导热油传热技术在塑料加工中的应用

汪 琦 俞红啸 张慧芬

上海热油炉设计开发中心 （上海 200042）

塑料加工制造过程是一个包含多个放热和吸热的工艺过程，所需要的热量既可以通过外部加热的方式直接获取，也可以通过挤出过程中螺杆的摩擦间接获得。塑料制造过程中加热和温度控制指标要求各异，采用导热油传热技术能很好地达到高标准工艺要求。

在塑料挤出机中，传热装置的作用是：工艺部分（即螺杆部分）的温度控制，出料螺杆和出料孔板的加热，水下造粒所使用的循环水的冷却。

传统挤出机的螺杆部分采用盘绕式电热丝或内置式加热器直接加热，孔板则采用蒸汽加热；而新型挤出机通常采用导热油进行间接加热和温度控制。

1 聚合物塑化挤出成型

挤出成型是聚合物特别是塑料成型的主要方法之一，其主要设备是螺杆挤出机。螺杆挤出机具有良好的特性，得到日益广泛的应用，管材、薄膜、板片材、异型材、电线电缆及中空容器等塑料制品的生产都离不开螺杆挤出机。

单螺杆挤出机的适用面较广，一般用于成型挤出。在单螺杆挤出机中，能量平衡关系如式（1）所示。

其中：P—挤出机消耗的总功率；

Pm—螺杆的机械功率，其中一部分以热能形式参与物料的塑化，其余部分转换为物料输送的压力和动能；

Ph—外部加热源传递给物料的热功率；

∑Pa—挤出机损失能量总和；

Ps—驱动电机定子的损耗功率；

Pr—驱动电机转子的损耗功率；

Pt—能量传递过程中的损耗功率；

Pd—挤压系统向环境的各种杂散损耗功率，包括人为冷却所散失的热能。

螺杆挤出成型加热均匀、温度控制精确。成型时熔化物料的热量不仅有来自于外部的热源热量，而且有来自于内部的剪切热量；由于螺杆与物料有较多的接触表面用来传热，因此螺杆一般都配有芯部加热控温系统，物料在螺槽中受热均匀，升温快且温度控制精确。螺杆挤出成型中均匀的加热条件可以减少因螺杆混合作用不足而产生的物料温差。

双螺杆挤出机是应用广泛的聚合物连续加工设备，可分为同向旋转与异向旋转两类。同向双螺杆挤出机有较强的混合能力，主要用于改性、填充、增强及塑料合金的生产等混料作业，其挤压系统大多采用模块化结构，通过变换各机筒组件、各螺杆元件的组合，来满足特定混料过程对输送、熔融、混炼、脱挥、均化等方面的特殊要求。异向双螺杆挤出机可以建立较高的压力且流量稳定，主要用于要求截面尺寸精确的制品的成型挤出。当进行以热敏性材料为主料的混合作业，或在单螺杆挤出机上进行混合作业出现输送困难时，应采用混合型异向双螺杆挤出机。异向双螺杆挤出机混合性能的好坏与其自身的强制输送性能紧密相关，其混合性能可根据不同应用场合的使用要求实现较大范围的调节。

下面主要讨论螺杆挤出成型过程中导热油传热设备的结构。

2 用于挤出机出料螺杆和孔板加热的导热油传热设备

由于出料螺杆只用于将熔融物料输送到孔板，其驱动功率相对较小，所产生的摩擦热不足以维持物料的液相状态，因此必须在出料螺杆外部对其进行加热。而在水下造粒过程中，孔板不断被冷却，所以需要补充供热。孔板中的熔融物料温度对产品的最终质量有着至关重要的影响，因此，孔板加热非常关键。

出料螺杆和孔板加热是两个相互独立的加热过程，通常采用双循环导热油传热设备。每一个循环回路安装有互不影响的电加热器和导热油循环泵，两个循环回路共用一套辅助设备——膨胀槽、贮油槽、补油和排油装置，这种设计可以使加热设备造价降低，体积减小[1]。控制和安全装置一般是相互独立的。根据安装场地的要求，还可以将膨胀槽和贮油槽合二为一，安装在设备下部。另外，还需要安装导热油与冷却水的换热器，用于冷却挤出机的外壳。

根据不同的温度要求，可以选择矿物导热油或合成导热油作为传热介质。如果温度在320℃以下，可使用矿物导热油；若温度高于320℃，建议使用合成导热油。为了防止导热油因与空气中的氧气接触而发生氧化反应，可以对膨胀槽进行氮气密封[2]。

导热油循环泵可采用无冷却的机械密封泵或无泄漏的磁力泵。导热油传热设备可根据相应的技术规定以及安装厂家的具体要求进行设计和制造。例如，可对电器仪表、电加热棒和泵马达进行防爆设计，也可对整个控制系统进行防爆设计，或根据国际标准与国内标准进行设计和制造。

3 用于水下造粒工艺的水冷器

孔板在挤出机出口端用水流进行连续冷却，使塑料熔融物骤冷硬化，然后由旋转刀具切割成颗粒，该过程即水下造粒工艺。所得塑料颗粒由水流输送到干燥器中进行干燥，然后通过气力输送装置输送到料仓内。

在水下造粒工艺中，水流不断从塑料熔融物中获得热量，为使其温度保持恒定，必须借助水冷器将热量输出。该水冷器由循环水泵、水与水之间的换热器、相应的安全和控制装置以及管路组成。

4 用于挤出机温度控制的导热油传热设备

在生产加工过程中，要求整套挤出机设备必须采用防爆设计，但是如果对螺杆段进行直接加热，不仅技术上极为复杂，而且运行费用较高，因此整体效果不佳。而利用导热油传热设备对整套挤出机设备进行间接加热和温度控制，无论从技术上还是从经济上来说，都是最佳的选择。

因为挤出机由多个工艺段组成，每一个工艺段要求不同的温度控制，所以加热设备必须具有多个相互独立的导热油循环回路。如果对每一个工艺段使用一台加热设备进行单独的温度控制，虽然也能达到其技术要求，但是设备总费用高，而且占地面积大。所以，新型挤出机设备一般使用一台电加热导热油传热设备作为中心热源，配以相应数量的导热油二次循环回路，分别对各个工艺段进行相互独立的温度控制[3]。

采用导热油加热中心的热源设备可以大幅度降低本来较高的防爆设计费用，因为电器设备包括电加热棒都是安装在工艺设备之外，所以只要对循环泵马达、气动控制阀、设备附近的接线盘做相应的防爆处理即可。此外，采用导热油加热中心连接导热油二次循环回路的设计，可以对挤出机设备中的各个工艺段同时进行独立的加热和冷却，从而达到一机多用的目的。

5 结语

在塑料制造和加工过程中，相对于传统的直接加热与冷却技术，导热油传热技术具有如下优势：

（1）可以完全避免由于尖峰温度失控导致的局部过热；

（2）给挤出机的每一部分提供精确且可重复的温度控制，从而确保产品质量的稳定[4]；

（3）加热器可集中安装在供热中心，例如，安装在无爆炸危险的位置，热量则通过一个有分流道的管路网输送给各个用热设备，这样可以大大节省防爆措施的开支；

（4）相应的二次循环回路系统可以对单一的工艺段进行调控冷却；

（5） 导热油没有腐蚀性，可以使用普通碳钢制造的管路和容器，且其使用寿命也比较长。

[1]汪琦.载热体加热系统的工艺流程 [J].化工装备技术,1994,15(1):8-10.

[2]汪琦，俞红啸，张慧芬.热载体加热技术在压延法人造革生产中的应用研究 [J].上海化工，2016，41(1)：13-16.

[3]汪琦，俞红啸，张慧芬，等.导热油炉循环加热供酯化缩聚反应器使用的研究[J].上海化工，2016，41(3)：15-18.

[4]汪琦，俞红啸，张慧芬，等.导热油循环供热系统的自动控制技术研究 [J].上海化工，2017，42(3)：36-39.