基于Fluent的纸浆模塑热压定型加热板温度均匀性分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220363

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (5): 122-129.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220363

所属专题： 2023年机械工程

基于Fluent的纸浆模塑热压定型加热板温度均匀性分析

吴上生¹ 胡锦榕¹ 周运岐²

^1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640
^2.韶关市宏乾智能装备科技有限公司，广东韶关 512029

收稿日期:2022-06-10 出版日期:2023-05-25 发布日期:2022-10-20
通信作者: 吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事精密机械设计理论、自动化生产线设计、机电一体化技术及其应用研究。 E-mail:shshwu@scut.edu.cn
作者简介:吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事精密机械设计理论、自动化生产线设计、机电一体化技术及其应用研究。
基金资助:
广东省科技计划项目(2021440002002290)

Analysis of Temperature Uniformity of Pulp Molding Hot Pressing Heating Plate Based on Fluent Simulation

WU Shangsheng¹ HU Jinrong¹ ZHOU Yunqi²

^1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.Shaoguan Hongqian Intelligent Equipment Technology Co. ，Ltd. ，Shaoguan 512029，Guangdong，China

Received:2022-06-10 Online:2023-05-25 Published:2022-10-20
Contact: 吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事精密机械设计理论、自动化生产线设计、机电一体化技术及其应用研究。 E-mail:shshwu@scut.edu.cn
About author:吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事精密机械设计理论、自动化生产线设计、机电一体化技术及其应用研究。
Supported by:
the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2021440002002290)

摘要/Abstract

摘要：

模内热压定型是纸浆模塑餐具生产过程中的一种常用干燥方式，它是将成型后获得的湿纸模胚在被模具挤压与抽真空的条件下进行加热。加热板作为热压定型机的热源，其工作表面的温度均匀性影响着制品的干燥质量。针对纸浆模塑热压定型过程中加热板的温度不均匀性问题，文中提出了一种联合仿真与正交试验的优化方法。首先，对加热板的工作过程进行分析，建立了加热板的传热模型；然后，基于Fluent对加热板进行温度场的数值模拟，根据温度场分布结果将油路结构中的高温区域与低温区域尽可能交错，设计了4种新的迷宫式油路结构；最后，以油路结构、油路平面高度、加热板厚度和油路截面直径设计了4因素4水平的正交试验，并进行了极差分析与方差分析。结果表明：在实际干燥过程中，工作表面的最高温度为224.47 ℃，最低温度为209.92 ℃，温度极差高达14.55 ℃，温度标准差为3.01 ℃；加热板厚度和油路直径的大小对温度极差的影响显著，油路结构对温度标准差的影响显著。基于以上分析改进了加热板的结构，与原设计方案相比，加热板工作表面的温度极差降至7.27 ℃，温度标准差降至1.09 ℃，保证了加热板温度的均匀性，提升了纸浆模塑产品的质量。

关键词: 纸浆模塑, 加热板, 温度分布, 正交试验

Abstract:

In-mold hot-pressing is a common drying method in the production of pulp moulded tableware. The wet paper mold embryo obtained after moulding is heated under the condition of extrusion and vacuum. Heating plate is the heat source of hot-pressing machine, and the temperature uniformity of its working surface affects the drying quality of products. Aiming at the temperature non-uniformity of the heating plate in the process of pulp molding hot pressing, this paper proposed an optimization method which combined simulation and orthogonal experiment. Firstly, the working process of heating plate was analyzed and the heat transfer model of heating plate was established. Then, based on Fluent, the temperature field was simulated numerically. According to the results of temperature field distribution, the high-temperature area and low-temperature area in the oil circuit structure were staggered as far as possible, and four new labyrinth oil circuit structures were designed. Finally, an orthogonal test with 4 factors and 4 levels was designed based on the structure of oil circuit, the plane height of oil circuit, the thickness of heating plate and the section diameter of oil circuit, and the range analysis and variance analysis were carried out. The results show that during the actual drying process, the maximum temperature and minimum temperature of the working surface are 224.47 ℃ and 209.92 ℃, respectively, and the temperature range is as high as 14.55 ℃ and the temperature standard deviation is 3.01 ℃. The thickness of heating plate and the diameter of oil passage have a significant influence on the temperature difference, and the structure of oil passage has a significant influence on the temperature standard deviation. Based on the above analysis, the structure of heating plate was improved. Compared with the original design, the temperature range of the working surface of heating plate has been reduced to 7.27 ℃ and the temperature standard deviation has been reduced to 1.09 ℃, which ensures the uniformity of temperature of heating plate and improves the quality of pulp molded products.

Key words: molded pulp, heating plate, temperature distribution, orthogonal test

中图分类号:

TH122

吴上生, 胡锦榕, 周运岐. 基于Fluent的纸浆模塑热压定型加热板温度均匀性分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(5): 122-129.

WU Shangsheng, HU Jinrong, ZHOU Yunqi. Analysis of Temperature Uniformity of Pulp Molding Hot Pressing Heating Plate Based on Fluent Simulation[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(5): 122-129.

图/表 15

图1

图2

图3

表1

图4

图5

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表2

图7

图8

表3

表4

表5

表6

图9

参考文献 16

1	黄俊彦．纸浆模塑生产实用技术［M］．2版．北京：文化发展出版社，2008：22-34.
2	滑广军，廖泽顺，谢勇，等．基于Ansys的纸浆模塑模具加热板温度场分析及优化［J］．包装工程，2016，37（1）：78-82.
	HUA Guang-jun， LIAO Ze-shun， XIE Yong，et al ．Analysis and optimization of temperature field in pulp molding mold heating plate based on Ansys［J］．Packaging Engineering，2016，37（1）：78-82.
3	杨彬，孙宝寿，张雅灵，等．基于ANSYS Workbench热板电加热与油加热模拟及对比分析［J］．宁波大学学报（理工版），2017，30（5）：13-18.
	YANG Bin， SUN Baoshou， ZHANG Yaling，et al ．Comparative analysis：simulation of electrical heating and oil heating of hot plate using ANSYS workbench ［J］．Journal of Ningbo University （Natural Science & Engineering Edition），2017，30（5）：13-18.
4	徐京豫，孙宝寿．油压机热板温度场均匀性研究［J］．机械设计与研究，2019，35（1）：200-204.
	XU Jingyu， SUN Baoshou ．Analysis of surface temperature uniformity of heat conducting oil heating plate ［J］．Machine Design and Research，2019，35（1）：200-204.
5	刘鸣宇，李军霞，张弘玉，等．基于正交试验的胶带硫化机热板温度场研究［J］．煤炭工程，2021，53（11）：152-157.
	LIU Ming-yu， LI Jun-xia， ZHANG Hong-yu，et al ．Study on heating plate temperature field of conveyor belt vulcanizer based on orthogonal ［J］．Coal Engineering，2021，53（11）：152-157.
6	MALYGIN E， KRASNYANSKIY M， MOKROZUB V，et al ．Design optimization of heating plates for hydraulic presses ［J］．MATEC Web of Conferences，2017，129：01008/1-5.
7	WANG J， CHEN X， YU L，et al ．A novel method improving the temperature uniformity of hot-plate under induction heating ［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2021，235（1）：190-201.
8	张晨曦，王晋强，丁永生．基于Kriging模型的热板表面温度均匀性控制［J］．电子工艺技术，2019，40（4）：227-229，240.
	ZHANG Chenxi， WANG Jinqiang， DING Yongsheng ．Temperature uniformity control of hot plate surface based on Kriging model ［J］．Electronics Process Technology，2019，40（4）：227-229，240.
9	陈惠贤，冯国庆，王保增，等．基于温度场的层压机电加热板优化设计［J］．新技术新工艺，2013（9）：63-65.
	CHEN Huixian， FENG Guoqing， WANG Baozeng，et al ．Optimal design of electric heating plate of laminating machine based on temperature field ［J］．New Technology & New Process，2013（9）：63-65.
10	杨世铭，陶文铨．传热学［M］．4版．北京：高等教育出版社，2006：205-206.
11	殷术贵，郭伟科，黄栋，等．流延薄膜传热特性及冷却水量设计的仿真研究［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2021，49（12）：23-34.
	YIN Shugui， GUO Weike， HUANG Dong，et al ．Simulation study on heat transfer characteristics and cooling water design for the casting film ［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2021，49（12）：23-34.
12	MILLS K C ．Recommended values of thermophysical properties for selected commercial alloys［M］．Sawston：Woodhead Publishing，2002：64-67.
13	王野平，李翠娟，周韩．基于FLUENT的热压板通道布置设计优化［J］．机械设计，2012，29（3）：50-52.
	WANG Ye-ping， LI Cui-juan， ZHOU Han ．Optimization of hot platen channel layout design based on FLUENT ［J］．Journal of Machine Design，2012，29（3）：50-52.
14	何伟，黄春跃，梁颖．基于正交设计的LTCC基板微流道散热性能研究［J］．机械强度，2019，41（5）：1223-1227.
	HE Wei， HUANG Chunyue， LIANG Ying ．Research on heat dissipation of LTCC substrate microchannel based on orthogonal design ［J］．Journal of Mechanical Strength，2019，41（5）：1223-1227.
15	任露泉.试验优化设计与分析［M］．2版．北京：高等教育出版社，2003：10-25.
16	谢方伟，徐纯洁，万快弟，等．CDC减振器用先导阀参数协同优化设计［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2021，49（2）：131-139.
	XIE Fangwei， XU Chunjie， WAN Kuaidi，et al ．Cooperative optimization design of pilot valve parameters for CDC shock absorber ［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2021，49（2）：131-139.

名称	材料	密度/（kg·m^-3）	比热容/（J·（kg·K）^-1）	热导率/（W·（m·K）^-1）	运动黏度/（10^-4 Pa·s）
导热油	烷基苯DR 305	715.0	2 720	0.14	1.465 75
加热板	Al 6061	2 675.8	996	206.20

油路结构	温度/℃
油路结构	极差	标准差	平均值
原油路	14.55	3.01	218.21
油路1	11.97	1.71	221.59
油路2	12.26	1.77	221.35
油路3	12.22	1.35	220.86
油路4	11.63	1.20	221.34

水平	A油路结构	B油路平面高度/mm	C加热板厚度/mm	D油路截面直径/mm	E空白列
1	油路1	29	80	25	1
2	油路2	36	90	28	2
3	油路3	43	100	31	3
4	油路4	50	110	34	4

序号	A	B	C	D	E	温度标准差/℃	温度极差/℃
1	1	1	1	1	1	1.62	11.16
2	1	2	2	2	2	1.31	9.38
3	1	3	3	3	3	1.17	8.47
4	1	4	4	4	4	1.08	7.52
5	2	1	2	3	4	1.40	8.69
6	2	2	1	4	3	1.44	10.22
7	2	3	4	1	2	1.43	8.46
8	2	4	3	2	1	1.43	9.42
9	3	1	3	4	2	1.13	8.17
10	3	2	4	3	1	1.04	7.45
11	3	3	1	2	4	1.24	10.73
12	3	4	2	1	3	1.19	10.18
13	4	1	4	2	3	1.23	8.41
14	4	2	3	1	4	1.00	7.91
15	4	3	2	4	1	1.15	8.72
16	4	4	1	3	2	1.17	10.78

性能指标	水平	A	B	C	D
温度极差	k₁	9.132	9.107	10.722	9.428
	k₂	9.198	8.740	9.240	9.483
	k₃	9.133	9.097	8.496	8.847
	k₄	8.954	9.473	7.960	8.659
	极差	0.244	0.733	2.762	0.825
	极差排序	4	3	1	2
	优组合	A₄B₂C₄D₄
温度标准差	k₁	1.297	1.348	1.369	1.310
	k₂	1.426	1.198	1.262	1.304
	k₃	1.150	1.248	1.184	1.196
	k₄	1.137	1.216	1.194	1.201
	极差	0.289	0.150	0.185	0.114
	极差排序	1	3	2	4
	优组合	A₄B₂C₃D₃

基于Fluent的纸浆模塑热压定型加热板温度均匀性分析

Analysis of Temperature Uniformity of Pulp Molding Hot Pressing Heating Plate Based on Fluent Simulation

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性能指标	来源	自由度f	离均差平方和	均方	F值	P值	显著性
温度极差	A	3	0.131	0.044	0.15	0.922	不显著
	B	3	1.075	0.358	1.25	0.431	不显著
	C	3	17.257	5.752	19.99	0.017	极显著
	D	3	2.055	0.685	2.38	0.247	不显著
	残差误差	3	0.863	0.288
	合计	15	21.381
温度标准差	A	3	0.223	0.074	6.75	0.076	显著
	B	3	0.054	0.018	1.62	0.351	不显著
	C	3	0.087	0.029	2.63	0.224	不显著
	D	3	0.047	0.016	1.43	0.388	不显著
	残差误差	3	0.033	0.011
	合计	15	0.444

[1]	蓝东明, 万楚枫, 陈莹, 刘萱, 罗日明, 王卫飞, 王永华. 甘油二酯微胶囊中油脂的酶法提取[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(12): 152-158.
[2]	杨松, 李文强, 黄旭, 等. 基于对流换热系数修正的钢箱梁温度场研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2021, 49(4): 47-58,64.
[3]	柏兴应, 简弃非, 罗立中, 等. 均温板在质子交换膜燃料电池堆热管理中的应用[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(2): 25-32.
[4]	谢方伟, 徐纯洁, 万快弟, 等. CDC 减振器用先导阀参数协同优化设计[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(2): 131-139.
[5]	陈乾鹏, 冀宏, 赵晶, 等. 内嵌微小热电偶的液压阀口温度分布实验及数值分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(2): 120-130.
[6]	廖艳芬, 陈顺凯, 张曼玉, 等. 有机固废热解气 MILD 燃烧的数值分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(7): 28-35,46.
[7]	李旻谭孟上官文斌李志超刘杰尤黎民. 轿车窗台外侧密封条装配性能的分析与优化方法 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(5): 117-124.
[8]	刘刚郭德明李炀王亦清陈垣. 高压架空导线的电流分布计算与载流量分析 [J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2018, 46(4): 91-97.
[9]	易聪华冀唯妮孔浩辉周瑢. 烟梗本香物质的超临界 CO₂ 萃取[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2017, 45(6): 103-108,116.
[10]	刘小康杨峰高娇陆龙生. 基于熵权的短切碳纤维质量模糊综合评价[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(6): 59-64.
[11]	熊会元吴小丽宗志坚于丽敏. 性能需求驱动的电动汽车动力系统参数优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(3): 68-75.
[12]	余鹏陈斌艺王彬彬黄岸彭响方. PS/Talc复合材料的制备及其超临界CO₂挤出发泡[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(7): 20-27.
[13]	林鹏梁兴刘梅清燕浩吴远为赵文胜刘志勇. 基于正交试验的立式混流泵启动参数优化配置[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(12): 97-103.
[14]	刘冬梅陈浩胡小慧吴晖李理. 枯草芽孢杆菌BS H001发酵花生粕的性质表征[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(11): 129-135,142.
[15]	盛湘飞夏琴香陈志超程秀全. 以玻璃弹丸为强化介质的喷丸强度试验研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2013, 41(9): 100-106.