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

邯鄲宏大化纖機械有限公司研究所(中國)

化學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,主要應用于絲束烘干、定型等生產工序中。拉伸后的纖維絲束強度雖高,但內應力較大,尺寸穩定性不好,還需要進行烘干、熱定型處理,降低纖維含水率,使大分子發生一定程度的松弛,提高纖維的結晶度,降低纖維的熱收縮率,從而提高纖維的尺寸穩定性。[1]由此可知,纖維絲束的烘干、定型是確保成品絲質量的關鍵工序。在纖維后處理設備中,一般采用通入一定壓力飽和蒸汽加熱的輥筒來實現對絲束的烘干、定型。[2]

邯鄲宏大化纖機械有限公司(以下簡稱公司)加工制造的蒸汽加熱的烘干輥筒根據結構形式分為兩種: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構形式

1.1 夾套式烘干輥筒結構

圖1所示為夾套式烘干輥筒,它主要由外輥筒、內輥筒、下法蘭、上法蘭、隔條等組成,外輥筒和內輥筒之間的夾層由若干隔條均勻地劃分為多個進氣小區間。一般情況下在上法蘭內,共有6個進氣孔和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個進氣孔在輥筒的夾層內形成6個獨立的加熱分區(由1個進氣區和1個回水區組成),形成的6路冷凝水在輥筒上法蘭中心的回水口匯集后進入設備上的回水管道。[3]

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

1.2 虹吸式烘干輥筒結構

圖2所示的虹吸式烘干輥筒主要由輥筒結合件、進氣管結合件、冷凝水管結合件、虹吸管等組成,其與設備的連接方式與圖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,飽和蒸汽經進氣管結合件進入輥筒結合件,通過其前端均勻分布的進氣孔釋放到輥筒內部空間,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—輥筒結合件; 3—進氣管結合件; 4—進氣孔; 5—冷凝水管結合件; 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,公司生產的兩種結構形式的蒸汽烘干輥筒在市場上都得到了普遍應用,相對而言,虹吸式烘干輥筒應用更為廣泛。在虹吸式烘干輥筒的實際應用中,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,做一下細節分析。

2.1 影響因素

設備運轉時,進入輥筒內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,但多年實際生產經驗發現情況有時并非如此,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高于下部溫度,輥筒表面溫度不均勻,嚴重影響了烘干和定型效果。分析認為,相同條件下積存在輥筒下部的冷凝水的熱導率遠小于輥筒壁的熱導率,由于冷凝水的存在,導致輥筒內壁上、下傳熱不均,客觀表現在輥筒外壁上、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,就必須將輥筒內部的冷凝水及時排出。公司根據客戶不同的現場情況,主要從以下幾個方面著手解決。

在用戶現場,發現積水較多的輥筒內虹吸管的安裝若有偏斜現象,可以先轉動調整虹吸管位置,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壁間隙在不摩擦的情況下越小,運轉輥筒內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部壓力(Ps)與旋轉接頭出水口處壓力(Pc)的差。當排水壓差過小時,就會出現冷凝水排出不及時或無法排出的情況,嚴重時還會發生淹缸現象(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并對設備運行造成影響,即為通常所指的淹缸)。當輥筒轉速較高時,淹缸會引發輥筒振動、設備機架晃動、驅動電流增大、虹吸管振動、輥筒內壁磨損甚至折斷等故障。根據多年實踐經驗,車速(輥筒外圓線速度)≤600 m/min時,公司設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—輥筒內部壓力; Pc—旋轉接頭出水口處壓力。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、有效地排出輥筒內的冷凝水時,首先應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,排水管道應有一定斜度,以利冷凝水的排出;

——疏水閥旁應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;

——疏水閥不能串聯安裝,必要時可并聯安裝。

3 輥筒表面溫度

3.1 影響因素

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

其次,在客戶生產現場發現,輥筒使用一段時間后表面會產生很多纖維絲束的膠黏物或異物雜質,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的存在都會導致輥筒熱傳導效率下降,致使輥筒表面溫度不均勻和溫度不達標,給生產效率和產品質量帶來嚴重影響。輥筒表面積聚的雜質會限制和降低到達纖維絲束的溫度,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。輥筒表面的雜質同時還會影響纖維絲束的質量,因為輥筒表面堆積的雜質通常是不均勻的,這會增加斷絲的可能性。

3.2 輥表面溫度不達標的解決措施

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

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

1—擾流棒; 2—輥筒內壁。圖6 輥筒內部加裝擾流棒(三維軸測圖)

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

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,但在客戶使用現場有時會發現安裝刮刀片后,反而加劇了輥筒表面膠黏物和雜質的積累,分析發現,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、調整和優化刮刀系統,確保相應的加載角度、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標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,同時也確保了生產的效率和纖維的品質,蒸汽烘干輥筒的高效運行,還提高了蒸汽和冷凝水系統能源使用率,間接又為客戶創造了經濟效益。

一直以來,公司不斷加強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品和服務的原則,針對客戶提出的問題認真分析研究,并積極尋求可靠、可行的解決措施。