（化学工程专业论文）引进纺丝工艺空调系统改造的研究.pdf

中文摘要 天津石化公司聚酯部在建设2 0 万吨聚酯项目过程中，从德国 n u m a g e 公司成套进口了2 条短纤生产线，同时配套进口了工艺空调系 统，用于前纺工序的丝束，冷却成形。空调系统提供的冷却风品质直接 影响到丝束的均一性，对原丝的质量和后道工序的正常生产起着至关重 要的作用。 本文论述了国内工艺空调的发展现状和空调机组内空气的一般处 理方法，并对丝束在冷却室中的状态进行了研究。通过对现场的生产数 据进行调查分析找到原工艺空调系统存在的主要问题：1 、系统控制方 法存在问题，造成风温、风压的波动，超出工艺控制范围，影响产品质 量；2 、工艺路线存在缺陷，造成滤材、滤网经常阻塞，更换周期短， 并且耗费大量的冷冻水，产生较大的生产成本；3 、冷却室内的湍流风 引起丝束的扰动，影响正常的生产。 纺丝空调系统改造工程从两个方面入手。在控制方面，采用露点温 度法控制风温和变频调速法控制风压法进行控制，并辅以机组的整体能 力得提升来进行系统的总体控制改造，以提高控制精度问题；在工艺路 线方面，结合厂区的实际空气质量状况，在空调机组的处理路线上增加 了喷淋段以减少空气所含颗粒，合理调整过滤段的设置，来解决滤网经 常阻塞的问题；通过改进冷却风室内的整流装置，提供整流效果，形成 层流风，减少对丝束的扰动，稳定了生产。 改造取得了良好的效果，冷却风的风温、风压均控制在工艺范围之 内，并且很少波动；冷冻水的用量得到了控制，滤材的更换周期由原来 的l o 天延长到3 0 天。在4 个月内共取得了2 7 0 多万元的经济效益。 关键词：纺丝、工艺空调、改造 a b s t i 认c t t h ep l y e s t e rd e p a r t m e n to ft p c ci m p o r t e dt w of i b e rli n e sf r o m t h eg e r m a nn u m a g ec o r p o r a ti o nd u r i n g2 0 0 ，0 0 0t o n p o l y e s t e rit e m s i m u l t a n e o u s l yt h eq u e n c hu n i tw a si m p o r t e d ，w h i c hc o o lo f ff i b e r t ot a k es h a p e b r e e z e nw i n dp r o v i d e db yt h eq u e n c hu n i ti n f l u e n c e s u n i f o r m i t yo ff i b e rd i r e c t l ya n di tp l a ya ni m p o r t a n tp o l et o q u a l i t yo ft h eo r i g i n a ls i l ka n ds t a b i l i z a t i o no fn e x tw o r k i n g p r o c e d u r e t h et e x td i s c u s s e sd o m e s t i cd e v e l o p m e n to fq u e n c hu n i ta n d g e n e r a lp r o c e s s i n gm e t h o di n s i d eq u e n c hu n i t ，a n ds t u d i e st h e s t a t e m e n to ff i b e ri nc o o li n gr o o m b yi n v e s t i g a t i n ga n d a n a l y z i n gt h ep r o d u c t i o nd a t at h et e x tf i n d so u tt h em a i np r o b l e m s ： t h ef i r s t ，t h es y s t e mc o n t r o lm e t h o dh a sp r o b l e m sr e s u l ti nw i n d t e m p e r a t u r ea n dw i n dp r e s s u r ef l u c t u a ti n go u to fc o n t r o ls c o p e ， i n f l u e n c i n gp r o d u c tq u a l i t y ；t h es e c o n d ，t h ew o r k i n gr o u t eh a s b l e m i s hb r i n g i n go nf i l t e rj a m m e d ，w a s t i n gag r e a td e a lo ff r o z e n w a t e r ；t h et h i r d ，t o r r e n tw i n dd is o r d e rt h ef i b e ri nc o o li n gr o o m r e f l e c to np r o d u c t i v es t a b i1i z a t i o n t h er e f o r m a t i o nc o m m e n c e sf r o mt w os i d e s i nt h ea s p e c t so f c o n t r o lt oi n c r e a s ec o n t r o lp r e c i s i o na d o p t i n gd e w d r o p t e m p e r a t u r em e t h o dc o n t r o lw in dt e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c y c o n v e r s i o nm e t h o dc o n t r o lw i n dp r e s s u r ei nt h es a m et i m e a d v a n c i n gq u e n c hu n i tw h o l ec a p a b i l i t y i nt h ea s p e c t so f t e c h n i c sa d d i n gs p r a y i n gs e g m e n tt or e d u c et h eg r a i n ，a d j u s t i n g f i l t e rs e g m e n tr a t i o n a l l yt or e s o l v ef i l t e rj a m m e du s u a l l y ， i m p r o v i n go nr e c t i f i e rs e tt od e c r e a s i n gd i s t u r b a n c et ot h e f i b e r t h er e f o r m a t i o no b t a i n s g o o dr e s u l t w i n dp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e di nt h et e c h n i c sr e q u i r e ds c o p e t h e d o s a g eo ff r e e z i n gw a t e rg e t sac o n t r 0 1 t h er e p l a c e dp e r i o do f f i l t e rm a t e r i a li s p r o l o n g e d f r o m1 0d a y st o3 0d a y s t h e r e f o r m a tio no b t a in so v e r2 ，0 0 0 ，0 0 0y u a nin4m o n t h k e yw o r d s ：s p i n n i n g ，q u e n c hu n i t ，r e f o r m a t i o n 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作_ j f n l y , 得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人发表 或撰写过的研究成果，也不包台为获得丞盟达堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名易渺艮签字帆如洲肋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云墓拦有关保留、使用学位论文的规定。特授 权丞整太堂可以将学位沦文的全部或部力内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 姗虢”b 民 签字只期：a 心刁年7 月弓舟f j 新虢雾绷瓤别币签名：乃碉心 签字聃：印引彤明 第一章前言 第一章前言 天津石化公司聚酯部( 原化纤厂) 作为我国四大化纤基地之一，在2 0 世纪 9 0 年代为我国的化纤事业的发展做出了卓越的贡献，其产品“天仙”牌短丝为 国标丝。上世纪末，为了谋求更大的发展，扩大规模，降低消耗，进一步稳定 市场份额，创造更大经济效益，决定在原有基础上建设聚酯2 期项目。项目包 括连续重整装置6 0 万吨年、对二甲苯装置2 5 万吨年，精对苯二甲酸装置2 5 万吨年、聚酯装置2 0 万吨年、涤纶短丝装置1 0 万吨年、涤纶长丝装置2 万吨 年【。涤纶短丝装置是该项目重要的产品产出装置，整体进口了德国n e u m a g 公司的设备和生产工艺。采用聚酯熔体为原料，直接纺丝工艺进行生产。 短丝装置分为前纺和后加工两道工序。在前纺工序中，高聚物熔体，以一 定的流量从喷丝板( 或喷丝头) 孔喷出，在喷丝板到卷绕装置之间，丝条被拉伸至 需要的细度，并经过冷却空气介质的充分冷却固化，生产出原丝。在化纤厂， 把为工艺流程提供冷却空气的系统叫工艺空调系统【2 】，此系统一般包括空调机 组、送、回风风道、冷却风窗三部分。 在实际生产中短丝装置采用风程较长而柔和的侧吹风对丝条进行冷却。丝 束的冷却成形过程是一个传热和受力形变的过程，因此，侧吹风的冷却固化条 件对初生纤维的结构、性能有决定性的影响，冷却条件变化对纺丝生产线的影 响是全面的。同时由熔体纺丝动力学研究可知，冷却条件对初生纤维的质量， 如纤度、染色性及伸长的均匀性等，都具有决定性的影响，所以，工艺空调提 供的冷却成形条件，必须保证在纺丝线上形成理想而稳定的温升分布，而且尽 量减少对纺丝线上的张力干扰，否则会使原丝纤度不均匀，还会带来原丝大分 子结构的不均匀，最终影响短丝原丝的物理机械性能。这种影响在前纺工序表 现为经常产生绕辊、断丝等物理现象，造成生产的不稳定以及生产消耗的上升。 但这只是影响的一小部分，它的致命影响将产生在后加工工序。由于冷却的不 充分或产生扰动，造成前纺生产的原丝没有均匀的纤度和均匀的结构，在后加 工工序的牵伸过程中，各单根丝束很难达到一致的拉伸效果，从而产生部分丝 束拉断的现象，一般会造成绕辊现象，严重的将无法进行正常的生产。同时没 有经过充分拉伸的丝束经过卷曲工序时将产生硬丝、疵点等现象，并最终影响 成品丝的质量。 第一章前言 短丝装置原设计有两台侧吹风工艺空调机组，配有相应的送风风道和冷却 风室，分别供a 、b 两条生产线使用。经过一个时期的运转，发现此空调系统提 供的侧吹风的风温、风压等参数无法持续稳定，影响了产品质量和正常的生产。 同时由于空调机组控制方法的原因使冷冻水的消耗量和滤材的使用量均很大， 带来较大的能源和物料的消耗，以上这些问题使企业运转举步为艰，成为生产 的瓶颈问题。具体问题主要表现在以下几个方面。 1 、能源和物料消耗较大，产生巨大的费用投入。由于空调机组工艺路线设 计中新风直接进行初、中效过滤，造成空调滤网以及侧吹风网的经常阻塞，使 滤材更换频繁，侧吹风网清洗频繁，平均一周进行次，每次更换费用大约为 1 2 万元，年费用为4 6 万元。而且在更换过程中造成风压0 1 p a 的扰动( 侧吹 风工艺控制在0 5 5 p a ) ，影响原丝质量。同时由于原空调装置没有喷淋段，直接 使用冷冻水进行空气的冷却，因此，一年中除冬季外均要使用冷冻水，造成了 大量资金的浪费，年使用冷冻水约为3 5 0 万吨，费用则超过千万元。由以上两 项产生的运转需要巨大的费用，成为企业的负担，并且极大的限制了效益的产 生，占用了大量的人力和物力，给企业造成了较大生产成本； 2 、提供的冷却空气介质无法满足要求，造成产品品质下降，生产不稳定。 侧吹风工艺条件主要包括侧吹风的风温、风湿及风速。由于空调机组原设计工 艺路线和控制方法的不合理，致使风温、风湿、风速波动频繁，且波动幅度较 大，时间较长，这些都给产品质量带来了很大的影响，运转一年后，统计年平 均产品优等品率为9 5 ，一等品率9 7 ，合格品仅为9 8 ，均没有达到企业要 求的指标。同时由于丝束纤度不均匀，致使丝束在牵伸、卷曲工序产生了大量 的绕辊，断丝等现象，严重影响了正常的生产运转。 3 、原空调系统没有设计在线风机备台，在空调机组发生问题进行检修时， 整个机组就会停下来，相应的生产线便会停车，造成较大的生产损失。对于连 续生产的装置来讲，这一问题是致命的，每次停车和开车均会带来很大的生产 消耗，并且无法完成企业所要求的长周期、满负荷运转。 空调系统经过一年多的运转，通过对大量的现场生产数据和生产记录的分 析，认识到此空调系统存在着严重的设计缺陷，已经不能适应短丝装置的正常 运行的需要，并且成为影响短丝装置运转的重要瓶颈问题。同时企业为了进一 步发挥进口装置的优势，已经计划在现有基础上提产1 0 ，进一步扩大规模， 以便达到降低单位生产成本的目标。为了能切实解决生产的瓶颈问题，并且使 提产计划能过顺利地完成，达到企业扩产降耗的目标，必须对现有空调系统进 2 第一章前言 行增容和改造，改造的目标主要有： 1 1 减少冷冻水的使用量，延长滤材的使用周期，降低生产成本； 2 1 确保空调提供的冷却风的风温、风压稳定，符合工艺设计要求，能够保 证产品质量合格； 3 ) 增设在线备台，保证可以在维修的过程中，连续生产； 4 ) 为装置进一步扩容留出设计余量，以便企业在以后的发展过程中，不再 重复投资建设，造成新的浪费。 3 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1侧吹风工艺空调机组发展现状及方向 在化纤纺丝生产过程中，满足丝束冷却成形工艺要求的侧吹风工艺空调机组是 必不可少的设备之一。侧吹风空调系统送风参数温度、湿度、压力的精度和稳 定性直接影响纺丝产品质量h 。目前，化纤生产厂愈来愈认识到：后加工工序出现 的断丝、毛丝、染色效果差、染色不均匀及侧吹风网窗的清洗次数频繁等现象均与 侧吹风送风质量密切相关p 】。随着生产厂纺丝规模的不断扩大、每条纺丝生产线位 数的增多，侧吹风空调机组的故障停车造成生产线全纺丝位停产带来的经济损失也 在增大。因此，侧吹风空调机组在化纤纺丝生产中的地位与作用显得愈来愈重要。 实践证明：侧吹风空调机组的送风质量，对纺丝产品质量的影响率占到5 0 6 0 【5 】。 2 1 1国产侧吹风空调机组的发展历程 国内化纤纺丝侧吹风空调机组的发展经历了四个阶段： l 、引进化纤纺丝生产线配套进口侧吹风空调机组阶段 自上世纪7 0 年代末引进纺丝生产线开始至9 0 年代初期，化纤纺丝生产线所需 侧吹风空调机组均为配套引进。在引进纺丝生产线初期，国人对化纤工艺设备处在 消化吸收阶段，由于国内生产工业环境空调机组的厂家不具备生产侧吹风空调机组 的能力，国产自控仪表的性能也不过关，进口仪表渠道又不通畅，加之外商鼓吹侧 吹风空调机组的神秘化，提出不配套引进侧吹风空调机组就不能保证纺丝生产质量 等，这迫使国人不得不花大量外汇引进侧吹风空调机组，使得侧吹风空调机组的国 产化进程受到一定的限制，致使在较长时间内纺丝生产线配套侧吹风空调机组全部 靠国外引进。 2 、研制、试用、起步阶段 自1 9 9 0 至1 9 9 4 年，国内化纤生产厂家生产技术、管理水平不断地提高，并且 对纺丝工艺的认识和实践经验的增加，尤其在私营化纤企业崛起后，为降低生产成 本，追求高额利润，迫切要求侧吹风空调机组的国产化。因此，侧吹风空调机组国 产化开始逐步起步，部分空调设备生产厂家开始研究并生产侧吹风空调机组，但由 于空调工艺与自动化控制专业技术的衔接存在问题，而且国产电气、自控仪表质量 还很不过关等问题，致使国产侧吹风空调机组的质量很不稳定，设备使用寿命短、 4 第二章文献综述 故障率高。 3 、国产化阶段 自1 9 9 5 年至1 9 9 9 年，随着市场经济的不断发展，国外电气仪表知名厂商如美 国江森、德国西门子等公司的产品不断进入国内市场，使国产侧吹风空调机组配套 进口仪表成为发展趋势。国产侧吹风空调机组与进口仪表的有机结合，使得侧吹风 空调机组的技术发展水平不断提高，送风质量逐渐趋于稳定可靠。国产侧吹风空调 机组替代进口机组大大降低了投资成本，在给厂商带来经济效益的同时，又促进了 国产化侧吹风空调机组的开拓发展，致使国产化侧吹风空调机组的占有率达9 5 以上。 4 、改进、提高、超越阶段 一2 0 0 0 年至今，侧吹风空调机组国产化之后，空调设备生产厂家具备了制造、 改进生产空调设备的能力，长期以来纺丝侧吹风空调机组在生产中暴露出的一系列 问题，也越来越引起厂商的关注。有关企业对侧吹风送回风系统设计、空调机组工 艺设计、机组结构配置以及自动控制系统节能控制方案的设计等方面作了许多改 进，并发明了多项专利技术，从而提高了国产化侧吹风空调机组的技术性能，某些 专项技术已超过国外侧吹风空调机组的技术水平。 2 1 2 国产侧吹风空调机组替代进口的必然趋势 化纤侧吹风空调机组国产化至今，有其内在的必然因素： 1 、国外进口整个机组昂贵的价格已不适应目前国内市场经济的微利时期，引 进侧吹风空调机组必然增加投资成本，延长投资回收期，投资回报率低； 2 、工业空调机组目前仍然属于非标准设备范畴。决定空调机组的因素很多， 诸如：风量、风压、是否设回风机、根据地区设置功能段、操作面方式、接管方位、 空调室占地面积、回风口和送风口方位等等，国外定型的工装模具与自动化的加工 方式，不适应非定型设备空调机组的生产，势必造成成本增高，而国内人工操作的 半自动加工设备的生产方式，则最适合这种单件、小批量非标准设备的生产加工； 3 、随着化纤厂纺丝规模的不断扩大，利用原有厂房改造扩建的项目增多，根 据现场实际情况改造空调系统涉及诸多专业技术，如空调系统设计、公用工程用量、 土建结构条件、空调室位置、空间大小等等，同外空调设备生产厂家对大多数项目 不能适应现场设计要求，与其相比，国内生产成本较低、空调设备价格低廉、售后 服务快捷，使侧吹风空调机组国产化成为必然趋势。 2 1 3 两种侧吹风空调机组介绍 国产侧吹风空调机组生产厂家的前期产品形成有两种模式：一种是自动控制设 第二章文献综述 备厂家选配环境空调设备厂家，配套改造成侧吹风空调机组，即自控系统配空调机 组模式，这种空调设备生产模式结合生产实践不断的改进提高，达到目前纺丝侧吹 风空调机组的技术水平。其中郑州八达空调就是一种。 郑 少h j l 达空调有限公司生产的侧吹风空调机组是借鉴德国l t g 公司技术，喷 淋系统采用瑞士l u w a 公司技术，与原纺织部设计院共同研制开发的空调机组， 其特点是：组装式框架大板结构，无底板，机组现场组装，整体不锈钢水池，改性 p v c ( 或a b s ) 挡水板，仿罗瓦喷嘴，风机配减振台及分体式弹簧阻尼减振器等，是 国内侧吹风空调机组的代表。 郑州八达空调有限公司生产的侧吹风空调机组的技术特点为：喷淋段外置式循 环水过滤装置，实现不停机机外清洗更换回水过滤网：中效过滤移动式风门切换装 置，解决了调节窗切换的压力波动、阻力过大等问题实现了切换压力波动小等 压切换；复合式空调机组环境风替代侧吹风的转换装置，解决了侧吹风送风机出现 故障时，用环境风替代侧吹风的临时应急措施，使连续化纺丝生产损失降到最小程 度。 空调机组自控系统采用进口美国江森、德同西门子自控仪表元件，主控机采用 美国江森d d c 直接数字控制器，微机编程，实现全年季节工况自动转换的全自动 节能运行控制。控制方式有以下几种：非露点控制方式；露点控制方式：双露点控 制方式；新回风温度比较控制方式；新回风焓值比较控制方式；温度分段与焓值分 段控制方式；远程上位机中央监控方式。 另一种是空调设备厂家消化吸收国外进口空调设备技术，开发配套自动控制系 统即空调机组配自控系统模式。洛阳石化总厂化纤厂1 0 0k t a 涤纶短纤维生产装 置共两条生产线，采用美国杜邦公司的先进工艺技术，每条生产线的产量为1 5 0t d ( 线密度1 3 3d t e x ) ，是目前国内较大的涤纶短纤维生产线，其配套的工艺空调 为郑州中大空调设备公司生产的z k 州一1 8 型复合式组合空调，单台额定处理 风量为1 8 1 0m 3 h 。该空调设有回风、排风、混风、初过滤、一次加热、喷 淋、一次表冷、送风等功能段，为纺丝间和卷绕间提供环境用风，另设二次加热、 二次表冷、精过滤及加湿等功能段，为丝束提供骤冷却风，其中送风段配两台送风 机，如图2 1 所示。 该空调系统的特点是使用一台空调机组同时为丝束冷却系统、纺丝间和卷绕间 送风。为了既能保证丝束冷却系统和纺丝、卷绕间的空调温度、湿度，又不设多台 空调机组，该空调系统将所有的空调风处理至同一露点状态，然后对湿度要求不高 的纺丝、卷绕问直接送露点风，对湿度要求高的丝束冷却系统则对露点风进一步处 理，使其达到要求后再送骤冷却风。 空调系统的自控部分采用美国i n t e l l u t i o n 公司f i x 工业自动化软件。监控系统与 控制空调机组运行的现场d d c ( d x - - 9 1 0 0 系列) 组成分布式系统。每台d d c 独立控 6 第二章文献综述 制各自的空调机组，同时通过总线与监控系统的计算机主机连接，计算机检测各输 入数据，并可修改d d c 设定值及参数旧。 1 6l t 1 81 9 2 0 j 1 5 囡 囡 目 a l | ，、_ _ 、4 81 0 l q i 目 s 囡 7 j 1 4 1 3 i 二 2 3 i l 囡 q q 6 9 图2 1 多功能组合式空调系统结构简图 f i g 2 一ls t r u c t u r ed i a g r a mo fam u l t i f u n c t i o ac o n d i t i o n e rs y s t e m 1 、回风段2 、排风段3 、混风段4 、初过滤段5 ，7 ，1 3 ，1 4 ，1 8 、中间段6 、一次加热段8 、 分风扳9 、喷淋段1 0 、挡水板1 1 、环境风送风段1 2 ，1 6 、二次加热段1 5 、骤冷却风送风段1 7 、 二次冷却段1 9 、精过滤段2 0 、加湿段 2 1 4 侧吹风空调机组的发展方向 随着化纤行业规模化发展，对侧吹风空调机组的质量要求越来越高其发展方 向体现在以下四个方面 1 、大风量机组 随着熔体直纺技术的应用，为减少空调室占地面积及投资成本、单条纺丝生产 线位数逐渐增多，如l 台侧吹风空调机组带3 6 位、4 8 位、7 2 位等，促使侧吹风空 调机组向大风量机组发展。目前郑州八达空调有限公司生产的组合式空调机组已投 入生产运行的单侧吹风空调机组送风量为1 9 0 0 0 0 m 3 1 1 ，环境风空调机组最大送风量 为3 6 0 0 0 0 m 3 h ，侧吹风环境风复合式空调机组的最大送风量为2 8 0 0 0 0 m 3 h 。这就 要求机组结构设计框架布局合理、耐压强度等必须满足大风量机组的使用。 2 、节能运行 ， 在化纤纺丝生产中，空调机组是耗能大户，约占纺丝能耗的2 5 。为降低生 产成本，提高生产率，侧吹风空调机组的节能运行和节能控制越来越受到生产厂家 的重视。空调机组自动控制系统的节能运行方式、冷量热量的运行节能、风机功率 的合理匹配、变频器的广泛应用等节能措施，是空调设备生产厂家今后长期的研究 方向。 3 、应急措施 7 第二章文献综述 侧吹风空调机组的故障会引起生产设备全线停车，造成重大损失。随着用户对 侧吹风空调机组重要性的逐渐重视，要求侧吹风空调机组有一定的应急措施，如手 动、自动转换，环境风切换到侧吹风等技术应用以解燃眉之急。 4 、机组内在质量 侧吹风空调机组内在质量对产品质量的影响极大，因此，注重侧吹风空调机组 的内在结构配置、提高其内在质量、减少维修工作量及故障率、延长机组的使用寿 命，是今后侧吹风空调机组的发展方向。 2 1 5 侧吹风空调机组尚待解决的问题 1 ) 侧吹风回风油雾过滤问题 在纺丝生产过程中，纺丝上油和高速卷绕工序会产生大量油雾，为降低生产成 本，减少空调机组的运行能耗，充分利用纺丝机的发热量和环境送风的余冷，往往 采用车间回风进行处理送风。含有油雾的回风进入空调机组，污染了粗、中效过滤 袋、使表冷器和加热器堵塞，且难以清理。鉴于目前油雾处理的用材成本偏高，用 户难以接受，故有待于开发选用新技术、新工艺、新材料，以降低成本，解决回风 油雾处理等问题。 2 ) 回风机的节能问题 在春秋过渡季节，根据节能控制原理空调机组在该工况下往往处在8 0 以上 全新风运行，回风机既实现全自动工况转换又节约回风机的运行能耗尚有潜力可 挖。 3 ) 空调机组的运行与制冷系统的节能运行联动 控制是今后科研发展的方向。目前，侧吹风空调机组制造技术和控制系统仍处 在不断改进、完善、提高阶段，随着机械加工水平的不断提高，以及计算机技术的 广泛应用，国产侧吹风工艺空调机组的制造水平定会迈上更高的台阶。 2 2 丝束在冷却室内冷却条件分析 空调机组产生的合格冷却风经过风道的疏导，进入冷却室，在这里熔体丝与冷 却风在相对运动中完成热交换的过程。丝条的冷却条件决定于冷却介质的温度场， 而冷却介质的温度场与冷却介质的流体动力场是密切相关的。因此，为确保初生纤 维的内在质量，在设计丝条冷却室时，既要考虑流体温度场对传热过程的影响，也 要考虑流体动力场所表征的冷却介质流动状态对纺丝线张力的干扰，故一个良好的 丝条冷却室应满足以下要求：第一，在丝条冷却途径一k ，它所提供的冷却条件能在 纺丝线上形成最佳的温度分布，第二，决定这种冷却条件的冷却介质流动状态对丝 条的扰动要尽量小。下面就针对冷却室里一些问题进行探讨。 第二章文献综述 2 2 1丝条冷却长度的确定 熔体纺丝时，大多数熔纺高聚物丝条从喷丝板孔喷出时，温度在2 4 0 - - 一3 0 0 之间( 取决于高聚物的品种) 【7 1 ，而在到达第一个导丝盘时，丝条的温度已远远低于 高聚物的固化点。从喷丝板到第一导丝盘之间的距离通常为4 6 m 。丝条固化点至 喷丝板之间的距离称为熔体丝条的冷却长度( l k ) 。为了导出l k 的表达式，可以近似 地认为，从喷丝板到固化点，纤维直径近似指数方式递减，而丝条的速度也逐渐地 由喷丝孔喷出速度增加到卷绕速度。在这些假定的基础上，便可得出冷却区长度l k 的表达式【引： ： k = 半1 专一早 2 - 1 驴丁j 石。t 恤 一 式中：d o 一喷丝板孔直径( m ) ； t i 一熔体出喷丝孔的温度( ) ； t 2 一丝条冷却的最终温度( ) 。t 2 通常在6 5 q 5 之间，计算时可取8 0 t 一冷却空气温度( ) ； e 一自然对数底数： g 一每个喷丝板孔的出料量( k g h ) ； c 一熔体的比热容 k j ( k g ) 】； h 一传热系数 1 ( j ( m 2 h ) ； 由式( 2 1 ) 可知，影响l k 的因素主要有冷却空气温度t 和传热系数h 。 ( 1 ) 冷却空气温度t 的影响：若提高冷却空气温度能使丝条冷却速度减慢，l k 加 ，、 曼 j 趟 邀 嚣 企 抟却空气沮度l 【) 图2 2 冷却空气温度对冷却长度的影响 f i g 2 - 2t h ei n f l u e n c eo fc o o li n ga i r t e m p e r a t u r et oc o o lst h el e n g t h 9 g v j 醚 必 嚣 岔 平均风速( m 1 ) 图2 3 风速与冷却长度的关系 f i g 2 - 3r e l a t i o n so fw i n ds p e e da n dc o o l i n g e n g t h 第二章文献综述 长。如涤纶纺丝，图2 2 的实验结果与上述分析是一致的。 ( 2 ) 传热系数h 的影响：传热系数h 与冷却长度l k 成反比关系。吹风速度提高， 明显地强化了对流传热效果，使h 提高。从图2 3 可以看出，吹风速度的提高将导 致l k 的下降，由此可见h 对l k 的影响。 熔体纺丝过程中丝条冷却的传热系数，是以气流冷却圆柱形金属细丝的模拟实 验，依据定态假设推导出来的，如图2 - 4 所示。当冷却空气以不同的角度吹过金属 丝时，其冷却过程的努塞尔数n u 和雷诺数r e 的实验关系为【9 】 n 。= 0 4 2 r e 0 3 3 4 ( 1 + k ) = h d 入。 ，。一 = ( 2 h 入。) a 兀 2 - 2 ，_ _ _ 一 r e = ( v d v a ) = ( 2v v a ) a 2 - 3 式中：d 一丝条的直径： a 一丝条的截面积： 九。一空气的热导率； v 。一空气的运动粘度； v 一丝条的运动速度( 相当于模拟实验中气流速度的纵向分量) ； ( 1 + k ) 一空气流动对丝条轴的方向角的影响系数。空气平行于丝条吹时 ( 图2 - 4 中的v ，= o ) ，k = o ，空气垂直于丝条吹时，k = l 。 1 + k 2 5 2 o 0 5 1 0 1 5 2 0 v y y 图2 - 4( 1 + k ) 与v ，v 的试验关系 f i g 2 - 4 t h e t r i a lr e l a t i o nb e t w e e nl + k a n dv 。v 实验证明，当v 为常数时，k 与气流方向角的正切v y 相关，v y 为冷却气流速 度在垂直于v 方向上的分量。由图2 - 4 的实验关系可以得出k 与v y 的关系近似为【9 】 1 0 第二章文献综述 l + k = 1 + ( s v , v ) 21 l 。l 旧。 2 - 4 联立式( 2 2 ) ，式( 2 3 ) 与式( 2 4 ) ，便可得出传热系数的一般表达式 h = o 3 8 8 x ( j l | xv 8 - a 3 ) x a 砷4xv 83 啊f j + ( s v , v j f 她7 2 - 5 在实际温度范围内，包含空气物性参数的项( 入a v a 0 3 3 4 ) 为常数( 氅1 2 2 1 0 _ 4 ) ，这时会传热系数的表达式可写成 h = o 。4 7 3 x 1 0 - 4 x a 心拈i + ( 8 v y ) 2 ，蛾 2 - 6 上式与高聚物的种类无关，熔纺高聚物均可用，只要丝条断面为圆形。 从上述关系式中可以看出，侧吹风时( 相当于模拟实验中v = 0 ，v y - - a ) l 拘传热系 数为纵向吹风f v 三a ，v y = o ) 时的n 倍。 2 2 2 丝条冷却室流场的分析 熔融纺丝中丝条冷却室的流场状态，对丝条的成形过程和纤维的性能影响是很 大的。为确保纺丝成形的均匀性，下面对冷却气流的流体力学状态对丝条成形过程 的影响进行分析。 2 2 2 1 丝条在冷却气流中的扰动 通过对传热系数的分析可知，传热系数是冷却气流速度的幂函数，随冷却气流 速度的增加而增加。当侧吹风风速从0 1 m s 增加到o 3 m s 时，传热系数增加2 4 倍，风速再增加到0 6 mis 时，传热系数值又增加一倍。显而易见，提高风速是强 化传热的有力手段，然而侧吹风速度的增加受到湍流的限制，这是因为湍流或者径 向气流的波动都可能导致丝条的振动，当这种振动的频率与单丝自然振动频率大致 相同时，就会产生共振，使丝条的振动加剧，但是一般的说来，因为丝条极细，湍 流雷诺数不会很高。例如，对于直径为0 2 5 m m 的喷丝孔，靠近喷丝板的丝条的 雷诺数r e = 1 5 6 v y ，即使气流速度为1 m s ，r e 仅为1 5 6 ，在丝条冷却固化过程中， 当直径减小至原来的l 2 5 时( 相当于在喷丝板下o 8 - 2 m 处) ，雷诺数将变得更小( r e = 0 6 2 5 ) 。这意味着丝条本身的雷诺数在整个冷却区都维持在l 隘界值之下，然而并 非避免了涡流的产生就能控制住丝条的扰动，另个极重要的方面是吹入的冷却气 流必须控制在层流状态、因为冷却气流的湍动必将引起丝条的振荡或飘 动。侧吹风吹过丝条，成为丝条运行的阻力，它与生l v + i 1 2 l 成比例，而且 2 与横吹平均的风速度有关，湍流速度u 愈大，则出现的波动亦愈大。 因此，一个良好的丝条冷却成形装置必须能提供层流性好的气流。通常，从空 第二章文献综述 调机组经送风管送来的气流都是呈湍流状态的，一般都比冷却区的风速大6 2 0 倍 1 0 i 。在进入冷却室前气流还要经过9 0 。的折向，因此气流在进入冷却室前仍呈湍 流状态。为了获得层流状态的气流，最早是采用多孔板来完成气流整流送风的目的， 但长期的实践证明，从多孔板的各分散的小孔中出来的空气射流，在流场中的扩散 和各射流的相互影响下，使吹向丝条的冷却气流仍然是不稳定的湍流。采用网目很 细的金属丝筛网后，不仅使气流的层流性有所改进，而且在高风速时也能起增进阻 尼的作用。在实践中发现，这种筛网越细，减少湍动的效果也越好，但是细网实际 使用会遇到很多困难，因为它被张紧后很容易撕破。为了解决这个问题，常将几层 粗网叠加后使用，为了避免发生干扰现象，各层网应错成一个角度。实践证明，在 一定范围内，对湍流阻尼作用仅决定所用的网层数，而与网间距的关系不大【l 。这 种减湍效果还与进入气流的雷诺数高低有关，进入气流雷诺数离临界值越远，则减 湍越容易。上述减湍方法并不能达到完全层流化的效果，仅可减轻湍动的程度。 文献f 1 2 】介绍，为了进一步改进气流状态，人们又采用了一种比较理想的进气 转向装置，通常称之为蜂窝式整流器，如图2 - 5 所示。它既可改变气流的方向， 又可借助于每个小蜂窝状细管减小气流的雷诺 数，以达到层流化的效果。 这种蜂窝状整流器，每个蜂窝管的尺寸应 使气流在其中的雷诺数低于临界值，使流经蜂 窝管的气流能达到稳定的层流状态，其关系为 d l ，由式( 2 一1 1 ) 可知， 毛2 l ，就必须使h 2 h i 。由式( 2 一l o ) 可知，只有使v l v 2 才能满足上述要求， 即要求将一部分流体动能转变为静压，若分走的流量a vl 对减小流速的作用尚不能 满足要求，就必须使送风空间截面积扩大，即a 2 a i 。这说明，在这种情况下速度 分布变化的规律，与送风空间的深度变化的趋势有某种程度的致性。图2 呻( b ) 是上区有最大速度分布，图2 卅( c ) 是在下部l 3 处有最大速度分布。 2 3冷却风室的吹风方式 1 6 第二章文献综述 目前，冷却风室通常有两种吹风方式一侧吹风和环吹风【i4 1 。侧吹风指冷却 空气以垂直于丝条运行的方向流动。从生产工艺的要求来说，侧吹风应能在纺丝线 上形成理想而稳定的温度分布，以利于丝条的固化成形【l 引。侧吹风装置的结构简单， 操作方便，对长丝冷却是适宜的，因为长丝的单丝根数少，丝条需要散逸的热量少。 采用侧吹风时，空气直接吹在纤维还未完全凝固的区域，并与纤维成垂直方向，故 传热系数高，冷却效果好。但往往不够均匀，尤其是单丝纤维根数较多时。因此， 侧吹风适用于生产2 5 - 、一3 0 t e x 以下较细的丝条，且较适用于矩形喷丝板，或喷丝孔 数排数不多的同心圆分布或圆形喷丝板。环形吹风是从丝条周围吹向丝条，可以克 服凝固的丝条偏离垂直位置产生的弯曲，甚至互相碰撞粘结与并丝等缺点。纺短纤 维时，每块喷丝板的孔数多达2 0 0 0 4 0 0 0 孔，需要散逸大量的热量，同时，因要求 每根纤维有相同的冷却条件，所以采用环形吹风装置为好。 2 3 1 侧吹风 图2 1 0 为侧吹风装置示意图。 图中2 是调节冷却风量的蝶阀，在阀 后的风道中装有风量计指示各纺丝 部位的冷却风量。多孔板3 呈倾斜状， 用来克服风窗垂直面风速分布不均 的缺点。由5 、6 、7 所组成的整流装 置用来使冷却风均匀整齐地呈水平 方向吹出，保持风向与丝条直角相 交。由于直交型的冷却效果比平行型 的冷却效果要大好几倍，因此，如冷 却风与丝条相交时有局部不垂直就 会影响冷却的均匀性和卷绕丝的质 量。多孔板5 通常是圆孔呈均匀排列 的、开孔率为5 0 8 0 的金属板， 孔径为1 0 3 o m m 。 为了获得希望的风速分布曲线， 有时也可特殊设计圆孔呈不均匀分 配的金属孔板。金属丝网层6 是用多 层金属丝网以不同的角度交叉叠合 图2 - 1 0 侧吹风装置示意图 f i g 2 1 0s i d eb l o w i n gi n s t a l l m e n ts c h e m a t i c d r a w i n g 1 、空调进风管2 、蝶阀3 、多孔板4 、稳压室5 、 多孔板6 、金属丝网层7 、整流板8 、喷丝头9 、 缓冷室1 0 、丝条1 1 、下部纺丝筒 而成，其作用是使冷却风流混合，稳定和过滤，一般采用4 0 1 0 0 目的金属网4 6 层叠合，也可采用具有均匀微孔的泡沫塑料或烧结金属板等。整流板7 是用金属薄 1 7 第二章文献综述 板为材料的立体方形窗格或多角形窗格，其作用是使冷却风呈水平方向吹出，与下 落的丝条成直角相交，丝条能均匀地冷却，整流板厚度以4 0 - 1 0 0 r n m 为佳。 缓冷室9 是防止冷却风吹冷喷丝板面、降低卷绕丝双折射、提高拉伸性能所必 需的。缓冷室的高度一般为3 0 2 0 0 m m ，下部设有前后两块插板，使其与丝条冷却 室隔开。在缓冷室内可设置小流量空气喷管或在后插板上开长孔，使空气在室内回 流，以带出纺丝时产生的大部分升华物，保持喷丝板面的清洁。 吹风窗下部为金属圆筒( 或长方筒) 的纺丝甬道，在每位多喷头纺较细的长丝时， 须在甬道内用隔板隔成几个小通道，避免丝条间相互干扰。纺丝甬道下端装有甬道 门，防止卷绕室气流倒灌扰乱冷却气流。甬道门中心处有陶瓷导丝器固定丝条位置， 吹风窗的吹风高度通常为l m 左右，甬道长为3 5 m 。 2 3 2 环形吹风 环形吹风装置在多孔大型短纤维生 产中被优选，有敞开式、半敞开式和密闭 式三种形式【1 6 1 。 环形吹风装置是由三个主要部分组 成的，如图2 1 l 所示。 l 、具有倾斜多孔板的外套筒，它是 一个带有进风导管的不锈钢锥形外套筒。 上部套简直径为2 4 7 m m ：下部套简直径为 2 8 9 m m 。套筒高度2 7 2 m m ，铜制多孔板高 为6 2 m m ，进风导管为矩形，管中焊有一 块不锈钢的多孔板。 2 、烧结金属过滤器，它是环形吹风 装置中的关键部件，是由4 0 - 6 0 目铜合金 粉末烧结而成，简体外径为2 3 8 m m ，有效 丝束 图2 - 11 环形吹风装置示意图 f i g 2 - 11r i n g 一1i k eb l o w i n gi n s t a l l m e n t s c h e m a t i cd r a w i n g 1 、烧结过滤筒2 、内套筒3 、外套筒4 、多 孔板5 、送风管6 、纺丝组件7 、喷丝板8 、 纺丝箱体 高度为2 0 0 r a m 。它具有稳定环吹气流以及对空气进一步过滤的作用。 3 、环形吹风内套筒，适用于喷丝板外径为1 8 0 m m 的内套筒的直径为2 0 0 m m ， 套筒上共有9 9 6 4 个孔，内套筒主要是为了保护烧结的金属过滤器，防止当熔体放 流时沾污过滤器。 环形吹风头上口用法兰与纺丝箱连接，下门通过玻璃管与甬道相接。甬道是由 玻璃套筒和下部纺丝甬道所组成，其作用是保证已经凝固的初生纤维不再受外界气 流的影响和继续进行冷却，玻璃套筒利用升降气缸可上下升降。正常操作时，丝条 飘动和粘结等情况，可以通过玻璃套筒进行观察。 1 8 第二章文献综述 在一般的纺丝机上加装环形吹风装置，通常由于受到联苯箱保温层的限制，环 形吹风头无法提升到足够的高度，同时纺丝头组件一般都是从下面往上装的，装卸 l 图2 1 2 敞开式环形吹风装置 图2 1 3 密闭式下抽风式环形吹风装置 f i g 2 一1 20 p e ns t y l er i n gb l 锄g f i g 2 一1 3 s e a l e dt y p ea n dc 1 s i 。nt y p e i n s t a l l m e n t r i n gb l 。w i n gi n s t a l l 皿e n t 1 、纺丝头组件2 、纺丝箱体3 、保温层4 、 l 、纺丝头组件2 、垫圈3 、保温层4 、多孔板 环形吹风头5 、多孔板6 、提拉套筒 5 、阻尼层6 、环形吹风头7 、视镜8 、伸缩套 筒9 、抽风出口1 0 、抽风出风孔l l 、密封垫圈 1 2 、分配板1 3 纺丝箱体 时必须把环形吹风头移开，这些都易于造成联苯箱体与环形吹风头之间漏风。在这 种情况下，有时只能采用敞开式，如图2 1 2 所示。这种敞开式环吹风装置存在两 个问题，一是当气流吹向喷丝板时，将会引起板面温度下