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上海一恒FR-300凹版印刷机干燥箱数值模拟与改进

[导读]目的对FR-300凹版印刷机干燥箱进行数值模拟与改进研究,为企业提供改进模型最优的方案。方法采用数值模拟方法,建立干燥箱的三维物理模型,对干燥箱内部的速度场、压力场及温度场进行研究。

干燥箱是凹版印刷机最主要的耗能单元,其干燥效果直接影响印品质量,制约着印刷机的印刷速度。 虽然现有干燥箱结构能满足一定印刷速度下承印材料的干燥要求,但在高速印刷条件下往往不能保证印刷质量,特别是其带来的高耗能、风速分布不均、溶剂残留等问题亟待解决[1—5]。国内外许多专家学者均对干燥箱进行了研究,武吉梅[6]等采用计算流体力学方法,对现有干燥箱进行热风动态仿真与热风量化分析,并进行了仿真结果的实验验证;申宪文[7]通过对干燥箱的研究,得出干燥箱内部热风流动状态,并对干燥箱进行优化,提高了其干燥性能;徐颖[8]通过薄膜在干燥箱内干燥过程的物理模型,绘制出干燥过程中薄膜相对湿含量及表面温度随时间变化的曲线;李徐佳[9]通过理论与实验仿真相结合的方式,深入探究了干燥箱内部热风流动特性;刘俊[10]等人通过改进导流板、挡板及回风圆管的方式,提高了干燥箱内部速度及压力的均匀性。在干燥箱中,承印材料的干燥是一个强耦合非线性动力系统,其干燥过程极其复杂。这里,应用计算流体力学方法,对某企业FR300凹印机干燥箱进行流体分析,分析干燥箱内部流体的流动状态,并根据流动状态对干燥箱的结构进行有目的改进。1 干燥原理及结构计算1.1 干燥原理某企业FR300凹印机干燥箱结构见图1。该干燥箱的总风量为5600 m3/h,其工作原理为:风机将热风送入进风口,进入干燥箱内腔,经由风嘴吹出,吹向承印材料表面,完成干燥过程。在负压风机作用下,通过两侧及背面回风部分(即内腔外部)被上回风口和下回风口抽出,一部分直接排放到空气中,一部分与新风结合继续循环。其干燥过程是热风对流干燥,并在干燥过程中同时进行传热传质[11]。所谓传热过程是指热量由承印材料表面传递到其内部的过程。承印材料表面得到热量后,因其表面溶剂蒸汽分压大于热风溶剂气分压,油墨中溶剂部分迅速蒸发,进入到周围的热风主体中;承印材料表面油墨溶剂因蒸发而不断减少,导致承印材料内部与表面形成溶剂含量差值。由于热量被传递到承印材料内部,使得油墨溶剂不断气化,气化的溶剂经排风口抽出,从而实现承印材料的干燥。承印材料表面油墨溶剂气化的过程及其内部溶剂向表面移动的过程均被称为传质过程[12—11]。1.2 结构计算1.2.1 三维模型的建立及网格划分根据工程设计图纸,在三维设计软件Pro/E中进行建模。进风口大小为400 mm×250 mm,上回风口大小为280 mm×400 mm,下回风口大小为200 mm× 320 mm。根据干燥装置中热风的流动特性,在面的网格划分中主要采用四边形网格,在指定区域的网格划分中采用三角形网格,在体的划分中主要采用四面体网格形式,个别位置采用六面体、楔形体和椎体网格进行混合网格划分,该模型分析中共划分网格4 354 826个。                                                                  图1 FR300凹印机干燥箱结构Fig.1 Oven structure    下载原图

1.2.2 计算模型建立空气在干燥箱内的流动是一种复杂的湍流流动, 其流场的控制方程可采用不可压缩黏性流体运动Naiver—stokes方程和连续方程[15]。计算干燥箱内空气流动的速度场,采用离散近似方法求其数值解。通过雷诺数Re的大小,可判断干燥箱内的热风流动为湍流。在进行数值计算时采用标准模型,此方程为典型的双方程模型,应用广泛。标准模型湍动能的方程及湍流能量的黏性耗散率方程为:

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