超大容量滌綸短纖維環吹風裝置的設計

石祿丹，馮 培

(東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 200051)

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

國內生產廠家在消化吸收國外環吹風技術的基礎上，開發了國產環吹風設備。邵陽紡織機械有限責任公司的30～60 kt/a 滌綸短纖維紡絲聯合機中，冷卻裝置采用的是低阻尼中心內環吹風設計。上海太平洋紡織機械有限公司在生產能力4.5 t/d 的生產線上大多數采用了外環吹形式的冷卻設備，在部分30 kt/a 生產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技術由于具有基建投資少、生產成本低、工藝先進等優勢，成為滌綸短纖維的發展趨勢。目前，國內外主流的大容量滌綸紡絲裝置生產能力均為30～60 kt/a，噴絲板孔數(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［3－4］。對于超大容量的滌綸短纖維生產裝置，萬孔級的噴絲板直徑達到500 mm 以上，要滿足絲束的冷卻要求，需要對環吹風冷卻裝置重新進行設計。

1 外環吹風冷卻裝置的設計

1.1 工藝條件確定

設計依據:熔體噴出溫度290℃，熔體取向態結晶溫度125℃［5］，熔體固化溫度80℃，冷卻風初始溫度20℃，出風窗時的排氣溫度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(m)等見表1。

表1 紡絲條件Tab.1 Spinning conditions

在生產實踐中，對于密閉式外環吹裝置，在環吹頭出口處(視窗上部)空氣最高溫度約為50℃，可以認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;若風溫過高，說明絲束達不到冷卻效果，容易產生并絲。

1.2 絲條冷卻冷量(Q)及冷卻風量計算

在紡絲生產中，絲條冷卻需要的Q、環吹送風量是重要工藝參數，也是冷卻裝置設計的必要條件。

式中:△Tp為絲條冷卻溫差。

其中，Wp的計算見式(2):

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

式中:Wv為冷卻風質量流量;i1為冷卻風進口焓值，46 kJ/kg;i2為冷卻風出口焓值，92 kJ/kg。

在絲條冷卻過程中，熔體細流與冷風進行熱交換而冷卻固化，根據能量守恒原理，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 冷卻冷量及風量設計值Tab.2 Designed data of cold quantity and air volume

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

1.3 風筒出風高度(h0)的設計

固化區長度是指熔體固化點距噴絲板的距離，是風筒出風高度設計的主要依據。熔體出噴絲孔后，纖維速度、直徑和表面溫度都在變化，影響著熱傳導的數值，纖維周圍的空氣不同于固體邊界層的流動特征，在固化區內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。

假定熔體細流從噴絲板到固化點，纖維的直徑近似地以指數方式下降，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長度(Ls)計算公式:

式中:α 為傳熱系數;T0為熔體進環吹頭初始溫度;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，熔體取向態結晶溫度為125℃，熔體固化溫度為80℃，在環吹風高度的設計過程中絲120℃固化區長度要包含在吹風高度內。因此，本方案確定h0為200 mm。

在紡絲生產中可通過調節工藝參數，來彌補設備適用性的不足，但若要適用多規格的產品生產，則需向用戶提供出風高度多規格的環吹頭。

1.4 環吹風筒內徑(d0)計算

吹風裝置的工藝要求為吹風速度1～3 m/s。若以風速2 m/s，風量每位3 000 m3/h 計算，根據流體動力學流量與流速的關系，出風面積(A0)和風筒內徑(d0)可通過公式(8)和(9)求得:

式中:V0為風速。

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

1.5 環吹風筒外徑(d1)計算

根據流體動力學流量與流速的關系，通過公式(10)，(11)可計算得到風室圓環截面積(A1)值和d1。見圖1。

式中:V1為冷卻風在裝置內的平均風速，為3～5 m/s。

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

1.6 上風室外壁曲線計算

在吹風冷卻裝置的送風高度內絲條正處于固化區，有復雜的流動現象和流變特征，纖維線密度、溫度、應力、取向和結晶等方面都發生較大的變化，對風速分布極為敏感，紊亂的風速分布會影響絲的取向度、直徑不勻率、疵點含量等指標。理想的風速分布，要求風速沿紡程分布均勻、風量穩定、呈層流態。

風速的分布可以通過對上風室外壁曲線的設計來改變。上風室的外壁相當于氣流導向板，經過中間整流層后，上升的氣流遇到氣流導向板發生轉向，不同的氣流導向板所能實現的風速分布不同。要在整個送風高度上得到均勻的氣流分布，則冷卻風在上風室內各個部分都應具有相同的阻力系數，上風室內各個高度上應有相等的靜壓［8］，整個上風室的截面應逐漸縮小，由于送風裝置內筒的直徑不變，所以可通過設計上風室外壁曲線，以保證環吹風沿紡程方向風速均勻，上風室內靜壓處處相等，由此推導出上風室外壁的曲線方程見式(12):

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

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

圖2 上風室外壁曲線Fig.2 Upper chamber contour curve diagram

由于曲線的設備外表面制造難度大，一般都采用直線代替曲線的外壁設計，本方案設計中使用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 上風室外壁形狀的線性擬合Fig.3 Linear fitting diagram of upper chamber contour curve

2 設計結果分析

根據以上理論計算所設計制作的環吹頭在風量3 000～3 480 m3/h，主風道風壓1 500 Pa 的條件下，實際測得平均風速為2.11～2.37 m/s。在以下生產工藝條件下進行帶料測試:冷卻風初始溫度20℃，冷卻風濕度81%，組件預熱溫度(300±10)℃，牽引輥速度1 200 m/s。采用8 000 孔噴絲板生產纖維時，風量3 000 m3/h，在環吹頭出口處(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 孔噴絲板生產時，風量3 480 m3/h，在環吹頭出口處(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。

在風速2 m/s 的條件下，應用公式(3)計算得到絲束80℃和120℃La分別為254 mm 和179 mm(見表3)，理論上風筒出風高度應該在這兩個數值之間比較合理。但在萬孔級的冷卻裝置中，裝置實際出風高度為200 mm 時，在設計風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，由于噴絲板直徑增大到500 mm 以上，熱風集中在噴絲板中心下方，影響了內層絲束熱量交換，可通過增加風量，降低風溫等生產工藝進行調節，也可更換出風高度更大的風筒。通過實驗發現，在工藝參數和設備不變的條件下，將裝置出風高度增加到300 mm 后，在環吹頭出口處(視窗上部)空氣最高溫度約50℃，纖維冷卻較充分，所生產的原絲斷裂強度提高25%，斷裂強度CV值降低17.7%，質量明顯提高。

3 結論

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

b.上風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，合理的設計和制造精度的保證最終使裝置達到生產要求。

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