緊密紡與落棉組合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析

李新禹，陳 林，孟 林，郝旭濤，劉 濤

（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

緊密紡技術(shù)[1-2]是基于傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗的一種新型紡紗技術(shù)，基本工作原理是利用大風(fēng)機(jī)為緊密紡紗提供負(fù)壓，集聚負(fù)壓使其達(dá)到除塵效果；落棉除塵是為保證紡織過程中，崩斷的粗紗能順利被吸入落棉孔口，防止粗紗產(chǎn)生纏繞，且保證短絨和細(xì)小塵雜隨氣體排出達(dá)到除塵效果.

謝春萍等[3]在緊密紡大風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)中增大了緊密紡主風(fēng)道的橫截面，并對(duì)支管根數(shù)做了改進(jìn)，使緊密紡大風(fēng)機(jī)系統(tǒng)從車頭到車尾的通風(fēng)量增加，但系統(tǒng)支管處能量損耗大，占整個(gè)管道能耗的30%左右；日本學(xué)者將1 008錠緊密紡機(jī)組風(fēng)系統(tǒng)分為緊密紡風(fēng)系統(tǒng)和落棉風(fēng)系統(tǒng)兩個(gè)部分，緊密紡風(fēng)系統(tǒng)由21個(gè)獨(dú)立的48錠的微風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成，解決了因風(fēng)道過長造成的每個(gè)緊密紡吸風(fēng)口負(fù)壓值的不穩(wěn)定的問題，但是落棉風(fēng)系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的大風(fēng)道系統(tǒng)，這種風(fēng)系統(tǒng)盡管能保證緊密紡的壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，但能量損耗卻相對(duì)較大.

為了減少能量損耗且同時(shí)滿足緊密紡系統(tǒng)和落棉系統(tǒng)的各自除塵要求，本文將單節(jié)48錠緊密紡風(fēng)系統(tǒng)和小型化落棉風(fēng)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)為一個(gè)風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)通過三通管道與緊密紡主風(fēng)道和2個(gè)落棉主風(fēng)道相連，同時(shí)用軟管連接緊密紡吸棉末端，全部排風(fēng)經(jīng)由小型離心風(fēng)機(jī)排出.

1 緊密紡與落棉組合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模

適當(dāng)?shù)呢?fù)壓值是達(dá)到系統(tǒng)除塵效果的關(guān)鍵，參考國內(nèi)緊密紡、落棉系統(tǒng)要求，組合系統(tǒng)中緊密紡系統(tǒng)吸風(fēng)口負(fù)壓設(shè)為3 000 Pa，落棉系統(tǒng)進(jìn)口負(fù)壓設(shè)為1 000 Pa，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇類比法進(jìn)行風(fēng)道斷面尺寸設(shè)計(jì).圖1所示為組合系統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)圖.其中：緊密紡主風(fēng)道的設(shè)計(jì)尺寸為1680mm×65mm×100mm；落棉主風(fēng)道的設(shè)計(jì)尺寸為1 680 mm×50 mm×80 mm，并通過三通將緊密紡與落棉系統(tǒng)連通組合，其他孔口的尺寸按照紡織除塵系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)部件的相關(guān)尺寸設(shè)計(jì).

圖1 組合系統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)圖Fig.1 Graphic design of combinatorial system

為了便于之后的CFD數(shù)值模擬計(jì)算，本文使用三維建模軟件PROE對(duì)整個(gè)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行建模定位裝配，得到組合系統(tǒng)的3D模型圖，如圖2所示.

圖2 組合系統(tǒng)的3D模型圖Fig.2 3D model diagram of combinatorial system

2 理論計(jì)算

2.1 系統(tǒng)氣體流量

管道氣體流量的計(jì)算是指氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量或是指定工況下的氣體流量.本研究是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，未經(jīng)溫度、壓力工況修正的氣體流量，公式為：

式中：L 為氣體流量（m3/s）；V 為氣體流速（m/s）；F 為空口面積（m2）.

2.1.1 緊密紡系統(tǒng)總流量

為保證除塵時(shí)短絨隨氣體運(yùn)動(dòng)，不沉降，根據(jù)大型紡織廠緊密紡系統(tǒng)的除塵要求，緊密紡孔口流速V1選擇8～10 m/s；并經(jīng)實(shí)際測量緊密紡單孔口面積F1為0.024×0.002=0.000 048 m2，則48錠孔口總面積為0.002 304 m2，緊密紡系統(tǒng)總流量為：L1=V1× F1=10 ×0.002 304=0.023 04 m3/s=8.294 m3/h.

2.1.2 落棉系統(tǒng)總流量

為保證紡織過程中崩斷的粗紗能順利被吸入落棉孔口，防止粗紗產(chǎn)生纏繞，且保證短絨和細(xì)小塵雜隨氣體運(yùn)動(dòng)，不沉降，根據(jù)大型紡織廠落棉系統(tǒng)除塵要求，落棉孔口流速V2選擇8～10 m/s，并按實(shí)際測量落棉單孔口面積F2為3.14×0.003×0.003=0.000 282 6 m2，其中落棉空口半徑r=3 mm，則48錠孔口總面積為0.001 356 m2，落棉系統(tǒng)總流量：L2=V2×F2=10×0.001 356=0.013 56 m3/s=48.833 m3/h.

因此，組合系統(tǒng)的總風(fēng)量L=L1+L2=57.127 m3/h.

2.2 系統(tǒng)阻力計(jì)算

2.2.1 風(fēng)管的摩擦阻力和局部阻力計(jì)算

根據(jù)流體力學(xué)原理[4]，空氣在橫斷面形狀不變的管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力按下式計(jì)算：

式中：l為管道長度（m）；V為風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速（m/s）；ρ為空氣的密度（kg/m3）；D為圓形風(fēng)管直徑（m）.

當(dāng)空氣流過斷面變化的管件（如各種變徑管、風(fēng)管進(jìn)出口）、流向變化的管件（彎頭）和流量變化的管件（如三通、排風(fēng)口）都會(huì)產(chǎn)生局部阻力.

局部阻力按下式計(jì)算：

且對(duì)于圓形風(fēng)管單位長度的摩擦阻力（比摩阻）為：

式中：ζ為局部阻力系數(shù).

風(fēng)系統(tǒng)總阻力為：

式中：P為風(fēng)系統(tǒng)總阻力（Pa）；i為吸風(fēng)口數(shù)量.

2.2.2 緊密紡風(fēng)道最不利環(huán)路水力計(jì)算

利用假定流速法，即按技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求選定風(fēng)管的流速，再根據(jù)風(fēng)管的風(fēng)量確定風(fēng)管的斷面尺寸和阻力，最后選擇滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的風(fēng)機(jī).

緊密紡最不利環(huán)路如圖3所示，圖中1～7為不同壓力變化區(qū)域，依據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)工藝要求，孔口1的額定壓力為3 000 Pa，額定流速為8～10 m/s.通過假定流速法，取流速為10 m/s，并根據(jù)所設(shè)計(jì)的各管段的斷面尺寸計(jì)算摩擦阻力和局部阻力，緊密紡風(fēng)道水力計(jì)算如表1所示.

圖3 緊密紡風(fēng)道最不利環(huán)路Fig.3 The most unfavorable loop of compact spinningwind duct

表1 緊密紡風(fēng)道水力計(jì)算表Tab.1 Hydraulic calculation table of compact spinning wind duct

表1中計(jì)算得出的緊密紡風(fēng)道所需最大風(fēng)壓為-3 141.253 Pa.

2.2.3 落棉風(fēng)道最不利環(huán)路水力計(jì)算

落棉風(fēng)道最不利環(huán)路如圖4所示，圖中1～6為不同壓力變化區(qū)域，依據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)工藝要求，孔口1的額定壓力為1 000 Pa，額定流速為8～10 m/s.通過假定流速法，取流速為10 m/s，并根據(jù)所設(shè)計(jì)的各管段的斷面尺寸，計(jì)算摩擦阻力和局部阻力如表2落棉風(fēng)道水力計(jì)算表所示，計(jì)算得出落棉風(fēng)道所需最大風(fēng)壓為-1 124.029 Pa.

圖4 落棉風(fēng)道最不利環(huán)路Fig.4 The most unfavorable loop of noil wind duct

表2 落棉風(fēng)道水力計(jì)算表Tab.2 Hydraulic calculation table of noil cleaning wind duct

經(jīng)計(jì)算，緊密紡與落棉系統(tǒng)存在較大的壓力差，需要在2個(gè)落棉主風(fēng)道上加風(fēng)量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)道壓力，達(dá)到緊密紡和落棉系統(tǒng)壓力平衡的目標(biāo)，總的風(fēng)壓為（-3 141.253）+（-1 124.092）=-4 265.345 Pa.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上理論計(jì)算，此系統(tǒng)需要配置壓力4 000 Pa、風(fēng)量57.127 m3/h、功率500 W、電壓380 V的小型風(fēng)機(jī).考慮風(fēng)機(jī)正壓段所需壓力，實(shí)際匹配的風(fēng)機(jī)壓力參數(shù)應(yīng)接近4 300 Pa.因國內(nèi)尚無滿足壓力4 300 Pa的小型離心風(fēng)機(jī)，故選擇上海全風(fēng)機(jī)電設(shè)備有限公司的離心風(fēng)機(jī)加變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓效果.風(fēng)機(jī)全壓1 500 Pa、功率400 W，變頻器S800，通過變頻負(fù)壓段可提高到3 000 Pa.

試驗(yàn)利用U型水管壓力計(jì)和風(fēng)速測量儀分別測得風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓為3 000 Pa、出口風(fēng)速32.15 m/s，在此條件下，通過風(fēng)速測量儀分別測得緊密紡支管孔口風(fēng)速和落棉孔口風(fēng)速.由系統(tǒng)的對(duì)稱性，緊密紡風(fēng)道測得4根支管進(jìn)口風(fēng)速，落棉風(fēng)道測得12個(gè)進(jìn)口風(fēng)速.1號(hào)測試點(diǎn)代表各風(fēng)道端部進(jìn)口，分別向中間依次測量至4號(hào)和12號(hào)測試點(diǎn)，測試點(diǎn)示意圖如圖5所示.

圖5 測試點(diǎn)示意圖Fig.5 Test points schematic diagram

圖6、圖7所示為緊密紡和落棉系統(tǒng)閥門完全打開的情況下分別測量的2組數(shù)據(jù)，每組10次.

圖6 緊密紡風(fēng)道獨(dú)立工作4個(gè)測試點(diǎn)風(fēng)速Fig.6 Wind speed of 4 test points for independent work of compact spinning wind duct

圖6所示為密紡風(fēng)道獨(dú)立工作4個(gè)測試點(diǎn)風(fēng)速，通過對(duì)比分析圖中所測數(shù)據(jù)，每個(gè)測試點(diǎn)的風(fēng)速變化范圍較小，平均風(fēng)速為9 m/s，達(dá)到了緊密紡系統(tǒng)孔口風(fēng)速要求，且從測試點(diǎn)1到測試點(diǎn)4的風(fēng)速變化趨勢符合流體力學(xué)節(jié)點(diǎn)壓力相等的設(shè)計(jì)理論[5]；圖7所示為落棉系統(tǒng)獨(dú)立工作12個(gè)測試點(diǎn)風(fēng)速，通過對(duì)比分析和計(jì)算所測數(shù)據(jù)，平均風(fēng)速為7.8 m/s，與落棉系統(tǒng)孔口風(fēng)速要求相差了0.2 m/s，誤差僅為2.5%，在誤差允許范圍內(nèi)，且從測試點(diǎn)1到測試點(diǎn)12的風(fēng)速變化趨勢符合流體力學(xué)節(jié)點(diǎn)壓力相等的設(shè)計(jì)理論.

圖7 落棉風(fēng)道獨(dú)立工作12個(gè)測試點(diǎn)風(fēng)速Fig.7 Wind speed of 12 test points for independent work of noil wind duct

該試驗(yàn)是在離心風(fēng)機(jī)壓力3 000 Pa條件下得出的結(jié)論，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果，說明了該設(shè)計(jì)是合理的，如果在條件允許的情況下，可以將配置壓力設(shè)置到理論計(jì)算的壓力，將會(huì)達(dá)到更加理想的效果.

4CFD數(shù)值模擬

4.1 緊密紡與落棉組合系統(tǒng)的有限元模型

本文使用與CFD軟件FLUENT聯(lián)動(dòng)的workbench下mesh功能模塊進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分.有限元網(wǎng)格的劃分質(zhì)量對(duì)數(shù)值計(jì)算正確域的穩(wěn)定起著重要作用，網(wǎng)格的質(zhì)量包括節(jié)點(diǎn)的分布，光滑性等.劃分網(wǎng)格時(shí)將三維模型文件在PROE5.0環(huán)境下保存為STP格式，圖8所示為1/4組合系統(tǒng)的有限元模型，網(wǎng)格共劃分為1 976 425個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格.

圖8 1/4組合系統(tǒng)的有限元模型Fig.8 A quarter of finite element model of combinatorial system

4.2 邊界條件設(shè)置

采用1/4組合系統(tǒng)的有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，4個(gè)緊密紡風(fēng)道進(jìn)口壓力進(jìn)口邊界條件設(shè)為-3 000 Pa，風(fēng)速邊界條件設(shè)為-10 m/s；12個(gè)落棉風(fēng)道進(jìn)口壓力進(jìn)口邊界條件設(shè)為-1 000 Pa，風(fēng)速邊界條件設(shè)為-10 m/s；主風(fēng)道出口設(shè)為壓力出口邊界條件；其他設(shè)為壁面邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算.

本文采用SIMPLE算法，設(shè)置材料屬性為空氣，默認(rèn)密度為1.225 kg/m3，對(duì)材質(zhì)為空氣的湍流模型進(jìn)行的模型計(jì)算，當(dāng)能量方程中變量的殘差值低于10-6，其余所有變量殘差值低于10-3時(shí)，就認(rèn)為計(jì)算收斂[6-7].

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在FLUENT軟件數(shù)值模擬殘差曲線成功收斂后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行以下處理.圖9、圖10為出口風(fēng)速云圖和風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速云圖.

圖9 出口風(fēng)速云圖Fig.9 Velocity contours of outlet

圖10 風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速云圖Fig.10 Velocity contours in interior of wind duct

經(jīng)模擬計(jì)算出口平均風(fēng)速為28.32 m/s，與試驗(yàn)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速接近.流體在風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，說明組合系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較強(qiáng)，符合流體力學(xué)節(jié)點(diǎn)壓力相等的設(shè)計(jì)理論；且出口處氣體流量為4×13.82 m3/h，與理論計(jì)算總風(fēng)量接近.

圖11和圖12為出口壓力云圖和風(fēng)道內(nèi)部壓力云圖.經(jīng)模擬計(jì)算出口平均負(fù)壓為-4 027.6 Pa，與理論計(jì)算總的風(fēng)壓接近.流體在緊密紡主風(fēng)道內(nèi)部壓力穩(wěn)定，增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，符合組合除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，滿足組合除塵系統(tǒng)的除塵要求.

圖11 出口壓力云圖Fig.11 Pressure contours of outlet

圖12 風(fēng)道內(nèi)部壓力云圖Fig.12 Pressure contours in interior of wind duct

5 結(jié)論

本研究將單節(jié)48錠緊密紡風(fēng)系統(tǒng)和小型化落棉風(fēng)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)為一個(gè)風(fēng)系統(tǒng)，通過理論計(jì)算對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部阻力進(jìn)行簡單分析，在現(xiàn)有的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并通過CFD軟件FLUENT對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）組合系統(tǒng)的試驗(yàn)中，緊密紡系統(tǒng)測點(diǎn)平均風(fēng)速為9 m/s，達(dá)到了緊密紡系統(tǒng)孔口的風(fēng)速要求；落棉系統(tǒng)測點(diǎn)平均風(fēng)速為7.8 m/s，與落棉系統(tǒng)孔口風(fēng)速要求相差了0.2 m/s，誤差僅為2.5%，在誤差允許范圍內(nèi)，說明該組合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理.

（2）風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速、壓力相對(duì)穩(wěn)定，且出口平均風(fēng)速與試驗(yàn)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速接近，出口處氣體流量、平均負(fù)壓與理論計(jì)算值接近，說明組合系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較強(qiáng)，符合流體力學(xué)節(jié)點(diǎn)壓力相等的設(shè)計(jì)理論.

（3）該系統(tǒng)采用48錠緊密紡風(fēng)系統(tǒng)和小型化落棉風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行組合，經(jīng)理論分析、CFD數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，將緊密紡風(fēng)系統(tǒng)與落棉除塵系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)為一個(gè)系統(tǒng)，不僅可以滿足緊密紡和落棉系統(tǒng)的各自除塵要求，而且在一定程度上減少了能量損耗.

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