超大容量涤纶短纤维环吹风装置的设计

石禄丹，冯 培

(东华大学 纺织装备教育部工程研究中心，上海 200051)

为了满足化纤生产的高速、多孔、短程和高效的要求，20世纪90年代后期，国内多家公司引进了DuPont，Neumag，Zimmer 等公司的高效率的纺丝冷却吹风装置。这些装置主要有两种形式:中心向外环吹风和外向内环吹风形式。外环吹有单层整流型和上下风室型两种结构形式，单层整流型结构简单，造价低，但风速变动范围小，沿纺程的风速差异大。仪征化纤股份有限公司引进的BN100型环吹风和龙涤集团引进的Zimmer 的100 t/d 生产线均采用上下风室型低阻尼全密闭式环吹［1－2］，冷却效果较好。

国内生产厂家在消化吸收国外环吹风技术的基础上，开发了国产环吹风设备。邵阳纺织机械有限责任公司的30～60 kt/a 涤纶短纤维纺丝联合机中，冷却装置采用的是低阻尼中心内环吹风设计。上海太平洋纺织机械有限公司在生产能力4.5 t/d 的生产线上大多数采用了外环吹形式的冷却设备，在部分30 kt/a 生产线中采用了高阻尼中心吹冷却方式。

大容量的涤纶短纤维生产技术由于具有基建投资少、生产成本低、工艺先进等优势，成为涤纶短纤维的发展趋势。目前，国内外主流的大容量涤纶纺丝装置生产能力均为30～60 kt/a，喷丝板孔数(n)为4 000～6 000，纺丝单位吐出量(Wp)为3～5 t/d。但对于n 为8 000～10 000，Wp为6～9 t/d 超大容量的纺丝装置，鲜有投产［3－4］。对于超大容量的涤纶短纤维生产装置，万孔级的喷丝板直径达到500 mm 以上，要满足丝束的冷却要求，需要对环吹风冷却装置重新进行设计。

1 外环吹风冷却装置的设计

1.1 工艺条件确定

设计依据:熔体喷出温度290℃，熔体取向态结晶温度125℃［5］，熔体固化温度80℃，冷却风初始温度20℃，出风窗时的排气温度50℃。涤纶熔体等压比热容(Cp)为1.88 kJ/(kg·℃)，涤纶熔体密度(ρ)为1.18 g/cm3，吹风速度1～3 m/s。冷却装置所适用纺丝实验条件如成品单丝线密度(D)、喷丝微孔直径(dp)，纺丝速度(V)、拉伸倍数(m)等见表1。

表1 纺丝条件Tab.1 Spinning conditions

在生产实践中，对于密闭式外环吹装置，在环吹头出口处(视窗上部)空气最高温度约为50℃，可以认为初生纤维能够得到充分冷却。温度过低表明丝束过早冷却，原丝没有得到一定的取向拉伸，形成僵丝，使后加工困难;若风温过高，说明丝束达不到冷却效果，容易产生并丝。

1.2 丝条冷却冷量(Q)及冷却风量计算

在纺丝生产中，丝条冷却需要的Q、环吹送风量是重要工艺参数，也是冷却装置设计的必要条件。

式中:△Tp为丝条冷却温差。

其中，Wp的计算见式(2):

冷却风进入纺丝仓内初始温度(20 ±1)℃，相对湿度70%，经过与丝条热交换后出口风温度(50 ±5)℃，相对湿度30%。冷却风热交换后所吸收的热量(Qv):

式中:Wv为冷却风质量流量;i1为冷却风进口焓值，46 kJ/kg;i2为冷却风出口焓值，92 kJ/kg。

在丝条冷却过程中，熔体细流与冷风进行热交换而冷却固化，根据能量守恒原理，如果不考虑装置本身，Qv等于Q，则Wv利用公式(4)求得:

冷却风的体积流量(Gv)通过公式(5)计算:

式中:ρv为空气密度，1.2 kg/m3。

通过上述计算，可得到表1 中A，B，C 3 种工艺条件下所需的Q 及Gv，见表2。

表2 冷却冷量及风量设计值Tab.2 Designed data of cold quantity and air volume

设计中，Gv选取应合理，Gv过小，会使吹风筒上层风速过小;Gv过大，浪费投资和增加能耗。根据以上理论计算，考虑装置及环境本身影响，本方案中取Gv为3 000 m3/(h·位)。

1.3 风筒出风高度(h0)的设计

固化区长度是指熔体固化点距喷丝板的距离，是风筒出风高度设计的主要依据。熔体出喷丝孔后，纤维速度、直径和表面温度都在变化，影响着热传导的数值，纤维周围的空气不同于固体边界层的流动特征，在固化区内用实验的方法直接测量表面摩擦的热通量比较困难，因此必须从理论上进行估算。

假定熔体细流从喷丝板到固化点，纤维的直径近似地以指数方式下降，丝条的速度也逐渐由喷丝孔的喷出速度增加到卷绕速度。在这些假定基础上，得到熔体出喷丝孔的喷出温度到冷却温度之间的固化区长度(Ls)计算公式:

式中:α 为传热系数;T0为熔体进环吹头初始温度;T1为熔体温度;Ta为冷却空气平均温度，35℃;e 是自然对数底，为2.718。

丝条冷却的α 计算［6］见式(7):

式中:A 为丝条的截面积;Vy为冷却气流在垂直于V 方向上的分量，近似于冷却风速。

从实验得知，采用公式(7)得出的α 偏小25%［7］，需要进行修正。应用公式(6)估算在表1中的3 种纺丝条件下的Ls，见表3。

表3 Ls的设计值Tab.3 Designed Lsvalue

表3 中80℃和120℃时的Ls平均值分别为254 mm 和179 mm。在丝条冷却过程中，熔体取向态结晶温度为125℃，熔体固化温度为80℃，在环吹风高度的设计过程中丝120℃固化区长度要包含在吹风高度内。因此，本方案确定h0为200 mm。

在纺丝生产中可通过调节工艺参数，来弥补设备适用性的不足，但若要适用多规格的产品生产，则需向用户提供出风高度多规格的环吹头。

1.4 环吹风筒内径(d0)计算

吹风装置的工艺要求为吹风速度1～3 m/s。若以风速2 m/s，风量每位3 000 m3/h 计算，根据流体动力学流量与流速的关系，出风面积(A0)和风筒内径(d0)可通过公式(8)和(9)求得:

式中:V0为风速。

若有200 mm 和300 mm 两种出风高度，则d0为663～442 mm，具体确定d0时，要注意风筒内径一般比喷丝孔外圈直径大10～20 mm。

1.5 环吹风筒外径(d1)计算

根据流体动力学流量与流速的关系，通过公式(10)，(11)可计算得到风室圆环截面积(A1)值和d1。见图1。

式中:V1为冷却风在装置内的平均风速，为3～5 m/s。

图1 进风口及下风室横截面示意Fig.1 Schematic sectional view of air inlet and down chamber

1.6 上风室外壁曲线计算

在吹风冷却装置的送风高度内丝条正处于固化区，有复杂的流动现象和流变特征，纤维线密度、温度、应力、取向和结晶等方面都发生较大的变化，对风速分布极为敏感，紊乱的风速分布会影响丝的取向度、直径不匀率、疵点含量等指标。理想的风速分布，要求风速沿纺程分布均匀、风量稳定、呈层流态。

风速的分布可以通过对上风室外壁曲线的设计来改变。上风室的外壁相当于气流导向板，经过中间整流层后，上升的气流遇到气流导向板发生转向，不同的气流导向板所能实现的风速分布不同。要在整个送风高度上得到均匀的气流分布，则冷却风在上风室内各个部分都应具有相同的阻力系数，上风室内各个高度上应有相等的静压［8］，整个上风室的截面应逐渐缩小，由于送风装置内筒的直径不变，所以可通过设计上风室外壁曲线，以保证环吹风沿纺程方向风速均匀，上风室内静压处处相等，由此推导出上风室外壁的曲线方程见式(12):

式中:r1为环吹筒外径值;r2为稳压室内径值;r为风筒沿纺程方向中心线与上室外壁之间的水平距离;x 为沿纺程方向与风筒最上端的距离;L 值应大于等于120℃时的固化区长度，保证在125℃时热量交换最为剧烈时风速不会降低。

由式(12)方程可知，上风室外壁曲线为抛物线，见图2(V1为经过整流后吹向上风室的冷却风速，V2为吹向风筒的风速)。

图2 上风室外壁曲线Fig.2 Upper chamber contour curve diagram

由于曲线的设备外表面制造难度大，一般都采用直线代替曲线的外壁设计，本方案设计中使用Origin 软件用直线来拟合抛物线(图3)，得到斜率为0.421 的直线方程。

图3 上风室外壁形状的线性拟合Fig.3 Linear fitting diagram of upper chamber contour curve

2 设计结果分析

根据以上理论计算所设计制作的环吹头在风量3 000～3 480 m3/h，主风道风压1 500 Pa 的条件下，实际测得平均风速为2.11～2.37 m/s。在以下生产工艺条件下进行带料测试:冷却风初始温度20℃，冷却风湿度81%，组件预热温度(300±10)℃，牵引辊速度1 200 m/s。采用8 000 孔喷丝板生产纤维时，风量3 000 m3/h，在环吹头出口处(视窗上部)空气最高温度约70℃，纤维冷却不充分，纤维温度约110℃;采用10 000 孔喷丝板生产时，风量3 480 m3/h，在环吹头出口处(视窗上部)，测得空气最高温度80～90℃，纤维温度约120℃，纤维冷却不充分。

在风速2 m/s 的条件下，应用公式(3)计算得到丝束80℃和120℃La分别为254 mm 和179 mm(见表3)，理论上风筒出风高度应该在这两个数值之间比较合理。但在万孔级的冷却装置中，装置实际出风高度为200 mm 时，在设计风量条件下不能满足丝束冷却要求。对于超大容量的纺丝生产，由于喷丝板直径增大到500 mm 以上，热风集中在喷丝板中心下方，影响了内层丝束热量交换，可通过增加风量，降低风温等生产工艺进行调节，也可更换出风高度更大的风筒。通过实验发现，在工艺参数和设备不变的条件下，将装置出风高度增加到300 mm 后，在环吹头出口处(视窗上部)空气最高温度约50℃，纤维冷却较充分，所生产的原丝断裂强度提高25%，断裂强度CV值降低17.7%，质量明显提高。

3 结论

a.超大容量的纺丝生产中，相同的单孔Wp，由于喷丝板n 的增加，喷丝板直径更大，热风集中在喷丝板下方，影响了纺丝仓内丝束冷却效果。当风筒出风高度由200 mm 增加到300 mm 时，实验证明达到了冷却要求，原丝的断裂强度提高了25%，CV 值降低了17.7%。理想的出风高度比熔体80℃固化长度的理论计算值增加了18%。

b.上风室外壁曲线以直线代替，采用Origin软件进行外壁曲线方程的拟合，可以得到误差最小的直线方程，合理的设计和制造精度的保证最终使装置达到生产要求。

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