石祿丹，馮 培

(東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 200051)

為了滿足化纖生產(chǎn)的高速、多孔、短程和高效的要求，20世紀(jì)90年代后期，國內(nèi)多家公司引進了DuPont，Neumag，Zimmer 等公司的高效率的紡絲冷卻吹風(fēng)裝置。這些裝置主要有兩種形式:中心向外環(huán)吹風(fēng)和外向內(nèi)環(huán)吹風(fēng)形式。外環(huán)吹有單層整流型和上下風(fēng)室型兩種結(jié)構(gòu)形式，單層整流型結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但風(fēng)速變動范圍小，沿紡程的風(fēng)速差異大。儀征化纖股份有限公司引進的BN100型環(huán)吹風(fēng)和龍滌集團引進的Zimmer 的100 t/d 生產(chǎn)線均采用上下風(fēng)室型低阻尼全密閉式環(huán)吹［1－2］，冷卻效果較好。

國內(nèi)生產(chǎn)廠家在消化吸收國外環(huán)吹風(fēng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了國產(chǎn)環(huán)吹風(fēng)設(shè)備。邵陽紡織機械有限責(zé)任公司的30～60 kt/a 滌綸短纖維紡絲聯(lián)合機中，冷卻裝置采用的是低阻尼中心內(nèi)環(huán)吹風(fēng)設(shè)計。上海太平洋紡織機械有限公司在生產(chǎn)能力4.5 t/d 的生產(chǎn)線上大多數(shù)采用了外環(huán)吹形式的冷卻設(shè)備，在部分30 kt/a 生產(chǎn)線中采用了高阻尼中心吹冷卻方式。

大容量的滌綸短纖維生產(chǎn)技術(shù)由于具有基建投資少、生產(chǎn)成本低、工藝先進等優(yōu)勢，成為滌綸短纖維的發(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)外主流的大容量滌綸紡絲裝置生產(chǎn)能力均為30～60 kt/a，噴絲板孔數(shù)(n)為4 000～6 000，紡絲單位吐出量(Wp)為3～5 t/d。但對于n 為8 000～10 000，Wp為6～9 t/d 超大容量的紡絲裝置，鮮有投產(chǎn)［3－4］。對于超大容量的滌綸短纖維生產(chǎn)裝置，萬孔級的噴絲板直徑達(dá)到500 mm 以上，要滿足絲束的冷卻要求，需要對環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置重新進行設(shè)計。

1 外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計

1.1 工藝條件確定

設(shè)計依據(jù):熔體噴出溫度290℃，熔體取向態(tài)結(jié)晶溫度125℃［5］，熔體固化溫度80℃，冷卻風(fēng)初始溫度20℃，出風(fēng)窗時的排氣溫度50℃。滌綸熔體等壓比熱容(Cp)為1.88 kJ/(kg·℃)，滌綸熔體密度(ρ)為1.18 g/cm3，吹風(fēng)速度1～3 m/s。冷卻裝置所適用紡絲實驗條件如成品單絲線密度(D)、噴絲微孔直徑(dp)，紡絲速度(V)、拉伸倍數(shù)(m)等見表1。

表1 紡絲條件Tab.1 Spinning conditions

在生產(chǎn)實踐中，對于密閉式外環(huán)吹裝置，在環(huán)吹頭出口處(視窗上部)空氣最高溫度約為50℃，可以認(rèn)為初生纖維能夠得到充分冷卻。溫度過低表明絲束過早冷卻，原絲沒有得到一定的取向拉伸，形成僵絲，使后加工困難;若風(fēng)溫過高，說明絲束達(dá)不到冷卻效果，容易產(chǎn)生并絲。

1.2 絲條冷卻冷量(Q)及冷卻風(fēng)量計算

在紡絲生產(chǎn)中，絲條冷卻需要的Q、環(huán)吹送風(fēng)量是重要工藝參數(shù)，也是冷卻裝置設(shè)計的必要條件。

式中:△Tp為絲條冷卻溫差。

其中，Wp的計算見式(2):

冷卻風(fēng)進入紡絲倉內(nèi)初始溫度(20 ±1)℃，相對濕度70%，經(jīng)過與絲條熱交換后出口風(fēng)溫度(50 ±5)℃，相對濕度30%。冷卻風(fēng)熱交換后所吸收的熱量(Qv):

式中:Wv為冷卻風(fēng)質(zhì)量流量;i1為冷卻風(fēng)進口焓值，46 kJ/kg;i2為冷卻風(fēng)出口焓值，92 kJ/kg。

在絲條冷卻過程中，熔體細(xì)流與冷風(fēng)進行熱交換而冷卻固化，根據(jù)能量守恒原理，如果不考慮裝置本身，Qv等于Q，則Wv利用公式(4)求得:

冷卻風(fēng)的體積流量(Gv)通過公式(5)計算:

式中:ρv為空氣密度，1.2 kg/m3。

通過上述計算，可得到表1 中A，B，C 3 種工藝條件下所需的Q 及Gv，見表2。

表2 冷卻冷量及風(fēng)量設(shè)計值Tab.2 Designed data of cold quantity and air volume

設(shè)計中，Gv選取應(yīng)合理，Gv過小，會使吹風(fēng)筒上層風(fēng)速過小;Gv過大，浪費投資和增加能耗。根據(jù)以上理論計算，考慮裝置及環(huán)境本身影響，本方案中取Gv為3 000 m3/(h·位)。

1.3 風(fēng)筒出風(fēng)高度(h0)的設(shè)計

固化區(qū)長度是指熔體固化點距噴絲板的距離，是風(fēng)筒出風(fēng)高度設(shè)計的主要依據(jù)。熔體出噴絲孔后，纖維速度、直徑和表面溫度都在變化，影響著熱傳導(dǎo)的數(shù)值，纖維周圍的空氣不同于固體邊界層的流動特征，在固化區(qū)內(nèi)用實驗的方法直接測量表面摩擦的熱通量比較困難，因此必須從理論上進行估算。

假定熔體細(xì)流從噴絲板到固化點，纖維的直徑近似地以指數(shù)方式下降，絲條的速度也逐漸由噴絲孔的噴出速度增加到卷繞速度。在這些假定基礎(chǔ)上，得到熔體出噴絲孔的噴出溫度到冷卻溫度之間的固化區(qū)長度(Ls)計算公式:

式中:α 為傳熱系數(shù);T0為熔體進環(huán)吹頭初始溫度;T1為熔體溫度;Ta為冷卻空氣平均溫度，35℃;e 是自然對數(shù)底，為2.718。

絲條冷卻的α 計算［6］見式(7):

式中:A 為絲條的截面積;Vy為冷卻氣流在垂直于V 方向上的分量，近似于冷卻風(fēng)速。

從實驗得知，采用公式(7)得出的α 偏小25%［7］，需要進行修正。應(yīng)用公式(6)估算在表1中的3 種紡絲條件下的Ls，見表3。

表3 Ls的設(shè)計值Tab.3 Designed Lsvalue

表3 中80℃和120℃時的Ls平均值分別為254 mm 和179 mm。在絲條冷卻過程中，熔體取向態(tài)結(jié)晶溫度為125℃，熔體固化溫度為80℃，在環(huán)吹風(fēng)高度的設(shè)計過程中絲120℃固化區(qū)長度要包含在吹風(fēng)高度內(nèi)。因此，本方案確定h0為200 mm。

在紡絲生產(chǎn)中可通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，來彌補設(shè)備適用性的不足，但若要適用多規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)，則需向用戶提供出風(fēng)高度多規(guī)格的環(huán)吹頭。

1.4 環(huán)吹風(fēng)筒內(nèi)徑(d0)計算

吹風(fēng)裝置的工藝要求為吹風(fēng)速度1～3 m/s。若以風(fēng)速2 m/s，風(fēng)量每位3 000 m3/h 計算，根據(jù)流體動力學(xué)流量與流速的關(guān)系，出風(fēng)面積(A0)和風(fēng)筒內(nèi)徑(d0)可通過公式(8)和(9)求得:

式中:V0為風(fēng)速。

若有200 mm 和300 mm 兩種出風(fēng)高度，則d0為663～442 mm，具體確定d0時，要注意風(fēng)筒內(nèi)徑一般比噴絲孔外圈直徑大10～20 mm。

1.5 環(huán)吹風(fēng)筒外徑(d1)計算

根據(jù)流體動力學(xué)流量與流速的關(guān)系，通過公式(10)，(11)可計算得到風(fēng)室圓環(huán)截面積(A1)值和d1。見圖1。

式中:V1為冷卻風(fēng)在裝置內(nèi)的平均風(fēng)速，為3～5 m/s。

圖1 進風(fēng)口及下風(fēng)室橫截面示意Fig.1 Schematic sectional view of air inlet and down chamber

1.6 上風(fēng)室外壁曲線計算

在吹風(fēng)冷卻裝置的送風(fēng)高度內(nèi)絲條正處于固化區(qū)，有復(fù)雜的流動現(xiàn)象和流變特征，纖維線密度、溫度、應(yīng)力、取向和結(jié)晶等方面都發(fā)生較大的變化，對風(fēng)速分布極為敏感，紊亂的風(fēng)速分布會影響絲的取向度、直徑不勻率、疵點含量等指標(biāo)。理想的風(fēng)速分布，要求風(fēng)速沿紡程分布均勻、風(fēng)量穩(wěn)定、呈層流態(tài)。

風(fēng)速的分布可以通過對上風(fēng)室外壁曲線的設(shè)計來改變。上風(fēng)室的外壁相當(dāng)于氣流導(dǎo)向板，經(jīng)過中間整流層后，上升的氣流遇到氣流導(dǎo)向板發(fā)生轉(zhuǎn)向，不同的氣流導(dǎo)向板所能實現(xiàn)的風(fēng)速分布不同。要在整個送風(fēng)高度上得到均勻的氣流分布，則冷卻風(fēng)在上風(fēng)室內(nèi)各個部分都應(yīng)具有相同的阻力系數(shù)，上風(fēng)室內(nèi)各個高度上應(yīng)有相等的靜壓［8］，整個上風(fēng)室的截面應(yīng)逐漸縮小，由于送風(fēng)裝置內(nèi)筒的直徑不變，所以可通過設(shè)計上風(fēng)室外壁曲線，以保證環(huán)吹風(fēng)沿紡程方向風(fēng)速均勻，上風(fēng)室內(nèi)靜壓處處相等，由此推導(dǎo)出上風(fēng)室外壁的曲線方程見式(12):

式中:r1為環(huán)吹筒外徑值;r2為穩(wěn)壓室內(nèi)徑值;r為風(fēng)筒沿紡程方向中心線與上室外壁之間的水平距離;x 為沿紡程方向與風(fēng)筒最上端的距離;L 值應(yīng)大于等于120℃時的固化區(qū)長度，保證在125℃時熱量交換最為劇烈時風(fēng)速不會降低。

由式(12)方程可知，上風(fēng)室外壁曲線為拋物線，見圖2(V1為經(jīng)過整流后吹向上風(fēng)室的冷卻風(fēng)速，V2為吹向風(fēng)筒的風(fēng)速)。

圖2 上風(fēng)室外壁曲線Fig.2 Upper chamber contour curve diagram

由于曲線的設(shè)備外表面制造難度大，一般都采用直線代替曲線的外壁設(shè)計，本方案設(shè)計中使用Origin 軟件用直線來擬合拋物線(圖3)，得到斜率為0.421 的直線方程。

圖3 上風(fēng)室外壁形狀的線性擬合Fig.3 Linear fitting diagram of upper chamber contour curve

2 設(shè)計結(jié)果分析

根據(jù)以上理論計算所設(shè)計制作的環(huán)吹頭在風(fēng)量3 000～3 480 m3/h，主風(fēng)道風(fēng)壓1 500 Pa 的條件下，實際測得平均風(fēng)速為2.11～2.37 m/s。在以下生產(chǎn)工藝條件下進行帶料測試:冷卻風(fēng)初始溫度20℃，冷卻風(fēng)濕度81%，組件預(yù)熱溫度(300±10)℃，牽引輥速度1 200 m/s。采用8 000 孔噴絲板生產(chǎn)纖維時，風(fēng)量3 000 m3/h，在環(huán)吹頭出口處(視窗上部)空氣最高溫度約70℃，纖維冷卻不充分，纖維溫度約110℃;采用10 000 孔噴絲板生產(chǎn)時，風(fēng)量3 480 m3/h，在環(huán)吹頭出口處(視窗上部)，測得空氣最高溫度80～90℃，纖維溫度約120℃，纖維冷卻不充分。

在風(fēng)速2 m/s 的條件下，應(yīng)用公式(3)計算得到絲束80℃和120℃La分別為254 mm 和179 mm(見表3)，理論上風(fēng)筒出風(fēng)高度應(yīng)該在這兩個數(shù)值之間比較合理。但在萬孔級的冷卻裝置中，裝置實際出風(fēng)高度為200 mm 時，在設(shè)計風(fēng)量條件下不能滿足絲束冷卻要求。對于超大容量的紡絲生產(chǎn)，由于噴絲板直徑增大到500 mm 以上，熱風(fēng)集中在噴絲板中心下方，影響了內(nèi)層絲束熱量交換，可通過增加風(fēng)量，降低風(fēng)溫等生產(chǎn)工藝進行調(diào)節(jié)，也可更換出風(fēng)高度更大的風(fēng)筒。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在工藝參數(shù)和設(shè)備不變的條件下，將裝置出風(fēng)高度增加到300 mm 后，在環(huán)吹頭出口處(視窗上部)空氣最高溫度約50℃，纖維冷卻較充分，所生產(chǎn)的原絲斷裂強度提高25%，斷裂強度CV值降低17.7%，質(zhì)量明顯提高。

3 結(jié)論

a.超大容量的紡絲生產(chǎn)中，相同的單孔Wp，由于噴絲板n 的增加，噴絲板直徑更大，熱風(fēng)集中在噴絲板下方，影響了紡絲倉內(nèi)絲束冷卻效果。當(dāng)風(fēng)筒出風(fēng)高度由200 mm 增加到300 mm 時，實驗證明達(dá)到了冷卻要求，原絲的斷裂強度提高了25%，CV 值降低了17.7%。理想的出風(fēng)高度比熔體80℃固化長度的理論計算值增加了18%。

b.上風(fēng)室外壁曲線以直線代替，采用Origin軟件進行外壁曲線方程的擬合，可以得到誤差最小的直線方程，合理的設(shè)計和制造精度的保證最終使裝置達(dá)到生產(chǎn)要求。

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