Обдувка нити в процессе нитеобразования по «расплавному» методу

Важным технологическим приемом, способствующим минимизации неравномерности структурно-механических свойств нитей и волокон, получаемых по «расплавному» методу, является стабильная обдувка экструдируемых струй расплава волокнообразующего полимера направленным потоком воздуха. В зависимости от линейной плотности филаментов, количества отверстий в фильере и их взаимного расположения, от природы волокнообразующего полимера выбирается скорость обдувочного воздуха, его температура и влажность, а также способ обдува.

На рис. 2 приведены различные схемы подачи обдувочного воздуха. Боковой односторонний и радиальный центростремительный обдув применяются главным образом при получении нитей, а радиально-центробежные варианты обдува - при получении жгутового волокна. Боковой обдув используется также при нитеобразовании с применением прямоугольных фильер. Поток обдувочного воздуха способствует созданию стабильного натяжения формирующихся филаментов в процессе отверждения струй расплава, а также равномерному теплообмену при охлаждении струи и фиксации протяженности участка ОА (рис. 1).

Для описания процесса теплообмена при обдуве пучка остывающих струй расплава волокнообразующего полимера допускается, что в нем отсутствует взаимодействие пограничных воздушных слоев, образующихся вокруг отдельных филаментов. В этой ситуации важно оценить количество воздуха, которое необходимо подать для охлаждения пучка филаментов, составляющих нить, до заданной температуры, а также длину пути нити в прядильной (обдувочной и сопроводительной) шахте.

Уравнение теплового баланса процесса охлаждения следующее:

Q = G_f × C_p,f × DТ_f + G_a × C_p,a × DТ_a. (10)

Здесь: Q - количество теплоты, передаваемой в единицу времени при теплообмене формуемой нити с охлаждающим воздухом;

G_f; G_a - массовый расход волокнообразующего полимера и воздуха в процессе нитеобразования;

C_p,f;C_p,a - средняя теплоемкость филаментов и воздуха;

DТ_f; DТ_a - разница температуры филаментов и воздуха на входе и выходе из шахты.

I Боковой односторонний

II Радиальный центростремительный

III a, b Радиальный центробежный

Рисунок 2 - Схемы «обдувки» при нитеобразовании по расплавному методу

Уравнение (10) позволяет оценить теоретически минимальное количество воздуха, которое необходимо для охлаждения нити при условии, что весь подводимый для охлаждения воздух участвует в процессе теплообмена. Однако в процессе теплообмена участвует только та доля воздуха, которая непосредственно воздействует на охлаждаемый пучок филаментов.

Поэтому фактический расход воздуха, G_а,f, будет существенно больше вычисленного по уравнению (10). Величина G_а,f может быть оценена по средней скорости воздуха в сечении обдувочной шахты, с учетом ее длины и ширины (диаметра).

G_а,f = r_а × V_a× L_а × D_а , (11)

где r_а - плотность воздуха;

V_a - средняя скорость воздуха;

L_а, D_а - длина и ширина обдувочного устройства.

Длина охлаждающего устройства (зоны обдува) может быть оценена из уравнения

. (12)

Уравнение (12) связано с уравнением конвективного теплообмена нити при ее охлаждении в процессе нитеобразования следующей зависимостью:

Q = a _то × F × D Т _ln , (13)

где - средний диаметр филамента;

n - число филаментов;

DТ_ln - среднелогарифмический температурный напор между поверхностью филаментов и обдувочным воздухом;

a_то- коэффициент теплоотдачи от филамента воздуху;

F = p × n × L_а - площадь поверхности теплообмена пучка остывающих филаментов с воздухом;

L_а - длина зоны охлаждения.

Вычислить можно по следующей формуле [7]:

. (14)

Здесь: d₀ - диаметр отверстия капилляра фильеры;

d_f,о - диаметр филамента в точке отверждения;

d₀ = d_f,о × , где χ - кратность фильерной вытяжки;

Н_т - длина участка отверждения филамента (участок ОА рис.1);

l – «текущая» длина пути нити в шахте.

Для описания процесса охлаждения пучка филаментов необходима также оценка коэффициента теплоотдачи от филамента к воздуху, a_то. Для этого необходимо знание закона распределения температуры по поверхности нити и изменения толщины гидродинамического пограничного слоя на поверхности филамента [8], [11]. Например, при скорости приема MOY полиэфирной нити Т_t 16,5 текс f 36 равной V_п = 2000 м×мин^-1 значение a_то = 28,6 Дж(м²× час× град)^-1, а Н_т = 0,8 м, но при получении POY-нити аналогичной линейной плотности при V_п = 3600 м×мин^-1, a_то = 32,7 Дж(м²× час× град)^-1 при Н_т = 1,12 м.

В первом приближении при поперечном обдуве можно записать:

a_то @ k₁ × Re^0,8 = k₂ × V_a^0,8. (15)

Здесь: k₁ и k₂ - эмпирические константы.

Увеличение V_a от 0,1 до 0,3 м×с^-1 при поперечном обдуве приводит к повышению a_то в 2,4 раза, а от 0,3 до 0,6 м× с^-1 - еще вдвое [6].

Возрастание V_а в поперечном направлении ограничено опасностью проявления турбулентности потока: граничное значение Re = 2300. Так, при диаметре отверстия фильеры d₀ = 0,25 мм при V_а = 1,0 м×с^-1 при поперечном обдуве вблизи плоскости фильеры Re = 15,6, а на расстоянии 2 м от нее Re = 0,63. Турбулентность обдувочного воздуха является одним из факторов обусловливающих увеличение неравномерности линейной плотности формуемой нити по ее длине [5].

Значения Re в процессе нитеобразования обычно находятся в диапазоне 0,5¸50. Вместе с тем теплообмен между остывающими филаментами и обдувочным воздухом в общем виде описывается зависимостью

Nu = f(Re, Pr), (16)

где

.

Для поперечного потока обдувочного воздуха принимают

Nu = 0,764 × Rе^0,38,

а для параллельного Nu = 0,42× Rе^0,334.

Согласно [8], [9], значения a_то изменяются в зависимости от условий обдувки следующим образом:

. (17)

Здесь: V_a,// и - скорость воздуха в поперечном и продольном (по отношению к нити) направлении. При поперечном обдуве a_то почти в два раза больше, чем при продольном обтекании воздухом пучка филаментов.

В зависимости от линейной плотности филаментов и их количества в нити скорость обдувочного воздуха, V _а, задается обычно в следующих пределах:

нить	Vа × м× с-1
РЕТ	0,1 ¸ 0,8
РА-6	0,7 ¸ 1,8
РА-66	1,3 ¸ 2,7
РР	2,0 ¸ 2,8

В табл.3 приведены оптимальные параметры обдувочного воздуха, обеспечивающие условия стабильного нитеобразования различных волокнообразующих полимеров.

Таблица 3 - Оптимальные параметры обдувочного воздуха при нитеобразовании по «расплавному» способу [5]

Полимер	Температура, 0С	Относительная влажность, j, %	Объемная скорость подачи воздуха на 1 рабочее место, нм3×кг-1 волокна
РР	10-14	80 ± 5	25 - 30
РА - 66	14-16	80 ± 2	18 - 25
РА -6	14-16	80 ± 2	18 - 25
РЕТ	18-20	75 ± 5	10 - 20
РМО	14-16	70 ± 5	15 - 20

Стабильная относительная влажность обдувочного воздуха, j, способствует ускорению и повышению равномерности теплообмена между струей расплава волокнообразующего полимера и охлаждающей средой вследствие увеличения теплопроводности воздуха при повышении j.

Ф. Фурне [5] предложил следующее уравнение для расчета подачи обдувочного воздуха:

G_а ={[S_т -С_p,f×(T_m - T_f)]/ C_p,a(Q₂- Q₁) × r_a }× G_f . (18)

Здесь: G_а - подача воздуха, нм³(час)^-1;

G_f - подача расплава волокнообразующего полимера, кг(час)^-1;

С_р - теплоемкость (индексы f и a - относятся к волокну и воздуху, соответственно), кДж(кг×град)^-1;

Т - температура полимера ⁰С. Индексы «m» и «f» - относятся к расплаву и филаменту соответственно;

Q - температура воздуха (индексы 1 и 2 - подаваемого и уходящего соответственно), ⁰С;

r_a -плотность воздуха, кг×м^-3;

S_Т – теплосодержание расплава, кДж(кг)^-1.

В технологической практике при формовании РЕТ и РА нитей согласно [5], обычно принимается (Т_m - Т_f)» 235±15 ⁰С. В табл. 4 приведены данные о теплофизических характеристиках «участников» процесса нитеобразования по «расплавному» методу.

Таблица 4 - Теплофизические характеристики некоторых волокнообразующих полимеров

Полимер	Температура расплава, Т, 0С	Теплоемкость, кДж(кг×град)-1	Минимальный расход, Gа, воздуха на обдув, нм3 ×кг-1, (при температуре, 0С)
		расплава, Ср,m	волокна, Ср, f,
РР		4,170	1,850	16(14)
РА-66		2,837	1,802	15(16)
РА-6		2,767	1,512	12(16)
РЕТ		2,142	1,193	5(20)
РМО		2,022	1,425	15(14)

Минимально необходимую для охлаждения формующейся нити подачу обдувочного воздуха можно оценить по [5] или [10]. Результаты вычислений технологически аналогичны.

Пример. Определить (в соответствии с [5]) необходимое количество обдувочного воздуха, подаваемого в прядильную шахту при получении РЕТ нити РОY линейной плотности 10 текс. Скорость приема нити, V_п = 3500 м×мин^-1. Кратность ориентационной вытяжки l_d = 2,7 раза. Содержание замасливателя на нити 0,8 % (масс), содержание влаги 1,0 % (масс).

Решение: - Принимаем, что процесс нитеобразования осуществляется с применением бокового обдува. В соответствии с табл. Б.1 (приложение Б.) теплоемкость воздуха, С _р,а = 1,005 кДж(кг×град)^-1 при 20 ⁰С и давлении 0,1 МПа. Относительную влажность воздуха принимаем равной j = 80%.

- Принимаем температуру расплава Т_m = 300⁰С. В соответствии с табл. А.1 (приложение А разд. 3) теплоемкость расплава полиэтилентерефталата, С_р,m = 2,153 кДж/кг×град.

- Принимаем температуру нити, равной Т_f = Т_m - 250 = 50 ⁰С, а температуру воздуха, уходящего из сопроводительной шахты Q₂ = 40⁰С.

- Вычисление теплосодержания струи расплава проводим по формуле

S_т = G_f×C_P,f×(T_m-T_f). (19)

- Определим массу расплава (нити):

G_f = 10×(1-0,01) ×(1-0,008) ×2,7×3500/1000 = 92,81 г×мин^-1 = 5,57 кг×час^-1.

Следовательно S = 5,57×2,153(300-50) = 2998,1 кДж/час.

- Вычисляем количество обдувочного воздуха.

Баланс тепла в прядильной шахте описывается следующим равенством:

G_a · C_p.a.· (Θ₂ – Θ₁) · ρ_a = G_f [S – C_p.f. (Т_m - Т_f)].

Поэтому: .

Следовательно: нм³/час.

В соответствии с формулой (10) имеем:

Q_а = C_P,f × (T_m - T_f) + S/С_р,а(Q₂ - Q₁)×r_a

G_f = 1,153(300 - 50) + 2998,1/1,005 (40 - 20)1,205 = 135,3 м³×час^-1.

Ответ: Для получения полиэфирной РОY нити линейной плотности 10 текс необходима подача обдувочного воздуха с минимальной объемной скоростью 102 нм³×час^-1 на одно рабочее место, т.е. около 18 м³/кг нити.

Для оценки величины фактически необходимой подачи воздуха [5], [10] предлагают ввести в расчетное уравнение коэффициент f₀, зависящий при боковом обдуве от количества рядов формуемых филаментов в фильере:

(20)

Здесь: n_ч - количество рядов струй расплава (филаментов);

ΔТ_ч - градиент температуры воздуха между соседними рядами;

λ_m – теплота отверждения (кристаллизации) полимера;

Т_с – температура стеклования полимера.

Следовательно, требуемое количество охлаждающего воздуха может быть вычислено по формуле

G_a,ч = f₀ · G_а . (21)

Значения поправочного коэффициента f₀ приведены в табл. 5.

Таблица 5 – Значения f₀ в зависимости от количества рядов струй расплава n_ч

Полимер	Температура, 0С	Значения f0
расплава	Обдувочного воздуха Θ	Количество рядов струй
РР			1,17	1,526	1,975
РА-6			1,216	1,525	1,991
РА-66			1,213	1,502	1,960
РЕТ			1,113	1,188	1,735

Принимая, что поперечный обдув формуемой нити (например, на прядильной машине Zimmer) осуществляется через n_ч = 7, количество необходимого для обдува воздуха составляет:

G_а,ч = f₀ · G_а = 1,188· 102 = 121,2 нм³/час ≈122 нм³/час.

Иная схема расчета количества «обдувочного» воздуха предлагается [10].

Количество тепла, которое необходимо отвести от формуемой нити; q, кДж/час:

(21.1)

Здесь: λ_m – теплота отверждения (кристаллизации), кДж ∙ кг^-1;

ΔТ₁ = Т_m – T_f, где Т_f – температура филамента в точке отверждения, ⁰С;

ΔТ₂ = Т_f – Т_к , где Т_к – температура нити при выходе из сопроводительной шахты, ⁰С;

С_р,m – теплоемкость расплава, кДж/кг ∙ град;

С_f,m – теплоемкость филамента в точке отверждения,

кДж/кг ∙ град.

Минимальное количество воздуха, которое необходимо подавать на «обдув»:

(21.2)

Здесь: ρ_а – плотность воздуха, кг ∙ м^-3;

С_р,а – теплоемкость воздуха, кДж ∙ (кг ∙ град)^-1;

ΔΘ = Θ₂ – Θ₁, ⁰С.

Пример: Вычислить (в соответствии с [10]) необходимое количество обдувочного воздуха, подаваемого в прядильную шахту при получении РЕТ волокна линейной плотности Т_t,f = 0,333 текс. Фильера 1800/0,25. Скорость приема волокна на прядильной машине 1200 м ∙ мин^-1. суммарная кратность ориентационной вытяжки на отделочном агрегате λ_d = 2,8. Содержание авиважных препаратов на волокне 0,8% (масс); влажность волокна 0,7% (масс).

Решение: Принимаем, что процесс нитеобразования осуществляется с применением бокового варианта обдува. Температура подаваемого обдувочного воздуха 20 ⁰С при влажности φ = 75%. Теплоемкость воздуха С_р,а = 1,022 кДж (кг ∙ град)^-1. Плотность обдувочного воздуха, ρ_а = 1,2520 кг ∙ м^-3. Принимаем: температуру расплава Т_m = 295 ⁰С; температуру филаментов в точке отверждения, Т_f = 225 ⁰С; температуру стеклования, Т_с = 75 ⁰С; температуру волокна при выходе из сопроводительной шахты, Т_к = 30 ⁰C; температуру обдувочного воздуха Θ₁ = 20 ⁰С; температуру воздуха после прядильной шахты Θ₂ = 50 ⁰С.

Количество тепла, которое необходимо отвести от формуемой нити

q = 119,032 ∙ 1,844∙(295 - 225) + 119,032 ∙ 144,1 + 119,032 ∙ 2,011(225-30) = 79194,96 кДж ∙ час^-1 ≈ 79,2 МДж∙ час^-1.

На охлаждение филаментов до точки отверждения требуется около 19,4 %; на компенсацию теплоты кристаллизации полимерного субстрата – около 21,7% и на окончательное охлаждение волокна – около 58,9% фригорий холода.

Минимальное количество воздуха, которое необходимо подать на «обдув»

Учитывая, что в выбранной технологической схеме реализуется боковой вариант обдува, воздух должен преодолеть 9 рядов струй расплава (филаментов).

Поэтому: G_a,r = f_o ∙ G_a. В соответствии с табл. 5 для фильеры с 9 рядами отверстий значение f_o принимаем равным 1,735. Следовательно, необходимое для «обдува» количество воздуха на одну фильеру составит:

G_a,r = 2070 ∙ 1,735 = 3591,5 нм³ ∙ час^-1.