基于ANSYS的橡胶微波加热的数值分析

董林福，刘 辉

（沈阳化工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110142）

硫化是橡胶制品加工的最后一道工序，橡胶制品硫化质量的好坏直接决定其使用寿命。传统的橡胶硫化加热方式有蒸汽加热、电加热和导热油加热等。这些加热方式本质上都是通过表面热传导实现内部温度升高，热量从表面传导到内部所需要的时间长，加热不均匀，效率低，厚制品还会产生外焦里嫩的现象，对制品的性能影响很大。微波是一种特殊的电磁波，可以直接深入到物体内部，从内部对物体进行加热，属于内热源[1]。作为一种新兴的加热技术，微波加热已经得到了广泛的应用。在微波加热过程中，物料在吸收微波的时候整个物料同时被加热，解决了传统加热时从外向内进行热传递而导致的加热效率低的问题。

本工作利用ANSYS有限元软件分析天然橡胶（NR）应用传统加热方式和微波加热方式的加热效果，以期为微波加热技术应用于橡胶制品的硫化提供参考。

1 传统加热方式的模拟

本工作模拟采用的NR试样为圆柱形，且形状对称，因此仅对一部分圆柱体进行分析。模拟采用的NR试样物理模型如图1所示，NR试样的半径为0.05 m，高度为0.01 m。NR试样的密度为0.913 Mg m-3，热导率为0.2 W （m ℃）-1，比热容为1 700 J （kg ℃）-1。定义试样的初始温度为0 ℃，对试样上下表面及外表面进行加载，载荷温度为150 ℃。因为要提供分析不同加热时间NR试样的温度，所以采用瞬态热分析[2]。共进行4次模拟，加热时间分别为50，100，150和200 s。图2所示为不同加热时间的NR试样温度分布。从图2可以看出：加热50 s后，试样热传导开始进行，试样上下表面及外表面开始传导热量到内部，此时内部温度为28.965 ℃，外表面温度明显高于内部，温差为121.035 ℃。加热至100 s后，试样内部温度升至60.328 ℃，内外温差仍然很大，为89.672 ℃。加热150 s后，内外温差逐渐缩小，内部最低温度为86.803 ℃，内外温差达到63.197 ℃，但是内外温差仍然很大。加热200 s后，最低温度达到106.472 ℃，温差为43.528 ℃。由此可以看出，传统加热方式加热时间长，效率低，温差大。

图1 NR试样的有限元分析模型

图2 不同加热时间的NR试样温度分布

2 微波加热方式的模拟

运用ANSYS软件对微波加热NR试样进行数值模拟，在矩形谐振腔中进行加热，微波频率为2 450 MHz，试样的相对介电常数为3，初始温度为0 ℃，其他参数与传统加热方式一样[3]。微波功率为1 200 W，微波加热时间分别为5，10，15，20和25 s。首先建立微波加热分析模型（与传统加热方式相同，见图1），微波从圆柱面上表面射入，试样可以吸收入射的微波能量，微波可以穿透试样，整个试样都可以同时加热[4]。

图3所示为功率1 200 W、不同微波加热时间的NR试样的温度分布，其内部最高温度、外部最低温度及温差如表1所示。

图3 不同微波加热时间的NR试样温度分布

表1 不同微波加热时间的NR试样内部最高温度、外部最低温度及温差

图4所示为微波加热时温度随时间的变化曲线和试样内外温差随微波加热时间的变化趋势。

图4 温度和温度差随微波加热时间的变化曲线

试样内部最高温度与外部最低温度之间温差的变化趋势曲线显示出微波加热升温快、效率高的特点。从温差随加热时间的变化趋势来看，传统加热方式随加热时间的延长，温差逐渐减小，但温差减小的速度缓慢；微波加热时随加热时间的延长，温差会逐渐加大，但从发展趋势来看，其达到硫化温度时的温差比传统加热方式的温差小。如当微波功率为1 200 W、加热25 s时，试样外部最低温度为119.75 ℃，温差为18.911 ℃，基本达到硫化温度，而传统加热方式加热200 s时，外部最低温度为106.472 ℃，温差为43.528 ℃。

采用同样的方法，对不同的微波功率、相同的加热时间进行模拟。加热时间设定为20 s，微波功率分别为500，800和1 200 W。其内部最高温度、外部最低温度及温差如表2所示。

表2 不同微波功率的NR试样内部最高温度、外部最低温度及温差

由表2可以看出，在微波加热过程中，随着微波功率的增大，内部最高温度和外部最低温度越来越高，温差也越来越大。

3 结语

本工作运用ANSYS软件分析得出了采用传统加热方式和微波加热方式的NR温度模拟结果。通过比较分析，得出以下结论。

（1）微波加热方式比传统加热方式加热效率高、时间短，在很短的时间内就可以加热到硫化所需温度。

（2）微波加热方式比传统加热方式加热均匀。

（3）微波加热胶料的温度随着微波加热时间的延长、微波功率的增大而升高，内部最高温度与外部最低温度之间的温差随着时间的延长、微波功率的增大而升高。因此在进行微波加热时，要合理选择微波加热时间和微波功率，以减小内部最高温度与外部最低温度之间的温差。