一种带渐扩型孔板的静压箱组的设计方法与流程

本发明属于同步双向拉伸机静压箱组的设计领域，涉及一种锂电池薄膜同步双向拉伸机中带渐扩型孔板的静压箱组的设计方法。

背景技术：

通过双向拉伸制取高端锂电池薄膜的生产工艺中，温度和速度均匀性对于薄膜的厚度均匀性和拉伸的连续性具有重要影响。静压箱作为一种常用的均匀分配气体的箱体，其合适的结构可以显著增强薄膜热定型性能，是保证热风加热系统出风口处温度均匀的关键生产设备。由于空间和机组结构的限制，静压箱体积不可以设计的过大，需要在其内部设置更多结构，例如均匀孔板、导流板、截面异型、喷口调节等，来保证喷风口速度的均匀。

2015年桂林电气科学研究院有限公司任小龙等人在公开号为cn205185295u的实用新型专利中公开了“一种狭缝式风口静压箱薄膜横向拉伸装置”，该装置所述狭缝式风口与薄膜前进方向呈20～80°夹角，角度随着各段聚酰胺酸薄膜所含待蒸发溶剂含量的减小而增大，该方法提高了受热处温度均匀性，改善了产品表面质量和膜卷平整度。大连伊科能源科技有限公司于长青等人于2016年在公开号为cn105936123a的发明专利中公开了“一种双向拉伸膜横拉机同组风箱双侧对吹装置”，在静压箱中间增加斜置隔板使两侧风机对吹的空气改变风向，较传统薄膜横拉机的单侧送风更能达到出风口各处压力均衡的作用。

在国外，mohammadkhah等人2009年在processdesignandcontrol期刊发表的论文《effectofgeometryoftheplenumchamberongasdistributioninafluidizedbed》中，使用cfd模拟方法，在孔板结构不变的基础上研究了包括送风方向、挡板结构、进口位置等八种不同结构的流化床静压箱方案对速度轮廓和压降的影响。hidekinakamura等人于2011年在专利号为us7988031b2的美国专利“reflowfurnaceandheaterforblowinghotair”中针对现有热风式回流熔炉中的预热区及主加热区中存在的热风和氧浓度的不均匀问题，分别设计了以孔径和孔个数为变量的三组孔板进行试验，发现当主加热区单元开孔面积是预热区的1.5-5倍时，既能改善各区热风和氧浓度的均匀性，也能满足预热区低温长时效加热和主加热区快速加热的要求。

从以上研究可知，静压箱中孔板是影响气体分布均匀的重要结构。传统静压箱组采用孔口满布孔板的送风方式，这种排布方式无疑会造成巨大的能量损耗，尤其在膜片拉幅还处在较小的范围内，膜片两侧孔口吹风并未对膜片进行加热只是逸散到保温房内，还会在膜边附近由上下静压箱孔口对吹，扰乱直接对膜片加热的冲击射流，从而影响整个保温房内流场的均匀性。

技术实现要素：

本发明是为克服现有技术的缺陷，发明一种带有渐扩型孔板的静压箱组设计方法，该方法基于已有静压箱组孔口排布的方式，预先设定各区的送风量，避免了现场安装调试时对风机送风量的盲目试值，只在预设值范围内微调各区风机变频控制器，即可满足膜片对吹风速度的要求。采用带有渐扩型孔板的静压箱组克服了传统每组静压箱孔板采用孔口满布孔板的全面送风的结构，能够使得热风的循环次数增加，大量减少送风量和补风量，实现节能减排的目的。

本发明采用的技术方案是一种带渐扩型孔板的静压箱组的设计方法，其特征是，该方法基于已有静压箱组孔口排布的方式，根据各区薄膜横向拉幅的变化预先设定各区孔板的开孔范围，随开孔区域宽度递增的方式对送风量进行预设；根据已有孔口排布和开孔范围，建立开孔面积和孔径的关系；根据孔口流量系数建立孔板送风面积和送风量之间的关系，对孔板表面的出风速度按照等温自由射流主体段中心速度对待，由衰减公式得到其与孔径的关系；联立以上三组关系计算得到各区每组静压箱组孔板的孔径大小；设计方法的具体步骤如下：

第一步：确定各区每组送风量qij

同步双向拉伸机中带渐扩型孔板的静压箱组排布，包括预热区、拉伸区和热定型区三个区，其中预热区包含zone1、zone2和zone3三部分，拉伸区包含zone4、zone5和zone6三部分，热定型区包含zone7和zone8两部分；每部分区域zonei,1≤i≤8均由上下对称布置的四组静压箱体组成；

由于预热区和热定型区不存在膜片拉幅上的变化，根据现有工艺数据将预热区中zone1、zone2和zone3的送风量均设定为qp，将热定型区中zone7和zone8的送风量设定为qs，只对拉伸区zone4、zone5和zone6中的各组静压箱送风量进行调整，qij即代表区zonei第j组zonei,1≤i≤8,1≤j≤4的送风量大小；根据各区薄膜横向拉幅的变化，取定各区每组孔板沿流向的开孔区域宽度wij，其中预热区开孔区域宽度w11＝w12＝……＝w34＝w0，热定型区开孔区域宽度w71＝w72＝……＝w84＝w1，各组送风量按下式计算：

随开孔区域宽度递增的方式对送风量进行预设；

第二步：确定各区每组孔板的开孔个数nij

根据工程实际中已有孔板的分布形式，取流向孔间距s1、展向孔间距s2，展向相邻两孔在流向上错开距离s3，根据展向开孔排数4,取s3＝s1/4，确定各区每组静压箱开孔个数为：

第三步：确定各区每组孔板的孔径dij

孔板开孔面积为：

又孔板送风面积和送风量之间满足关系：

式中,μ为孔口流量系数，一般取μ＝0.78～0.82；

对孔板表面的出风速度vij，按照等温自由射流主体段中心速度对待，以风口作为起点，其衰减公式如下：

式中,vm(ij)为zonei区第j组吹到膜片上的风速；a为无量纲紊流系数，对不同风口形式则有不同的a值；d为孔板到膜片的距离；孔板表面的出风速度vij和孔径dij之间的关系，将上述公式联立，求得孔径dij：

至此，得到整个同步双向拉伸机中带渐扩型孔板的静压箱组排布，包括预热区、拉伸区和热定型区三个区，各区每组静压箱组孔板的孔径大小。

本发明的有益效果是根据各区每组薄膜宽度确定孔板的开孔范围，较传统每组静压箱孔板全面布风的结构，带有渐扩型孔板的静压箱组能够使得热风的循环次数增加，大量减少送风量和补风量，实现节能减排的目的；改善了传统静压箱组在膜边边缘由上下静压箱孔口对吹扰乱冲击射流的现象，从提高整个保温房内流场的均匀性和膜片质量；对送风量的预设避免了现场安装调试过程中盲目试值，可在预设值附近调节各区风机变频控制器依实际情况调整。

附图说明

图1是传统静压箱组的立体图，其中，ⅰ‐上侧静压箱体，ⅱ‐下侧静压箱体，1-入风口，2-孔板，3-挡板，4-孔口，5‐膜片，箭头方向‐膜片移动方向。

图2是传统静压箱组的正视图，其中，zone1、zone2、zone3-预热区，zone4、zone5、zone6-拉伸区，zone7、zone8-热定型区，d为孔板到膜片的距离，单位，m。

图3是传统静压箱组的俯视图，其中，2-孔板，4-孔口，zone1、zone2、zone3-预热区，zone4、zone5、zone6-拉伸区，zone7、zone8-热定型区。

图4各组送风量分布图，其中，横坐标为各组编号，纵坐标为每组中单个静压箱对应的送风量，单位，m³/h。

图5是孔口排布示意图，其中，2-孔板，4-孔口，s1‐流向孔间距，s2‐展向孔间距，s3‐展向相邻两孔在流向上错开的距离。

图6是带有渐扩型孔板的双向同步拉伸机静压箱组俯视图。其中，wij‐开孔区域宽度，dij‐孔径，nij‐开孔个数。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式，但并不因此而限制本发明的保护范围。

传统的薄膜双向拉伸机中静压箱组上下对称布置，每组静压箱包括上、下侧静压箱体ⅰ、ⅱ，如图1所示。静压箱组设置有入风口1、孔板2、挡板3、孔口4和膜片5。热风从入风口1进入静压箱体，经孔板2整流使箱体内的热风横流在静压作用下经孔口4射出，吹到膜片5上使膜片均匀受热，如图2、图3所示。传统的薄膜双向拉伸机静压箱组中，采用孔板2上布满孔口4的送风方式，为满足各个区的风速要求，只需设定同一区内各组静压箱的送风量q0相同，便能实现该区内孔口出风速度的一致性。但这种排布方式无疑会造成巨大的能量损耗，尤其在膜片拉幅还处在较小的范围内，膜片两侧孔口吹风并未对膜片进行加热只是逸散到保温房内，还会在膜边附近由上下静压箱孔口对吹，扰乱直接对膜片加热的冲击射流，从而影响整个保温房内流场的均匀性。由于各区每组静压箱组在膜片上下两侧对称布置，为分析和叙述方便，实施例均取单侧静压箱为例对渐扩型孔板的送风方式进行分析计算。方法的具体步骤如下：

第一步，确定各区每组单个静压箱送风量qij

同步双向拉伸机中带渐扩型孔板的静压箱组排布，包括预热区、拉伸区和热定型区三个区，其中预热区包含zone1、zone2和zone3三部分，拉伸区包含zone4、zone5和zone6三部分，热定型区包含zone7和zone8两部分；每部分区域zonei,1≤i≤8均由上下对称布置的四组静压箱体组成；

由于预热区和热定型区不存在膜片拉幅上的变化，根据现有工艺数据将预热区中zone1、zone2和zone3的送风量均设定为qp，将热定型区中zone7和zone8的送风量设定为qs，只对拉伸区zone4、zone5和zone6中的各组静压箱送风量进行调整，qij即代表区zonei第j组zonei,1≤i≤8,1≤j≤4的送风量大小；根据各区薄膜横向拉幅的变化，取定各区每组孔板沿流向的开孔区域宽度wij，其中预热区开孔区域宽度w11＝w12＝……＝w34＝w0＝1m，热定型区开孔区域宽度w71＝w72＝……＝w84＝w1＝4.6m，其余每组根据膜片在各区拉幅的变化确定孔板沿流向的开孔宽度wij如表1所示：

表1各区每组孔板沿流向的开孔宽度wij

由于在预热区和热定型区内薄膜拉幅没有变化，可根据已有工艺数据设定预热区中zone1、zone2和zone3的单个静压箱送风量qp＝2347.6m³/h，热定型区中zone7、zone8的送风量qs＝7414.1m³/h，对拉伸区zone4、zone5和zone6中的各组静压箱送风量按各区薄膜横向拉幅的变化通过公式(1)进行预设，得到各区每组单个静压箱送风量取值如表2：

表2各区每组送风量

第二步，确定各区每组孔板的开孔个数nij

取流向孔间距s1＝0.1m，展向孔间距s2＝0.0885m，确定展向相邻两孔在流向上错开距离s3，根据展向开孔排数为n＝4，取s3＝s1/4＝0.025m，根据公式(2)确定各区每组静压箱开孔个数如表3所示：

表3各区每组孔板的开孔个数nij

第三步，确定各区每组孔板的孔径dij

各区每组静压箱体吹到膜片上的速度vm(ij)根据工艺要求取为：

预热区：vm(ij)＝30m/s(1≤i≤3,1≤j≤4)；

拉伸区：vm(ij)＝25m/s(4≤i≤6,1≤j≤4)；

热定型区：vm(ij)＝25m/s(7≤i≤8,1≤j≤4)。

根据trüpel和实验室的实验，对圆孔射流出口初始速度均匀的流场，将无量纲紊流系数取为a＝0.066；流量系数μ一般与当量孔径比和雷诺数有关，影响流出系数的因素较多，这里取μ＝0.78，根据公式(2)、(3)、(4)、(5)计算，其中，孔板到膜片的距离d＝0.255m，计算结果需与现场调试结果对比，依实际情况对送风量在预设值附近微调即可。

由上，再根据公式(6)得到各区每组静压箱孔板的孔径dij，如表4所示：

表4各区每组静压箱孔板的孔径dij

至此，得到整个同步双向拉伸机中带渐扩型孔板的静压箱组排布，见图6，包括预热区、拉伸区和热定型区以及各区每组静压箱组孔板的孔径大小。