爆燃条件下聚氨酯泡沫熔膜过程的传热特性研究

发布时间：2020-06-03 19:26

【摘要】：网状聚氨酯泡沫作为一种具有良好力学性能的多孔材料,逐渐成为人们日常工作和生活中不可或缺的工业产品。闭孔聚氨酯泡沫的孔膜被网化去除后即可得到网状聚氨酯泡沫。爆燃法作为网化聚氨酯泡沫的最佳方法,目前仍缺少聚氨酯泡沫熔膜过程的理论指导。因此本文采用数值模拟与实验相结合的研究方法,探究可燃预混气体参数(可燃预混气体充气系数、气体种类及浓度)与聚氨酯泡沫材料参数(孔径和薄膜厚度)对聚氨酯泡沫开孔度的影响规律。为爆燃法网化聚氨酯泡沫的高效、规范化生产提供理论依据。本文主要研究工作如下:(1)根据工业生产的网状聚氨酯泡沫相关规格参数,建立聚氨酯泡沫单个空腔胞体的物理模型。选用标准k-ε模型和基于焓-多孔度法的熔化-凝固模型,建立了聚氨酯泡沫熔化过程的数值计算模型。(2)根据爆燃法网化聚氨酯泡沫的相关生产工艺,设计聚氨酯泡沫网化实验测试平台,通过实验结果与数值模拟结果的对比及分析,验证了聚氨酯泡沫熔化过程数值计算模型的可行性。(3)在聚氨酯泡沫熔化过程数值计算模型可行的基础上,利用Fluent软件模拟分析了可燃预混气体特性对熔膜开孔度的影响。通过研究不同可燃预混气体特性参数下聚氨酯泡沫的温度分布以及液相率分布,总结了可燃预混气体充气系数、气体种类及浓度对聚氨酯泡沫开孔度的影响规律。研究结果表明:可燃预混气体充气系数越大、可燃气体热值越高,聚氨酯泡沫开孔度越大;可燃气体浓度为其在空气燃烧的化学当量浓度时,聚氨酯泡沫开孔度最大。随着可燃预混气体充气系数增加,聚氨酯泡沫熔化过程会出现三种不同的熔化现象,通过对三种熔化现象的分析,得到了聚氨酯泡沫模型1~9网化效果最佳时所对应的可燃预混气体充气系数的范围。(4)在聚氨酯泡沫熔化过程的数值计算模型可行的基础上,利用Fluent软件模拟分析了聚氨酯泡沫孔径及薄膜厚度对聚氨酯泡沫开孔度的影响规律。研究结果表明:聚氨酯泡沫孔径越大,温度场稳定后,其外表面平均温度越高;随着孔径的增加,聚氨酯泡沫空腔内温度场达到稳定所需时间也会增加。聚氨酯泡沫薄膜厚度越厚,温度场稳定后,其外表面平均温度越低;随着薄膜厚度增加,聚氨酯空腔胞体温度场达到稳定所需时间越长;在可燃预混气体一定的情况下,聚氨酯泡沫孔径越小、薄膜厚度越大,聚氨酯泡沫越难熔化,其开孔度越小。
【图文】：

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1）经网化技术处理而成。网化处理后的聚氨酯泡沫的孔膜会被去除，而其网状的经络会被保留。同网化处理前的聚氨酯泡沫一样，网状聚氨酯泡沫结构也为五边形十二面体。由于网状聚氨酯泡沫具有力学性能好、孔隙率高、透气性强、吸音性好、耐化学药品腐蚀等特性[2]，它被广泛用作过滤材料、吸声材料[3]、防爆填充材料[4-5]、载体[6-7]、骨架材料等，特别是在空调及除尘系统中，由于网状聚氨酯泡沫的多孔特性，其常被用作过滤材料；而在剧院、影院等对声环境要求较高的公共场所，网状聚氨酯泡沫常被用作吸声材料，从而达到改善室内声环境品质的目的。因此，随着网状聚氨酯泡沫在各行业的应用越来越广泛，其市场需求量越来越多。目前，常见的聚氨酯泡沫的网化处理技术有四种，分别为：碱液处理法、爆燃法、蒸汽水解处理法和热空气处理法。其中爆燃法网化聚氨酯泡沫工艺简单、没有污染、操作便捷，制备出的网状聚氨酯泡沫力学性能好，拉伸强度高，经络光滑[9]，因此爆燃法是四种方法中最佳的方法。其网化原理是利用高压电火花引燃可燃预混气体，利用可燃气体燃烧释放的热量使聚氨酯泡沫材料的窗膜熔化，从而实现聚氨酯泡沫的网化处理。图 1-2 为爆燃法网化成功的聚氨酯泡沫。

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图 1-3 爆燃法网化失败的聚氨酯泡沫（2）影响聚氨酯熔膜效果的因素众多，如：可燃预混气体特性及聚氨酯材料特性等，由于缺少相关理论指导，多数厂家只能生产某几种孔径或者特定材质的网状聚氨酯泡沫，而对于市场需求的其他多种规格的网状聚氨酯泡沫的生产，则需花费较多时间进行试验及设备调试，从而耗费企业大量人力物力财力。可见，国内爆燃法生产网状聚氨酯泡沫的技术仍不够成熟，，缺少爆燃、熔膜等相关理论指导。因此，针对爆燃法网化聚氨酯泡沫缺乏理论支撑的问题，本课题拟采用数值模拟与实验相结合的方法，探究可燃预混气体参数（可燃预混气体过量系数、气体种类及浓度）与聚氨酯泡沫材料参数（孔径和薄膜厚度）对聚氨酯泡沫网化效果的影响规律。本课题的研究成果将对爆燃法网化聚氨酯泡沫的高效、规范化生产提供理论依据。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ328.3

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