热压罐工艺的传热分析和框架式模具温度场分布

摘要：热压罐在研究、制造、创新航空航天、石油化工、食品工业等领域内有广泛应用，热压罐工艺是制作高品质先进树脂基复合材料构件的主要方法之一。为了提高热压罐工艺的实用性、经济性，文章就热压罐的传热分析、传热路径和传热方式做出了研究，研究了热压罐工艺框架式模具气体流态的特征，最后探析了热压罐工艺的框架式模具温度场分布特点。

关键词：热压罐工艺；传热分析；温度场分布

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）19-0084-02

1 热压罐工艺的传热设计

1.1 热压罐工艺的传热分析（以热压罐开门处为例）

热压罐工艺的传热分析一般会使用Cosmos软件，应用它能直接地观察热压罐的温度分布情况。Cosmos软件的工作实质是应用能量守恒原理的热平衡方程，结合有限元的方法计算出节点的温度，最后导出其他热物理参数。Cosmos软件的热分析主要包括热传导、热对流、热辐射等，但是在Cosmos程序中对热分析主要有以下两类：第一类是稳态传热分析。指热压罐系统内的温度场不随时间的变化而变化，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于最终流出系统的热量，系统一直处于动态的热稳态中，系统任意节点的温度也不会随时间的变化而变化。用热平衡表达式表达为：Q流入+Q生成-Q流出=0。第二类是瞬态传热分析。指热压罐系统内部温度场随时间变化明显，这一传热分析方法常用于分析一个系统内加热和冷却的变化过程。在此过程中，热压罐系统内部的温度、热边界条件、热流率均明显随时间变化而变化。利用Cosmos软件能对不同传热设计的方案作出分析、比较，最后得到最佳方案，能起到降低投资、提高设计效率、改善热压罐设计工艺的作用。例如对于热压罐开门处而言，其有多种设计结构，但是常用的结构主要由罐封头、罐筒体、连接弯角、硅酸铝纤维棉、不锈钢内衬等组成，其中使用的硅酸铝纤维棉材料具有良好的保温、填充能力，主要应用在罐体和不锈钢内衬之间。利用Cosmos软件对热压罐开门处进行传热分析，经过对边界条件的限定分析和内部节点温度的观察记录，得到提高热压罐热效率的措施如下：一是增加填充物即硅酸铝纤维棉的厚度；二是减短开门处两个连接弯角之间的距离；三是应用热导率低的材料连接弯角。

1.2 热压罐工艺成型时的传热路径和传热方式

热压罐工艺成型设计时，一般会以电热阻丝作为加热源，以流体介质作为传热载体（空气应用于低温条件下，惰性气体等应用于高温条件下），以风机等其他机械作为动力，协作完成对模具的循环加热过程和利用循环水蒸发带走热量的降温过程。当系统内部温度比升高时，不论是升温还是降温过程，均会发生热辐射现象。变化过程中，热传导发生的本质是系统内部各节点的温度差异，值得注意的是：在热压罐工艺成型构件时，会有加热源和内燃源（指树脂基复合材料固化过程中放出的热量）作为热源进行热量传递，具体传热方式和传递路径（升温）如图1；在热压罐工艺成型构件时，降温过程中，内热源的固化过程已经结束，主要存在的加热源产生的热量传递，这时热量以气体传热载体为主向冷水管传递，具体传热方式和传递路径（降温）如图2。

2 热压罐工艺框架式模具气体流态探究

在对热压罐工艺成型时传热路径和传热方式的分析基础上，可得框架式模具温度场内，模具贴模工作面上的传热方式是以气体传热为主的对流换热方式（风力驱动下的强迫对流换热方式），即指在循环气体流经存在温度差的框架式模具工作面时，会因热传递的发生而形成明显的温度场分布差异，在紧靠框架式模具表面的气体中，温度会呈阶梯相变化，这部分气体会形成热边界层，所以根据传热规律可得，在温度边界层紧靠气体一侧主要是以热对流为主的传热方式，在温度边界层内部则是以热传导为主的传热方式。

当气体在热压罐内部流动时，可通过对气体在管内流动情况的观察得知，气体在热压罐内部流动过程是典型的管道内换热情况，根据传热学雷诺准数理论，通过对热压罐起始雷诺数、复合材料固化时雷诺数的综合计算可得，在该热量变化过程中，空气的流态多数情况下为紊流。

当气体流经热压罐框架式模具上表面时，可通过对气体外掠平板情况的观察得知，气体在框架式模具上表面流动过程是典型的外掠平板情况，根据传热学临界雷诺数结论，通过对热压罐工艺起始雷诺数、复合材料固化时雷诺数、（层流过渡至紊流）临界雷诺数的综合计算可得，在该热量变化过程中，空气的流态多数情况下为紊流。

综上所述，在热压罐工艺的框架式模具内部，传热的气态载体以热空气的紊流为主。

3 热压罐工艺框架式模具温度场分布特点

按照热压罐工艺规范（一定真空度、温度、压强等的变化条件下）进行的固化过程中，常采用模拟试验和实测试验结合的方式对框架式模具温度场进行研究。在比较模拟试验和实测试验结果后，得出以下结论：模拟试验和实测试验总体上呈现吻合趋势，如果忽略温度变化节点的热变化时间，模拟试验和实测试验的结果误差范围在10℃左右。一般实践情况下，先进复合材料固化的热量变化过程经历了三个环节（以框架式模具温度场为例），分别是升温环节、保温环节和降温环节。现以框架式模具的工作面为试验对象，分别研究其三个环节的试验结果如下：在升温阶段，框架式模具的高温区域集中在罐门的进风端和罐尾的出风端，而低温区域则集中在框架式模具的中间部分，模具内部的温差较大；在保温环节，框架式模具工作面上的温度相对稳定，工作面上温度场分布均匀平衡，模具内部的温差较小；在降温环节，其总体趋势恰好与升温环节相反，即框架式模具的低温区域集中在罐门的进风端和罐尾的出风端，而高温区域则集中在框架式模具的中间部分，模具内部的温差同样较大。

4 结语

根据上述分析可知，目前应该推广Cosmos软件在热压罐工艺中传热分析的作用，保证热压罐的保温效果。另外，在热压罐工艺中，框架式模具的传热路径和传热方式均较复杂，其传热以热传导和强迫对流换热的方式为主，传热的气态载体以热空气的紊流为主，而且其温度场分布特点是：在升温阶段，框架式模具的高温区域集中在罐门的进风端和罐尾的出风端，而低温区域则集中在框架式模具的中间部分，模具内部的温差较大；在保温环节，框架式模具工作面上的温度相对稳定，工作面上温度场分布均匀平衡，模具内部的温差较小；在降温环节，其总体趋势恰好与升温环节相反，模具内部的温差同样较大。现阶段的热压罐工艺，其温度场研究获取了较大进步，可以建立工程化、规范化、高效化的验收标准，但是对框架式模具温度场的传热机理仍需进一步的探究。

参考文献

[1] 赵渠森.热压罐成型工艺[M].北京：机械工业出版社.

[2] 李先聚，陈秀丽，张浩东，李世忠.热压罐传热分析[J].石油化工应用，2009，28（1）：114-115.

[3] 王永贵，梁宪珠，薛向晨，张博明，等.热压罐工艺的传热分析和框架式模具温度场分布[J].航空制造技术，2008，（22）：81-87.