Сутність та призначення процесу охолодження ниток при формуванні

Зміст

Вступ…………………………………………………………………...…………………..3

1. Сутність та призначення процесу охолодження ниток при формуванні……….5
2. Конструкція пристроїв для охолодження ниток при формуванні…………..…12
3. Методика розрахунку обдувочної та супроводжуючої шахт……………...…...21

Висновок………………………………………………………………………………….28

Список використаної літератури………………………………………………………..29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

Виробництво хімічних ниток  і волокон - одна з найважливіших  галузей народного господарства. В даний час, завдяки унікальним і одночасно універсальним властивостям, немає жодної області техніки  і побуту, куди не проникли б хімічні  нитки і волокна. Вони стали незамінними  не тільки в якості ниток широкого призначення, але і як цінна технічна сировина.

Основним завданням промисловості  хімічних ниток є максимальне  поліпшення їх якості, так як в цьому  закладені величезні резерви  виробництва.

Так як на властивості хімічних ниток впливають численні, переважно  взаємопов'язані чинники, поліпшення властивостей нитки, швидше за все, може бути отримано в результаті удосконалення  технології та обладнання на всіх стадіях  виробництва, включаючи підсобні та допоміжні операції. Таке удосконалення  може бути успішно проведено лише за умови, вивчення і розуміння явищ, що протікають на всіх ділянках і переходах  технологічного циклу.

Одним з найважливіших  процесів у виробництві хімічних ниток із розплавів полімерів, що визначають структуру і властивості  ниток, є процес охолодження ниток  в обдувочних шахтах. Показники якості кордної нитки забезпечуються якістю полімеру, а також умовами процесу  формування і охолодження нитки, залежними від конструкції охолоджувальних  пристроїв.

Від правильного проведення процесу обробки нитки на даній  ділянці залежать такі важливі показники, як рівномірність по діаметру і орієнтації елементарних ниток, здатність до орієнтаційного витягування, якість нанесення замаслювача, а, отже, якісні показники вироблюваної нитки. Дуже важливо забезпечити необхідну закономірність зміни температур по довжині зони охолодження та ідентичність умов для всіх елементарних ниток в пучку.

Існуючі в даний час  результати теоретичних досліджень, різні методики розрахунку, що використовуються на практиці при проектуванні пристроїв  для охолодження, отримані, як правило, на основі спрощених систем рівнянь, які є наслідком низки припущень, зроблених щодо умов формування, без  урахування конструктивних параметрів охолоджувальних пристроїв. У результаті, існуючі конструкції охолоджуючих пристроїв не відповідають повністю поставленим до них вимогам. Маловивченість особливостей процесу охолодження нитки призводить до того, що в промисловості застосовуються однакові за конструкцією охолоджуючі пристрої, як для охолодження пучка ниток, так і для охолодження одиничних ниток, що призводить до зниження якості ниток і неекономічній витраті дорогого кондиціонованого обдувочного повітря.

Завдання створення високопродуктивного  обладнання призводить до необхідності збільшення швидкості формування нитки, тому прийняті раніше допущення стають некоректними, так як істотним чином можуть змінювати режим деформації і тепловий стан системи. У зв'язку з цим, перед розробниками обладнання, технологами і машинобудівниками виникає необхідність створити не просто працюючі охолоджуючі пристрої, а знайти оптимальні чи близькі до оптимальних варіанти технологічних режимів і параметрів охолоджувальних пристроїв.

Для прогнозування впливу різних факторів на процес формування і вибору оптимальних режимів  охолодження ниток необхідно  створення і використання математичних моделей охолодження пучка ниток, що рухаються при проектуванні охолоджувальних пристроїв. Формування ниток з розплаву є складним процесом, для якого до цього часу не розроблена досить повна комплексна математична модель, яка дозволила б врахувати всі фактори, що впливають на температурний стан і деформацію ниток, якi формуються. Отже, однією з найважливіших проблем створення сучасних охолоджуючих пристроїв є проблема теоретичного дослідження процесу охолодження ниток з урахуванням впливу взаємодії гідродинаміки і теплообміну окремих елементарних ниток між собою, а також з навколишнім середовищем.

У зв'язку з цим, актуальним є розробка теоретичних основ  і математичних моделей охолодження  пучка ниток в охолоджуючих пристроях  різного типу, та створення на їх основі нових пристроїв, що дозволяють значно підвищити якість ниток,що формуються.

 

 

 

1. Сутність і призначення процесу охолодження ниток при формуванні

 

Основними параметрами процесу  формування ниток є: температура  розплаву, швидкість формування, умови охолодження і замаслення ниток, якi формуються.

При розгляді динаміки формування ниток з розплаву необхідно враховувати  теплообмін між полімерної струменем  і навколишнім середовищем, який здійснюється за допомогою теплопровідності і конвекції.

Стабільність  процесу формування нитки може бути охарактеризована наступними загальними умовами;

1) рух маси полімеру має бути сталим, тобто в кожній точці нитки, що формується швидкість і температура постійні в часі;

2) повинна дотримуватися нерозривність потоку.

Велике значення при формуванні ниток мають процеси охолодження  і зволоження, так як рівномірність  за лінійною щільністю нитки, ступінь витягування (здатність до орієнтації), а, отже, і міцність нитки залежать від правильної обробки нитки між фільєрою і намотуванням.

Процес охолодження нитки  є одним з найбільш важливих процесів при формуванні, значною мірою  визначає продуктивність формувального  агрегату і якісні показники нитки.

Найважливіше значення при  цьому має сталість температурного поля в зоні охолодження і незмінність поля сил, що виникають внаслідок опору середовища. Нерівномірність температурного поля по поперечному перерізу пучка комплексної нитки є основною причиною нерівномірності властивостей елементарних ниток.

На утворення структурних характеристик нитки велике значення мають умови охолодження в певних зонах шляху формування. Зміна швидкості охолодження нитки з поликапроамида істотно впливає на структуру нитки.

Нитка, проходячи від фільєри  до приймального пристрою, поступово  охолоджується. На початковій ділянці  нитка піддається деформації (фільєрна витяжка), яка досягає 10...40 кратної  величини: діаметр нитки відповідно зменшується. Зміну діаметру нитки викликає зміна швидкості її руху в кожній точці шляху формування, аж до точки затвердіння, де діаметр нитки досягає свого мінімального значення і далі залишається практично незмінним.  Довжина ділянки, на якій здійснюється основна деформація, становить 0,3…1,5 м. На цій ділянці відбувається часткова орієнтація полімеру, а для деяких полімерів може початися і процес кристалізації, який іноді продовжується і на приймальному пристрої. У нитці, отриманої продавлюванням через фільєру розплаву полімеру, що має переважно циліндричну форму і характеризується певним запасом внутрішньої енергії, охолодження потоком повітря викликає зміну температури на всьому шляху формування від фільєри до приймального пристрою.  Ця зміна відбувається за складним законом, що залежить від матеріалу та лінійної щільності нитки, швидкості формування, фільєрної витяжки, а також від властивостей охолоджуючого середовища. Втрата теплоти ниткою відбувається в основному за рахунок конвекції. При охолодженні нитки розплав проходить весь діапазон вязкостей і температур, включаючи і ту область, де деформація викликає ефективну орієнтацію.

У верхній зоні, де швидкість  деформації велика, великий і разорієнтуючий вплив високої температури (час релаксації малий), тому орієнтація не спостерігається. При зниженні температури нитки до певної межі - при наближенні до температури склування - час релаксації збільшується, і триваюча деформація призводить до виникнення зафіксованої орієнтації. Нижче температури точки склування - час релаксації ще більше, проте, деформація припиняється, і орієнтація на основі деформації вже не відбувається. Таким чином, орієнтація на шляху формування протікає в певному інтервалі температур при одночаснїй деформації, яка відбувається. Для капронових ниток встановлено, що це інтервал температур 120 ... 40 °С.

Крім часткової орієнтації на шляху формування відбувається також  часткова кристалізація полімеру.

Процес затвердіння нитки закінчується на відстані 40 ... 50 см від фільєри і залежить від швидкості формування, інтенсивності охолодження нитки і т.д.

Основною причиною коливання  лінійної щільності нитки в процесі  формування вважається нерівномірність охолодження нитки.

Стабілізація умов охолодження, особливо в зоні інтенсивної деформації, поблизу фільєри дуже важлива  дня отримання якісних ниток. Крім того, зміни в умовах охолодження, що приводять до зміни положення точки затвердіння нитки на шляху формування, викликає зміну властивостей нитки.

При русі пучка у кожної елементарної нитки, починаючи від  фільєри, формується приграничний шар повітря. На певній відстані від фільєри приграничні шари повітря окремих елементарних ниток з'єднуються і утворюють єдиний замкнутий потік повітря комплексної нитки. Наявність граничного шару на нитці, яка формується є однією з основних причин зниження інтенсивності охолодження та нерівномірності температурного поля в поперечному перерізі. Тому, зона з'єднання приграничних шарів повітря у елементарних ниток є нижньою межею зони обдування. Обдув нитки нижче цієї межі значно збільшує різницю в інтенсивності охолодження елементарних ниток на периферії і в центрі пучка (що призводить, в часності, до збільшення нерівномірності нитки за лінійною щільностю). Приграничний шар повітряного середовища, створений та захоплений нитками, погіршує конвективну тепловіддачу і викликає нестабільність руху нитки, що стало поштовхом до появи патентних описів, в яких товщина приграничного повітряного шару зменшувалася за рахунок поперечного обдування та постійного оновлення цього повітряного шару.

У ламінарному потоці можливе  збільшення швидкості руху повітря  принаймні вдвічі або втричі при  підвищенні ефекту охолодження на 30...50% при швидкості руху повітря 20 м/с. Ефект охолодження збільшується в 3...10 разів. Якщо в ламінарному перебігу збільшення турбулентності підсилює коливання нитки і разом з тим погіршує рівномірність лінійної щільності, то в умовах турбулентного охолодження, виникають такі швидкості руху повітря і зони турбулентності, за якими маса нитки вже не може встигати. Цим досягається дуже швидкий і гарний ефект охолодження, не викликаючи погіршення коефіцієнтів варіації рівномірності. Таке застосування прийнятно, тільки для тих випадків, коли теплопровідність усередині нитки не перешкоджає відведенню тепла з поверхні нитки тобто для тонких ниток.

Швидкість охолодження і поглинання вологи нитками, сформованих з розплаву в проміжку між виходом із фільєри і точкою приймання, має вирішальний вплив на якість нитки.

Для того, щоб витримувати  зазначені вище умови, формування ниток проводять в так званій обдувочній шахті і транспортують затверділі нитки в супроводжуючій шахті. В якості охолоджувального агенту в цих пристроях може використовуватися газ, переважно повітря, іноді, рідина. Поліамідні нитки охолоджуються потоком кондиціонованого повітря, який подається до обдувочної шахти з температурою 20 ... 22 °С і відносною вологістю 46 ... 52%.

У пристроях для охолодження  ниток формувальних машин протікають основні стадії процесу (рис.1.1).

Кількість повітря, що подається  в шахту, головним чином залежить, від асортименту ниток, якi формуються і швидкості намотування.

Рух повітря в зоні формування є результатом взаємодії окремих  складових потоків: обдувочного, відсмоктуваного, конвективного, від перепаду тиску  між поверхами формувального  цеху, від повітря, що захоплюється ниткою яка рухається, і від руху повітряних мас в цеху. Частка кожного потоку в сумарному охолоджуєчому потоці може бути різною в залежності від умов формування і відстані від фільєри. Тому кількісно оцінити вплив охолоджуючого повітря на лінійну щільність досить важко.

Основна частка нерівномірності  нитки обумовлена пульсацією обдувочного  повітря в зоні формування. Основним чинником, що визначає коливання повітря  в зоні формування нитки, є обдувочний потік, який в умовах формування завжди в тій чи іншій мірі нестабільний і турбулентний.

Рух повітря в шахті  повинен бути, по можливості, постійним  по силі та напрямку.

Найбільш поширеною виявилася  поперечна обдувка.

Бічне обдування не може повністю стабілізувати нитку,яка  формуються.

Ділянка затвердіння, де починається  кристалізація полімеру, представляє найбільший інтерес, оскільки тут позначається найбільший вплив умов теплообміну нитки, яка формується з теплоносієм , що подають на охолодження.

Рисунок 1.1 - Основні стадії формування нитки з розплаву полімера:

 

1 - приймально-намотувальний пристрій; 2 - нитка; 3 - охолоджуючий пристрій;     4-фільєра.

На цій ділянці можна  виділити два основних моменти, що впливають  на якість ниток, якi формуються: аеродинамічний опір струменя полімеру, що рухається, і вплив гідродинаміки зони на теплообмін струменя полімеру, що формується. Необхідно відзначити, що на ці умови накладає вплив реологія полімеру, який  формується.

Встановлені в результаті  досліджень закономірності уявлення про  механізм виникнення нерівномірності  нитки в процесі її формування дозволяють визначити наступні шляхи  поліпшення якості нитки, яка формується: