Сутність та призначення процесу охолодження ниток при формуванні

 

_{Існуючі в даний час  результати теоретичних  досліджень, різні  методики розрахунку, використані в  практиці при проектуванні систем охолодження, отримані, як правило, на основі спрощених  систем рівнянь, які  є наслідком припущень, зроблених щодо умов формування.}

_{До теперішнього часу, незважаючи на численні публікації, фізична сутність процесу формування ниток ще не зовсім ясна.}

_{При розрахунку обдувочной шахти  один з основних принципів, які закладаються в методику, зводиться  до того, що обдуватися повинна ділянка  пучка, на якому відсутня взаємодія пограничних  шарів окремих  елементарних ниток, коли кожна з них  обдувається в  режимі мононитки.}

_{При розрахунку робляться  такі припущення:}

_{-  елементарні  нитки у пучку  симетричні вісі, відстані між нитками,  їх швидкості і  радіуси на одних  і тих же перерізах  х-const рівні;}

_{-     процес теплообміну стаціонарний;}

_{-  повітря,  яким обдувається  - нестискаємий газ,  а його теплофізичні  характеристики постійні (не  залежать від температури);}

_{-  теплофізичні  характеристики полімеру  постійні (не залежать  від температури).}

_{Розрахунок  проводиться в  такій послідовності. За вихідними даними (радіус пучка, продуктивність робочого місця, кількість  елементарних ниток  і т.д.) розраховується відстань між отворами фільєри за формулою:}

_{Для прямокутної  фільєри}

                     

                                        (3.1) 
де  площа фільєрної пластини, на якій розміщені формувальні отвори;

      кількість отворів (кількість елементарних ниток у комплексній);  

_{Для круглої  фільєри}

                                            _(3.2)

де   діаметри кіл, між якими укладена площа ;

За заданим значенням  діаметра струменя розплаву біля дзеркала фільєри d₀ (діаметр отвору, фільєри) і діаметра затверділої нитки d, визначається поточний діаметр нитки:

                                                                              

                                                                                                                                                                (3.3)

 

де   довжина на якій здійснюється фільєрна витяжка і затвердіння нитки;

        поточна координата.

 З рівняння нерозривності  визначається поточна швидкість  нитки:

                                            _(3.4)   

де  густина розплаву;

      поточна швидкість нитки;

      площа поперечного перерізу нитки.

У залежності від режимів  руху визначається товщина пограничного шару повітря близько елементарної нитки за формулами:

• для ламінарного режиму

                                            (3.5 а)

• для турбулентного режиму

                                       _{(3.5 б)}

де  шлях нитки,

                       _(3.6)

де  відповідно, густина та в’язкість повітря.

В основному, навіть при великих  значеннях , потік ламінарний.

Точка , в якій виконується умова

                                                      _(3.7)

де  поточне значення між елементарними нитками, приймається за нижню межу зони, в якій  відсутня взаємодія прикордонних шарів елементарних ниток.

Довжина обдувочної шахти  повинна задовольняти умові

Необхідно відзначити, що поперечне  обдування сприяє збільшенню довжини  зазначеної зони.

У загальному випадку потрібно отримати співвідношення, що зв'язують основні характеристики охолоджувального пристрою і формованого волокна, і шляхом їх варіювання вибрати найбільш прийнятні. У завдання теплотехнічного  розрахунку входить визначення кількості  повітря, яке необхідно подати для  охолодження нитки до заданої  температури, і довжини зони охолодження  в обдувочній та супроводжуючій шахтах. Розрахунок кількості повітря, необхідного  для охолодження нитки ведеться за загальноприйнятими рівнянням теплопередачі. Основним розрахунковим рівнянням  є рівняння теплового балансу

                     _(3.8)

де      кількість теплоти, що передається від нитки в одиницю часу у процесі теплообміну із охолоджуючим середовищем;

         масова витрата матеріалу нитки і повітря через пристрій, що охолоджує;

         средньомасова теплоємність матеріалу нитки і повітря;

        різниця температур нитки і повітря на вході і виході з охолоджуючого пристрою.      

Масова витрата G_н розраховується виходячи з лінійної щільності сформованої нитки і швидкості формування. Різниця температур нитки на вході і виході з охолоджуючого пристрою вибирається виходячи з технологічних параметрів формування ниток. Різниця температур повітря може бути задана виходячи з температури повітря, що подається в пристрій, що охолоджує і середньої температури повітря на виході з пристрою. Значення середньої температури повітря на виході доцільно приймати на підставі експериментальних даних.

Теоретично мінімальна кількість  повітря, яке необхідне для охолодження  нитки за умови, що все повітря, яке  підводиться бере участь в процесі  теплообміну.

                                               _(3.9)

Значення теплоємності для  ряду полімерних матеріалів наведені в ( [1]  табл. 5.1, 5.2), а для повітря  – в (в табл. 5.3).

Однак у пристрої для охолодження  ниток не все повітря, що підводиться бере участь в процесі теплообміну, а тільки та його частина, яка безпосередньо взаємодіє з охолоджуваною ниткою. Тому дійсна витрата повітря G_в.д. буде більше теоретичної і визначається виходячи з середньої швидкості повітря у перерізі обдувочної шахти, ширини або діаметра шахти і її довжини.

                                      _(3.10)

_{для радіальної обдувки в циліндричній шахті}

                                    _(3.11)

                                _(3.12)

де     середня швидкість повітря по висоті зони обдування;

         довжина і ширина охолоджуючого пристрою;

        діаметр циліндричної шахти.

Довжина охолоджуючого пристрою визначається з рівняння (3.12). яке  отримано з рівняння конвективного  теплообміну нитки при охолодженні  її повітрям на ділянці L:

                                        _(3.13)

де     коефіцієнт тепловіддачі від нитки до повітря;

          площа поверхні теплообміну нитки з повітрям;

         средньологарифмічний температурний напір між температурами нитки і повітря;

         середній діаметр нитки на шляху охолодження;

         число елементарних ниток в пучку.

Площа поверхні комплексної  нитки наближено розраховується за формулою:

                                              _(3.14)

Средньологарифмічний температурний  напір між температурами нитки  і повітря при поперечній обдув  ці визначається за формулою:

                                          _(3.15)

де                                                                                              _{(3.15 а)}

                                           _{(3.15 б)}

        температура розплаву на виході з фільєри;

       температура нитки на виході з обдувочної шахти.     

                            _(3.16)

температура повітря на вході  до обдувочної шахти;

_, температура повітря на виході з обдувочної шахти у верхній та нижній її зонах.

Ширина охолоджувального пристрою В задається з урахуванням  того, що приграничний шар, що розвивається на бічних стінках охолоджувального пристрою, не взаємодіє в районі пучка з потоком повітря, що обдуває  нитку. Оцінити товщину приграничного шару можна за формулою для випадку обтікання пластини в ламінарному режимі:

                                              _(3.17)

де     кінематична в’язкість нитки.

Розрахунки показали, що бокова стінка шахти повинна відстояти  від зовнішнього кордону прикордонного  шару, що розвивається на нитки (в крайній  нижній точці обдування) на 20-25 мм.

 При формуванні з  розплаву теплообмін з навколишнім  середовищем відбувається з кількох  механізмів: випромінюванням, вільною  конвекцією і вимушеною конвекцією.

Роль вивчення помітна  тільки в початковий період процесу  охолодження і не перевищує 10-15% від  тепловіддачі конвекцією.

Вільна конвекція переважно  при низьких швидкостях приймання. У випадку, коли нитка рухається  в стаціонарному середовищі з  лінійною швидкістю (10²... 10³) м/хв  або вище, і охолоджуючий потік повітря рухається в попутному або поперечному напрямку, теплообмін відбувається за механізмом вимушеної конвекції.

Для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при формуванні волокон  для оціночних розрахунків при  вимушеній конвекції рекомендується користуватися залежністю:

                         _(3.18)

де      число Нусельта;

      коефіцієнт тепловіддачі від нитки до повітря, Вт/м²;

      діаметр нитки, м;

     коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/м^*К;

     поточне значення числа Рейнольдса для нитки;

     швидкість руху нитки;

     швидкість руху повітря.

Можна користуватися дещо спрощеною формулою

                              _(3.19)

де     коефіцієнт, що залежить від кута між ниткою і потоком повітря, яким обдувається (для поздовжньої обдування , для поперечного ).

З отриманих залежностей  можна визначити коефіцієнт тепловіддачі від нитки до повітря:

                                        _(3.20)

 

Після визначення уточнюється дійсна витрата повітря за обраним значенням швидкості обдувочного повітря V_в і ширині В або діаметру D охолоджувального пристрою, які задаються конструктивно,

                                            _(3.21)

Характер зміни температури  і діаметра нитки, що формується й  охолоджуючому пристрої показує, що існує, щонайменше дві зони на довжині  охолодження, в яких характер цих  залежностей якісно відрізняється. Це говорить про те, що в цих зонах  різна інтенсивність теплообміну  нитки з охолоджувальним середовищем, яка характеризується середнім значенням  коефіцієнта тепловіддачі [1].

У зв'язку з цим, при розрахунку охолоджувальних пристроїв зону примусового охолодження нитки  доцільно розділити на два різні  ділянки: перша, характеризується інтервалом температур від  275 °С, (температура  розплаву) до 160-120 °С, і друга від 160-120 °С до 45 °С.

 

 

Висновок

 

Велике значення при формуванні нитки має процес охолодження, 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.

Вимоги, що пред'являються  практикою до пристроїв для охолодження  нитки, що формується, диктують необхідність дослідження процесу охолодження  і розробки на підставі цих досліджень способів і пристроїв, що дозволяють інтенсифікувати процес охолодження  нитки з мінімальними витратами. При конструюванні обдувочних шахт слід виходити з того, що конструкція будь-якої обдувочної шахти повинна забезпечувати подачу на обдувку ниток стабільного ламінарного потоку повітрі з заданими параметрами: температурою, швидкісним натиском по висоті шахти і необхідним масовою витратою.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  використаної літератури

1. Агрегаты и машины для формирования химических нитей из расплавов/ И.И. Матюшев, В.И. Ступа, Б.П. Левицкий и др.; Под общей ред. И.И. Матюшева. – Л.:Машиностроение., Ленингр. Отд-е, 1989-286с.
2. Методичні вказівки для розрахунку оходжуючих пристроїв для студентів спеціальності 7.090222 «Обладнання текстильної промисловості і побутового обслуговування». /Укл.: С.П. Корнієнко, П.І. Чередніченко, О.М. Панкєєв – Чернігів, ЧТІ. - 1999 - 26 с., рос. Мов.
3. Панкеев А.М., Чередниченко П.И., Корниенко С.П., П–16 исследование и моделирование процесса охлаждения нитей при формировании. – Чернигов: ЧДТУ, 2005. – 142 с.
4. Пат. 2273105 США, МКИ 18 – 8. Способ и устройство для охлаждения экструдируемых из расплава волокон / E.J. du Pont de Nemours; Опубл. 17.02.1942
5. Панкеев А.М. Исследование процесов теплообмена при формировании синтетического волокна: Дис. канд. техн. Наук: 05.14.04. -К.,1978.-175 с.
6. Русаков В.П., Кокоша В.П. Формовочные блоки и расплавопроводы машин для для формования химических волокон. Конструкция, расчет и проектирование. Учебное пособие. -Киев: КПИ, 1982.-111с.