影響虹吸式烘干輥筒表面溫度的因素及其解決措施

任立維

邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司研究所(中國)

化學(xué)纖維絲束后處理線上蒸汽烘干輥筒是一種極其常見且又非常重要的器材,主要應(yīng)用于絲束烘干、定型等生產(chǎn)工序中。拉伸后的纖維絲束強(qiáng)度雖高,但內(nèi)應(yīng)力較大,尺寸穩(wěn)定性不好,還需要進(jìn)行烘干、熱定型處理,降低纖維含水率,使大分子發(fā)生一定程度的松弛,提高纖維的結(jié)晶度,降低纖維的熱收縮率,從而提高纖維的尺寸穩(wěn)定性。[1]由此可知,纖維絲束的烘干、定型是確保成品絲質(zhì)量的關(guān)鍵工序。在纖維后處理設(shè)備中,一般采用通入一定壓力飽和蒸汽加熱的輥筒來實現(xiàn)對絲束的烘干、定型。[2]

邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司(以下簡稱公司)加工制造的蒸汽加熱的烘干輥筒根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為兩種:夾套式烘干輥筒和虹吸式烘干輥筒。

1 蒸汽加熱烘干輥筒兩種結(jié)構(gòu)形式

1.1 夾套式烘干輥筒結(jié)構(gòu)

圖1所示為夾套式烘干輥筒,它主要由外輥筒、內(nèi)輥筒、下法蘭、上法蘭、隔條等組成,外輥筒和內(nèi)輥筒之間的夾層由若干隔條均勻地劃分為多個進(jìn)氣小區(qū)間。一般情況下在上法蘭內(nèi),共有6個進(jìn)氣孔和6個回水孔,所有回水孔共用1個比較大的回水口,位于上法蘭的中心。夾套式烘干輥筒工作時,飽和蒸汽通過6個進(jìn)氣孔在輥筒的夾層內(nèi)形成6個獨立的加熱分區(qū)(由1個進(jìn)氣區(qū)和1個回水區(qū)組成),形成的6路冷凝水在輥筒上法蘭中心的回水口匯集后進(jìn)入設(shè)備上的回水管道。[3]

1—螺栓安裝孔; 2—回水孔; 3—進(jìn)氣孔; 4—上法蘭; 5—夾層。圖1 夾套式烘干輥筒

1.2 虹吸式烘干輥筒結(jié)構(gòu)

圖2所示的虹吸式烘干輥筒主要由輥筒結(jié)合件、進(jìn)氣管結(jié)合件、冷凝水管結(jié)合件、虹吸管等組成,其與設(shè)備的連接方式與圖1的夾套式烘干輥筒的相同,都是通過連接螺栓與傳動軸連接緊固。虹吸式烘干輥筒工作時,飽和蒸汽經(jīng)進(jìn)氣管結(jié)合件進(jìn)入輥筒結(jié)合件,通過其前端均勻分布的進(jìn)氣孔釋放到輥筒內(nèi)部空間,輥筒將飽和蒸汽熱量傳遞給圍繞于輥筒表面的纖維,飽和蒸汽由于散失了熱量而冷凝成水,冷凝水因自身重量而集中在輥筒的下部,在飽和蒸汽壓力作用下,積存的冷凝水被壓入虹吸管,之后依靠虹吸作用和蒸汽壓力,不斷地將冷凝水排出筒外。

1—連接螺栓; 2—輥筒結(jié)合件; 3—進(jìn)氣管結(jié)合件; 4—進(jìn)氣孔; 5—冷凝水管結(jié)合件; 6—虹吸管。圖2 虹吸式烘干輥筒

2 輥筒表面溫度均勻性

近20年來,公司生產(chǎn)的兩種結(jié)構(gòu)形式的蒸汽烘干輥筒在市場上都得到了普遍應(yīng)用,相對而言,虹吸式烘干輥筒應(yīng)用更為廣泛。在虹吸式烘干輥筒的實際應(yīng)用中,輥筒表面溫度的均勻性和溫度這2個因素是影響烘干、定型效果的最主要因素,也是客戶反饋的焦點問題。下面針對客戶提出的一些具體問題,做一下細(xì)節(jié)分析。

2.1 影響因素

設(shè)備運轉(zhuǎn)時,進(jìn)入輥筒內(nèi)部空間的飽和蒸汽由于通過輥筒將其熱量傳遞給輥筒表面溫度較低的纖維而冷凝成水,冷凝水因自身重量而集中在輥筒的下部,正常情況下冷凝水會通過虹吸管排出筒外,但多年實際生產(chǎn)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)情況有時并非如此,客戶反饋有時會在輥筒下部積存大量的冷凝水,輥筒外壁上部的溫度遠(yuǎn)高于下部溫度,輥筒表面溫度不均勻,嚴(yán)重影響了烘干和定型效果。分析認(rèn)為,相同條件下積存在輥筒下部的冷凝水的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于輥筒壁的熱導(dǎo)率,由于冷凝水的存在,導(dǎo)致輥筒內(nèi)壁上、下傳熱不均,客觀表現(xiàn)在輥筒外壁上、下一冷一熱。

2.2 輥筒表面溫度不均勻的解決措施

分析得知,輥筒表面溫度不均勻主要是由于輥筒下部積存了大量的冷凝水,若要從根本上解決這個問題,就必須將輥筒內(nèi)部的冷凝水及時排出。公司根據(jù)客戶不同的現(xiàn)場情況,主要從以下幾個方面著手解決。

在用戶現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)積水較多的輥筒內(nèi)虹吸管的安裝若有偏斜現(xiàn)象,可以先轉(zhuǎn)動調(diào)整虹吸管位置,確保虹吸管垂直向下后,再固定鎖死。另外,理論上垂直向下的虹吸管與輥筒內(nèi)壁間隙在不摩擦的情況下越小,運轉(zhuǎn)輥筒內(nèi)殘留的冷凝水也就越少,但由于虹吸管本身屬于長桿件,且又形成較長的懸臂,剛性較差,為防止擦傷輥筒內(nèi)壁,故一般宜將間隙控制為5～8 mm。

在確保虹吸管垂直向下且與輥筒內(nèi)壁間隙合理的情況下,還是有大量冷凝水無法排出時,首先應(yīng)考慮排水壓差是否合理。排水壓差(圖3)是指充滿飽和蒸汽的輥筒內(nèi)部壓力(Ps)與旋轉(zhuǎn)接頭出水口處壓力(Pc)的差。當(dāng)排水壓差過小時,就會出現(xiàn)冷凝水排出不及時或無法排出的情況,嚴(yán)重時還會發(fā)生淹缸現(xiàn)象(正常情況下虹吸管從輥筒中排出冷凝水的速率與蒸汽在輥筒中形成冷凝水的速率是相同的,一旦這一平衡被打破,冷凝水就會聚集在輥筒內(nèi)并對設(shè)備運行造成影響,即為通常所指的淹缸)。當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速較高時,淹缸會引發(fā)輥筒振動、設(shè)備機(jī)架晃動、驅(qū)動電流增大、虹吸管振動、輥筒內(nèi)壁磨損甚至折斷等故障。根據(jù)多年實踐經(jīng)驗,車速(輥筒外圓線速度)≤600 m/min時,公司設(shè)備通常將排水壓差選定為20 kPa(0.2 bar),車速越高,所需排水壓差越小。

Ps—輥筒內(nèi)部壓力; Pc—旋轉(zhuǎn)接頭出水口處壓力。圖3 排水壓差

若虹吸管安裝正確、間隙適宜、排水壓差合理,仍不能迅速、有效地排出輥筒內(nèi)的冷凝水時,首先應(yīng)檢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閥的安裝是否合理。

疏水閥安裝要求如下。

——疏水閥必須盡量靠近并低于排出冷凝水的烘干輥筒,排水管道應(yīng)有一定斜度,以利冷凝水的排出;

——疏水閥旁應(yīng)安裝旁通管和直通閥,且旁通管不可裝在疏水閥下方,以便在必要或起動時排出大量冷凝水和污物;

——疏水閥不能串聯(lián)安裝,必要時可并聯(lián)安裝。

3 輥筒表面溫度

3.1 影響因素

通入輥筒內(nèi)的飽和蒸汽由于壓力減小和熱量散失會形成冷凝水,當(dāng)輥筒轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時,其內(nèi)部冷凝水的慣性力會大于重力,從而在輥筒內(nèi)壁形成一層水膜。在冷凝水膜將輥筒內(nèi)壁完全包覆的情況下,就嚴(yán)重影響了飽和蒸汽和輥筒壁的熱傳導(dǎo),導(dǎo)致輥筒表面溫度雖然均勻,但溫度較低,沒達(dá)到烘干、定型工序的溫度要求。

其次,在客戶生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),輥筒使用一段時間后表面會產(chǎn)生很多纖維絲束的膠黏物或異物雜質(zhì),比較圖4、圖5可明顯觀察到此種情況。

圖4 新輥筒

圖5 附著膠黏物的輥筒

輥筒表面膠黏物或其他異物雜質(zhì)的存在都會導(dǎo)致輥筒熱傳導(dǎo)效率下降,致使輥筒表面溫度不均勻和溫度不達(dá)標(biāo),給生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。輥筒表面積聚的雜質(zhì)會限制和降低到達(dá)纖維絲束的溫度,然后需要更高的蒸汽壓力和溫度來控制絲束水分,從而增加蒸汽損耗。輥筒表面的雜質(zhì)同時還會影響纖維絲束的質(zhì)量,因為輥筒表面堆積的雜質(zhì)通常是不均勻的,這會增加斷絲的可能性。

3.2 輥表面溫度不達(dá)標(biāo)的解決措施

虹吸式烘干輥實際應(yīng)用中不可避免地在其內(nèi)部會形成水膜,導(dǎo)致輥筒熱傳導(dǎo)效率急劇下降,輥筒表面溫度不達(dá)標(biāo),所以必須想辦法打破水膜,通常公司采用在輥筒內(nèi)部加裝擾流棒的方法。

如圖6所示,擾流棒安裝在輥筒內(nèi)壁,隨輥筒同步運動并打破水膜,促使輥筒內(nèi)壁冷凝水層產(chǎn)生局部擾動和湍流,以提高輥筒的熱傳導(dǎo)效率及烘干效率,擾流棒還可以降低斷絲頻率。

1—擾流棒; 2—輥筒內(nèi)壁。圖6 輥筒內(nèi)部加裝擾流棒(三維軸測圖)

對于輥筒表面膠黏物,公司采取在輥筒一側(cè)安裝刮刀片,刮除膠黏物的辦法進(jìn)行處理。

安裝刮刀片是最常用的一種處理輥筒表面膠黏物的方式,如圖7所示,但在客戶使用現(xiàn)場有時會發(fā)現(xiàn)安裝刮刀片后,反而加劇了輥筒表面膠黏物和雜質(zhì)的積累,分析發(fā)現(xiàn),合理的刮刀片加載角度(圖8)、線壓力、平行度等是確保刮刀正常工作的必要條件。通過多年生產(chǎn)實踐,公司推薦刮刀片加載角度為27°～30°、線壓力為180～225 N/m。此外,為確保刮刀的長期使用效果,必須定期檢查、調(diào)整和優(yōu)化刮刀系統(tǒng),確保相應(yīng)的加載角度、線壓力和平行度等,及時更換變形的刮刀夾具。

圖7 刮刀片的安裝

圖8 刮刀片加載角度

4 結(jié)語

在蒸汽烘干輥筒的使用過程中,公司對于輥筒表面溫度不均勻和溫度不達(dá)標(biāo)這兩個主要問題的解決措施,不僅滿足了客戶烘干、定型工序的要求,同時也確保了生產(chǎn)的效率和纖維的品質(zhì),蒸汽烘干輥筒的高效運行,還提高了蒸汽和冷凝水系統(tǒng)能源使用率,間接又為客戶創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

一直以來,公司不斷加強(qiáng)與客戶的交流與溝通,一直秉承以客戶為中心,為客戶提供滿意的產(chǎn)品和服務(wù)的原則,針對客戶提出的問題認(rèn)真分析研究,并積極尋求可靠、可行的解決措施。