CN106367822B - 一种化纤纺丝冷却系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化纤纺丝冷却系统，包括制冷装置、雾化装置、环吹装置；本发明所述冷却系统将水雾冷却技术应用到化纤纺丝冷却中，结合了水冷冷却效率高和外环吹风装置冷却均匀的优点，通过环吹冷却装置结构的精细设计，使冷却更加有效又不过于激烈，冷却效率更高，尤其是针对生产直径0.05～0.1mm(大约20～85dtex)的纤维，可以更有利于提高生产效率，单就纺丝速度来说，可以提高到150～400m/min，比水冷纺丝速度提高5倍以上。

Description

一种化纤纺丝冷却系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种冷却系统及其应用，尤其是一种化纤纺丝冷却系统及其应用。

背景技术

在高聚物切片的熔融纺丝过程中，切片粒子经过干燥除湿后，在螺杆挤压机中加热熔融形成高聚物熔体，然后通过熔体计量泵计量，从纺丝组件的喷丝小孔挤出。对于生产不同品种，一个组件喷丝板的孔数一般在10～500孔。从喷丝孔挤出的熔体细流要通过在冷却环境里与流动的冷却介质进行热交换，使其在尽可能短的时间内由熔融流动状态冷却固化成为固态丝条。固化后的丝条经牵伸、定型、卷绕(或切断)成为最终产品。丝条的冷却固化过程与产品后加工的效果关系密切，并直接影响到产品的强伸、条干均匀性和其它性能指标。

为了使熔体细流快速冷却，冷却介质的导热系数越高、热交换速度越快、带走的热量越多，熔体细流的固化速度就越快。而且在冷却过程中，介质对形成的丝条绝对不能存在不良影响，甚至有损伤作用。在切片熔融纺丝工艺中，丝条的冷却固化成形目前有两种方式：风冷和水冷。

风冷是使用一定温度和湿度的空气，采用侧吹风方式(空气从丝束的一侧吹向另一侧)，或外环吹风方式(空气从丝束外侧吹向中间)，或内环吹风方式(空气从丝束中间吹向外侧)，对丝束进行吹风带走熔体细流的热量，从而使丝条冷却固化。这种冷却方式结构简单、易于操作和控制，丝条冷却过程缓和，有利于使丝条形成均匀的结构形态。对于单丝纤度较细、直径小于0.05mm(大约20dtex)的纤维，一般采用风冷方式。风冷工艺以空气作为热交换介质，由于空气的导热系数较低(为0.024W/(m·K))，所以冷却速度慢。实践证明：对于单丝纤度较粗、直径大于0.1mm(大约85dtex)的纤维，很难满足丝条较快冷却固化的要求，只能局限于纺制纤度较细的纤维生产用途。

水冷方式是喷出的熔体细流直接进入控制在一定温度下的凉水浴槽，通过缓慢流动的凉水与熔体细流进行热交换，使丝条冷却固化。由于水的导热系数比空气高很多，这种方式冷却效率高，丝条冷却固化速度快。对于纺制0.1mm(大约85dtex)以上的纤维，特别是较粗的单丝，使用非常普遍。水冷工艺由于水的导热系数高(为0.54W/(m·K))，冷却速度快，所以熔体细流在很短时间内就可以从流动状态转变为固态。但这种方法纺丝速度低，一般在30～70m/min左右。而且水冷方式也不适宜较高的纺丝速度，因为速度增加，水槽的长度相应增加，丝条带出的水分大大增加，甚至引起水花飞溅影响正常生产。另外，这种冷却方式水温控制不当容易造成骤冷，使初生丝条产生皮芯结构，对后加工性能和丝条品质产生不良影响。因此，对于纺制单丝纤度较细(小于85dtex)的纤维来说，采用水冷工艺则纺丝速度慢，生产效率低、生产成本高。为了提高生产效率，只能提高喷丝板孔数加以弥补，这样又增加了纤维与纤维之间纤度差异的可能性，也使后道工序的分丝操作难度加大，断头率也大大增加。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种结构简单、冷却效率高的化纤纺丝冷却系统。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种化纤纺丝冷却系统，包括制冷装置、雾化装置、环吹装置；

所述制冷装置设有制冷装置进水口、制冷装置出水口和制冷装置溢流水进口；

所述雾化装置设有雾化装置进水口、雾化装置水雾出口和雾化装置溢流水出口；

所述环吹装置设有环吹装置水雾进口和环吹装置溢流水出口；

所述制冷装置出水口与所述雾化装置进水口连通，所述雾化装置水雾出口与所述环吹套筒水雾进口连通，所述雾化装置溢流水出口、所述环吹装置溢流水出口均与所述制冷装置溢流水进口连通；

所述环吹装置水雾进口设于所述环吹装置侧面的下部，所述环吹装置溢流水出口设于所述环吹装置的底面。

本发明采用水雾冷却技术，是通过一定温度的烟雾状的水雾作为冷却介质对化纤熔融纺丝丝条进行冷却。以纯净水作为冷却介质，因为冷却固化是一个热量传递的过程，初生丝条要在较短时间内，由熔融流动状态转变为固态，需要一个高效的传热过程。由于水的导热系数为0.54W/(m·K)，是空气的22.5倍，可以更有效地带走丝条中的热量。

本发明所述化纤纺丝冷却系统的工作过程为：制冷装置使纯净水控制在要求温度下，然后冷水源源不断送入所述的雾化装置，多余的冷水从所述的雾化装置的溢流口流回制冷装置，使雾化装置液位保持恒定。冷水在雾化装置中成为烟雾状的水雾，产生的烟雾通过管道送入所述环吹装置，烟雾状的水雾从环吹装置下部静风区段进入，然后沿着环吹装置四周上升，使环吹装置充满烟雾状的水雾，水雾与从喷丝孔喷出的丝条接触，短时间内完成热交换过程，而使丝条快速冷却固化，在完成热交换过程中，部分形成的冷凝水沿着环吹装置内壁流到环吹装置底面，再通过环吹装置溢流水出口流回制冷装置。

优选地，所述环吹装置为一环吹套筒，所述环吹套筒包括内筒和套设于所述内筒外部的外筒，所述内筒侧面上部均匀开有多个孔，所述内筒侧面下部未开孔，为静风区。所述环吹套筒是一个精心设计的圆筒状夹套套筒，内筒侧面上部有均匀布置的小孔，冷却水雾通过小孔进入套筒内筒，烟雾状冷雾与熔体细流接触，将其热量带走使之快速冷却固化。

更优选地，所述静风区的高度距所述内筒底面100～200mm。所述静风区未开有小孔，便于烟雾状的水雾从静风区进入，并沿内筒和外筒之间的夹套四周上升，本申请发明人发现，合适的静风区高度便于水雾能充满夹套，便于后续水雾进入内筒，在短时间内与丝条接触并发生热交换。

优选地，所述孔为圆孔。

更优选地，所述圆孔的直径为2～10mm。

本申请发明人发现，上述孔的形状和尺寸，更便于水雾的顺利通过，并兼顾水雾进入内套的均匀性。

优选地，所述内筒为一圆台。

更优选地，所述内筒的母线和所述内筒的高之间的夹角为3～8度。

本申请发明人发现，上述内筒形状的特定设计，内筒沾附水雾的可能性减少，保证了水雾的顺利通过。

优选地，所述制冷装置进水口、所述制冷装置出水口设于所述制冷装置的顶面，所述制冷装置溢流水进口设于所述制冷装置的侧面；

所述雾化装置进水口、所述雾化装置水雾出口设于所述雾化装置的顶面，所述雾化装置溢流水出口设于所述雾化装置的侧面。

优选地，所述雾化装置为超声波雾化装置。冷水在雾化装置中通过超声波作用使之成为烟雾状的水雾，通过控制超声雾化装置的功率从而确保每瞬间产生的水雾量保持恒定。

优选地，所述制冷装置将制冷装置内的水温控制在10～25℃。水温的控制对冷却效率和后续的稳定生产均有很大的影响，本申请人发现经过大量尝试发现，上述水温不仅冷却效率较高，而且不会影响后续生产的稳定性。

同时，本发明还公开了上述冷却系统在生产直径为0.05～0.1mm的纤维中的应用。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明将水雾冷却技术应用到化纤纺丝冷却中，结合了水冷冷却效率高和外环吹风装置冷却均匀的优点，通过环吹冷却套筒结构形式的精细设计，使冷却更加有效又不过于激烈；利用本发明所述化纤纺丝冷却系统，从喷丝孔挤出的熔体细流经过充满烟雾状冷雾的冷却空间，得到快速冷却固化成形，冷却固化形成的初生丝表面湿润，在丝条进入第一牵伸机时，避免了丝条与牵伸辊摩擦或者丝条之间摩擦产生静电的问题，有利于后加工的顺利进行，形成了一种新的切片熔纺法化纤纺丝工艺路线。

与现有的风冷和水冷技术相比，本发明所述水雾冷却方法拥有更高的冷却效率，而且能使冷却介质形成一个相对均相的稳定系统，以保证丝条的均匀冷却，尤其是针对生产直径0.05～0.1mm(大约20～85dtex)的纤维，能发挥其最大特点；可以更有利于提高生产效率，单就纺丝速度来说，可以提高到150～400m/min，比水冷纺丝速度提高5倍以上。

附图说明

图1为本发明所述化纤纺丝冷却系统的一种平面结构示意图；

其中，1为环吹装置，2为雾化装置，3为制冷装置，4为环吹装置的内筒，5为环吹装置的外筒，6为制冷装置进水口，7为制冷装置出水口，8为制冷装置溢流水进口，9为雾化装置进水口，10为雾化装置水雾出口，11为雾化装置溢流水出口，12为环吹装置水雾进口，13为环吹装置溢流水出口，箭头代表水及水雾的流向。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述化纤纺丝冷却系统的一种实施例，如附图1所示，本实施例所述化纤纺丝冷却系统包括制冷装置3、超声波雾化装置2、环吹套筒1；

所述制冷装置3设有制冷装置进水口6、制冷装置出水口7和制冷装置溢流水进口8，所述制冷装置进水口6、所述制冷装置出水口7设于所述制冷装置3的顶面，所述制冷装置溢流水进口8设于所述制冷装置3的侧面；

所述超声波雾化装置2设有雾化装置进水口9、雾化装置水雾出口10和雾化装置溢流水出口11，所述雾化装置进水口9、所述雾化装置水雾出口10设于所述雾化装置2的顶面，所述雾化装置溢流水出口11设于所述雾化装置2的侧面；

所述环吹套筒1设有环吹套筒水雾进口12和环吹套筒溢流水出口13，所述环吹套筒水雾进口12设于所述环吹套筒1侧面的下部，所述环吹套筒溢流水出口13设于所述环吹套筒1的底面；

所述环吹套筒包括圆台状内筒4和套设于所述内筒外部的外筒5，所述内筒的母线和所述内筒的高之间的夹角为5度，所述内筒侧面上部均匀开有多个直径为6mm的圆孔，所述内筒侧面下部未开孔，为静风区，所述静风区的高度距所述内筒底面150mm；

所述制冷装置出水口7与所述雾化装置进水口9通过管道连通，所述雾化装置水雾出口10与所述环吹套筒水雾进口12通过管道连通，所述雾化装置溢流水出口11、所述环吹套筒溢流水出口13均与所述制冷装置溢流水进口8通过管道连通。

本实施例所述化纤纺丝冷却系统的工作过程为：制冷装置使纯净水控制在18℃，然后冷水源源不断送入所述的雾化装置，超声波雾化装置通过超声波作用使水成为烟雾状的水雾，通过控制超声雾化装置的功率从而确保每瞬间产生的水雾量保持恒定，多余的冷水从所述的雾化装置的溢流口流回制冷装置，使雾化装置液位保持恒定；冷水在雾化装置中成为烟雾状的水雾，产生的烟雾通过管道送入所述环吹装置，烟雾状的水雾从环吹装置下部静风区段进入，然后沿着环吹装置四周上升，使环吹装置充满烟雾状的水雾，水雾与从喷丝孔喷出的丝条接触，短时间内完成热交换过程，而使丝条快速冷却固化，在完成热交换过程中，部分形成的冷凝水沿着环吹装置内壁流到环吹装置底面，再通过环吹装置溢流水出口流回制冷装置。

实施例2

本发明所述化纤纺丝冷却系统的一种实施例，如附图1所示，本实施例所述化纤纺丝冷却系统包括制冷装置3、超声波雾化装置2、环吹套筒1；

所述制冷装置3设有制冷装置进水口6、制冷装置出水口7和制冷装置溢流水进口8，所述制冷装置进水口6、所述制冷装置出水口7设于所述制冷装置3的顶面，所述制冷装置溢流水进口8设于所述制冷装置3的侧面；

所述超声波雾化装置2设有雾化装置进水口9、雾化装置水雾出口10和雾化装置溢流水出口11，所述雾化装置进水口9、所述雾化装置水雾出口10设于所述雾化装置2的顶面，所述雾化装置溢流水出口11设于所述雾化装置2的侧面；

所述环吹套筒1设有环吹套筒水雾进口12和环吹套筒溢流水出口13，所述环吹套筒水雾进口12设于所述环吹套筒1侧面的下部，所述环吹套筒溢流水出口13设于所述环吹套筒1的底面；

所述环吹套筒包括圆台状内筒4和套设于所述内筒外部的外筒5，所述内筒的母线和所述内筒的高之间的夹角为3度，所述内筒侧面上部均匀开有多个直径为2mm的圆孔，所述内筒侧面下部未开孔，为静风区，所述静风区的高度距所述内筒底面100mm；

所述制冷装置出水口7与所述雾化装置进水口9通过管道连通，所述雾化装置水雾出口10与所述环吹套筒水雾进口12通过管道连通，所述雾化装置溢流水出口11、所述环吹套筒溢流水出口13均与所述制冷装置溢流水进口8通过管道连通。

本实施例所述化纤纺丝冷却系统的工作过程为：制冷装置使纯净水控制在10℃，然后冷水源源不断送入所述的雾化装置，超声波雾化装置通过超声波作用使水成为烟雾状的水雾，通过控制超声雾化装置的功率从而确保每瞬间产生的水雾量保持恒定，多余的冷水从所述的雾化装置的溢流口流回制冷装置，使雾化装置液位保持恒定；冷水在雾化装置中成为烟雾状的水雾，产生的烟雾通过管道送入所述环吹装置，烟雾状的水雾从环吹装置下部静风区段进入，然后沿着环吹装置四周上升，使环吹装置充满烟雾状的水雾，水雾与从喷丝孔喷出的丝条接触，短时间内完成热交换过程，而使丝条快速冷却固化，在完成热交换过程中，部分形成的冷凝水沿着环吹装置内壁流到环吹装置底面，再通过环吹装置溢流水出口流回制冷装置。

实施例3

本发明所述化纤纺丝冷却系统的一种实施例，如附图1所示，本实施例所述化纤纺丝冷却系统包括制冷装置3、超声波雾化装置2、环吹套筒1；

所述制冷装置3设有制冷装置进水口6、制冷装置出水口7和制冷装置溢流水进口8，所述制冷装置进水口6、所述制冷装置出水口7设于所述制冷装置3的顶面，所述制冷装置溢流水进口8设于所述制冷装置3的侧面；

所述超声波雾化装置2设有雾化装置进水口9、雾化装置水雾出口10和雾化装置溢流水出口11，所述雾化装置进水口9、所述雾化装置水雾出口10设于所述雾化装置2的顶面，所述雾化装置溢流水出口11设于所述雾化装置2的侧面；

所述环吹套筒1设有环吹套筒水雾进口12和环吹套筒溢流水出口13，所述环吹套筒水雾进口12设于所述环吹套筒1侧面的下部，所述环吹套筒溢流水出口13设于所述环吹套筒1的底面；

所述环吹套筒包括圆台状内筒4和套设于所述内筒外部的外筒5，所述内筒的母线和所述内筒的高之间的夹角为8度，所述内筒侧面上部均匀开有多个直径为10mm的圆孔，所述内筒侧面下部未开孔，为静风区，所述静风区的高度距所述内筒底面200mm。

所述制冷装置出水口7与所述雾化装置进水口9通过管道连通，所述雾化装置水雾出口10与所述环吹套筒水雾进口12通过管道连通，所述雾化装置溢流水出口11、所述环吹套筒溢流水出口13均与所述制冷装置溢流水进口8通过管道连通。

本实施例所述化纤纺丝冷却系统的工作过程为：制冷装置使纯净水控制在25℃，然后冷水源源不断送入所述的雾化装置，超声波雾化装置通过超声波作用使水成为烟雾状的水雾，通过控制超声雾化装置的功率从而确保每瞬间产生的水雾量保持恒定，多余的冷水从所述的雾化装置的溢流口流回制冷装置，使雾化装置液位保持恒定；冷水在雾化装置中成为烟雾状的水雾，产生的烟雾通过管道送入所述环吹装置，烟雾状的水雾从环吹装置下部静风区段进入，然后沿着环吹装置四周上升，使环吹装置充满烟雾状的水雾，水雾与从喷丝孔喷出的丝条接触，短时间内完成热交换过程，而使丝条快速冷却固化，在完成热交换过程中，部分形成的冷凝水沿着环吹装置内壁流到环吹装置底面，再通过环吹装置溢流水出口流回制冷装置。

实施例4

本实施例是利用本发明所述化纤纺丝冷却系统在生产单丝直径为0.05(大约22.9dtex)、0.075mm(大约55.3dtex)、0.1mm(大约91.8dtex)PBT毛刷丝的实际应用，具体工艺路线为：

切片→干燥除湿→熔融挤出→经过本发明所述化纤纺丝冷却系统冷却→热牵伸→上油→热定型→冷却→卷绕(→切条→梳理→包装)

实际操作表明：初生丝条可以在较短时间内均匀固化成形，能够满足实际生产要求。其中，水雾风量、风温的控制非常重要。风量增大，冷却快，风温低也有利于丝条的冷却。但风量太大、风温偏低，形成的冷凝水也随之增加，给操作带来一定的麻烦，甚至影响稳定生产，因此，本发明所述化纤纺丝冷却系统中合适的水温、水雾风速、风量的设计是发明人经过大量探索性研究而得到的。

对生产得到的产品进行性能测试，测试结果如表1所示：

表1经本发明所述冷却系统冷却生产的纺丝产品各性能测试结果

线密度、线密度变异系数采用《化学纤维长丝线密度试验方法》(GB/T14343-2008)，测试仪器采用缕纱测长仪及分析天平，缕纱测长仪由常州第一纺仪有限公司生产，型号为YG086；分析天平由日本Shixko Denshi公司生产，型号为SH-200X。断裂强度、断裂强度变异系数、断裂伸长率、断裂伸长率变异系数采用《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》(GB/T14344-2008)，测试仪器采用电子单纱强力仪，由莱州市电子仪器有限公司生产,型号为YG061。

由以上性能测试结果可以看出，该化纤纺丝冷却系统对0.05～0.1mm的PBT毛刷丝都有很好的冷却效果，经所述冷却系统生产的不同单丝直径的毛刷丝其线密度、断裂强度、断裂伸长率均符合相应产品的使用需求。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种化纤纺丝冷却系统，其特征在于，包括制冷装置、雾化装置、环吹装置；

所述制冷装置设有制冷装置进水口、制冷装置出水口和制冷装置溢流水进口；

所述雾化装置设有雾化装置进水口、雾化装置水雾出口和雾化装置溢流水出口；

所述环吹装置设有环吹装置水雾进口和环吹装置溢流水出口；

所述制冷装置出水口与所述雾化装置进水口连通，所述雾化装置水雾出口与所述环吹装置水雾进口连通，所述雾化装置溢流水出口、所述环吹装置溢流水出口均与所述制冷装置溢流水进口连通；

所述环吹装置水雾进口设于所述环吹装置侧面的下部，所述环吹装置溢流水出口设于所述环吹装置的底面；

所述环吹装置为一环吹套筒，所述环吹套筒包括内筒和套设于所述内筒外部的外筒，所述内筒侧面的上部均匀开有多个孔，所述内筒侧面的下部未开孔，为静风区；

所述静风区的高度距所述内筒底面100～200mm；

所述孔为圆孔。

2.如权利要求1所述化纤纺丝冷却系统，其特征在于，所述圆孔的直径为2～10mm。

3.如权利要求1所述化纤纺丝冷却系统，其特征在于，所述内筒为一圆台。

4.如权利要求3所述化纤纺丝冷却系统，其特征在于，所述内筒的母线和所述内筒的高之间的夹角为3～8度。

5.如权利要求1所述化纤纺丝冷却系统，其特征在于，所述制冷装置进水口、所述制冷装置出水口设于所述制冷装置的顶面，所述制冷装置溢流水进口设于所述制冷装置的侧面；

所述雾化装置进水口、所述雾化装置水雾出口设于所述雾化装置的顶面，所述雾化装置溢流水出口设于所述雾化装置的侧面。

6.如权利要求1或5所述化纤纺丝冷却系统，其特征在于，所述雾化装置为超声波雾化装置。

7.如权利要求1～6任一所述冷却系统在生产直径为0.05～0.1mm的纤维中的应用。