任立维

邯郸宏大化纤机械有限公司研究所(中国)

化学纤维丝束后处理线上蒸汽烘干辊筒是一种极其常见且又非常重要的器材,主要应用于丝束烘干、定型等生产工序中。拉伸后的纤维丝束强度虽高,但内应力较大,尺寸稳定性不好,还需要进行烘干、热定型处理,降低纤维含水率,使大分子发生一定程度的松弛,提高纤维的结晶度,降低纤维的热收缩率,从而提高纤维的尺寸稳定性。[1]由此可知,纤维丝束的烘干、定型是确保成品丝质量的关键工序。在纤维后处理设备中,一般采用通入一定压力饱和蒸汽加热的辊筒来实现对丝束的烘干、定型。[2]

邯郸宏大化纤机械有限公司(以下简称公司)加工制造的蒸汽加热的烘干辊筒根据结构形式分为两种:夹套式烘干辊筒和虹吸式烘干辊筒。

1 蒸汽加热烘干辊筒两种结构形式

1.1 夹套式烘干辊筒结构

图1所示为夹套式烘干辊筒,它主要由外辊筒、内辊筒、下法兰、上法兰、隔条等组成,外辊筒和内辊筒之间的夹层由若干隔条均匀地划分为多个进气小区间。一般情况下在上法兰内,共有6个进气孔和6个回水孔,所有回水孔共用1个比较大的回水口,位于上法兰的中心。夹套式烘干辊筒工作时,饱和蒸汽通过6个进气孔在辊筒的夹层内形成6个独立的加热分区(由1个进气区和1个回水区组成),形成的6路冷凝水在辊筒上法兰中心的回水口汇集后进入设备上的回水管道。[3]

1—螺栓安装孔; 2—回水孔; 3—进气孔; 4—上法兰; 5—夹层。图1 夹套式烘干辊筒

1.2 虹吸式烘干辊筒结构

图2所示的虹吸式烘干辊筒主要由辊筒结合件、进气管结合件、冷凝水管结合件、虹吸管等组成,其与设备的连接方式与图1的夹套式烘干辊筒的相同,都是通过连接螺栓与传动轴连接紧固。虹吸式烘干辊筒工作时,饱和蒸汽经进气管结合件进入辊筒结合件,通过其前端均匀分布的进气孔释放到辊筒内部空间,辊筒将饱和蒸汽热量传递给围绕于辊筒表面的纤维,饱和蒸汽由于散失了热量而冷凝成水,冷凝水因自身重量而集中在辊筒的下部,在饱和蒸汽压力作用下,积存的冷凝水被压入虹吸管,之后依靠虹吸作用和蒸汽压力,不断地将冷凝水排出筒外。

1—连接螺栓; 2—辊筒结合件; 3—进气管结合件; 4—进气孔; 5—冷凝水管结合件; 6—虹吸管。图2 虹吸式烘干辊筒

2 辊筒表面温度均匀性

近20年来,公司生产的两种结构形式的蒸汽烘干辊筒在市场上都得到了普遍应用,相对而言,虹吸式烘干辊筒应用更为广泛。在虹吸式烘干辊筒的实际应用中,辊筒表面温度的均匀性和温度这2个因素是影响烘干、定型效果的最主要因素,也是客户反馈的焦点问题。下面针对客户提出的一些具体问题,做一下细节分析。

2.1 影响因素

设备运转时,进入辊筒内部空间的饱和蒸汽由于通过辊筒将其热量传递给辊筒表面温度较低的纤维而冷凝成水,冷凝水因自身重量而集中在辊筒的下部,正常情况下冷凝水会通过虹吸管排出筒外,但多年实际生产经验发现情况有时并非如此,客户反馈有时会在辊筒下部积存大量的冷凝水,辊筒外壁上部的温度远高于下部温度,辊筒表面温度不均匀,严重影响了烘干和定型效果。分析认为,相同条件下积存在辊筒下部的冷凝水的热导率远小于辊筒壁的热导率,由于冷凝水的存在,导致辊筒内壁上、下传热不均,客观表现在辊筒外壁上、下一冷一热。

2.2 辊筒表面温度不均匀的解决措施

分析得知,辊筒表面温度不均匀主要是由于辊筒下部积存了大量的冷凝水,若要从根本上解决这个问题,就必须将辊筒内部的冷凝水及时排出。公司根据客户不同的现场情况,主要从以下几个方面着手解决。

在用户现场,发现积水较多的辊筒内虹吸管的安装若有偏斜现象,可以先转动调整虹吸管位置,确保虹吸管垂直向下后,再固定锁死。另外,理论上垂直向下的虹吸管与辊筒内壁间隙在不摩擦的情况下越小,运转辊筒内残留的冷凝水也就越少,但由于虹吸管本身属于长杆件,且又形成较长的悬臂,刚性较差,为防止擦伤辊筒内壁,故一般宜将间隙控制为5～8 mm。

在确保虹吸管垂直向下且与辊筒内壁间隙合理的情况下,还是有大量冷凝水无法排出时,首先应考虑排水压差是否合理。排水压差(图3)是指充满饱和蒸汽的辊筒内部压力(Ps)与旋转接头出水口处压力(Pc)的差。当排水压差过小时,就会出现冷凝水排出不及时或无法排出的情况,严重时还会发生淹缸现象(正常情况下虹吸管从辊筒中排出冷凝水的速率与蒸汽在辊筒中形成冷凝水的速率是相同的,一旦这一平衡被打破,冷凝水就会聚集在辊筒内并对设备运行造成影响,即为通常所指的淹缸)。当辊筒转速较高时,淹缸会引发辊筒振动、设备机架晃动、驱动电流增大、虹吸管振动、辊筒内壁磨损甚至折断等故障。根据多年实践经验,车速(辊筒外圆线速度)≤600 m/min时,公司设备通常将排水压差选定为20 kPa(0.2 bar),车速越高,所需排水压差越小。

Ps—辊筒内部压力; Pc—旋转接头出水口处压力。图3 排水压差

若虹吸管安装正确、间隙适宜、排水压差合理,仍不能迅速、有效地排出辊筒内的冷凝水时,首先应检查排水管路是否堵塞,其次查看排水管路中起主要作用的疏水阀的安装是否合理。

疏水阀安装要求如下。

——疏水阀必须尽量靠近并低于排出冷凝水的烘干辊筒,排水管道应有一定斜度,以利冷凝水的排出;

——疏水阀旁应安装旁通管和直通阀,且旁通管不可装在疏水阀下方,以便在必要或起动时排出大量冷凝水和污物;

——疏水阀不能串联安装,必要时可并联安装。

3 辊筒表面温度

3.1 影响因素

通入辊筒内的饱和蒸汽由于压力减小和热量散失会形成冷凝水,当辊筒转速达到一定数值时,其内部冷凝水的惯性力会大于重力,从而在辊筒内壁形成一层水膜。在冷凝水膜将辊筒内壁完全包覆的情况下,就严重影响了饱和蒸汽和辊筒壁的热传导,导致辊筒表面温度虽然均匀,但温度较低,没达到烘干、定型工序的温度要求。

其次,在客户生产现场发现,辊筒使用一段时间后表面会产生很多纤维丝束的胶黏物或异物杂质,比较图4、图5可明显观察到此种情况。

图4 新辊筒

图5 附着胶黏物的辊筒

辊筒表面胶黏物或其他异物杂质的存在都会导致辊筒热传导效率下降,致使辊筒表面温度不均匀和温度不达标,给生产效率和产品质量带来严重影响。辊筒表面积聚的杂质会限制和降低到达纤维丝束的温度,然后需要更高的蒸汽压力和温度来控制丝束水分,从而增加蒸汽损耗。辊筒表面的杂质同时还会影响纤维丝束的质量,因为辊筒表面堆积的杂质通常是不均匀的,这会增加断丝的可能性。

3.2 辊表面温度不达标的解决措施

虹吸式烘干辊实际应用中不可避免地在其内部会形成水膜,导致辊筒热传导效率急剧下降,辊筒表面温度不达标,所以必须想办法打破水膜,通常公司采用在辊筒内部加装扰流棒的方法。

如图6所示,扰流棒安装在辊筒内壁,随辊筒同步运动并打破水膜,促使辊筒内壁冷凝水层产生局部扰动和湍流,以提高辊筒的热传导效率及烘干效率,扰流棒还可以降低断丝频率。

1—扰流棒; 2—辊筒内壁。图6 辊筒内部加装扰流棒(三维轴测图)

对于辊筒表面胶黏物,公司采取在辊筒一侧安装刮刀片,刮除胶黏物的办法进行处理。

安装刮刀片是最常用的一种处理辊筒表面胶黏物的方式,如图7所示,但在客户使用现场有时会发现安装刮刀片后,反而加剧了辊筒表面胶黏物和杂质的积累,分析发现,合理的刮刀片加载角度(图8)、线压力、平行度等是确保刮刀正常工作的必要条件。通过多年生产实践,公司推荐刮刀片加载角度为27°～30°、线压力为180～225 N/m。此外,为确保刮刀的长期使用效果,必须定期检查、调整和优化刮刀系统,确保相应的加载角度、线压力和平行度等,及时更换变形的刮刀夹具。

图7 刮刀片的安装

图8 刮刀片加载角度

4 结语

在蒸汽烘干辊筒的使用过程中,公司对于辊筒表面温度不均匀和温度不达标这两个主要问题的解决措施,不仅满足了客户烘干、定型工序的要求,同时也确保了生产的效率和纤维的品质,蒸汽烘干辊筒的高效运行,还提高了蒸汽和冷凝水系统能源使用率,间接又为客户创造了经济效益。

一直以来,公司不断加强与客户的交流与沟通,一直秉承以客户为中心,为客户提供满意的产品和服务的原则,针对客户提出的问题认真分析研究,并积极寻求可靠、可行的解决措施。