（邵陽學(xué)院，湖南邵陽422000）

（邵陽學(xué)院，湖南邵陽422000）

綜述了化纖熔融紡絲冷卻吹風(fēng)裝置及絲束冷卻過程中冷卻風(fēng)流場仿真的研究進(jìn)展.討論了針對吹風(fēng)裝置冷卻風(fēng)不均勻、不穩(wěn)定、提高絲束質(zhì)量、降低裝置能耗等問題所采取的相關(guān)對策與措施.對吹風(fēng)冷卻裝置的研究和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

絲束吹風(fēng)冷卻裝置；流場仿真；對策與措施；發(fā)展趨勢；

化纖熔融紡絲時，熔體從噴絲板的毛細(xì)孔噴出，經(jīng)吹風(fēng)冷卻、拉伸，最后凝固成絲條［1］.絲束冷卻凝固過程是決定絲束質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié).隨著人們對化纖產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，絲束吹風(fēng)冷卻技術(shù)越來越被重視，國內(nèi)外學(xué)者針對冷卻風(fēng)的風(fēng)速、壓力、溫度、濕度、均勻性、穩(wěn)定性等工藝參數(shù)及吹風(fēng)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)對絲束質(zhì)量的影響進(jìn)行了深入研究和應(yīng)用［2－3］.

絲束冷卻裝置可分為側(cè)吹風(fēng)、外環(huán)吹風(fēng)和中心環(huán)吹風(fēng)3類.本文綜述了以上吹風(fēng)冷卻裝置及其流場仿真分析的研究現(xiàn)狀，然后對它們的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望.

1 側(cè)吹風(fēng)冷卻裝置

側(cè)吹風(fēng)冷卻裝置結(jié)構(gòu)如圖1.裝置的工作原理：首先冷卻風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道6，通過閥5控制風(fēng)量、風(fēng)速進(jìn)入氣室4，然后經(jīng)整流層3進(jìn)行整流勻風(fēng)后，對絲速進(jìn)行冷卻后，一部分從排風(fēng)門2散發(fā)到周圍環(huán)境中，另一部分隨絲束下行進(jìn)入甬道.側(cè)吹風(fēng)冷卻方式具有孔數(shù)較少、冷卻散失熱量少的特點(diǎn)，主要用于異形長絲、粗旦長絲等冷卻中.如果用于短纖維紡絲，需采用矩形噴絲板（絲條并排分布），以減少吹風(fēng)絲層的厚度；減小受風(fēng)面和背風(fēng)面的冷卻速度差異.自上世紀(jì)70年代紡絲工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來，化纖側(cè)吹風(fēng)冷卻使絲束的產(chǎn)量、質(zhì)量、單線生產(chǎn)能力等有很大的提高，并在長絲、粗旦絲和異形絲等紡絲冷卻中得到廣泛應(yīng)用［4－5］.

圖1 側(cè)吹風(fēng)裝置Fig.1 Lateral blowing device

國內(nèi)研究人員在提高絲束質(zhì)量方面進(jìn)行了深入研究：趙會錦［6］等針對側(cè)吹風(fēng)冷卻方式下紡POY細(xì)旦纖維時斷裂伸長率偏低和條干不勻率偏大的問題，通過延長側(cè)吹風(fēng)緩冷區(qū)高度至90mm、增加冷卻風(fēng)導(dǎo)流裝置和防干擾裝置，并改進(jìn)其風(fēng)網(wǎng)工藝和設(shè)備條件，使128dtex／114f POY的條干不勻率小于0.63%，顯著地提高了纖維品質(zhì)；張尚垛［7－8］等在側(cè)吹風(fēng)裝置緩冷區(qū)采用弧形板技術(shù)，減少了野風(fēng)對緩冷區(qū)的干擾、避免飄絲，絲層冷卻更均勻一致.

針對側(cè)吹冷卻風(fēng)不同的相對濕度對制冷量和耗熱量的影響都較大的問題，冷正平［9］提出了冷卻風(fēng)相對濕度參數(shù)浮動和合理利用回風(fēng)的觀點(diǎn)，以某高速紡絲機(jī)側(cè)吹風(fēng)冷卻裝置為例，冷卻風(fēng)夏季相對濕度87%，冬季相對濕度37%，回風(fēng)取自卷繞間且回風(fēng)比例在40%左右，達(dá)到夏季耗冷量節(jié)約57%，冬季加熱量節(jié)約70%的效果.萬仁里［10］針對不同的絲束品種，提供不同風(fēng)溫和相對濕度來進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高夏季的送風(fēng)溫度和相對濕度；降低冬季的送風(fēng)溫度和相對濕度都能獲得好的節(jié)能效果.

雖然側(cè)吹風(fēng)冷卻形式具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，然而其能耗大、同一截面上近風(fēng)網(wǎng)與遠(yuǎn)風(fēng)網(wǎng)處絲束均勻性差，尤其是紡制聚合物熱量較高的纖維或大容量紡絲時，絲束質(zhì)量更難保證.隨著人們對絲束質(zhì)量要求的提高及能源效率問題的重視，越來越多的側(cè)吹風(fēng)冷卻工藝將逐步被環(huán)吹風(fēng)所取代［11］.

2 環(huán)吹風(fēng)冷卻

環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置的冷卻吹風(fēng)系統(tǒng)分為外環(huán)（向內(nèi)）吹風(fēng)和中心環(huán)（向外）吹風(fēng)裝置［12－13］.

2.1 外環(huán)吹風(fēng)裝置

外環(huán)吹風(fēng)裝置如圖2.裝置的工作原理：首先冷卻風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道后，經(jīng)過多孔板6進(jìn)行一次整流，進(jìn)入下部氣室，然后通過多孔板4進(jìn)行二次整流，進(jìn)入上部氣室，再通過外多孔板1、內(nèi)多孔板2進(jìn)行整流勻風(fēng)，然后從金屬絲網(wǎng)3中均勻吹出對絲束進(jìn)行冷卻，最后散發(fā)到周圍空氣中.

圖2 外環(huán)吹風(fēng)裝置Fig.2 Outer ring blowing device

外環(huán)吹冷卻方式因其冷卻風(fēng)由絲束外側(cè)周向均勻地吹向環(huán)狀排布的絲束，出風(fēng)面與絲束距離很近，極好的利用了能量.同時由于冷卻風(fēng)不需穿過多層纖維，冷卻風(fēng)溫升較小，各絲束冷卻條件相近［14］.

根據(jù)冷卻室密封情況可將外環(huán)吹風(fēng)冷卻方式分為三種形式：敞開式、半敞開式、密閉式［15］.

敞開式，其冷卻室上下兩端都開放.由于冷卻室不密封，氣流外溢，會影響噴絲、增加絲束顫動，導(dǎo)致絲束質(zhì)量變差，同時使現(xiàn)場操作環(huán)境惡化.基于以上原因，該形式的環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置基本被淘汰了.

密閉式，其冷卻室是封閉的，用下抽風(fēng)的方式從甬道中排風(fēng)，不會受外界的干擾，紡絲間溫度也不會太高，是理論上最理想的冷卻方式.早期的密閉式環(huán)吹風(fēng)裝置，由于加工精度達(dá)不到要求，供回風(fēng)平衡控制及裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，其冷卻效果不好，如在20世紀(jì)70年代初期仿制的VD406高壓高阻尼密閉式環(huán)吹風(fēng)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件加工困難、整流層更換清洗頻繁、進(jìn)排風(fēng)平衡要求高，冷卻動力消耗大、工藝難以穩(wěn)定控制，紡絲過程中易出現(xiàn)并絲及疵點(diǎn)［15］.

隨著加工、控制等技術(shù)的進(jìn)步，環(huán)吹風(fēng)裝置的制造精度和冷卻風(fēng)工藝參數(shù)的控制精度有了很大改善，黑龍江龍滌集團(tuán)有限公司1992年從吉瑪公司引進(jìn)的低阻尼密閉式環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置，通過對冷卻風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)和供、回風(fēng)采用步進(jìn)電機(jī)根據(jù)風(fēng)壓差來控制風(fēng)平衡［16］，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速1m／s時差異率小于0.05m／s，伸長不勻率、斷裂強(qiáng)度不勻率都小于6%，原絲、成品中疵點(diǎn)含量很少.針對密閉式環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置冷卻風(fēng)的均勻性和裝置的能耗的問題，近年來國內(nèi)的學(xué)者也研發(fā)出一些性能良好的環(huán)吹裝置［17－18］.

半敞開式，其冷卻室上端密封，下端開放，進(jìn)排風(fēng)易達(dá)到平衡，且能耗較小，與全封閉式環(huán)吹工藝相比，氣流透過性好，是近年來紡滌綸短纖維和超細(xì)纖維工藝采用較多的冷卻形式.但其下端開放，會受外界干擾，并使紡絲間的溫度過高.而當(dāng)紡速較高、噴絲板孔圈數(shù)較多時冷卻風(fēng)很難穿透到絲束內(nèi)層，使內(nèi)外層絲束均勻性變差.

為了節(jié)能降耗，Oerlikon Barmag公司研發(fā)的Eco Quench外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置，采用金屬網(wǎng)型整流筒整流，其風(fēng)阻力小，使絲條冷卻過程所需冷卻風(fēng)量節(jié)約了約40%，風(fēng)速不勻率小于4%，產(chǎn)品的CV值降到1.0以下，內(nèi)外層絲束均勻性好，且可反復(fù)使用.同時配套推出第三代雙通道快裝式紡絲組件，紡絲位距更小，減少了單位占地面積，紡絲操作更方便［19］.

TMT用于細(xì)旦纖維紡絲的CIQ外環(huán)吹冷卻裝置，其風(fēng)向整流筒制作精細(xì)，不但能保證每個位及位與位之間的每束絲的受風(fēng)不勻率小于4%.而且冷卻風(fēng)量僅為普通側(cè)吹風(fēng)方式的1／3，能以最省的冷卻風(fēng)量達(dá)到最佳的冷卻效果；位距小，對單絲纖度為0.3 D的多孔超細(xì)旦纖維加工性極佳.但它的整流筒風(fēng)阻大，能耗較大.

北京中麗研發(fā)用于DTY單絲纖度在0.3～1.0 D之間的超細(xì)纖維的新型外環(huán)吹風(fēng)絲束冷卻裝置，其環(huán)吹風(fēng)整流筒吹風(fēng)均勻、清洗更換方便，并且能獲得品質(zhì)更優(yōu)的滌綸超細(xì)長絲.該新型外環(huán)吹風(fēng)裝置紡程上無風(fēng)區(qū)高度可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時可節(jié)約80%的側(cè)吹風(fēng)量，節(jié)能效果顯著.

邵陽紡織機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的兩用型半敞開式外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置，出風(fēng)直徑410mm，出風(fēng)高度300mm，采用4塊多孔板和10層金屬絲網(wǎng)整流，在紡棉型纖維時風(fēng)壓1080Pa，風(fēng)速達(dá)到2m／s左右，不勻率小于10%，紡中空纖維時風(fēng)壓2200Pa，風(fēng)速達(dá)到5m／s左右，不勻率小于15%，絲的品質(zhì)都達(dá)到要求.

由于外環(huán)吹風(fēng)在吐出量大、孔數(shù)多、絲條比熱高的情況下易使熱量滯留在噴絲板無孔區(qū)下方區(qū)域難以散發(fā)出來，容易造成內(nèi)層絲束并絲，影響絲的品質(zhì).然而，中心環(huán)吹風(fēng)裝置冷卻后的冷卻風(fēng)直接散發(fā)到周圍環(huán)境中，不會出現(xiàn)冷卻風(fēng)滯留、熱量集中的情況，且工藝彈性大，通過對環(huán)吹風(fēng)裝置做簡單的調(diào)整后，既能得到粗的纖維，也能得到高品質(zhì)的微細(xì)纖維.其難點(diǎn)是保證冷卻風(fēng)在周向各點(diǎn)的風(fēng)速均勻.

2.2 中心環(huán)吹風(fēng)裝置

中心環(huán)吹風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)如圖3.裝置的工作原理：首先冷卻風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道，然后進(jìn)入內(nèi)膽2，經(jīng)過內(nèi)膽的整流進(jìn)入氣室3，再通過整流層4進(jìn)行整流勻風(fēng)，最后經(jīng)過金屬絲網(wǎng)吹出對絲束進(jìn)行冷卻，然后散發(fā)到周圍環(huán)境中.

中心環(huán)吹裝置主要缺陷是會受環(huán)境風(fēng)的干擾，而且對吹風(fēng)速度、紡絲張力等的控制很嚴(yán).如果紡絲和冷卻工藝控制不當(dāng)也會造成部位飄絲現(xiàn)象，產(chǎn)生毛絲和斷頭.

圖3 中心環(huán)吹風(fēng)裝置Fig.3 The center ring blowing device

瑞士伊文達(dá)的燭芯式中心吹風(fēng)裝置，過濾整流材料采用燒結(jié)金屬筒，這種高阻尼材料可提高冷卻吹風(fēng)效率，增大噴絲孔密度，減小紡絲位距.該燭芯式中心吹風(fēng)裝置氣室形狀簡單，能保證筒的軸向和徑向風(fēng)速均勻，但是上風(fēng)室風(fēng)壓高達(dá)6000－10000Pa，阻力很大，故能耗也大［20］.

韓國三星公司的中心環(huán)吹風(fēng)裝置，風(fēng)速均勻性好，生產(chǎn)的成品絲質(zhì)量好.但其中心燭筒形吹風(fēng)細(xì)筒制作成本高，且吹風(fēng)對周圍環(huán)境要求高，能耗較大.

上海二紡機(jī)股份有限公司連續(xù)申請了4個中心環(huán)吹風(fēng)裝置實(shí)用新型專利，其整流材料均采用多孔板與鋼絲網(wǎng)等低阻尼材料，有效降低裝置阻力，然而裝置的冷卻效果有待改進(jìn).試驗(yàn)表明，雖然此類裝置對風(fēng)壓要求低，節(jié)能的效果好，但鋼絲網(wǎng)的剛性差，在安裝、使用中容易變形、損壞，進(jìn)而影響吹風(fēng)性能.

周應(yīng)祥［21］通過研究中心環(huán)吹風(fēng)裝置喉頸、內(nèi)管的錐度與開孔率、外管的開孔率、外管與內(nèi)管間的間隔距離等參數(shù)變化對風(fēng)速的影響，得到使吹風(fēng)均勻、穩(wěn)定、冷卻效果好的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時實(shí)現(xiàn)低阻尼、低能耗.謝丹潔［22］針對中心環(huán)吹風(fēng)裝置的氣室設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析，在此基礎(chǔ)上建立理論模型，然后在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行測試、修正，使其更趨合理、完善，滿足紡絲工藝要求.

邵陽紡織機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的年產(chǎn)3～6萬噸滌綸短纖維紡絲聯(lián)合機(jī)中所采用的低阻尼中心環(huán)吹風(fēng)裝置，解決了一些進(jìn)口的高阻尼中心環(huán)吹風(fēng)設(shè)備投資、運(yùn)行成本高的問題.

總之，中心環(huán)吹和外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置各有各的優(yōu)劣，由于差別化纖維生產(chǎn)的品質(zhì)要求高、技術(shù)難度大，對絲束冷卻均勻性要求更高，風(fēng)速不勻率更小，所以為了滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求，環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置的風(fēng)速均勻性、穩(wěn)定性及設(shè)備的密封性等問題仍然有待深入研究.

表1 各類吹風(fēng)裝置特征、性能對比表Tab.1 The contrast table of characteristics and performances of all kinds of blowing device

3 冷卻流場分析進(jìn)展

流場分析方法是通過將流體力學(xué)基本方程離散化，以流體有限元法來仿真復(fù)雜的流場，有理論建模研究、實(shí)驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)模擬仿真三種.

化纖熔融紡絲中熔體細(xì)絲的冷卻都是在熱絲束流和冷風(fēng)流的以對流為主的相對運(yùn)動中用換熱方式完成的.而冷風(fēng)流的溫度場決定它的動力場，包括速度場和靜力場等，冷風(fēng)流溫度場和動力場的變化會引起絲束在紡程上的速度場、溫度場和張力場的變化，所有這些變化都會對初生纖維的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響［23］.

上世紀(jì)60年代起，人們對紡絲過程做了大量研究：提出建立紡絲過程模型，通過數(shù)學(xué)表達(dá)式描述紡絲過程中各點(diǎn)溫度、速度和張力等的變化，為更有效的控制紡絲過程［24－25］；通過研究絲束冷卻時的熱傳導(dǎo)系數(shù)、絲條對空氣的阻力、聚合物的拉伸粘度，使力場、速度場、溫度場的理論計(jì)算成為可能.所有這些研究都為流場模擬仿真打下了良好的基礎(chǔ).1981年，何華雄［26］通過計(jì)算機(jī)模擬了滌綸短纖維單絲的速度場、溫度場和張力場情況，得到冷卻過程的數(shù)值解.為了減少冷卻裝置冷卻風(fēng)的橫向湍動，陳賢銳［27］對各類吹風(fēng)裝置的氣流流態(tài)做了較詳細(xì)的分析，提出了消除氣流干擾的措施.1998年，為了優(yōu)化紡絲工藝，掌握纖維成形時的物理行為，STRAUB R［28］等進(jìn)行了環(huán)吹風(fēng)冷卻的數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬研究.馬強(qiáng)［29］等重點(diǎn)對環(huán)吹風(fēng)單絲和復(fù)絲冷卻過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)研究，得出模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好.

袁婷婷［30］等對氨綸干法紡絲動力學(xué)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，獲得絲條沿紡絲線上的速度、溫度與溶劑濃度的分布規(guī)律，并優(yōu)化了氨綸紡絲工藝、提高了干紡氨綸的絲束質(zhì)量.

為了得到風(fēng)速均勻的吹風(fēng)冷卻裝置，傳統(tǒng)的做法是采用反復(fù)試驗(yàn)、修改裝置結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等方法，客觀上造成了盲目性、增加了成本.隨著CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)越來越成熟，將其運(yùn)用到吹風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計(jì)和改造中，對吹風(fēng)冷卻裝置復(fù)雜的流場進(jìn)行仿真、數(shù)值模擬，減少了制造加工環(huán)節(jié)，是化纖紡絲冷卻裝置開發(fā)過程中降低成本、提高效率非常有效的手段［31］.

在對流場的研究中，人們在不斷完善實(shí)驗(yàn)方法的同時，也在根據(jù)理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬來研究流體機(jī)械內(nèi)的流動狀況.研究表明，將流場仿真技術(shù)引入到吹風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計(jì)中，利用CFD流場仿真軟件對吹風(fēng)冷卻裝置的流場進(jìn)行仿真和關(guān)鍵部位周圍空間進(jìn)行氣流場分析，這樣不僅可預(yù)測吹風(fēng)冷卻裝置的性能，還可較方便地修改物理模型，預(yù)測裝置改進(jìn)后的性能，為吹風(fēng)冷卻裝置的技術(shù)改進(jìn)和新產(chǎn)品開發(fā)提供指導(dǎo).

4 結(jié)束語

隨著人們對化纖產(chǎn)品的需求和要求不斷提高，并且能源問題得到前所未有的重視.化纖絲束冷卻裝置向著高效、低耗、低排方向發(fā)展，同時冷卻吹風(fēng)裝置的差別化、柔性化、多樣化得到用戶的親睞.而將冷卻吹風(fēng)裝置設(shè)計(jì)與仿真軟件的有效結(jié)合，在降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面受到前所未有的重視.

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化纖絲束吹風(fēng)冷卻裝置研究進(jìn)展

李吉肖，曾寶成，姜宏陽，李夢奇

Review of Melt Spinning Quenching Equipment

LI Ji－xiao，ZENG Bao－cheng，JIANG Hong－yang，LI Meng－qi

（Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

The melt spinning quenching equipment and its advance research of computer simulation process are reviewed. Measures taken to overcome cooling air's uneven，unstable，and how to improve tow quality，reducing device's energy consumption are discussed.The development trends and application of melt spinning quenching equipment are forecasted.

melt spinning quenching equipment；computer simulation；countermeasure；development trends

TQ340.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1672－7010（2014）03－0066－06

2014－04－03

湖南省教育廳科研項(xiàng)目（13C844）；湖南省邵陽學(xué)院研究生科研項(xiàng)目（CX2013SY007）資助.

李吉肖（1988—），男，湖南永州人，邵陽學(xué)院2012級碩士研究生，研究方向：專用裝備設(shè)計(jì)與制造.