業(yè)于江蘇廣播電視大學(xué)機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，助理工程師。主要從事橡膠設(shè)備的研制與開發(fā)工作。