摩擦热和内热源协同作用下生物质成型机模具温升特性的研究.pdfVIP

摘要

大力发展生物质能是实现“双碳”目标的重要途径之一。然生物质燃料能量密

度低，难以存储或运输，如何提高其能量密度是生物质利用中亟待解决的问题，生

物质致密成型技术是解决该问题的重要途径。生物质成型设备作为成型技术研发的

核心，其中，模具温度是影响生物质品质、产量及模具寿命的关键因素之一。为此，

本文以模具的温度作为定性条件，研究了模具内壁摩擦因数、出料速度及环境温度

对模具升温特性的影响，从而确定出成型机的最佳生产工艺参数。具体的研究方法

和内容如下：

首先，分析了生物质成型特性及成型机理，建立了模具轴向压力数学模型。研

究了物料特性和结构参数对模孔成型压力的影响，得出对轴向压力大小的影响依次

为摩擦因数、泊松比和长径比；研究了摩擦因数和出料速度对摩擦副接触热流密度

的影响，发现摩擦因数的影响大于出料速度的影响。

其次，利用ANSYSWorkbench平台中耦合场瞬态分析模块对成型模具的温度场

进行有限元分析。研究了物料与模具内壁摩擦因数、出料速度及环境温度对模具温

升的影响。研究表明，当摩擦因数为0.3和0.4时，模具温度在60min后达到木质素

塑化温度；随出料速度增大，模具内外壁温度也随之增大；环境温度为-30℃时，

模具温度难以使物料内木质素发生软化，导致成型燃料质量下降，甚至不能成型。

然后，鉴于低温环境下难以使生物质燃料成型，从优化角度出发，在模具中添

加内热源。考虑了内热源数量、形状和分布位置对模具温度的影响，得出内热源最

佳布置方案。在内热源距出口32mm和64mm分别布置2根圆形加热棒，可显著改

善模具温度的均匀性。

最后，研究了内热源和摩擦热协同作用对模具和成型燃料温度场的影响。当外

界环境温度为-30℃，内热源加热30min，摩擦系数为0.4~0.5时，模具温度可达到

131.01~153.19℃，成型燃料中心部分木质素充分软化，成型品质高且耐久性好；出

-1

料速度为12mm·s时，达到木质素软化时间为7.3s，成型燃料中心部分木质素充分

软化，且成型燃料外表面与中心部分温差小，成型品质较高。

总言之，通过对模具温度场的数值研究，得到模具温度受摩擦热和内热源影响

的变化规律。以期为成型机模具设计和优化提供理论支撑。

关键词生物质成型；模具；有限元分析；摩擦热；内热源

Abstract

Oneoftheimportantwaystoachievecarbonpeakingandcarbonneutralitygoalsis

makinggreateffortstodevelopbiomassenergy.However,theproblemofbiomassfuelis

itspoorenergydensity,thusmakingitdifficulttostoreortransport.Therefore,themost

urgentproblemintheutilizationofbiomassisimprovingitsenergydensity.Biomass

densificationtechnologyisanimportantwaytosolvethisproblem.Biomassmolding

equipmentholdsthekeytotheresearchanddevelopmentofmoldingtechnology.Die

temperatureisoneofthekeyfactorsaffectingthequalityandoutputofbiomassaswellas

dielife.Tothisend,thetemperatureofthemoldwastakenasthequalitativeconditionin

thispaper,whichstudiedtheinfluenceofthefrictioncoefficientinsideoft