連浩杰

摘 要：在直接法或間接法熔融紡絲中，紡絲箱是必不可少的紡絲設(shè)備之一。而熔體止流結(jié)構(gòu)又是紡絲箱的關(guān)鍵零部件，常用的熔體止流結(jié)構(gòu)為壓縮空氣冷凍閥，目前行業(yè)中絕大多數(shù)采用的是這種形式。因此，本文研究了紡絲箱熔體冷凍閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，以提升紡絲設(shè)備性能。

關(guān)鍵詞：紡絲箱;冷凍閥;壓縮空氣

中圖分類號：TS103.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0049-03

Abstract： In direct or indirect melt spinning， the spinning box is one of the essential spinning equipment. The melt stop structure is the key component of the spinning box，the commonly used melt stop structure is a compressed air freezing valve， which is currently used in most industries.Therefore， this paper studied the design method of the melt freeze valve structure of the spin box to improve the performance of the spinning equipment.

Keywords： spinning box;freezingvalve;cmpressed air

在熔融紡絲中，紡絲箱是主要設(shè)備之一，其中放置有計(jì)量泵、熔體管道等。在紡絲箱內(nèi)的熔體管道上，每臺計(jì)量泵前均設(shè)置熔體止回閥，以保證清洗、更換計(jì)量泵、紡絲組件期間泵前管道內(nèi)的熔體停止流動[1]。熔體止回閥是紡絲箱的關(guān)鍵零部件。常用的止回閥結(jié)構(gòu)有機(jī)械形式和壓縮空氣冷凍閥形式[2-4]。壓縮空氣冷凍閥因結(jié)構(gòu)簡單、不存在泄露等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。本文對壓縮空氣冷凍閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。

1 冷凍閥的工作原理設(shè)計(jì)要求

冷凍閥的工作原理是采用壓縮空氣直接吹響熔體管路，高速低溫的壓縮空氣與熔體管道進(jìn)行強(qiáng)迫對流換熱，快速帶走熔體管路上的熱量，使熔體管路內(nèi)的熔體溫度迅速降低、凝固，達(dá)到快速有效冷凍止流的效果。

通常設(shè)計(jì)時，每臺計(jì)量泵前設(shè)置一套冷凍閥裝置。在清洗、更換某紡絲位的計(jì)量泵或紡絲組件時，僅需要關(guān)閉其對應(yīng)的冷凍閥，不必停掉整條螺桿或整條生產(chǎn)線便可完成某個計(jì)量泵的快速更換。設(shè)計(jì)時，冷凍閥止流速度越快，效果越好。通過不斷比較、對比分析，恒天重工股份有限公司在此方面進(jìn)行了大量的研究，使其結(jié)構(gòu)簡單、冷凍時間短、效果好，提高了紡絲效率，減低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

2 常用冷凍閥的結(jié)構(gòu)形式

2.1 縮頸型冷凍閥

縮頸型冷凍閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥芯8的中段直徑小，兩端直徑大，其閥體內(nèi)熔體通道呈縮頸狀。當(dāng)需要截止熔體時，打開壓縮空氣閥門，讓低溫的壓縮空氣從進(jìn)氣管4進(jìn)入，直接吹向熔體管道的細(xì)頸，進(jìn)行降溫冷凍，經(jīng)進(jìn)氣管4和內(nèi)管5（或保溫套6）之間夾層排出。因閥體內(nèi)的熔體通道呈縮頸狀，止流時冷卻、凝固的熔體量少，需要散發(fā)的熱量少，可以達(dá)到快速止流的目的。被冷凍的熔體形成鍥栓狀，可有效阻止熔體流動。當(dāng)需要開通熔體通道時，停止壓縮空氣的進(jìn)入，凝固的熔體融化后，紡絲即可正常進(jìn)行。該型閥閥芯加工成型，閥體與熔體管道焊接。圖1（a）的壓縮空氣通道外采用夾套形式，圖1（b）采用較厚的保溫套。

2.2 壓扁型冷凍閥

閥芯壓扁型冷凍閥的一般結(jié)構(gòu)形式如圖2、圖3所示，其冷凍閥閥芯采用熔體管道壓成扁平型。一種是管子壓扁凸起部位朝上，即凸起部位面對壓縮空氣進(jìn)管，如圖2所示。另一種是管子壓扁凹下部位朝上，即凹下部位面對壓縮空氣進(jìn)管，如圖3所示。當(dāng)熔體需要止流時，壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣管4吹向管子壓扁部位，進(jìn)行降溫冷凍，經(jīng)進(jìn)氣管4和內(nèi)管5（或保溫套6）之間夾層排出。如圖2所示，壓縮空氣吹向的凸起部位后，繼續(xù)沿壁面下行，豎直面為扁平型，氣流與管子的接觸面積增大;如圖3所示，管子呈扁平狀，壓縮空氣直吹的接觸面積增大。此類型的閥芯壓扁成型，熔體冷卻凝固成扁平狀，在一定的熔體壓力下，熔體也很難通過此處，它可有效阻止熔體通過，達(dá)到止流的目的。

壓扁型冷凍閥還有特殊形式，如圖4所示。此型冷凍閥的結(jié)構(gòu)與上述閥結(jié)構(gòu)相似，只是閥芯是加工后中間薄壁部分壓扁，閥體與保溫套整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。

3 幾種冷凍閥的比較

3.1 閥芯結(jié)構(gòu)

從傳熱學(xué)可知，熱交換的熱量[Q=α·F·Δt]，要想使熔體快速冷卻、凝固，達(dá)到止流的目的，冷凍閥內(nèi)的交換熱量[Q]盡可能地減少，也就是需要冷卻凝固的熔體量要小，同時要增大熱交換系數(shù)和換熱面積。

圖1中的閥芯采用縮頸型，減少了凝固熔體的量，相應(yīng)的需要散去的熱量[Q]少。從流體力學(xué)和傳熱學(xué)可知，流體繞流物體時，物體表面存在速度邊界層和熱邊界層。邊界層的流動狀態(tài)對熱交換影響很大。流體繞流圓柱形物體時，除了流體吹向的面有流體繞過外，在流體沒有直吹的管子背面發(fā)生渦流，因而細(xì)頸圓形，有效地增大了換熱面積，換熱系數(shù)較大。

圖2、圖3采用與熔體管道一樣的管子壓扁，熔體流通面積較大。止流時需要冷卻、凝固的熔體較多，因此需要散發(fā)的熱量較多。圖2中，有效散熱面積增加，但換熱系數(shù)沒有圖1的大。圖3中，雖然壓縮空氣直吹的接觸面積較大，但有效換熱面積并沒有圖2大，換熱系數(shù)更低。表1是把圖1作為基數(shù)1，圖2、圖3、圖4與其比較的結(jié)果。

從表1可以看出，采用熔體管道的管子壓扁后，雖然換熱面積增大，但冷卻、凝固的熔體量增大，需要散發(fā)的熱量增加較多，換熱系數(shù)降低，兩者比較，還是熔體通道加工成縮頸形式較好，熔體冷卻、凝固較快，縮短時間，提高生產(chǎn)效率。

3.2 保溫套

為了保證紡絲箱內(nèi)溫度穩(wěn)定，同時使壓縮空氣不受紡絲箱內(nèi)高溫的影響，進(jìn)氣管外常常設(shè)計(jì)一套管。一種方式是套管采用較大壁厚，如圖5所示;另一種方式是采用雙層套管，如圖6所示。

對比式（1）、式（2）可知，[α1]、[α2]相同，而λ3<<λ，所以[K′]比[K]要小得多。因此，進(jìn)氣管外保溫采用夾套形式比較大壁厚的單層保溫套效果好，保護(hù)紡絲箱盡量減少熱量損失，同時可以更好地使壓縮空氣以較低的溫度吹向熔體管，冷卻、凝固效果更好。

綜上所述，圖1（a）所示的冷凍閥結(jié)構(gòu)比較合理。

4 結(jié)語

通過以上分析比較可以看出，縮頸閥芯型的冷凍閥冷卻、凝固的熔體量較少，雖然換熱面積小，但需要散發(fā)的熱量少，圓形管換熱更快、更充分。恒天重工股份有限公司在某型號紡絲箱中采用此結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)的冷凍閥機(jī)構(gòu)緊湊，冷卻、凝固效果穩(wěn)定、可靠，空氣消耗量小，符合節(jié)約能源、降低能耗的要求。

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