CN116949606A - 一种预氧化炉端部主气流回风腔结构及孔位布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及预氧化炉技术领域，尤其涉及一种预氧化炉端部主气流回风腔结构及网孔布置方法，包括：主腔室、分配器、一级回风腔、侧腔室，其中，一级回风腔有倾斜设置的气流挡板，用于辅助气流转向，主腔室内有第一网孔板和第二网孔板。在本发明中，通过第一网孔板和第二网孔板的布置，第一网孔板均匀分布用于稳定气流方向，第二网孔板通过划分若干区域，每个区域内网孔数量不同但压损相等，使得流过第一网孔板并且从第二网孔板流出的气体在一级回风腔内各区域的压力相同，从而起到了稳定气流的作用，达到了稳定气流的效果。

Description

一种预氧化炉端部主气流回风腔结构及孔位布置方法

技术领域

本发明涉及预氧化炉技术领域，尤其涉及一种预氧化炉端部主气流回风腔结构及网孔布置方法。

背景技术

在碳纤维生产过程中，预氧化是控制碳纤维质量的关键过程，预氧化是指碳纤维原丝在预氧化炉的主腔室内，在200~300摄氏度的空气中，在适当张力下使得碳纤维原丝经历分子链的环化、交联、脱氢、氧化等一系列复杂反应，使它转化成热稳定的吡啶环梯形结构；在预氧化过程中，保持均一稳定的气流场是预氧化工艺的核心控制指标之一；

发明人已知的相关技术中，预氧化炉多包括主腔室、与主腔室平行的侧腔室、侧腔室的一端与主腔室的端部通过回风腔连通、侧腔室内具有离心风机并且侧腔室的另一端与主腔室的中央分配器连接，形成从主腔室到回风腔、从回风腔到侧腔室、从侧腔室到中央分配器以及从中央分配器流回主腔室的循环气流结构；

然而发明人在实施上述方案时发现，主腔室内的气流从回风腔进入至侧腔室时需要转向，而该位置处的气流转向对主腔室和回风腔内的气流影响较大，故如何提高主腔室内气流进入至回风腔时的稳定性成为了当前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本发明提供了一种预氧化炉端部主气流回风腔结构及网孔布置方式，采用结构的改进以提高气流稳定性。

根据本发明的第一方面，提供一种预氧化炉端部主气流回风腔结构，包括：

主腔室，用于供预氧丝从其中通过并在其内发生预氧化反应；

分配器，设置在所述主腔室的一端；

一级回风腔，在所述主腔室内与所述分配器相对设置；

侧腔室，与所述主腔室平行设置，且两端分别与所述一级回风腔、分配器连接，所述侧腔室内具有风机，用于将一级回风腔内的气体吹入至所述分配器内，所述一级回风腔的入口与所述主腔室连通，所述一级回风腔的出口与所述侧腔室连通；

其中，所述一级回风腔在远离所述侧腔室的一端上具有倾斜设置的气流挡板，所述气流挡板用于辅助气流转向，所述主腔室内在靠近所述一级回风腔的入口处依次平行间隔设置有第一网孔板和第二网孔板，所述第一网孔板上的孔位均匀布置，所述第二网孔板上的孔位非均匀布置，所述第二网孔板沿其长度方向上等分为若干区域，且每一个区域内的孔位的压损相等。

进一步地，所述分配器设置于所述主腔室的中间端、顶端或者侧端位置。

进一步地，所述侧腔室内还具有加热器，用于对循环气流进行加热。

进一步地，还包括设置在所述主腔室内并且与所述侧腔室连通的二级回风腔，所述二级回风腔设置在所述一级回风腔外侧，用于回收所述一级回风腔的层间气流。

进一步地，所述主腔室的端部还具有端部气帘，用于防止主腔室内气流逸散。

进一步地，所述一级回风腔为长方体腔体，所述一级回风腔的所述入口与所述主腔室贯通，所述一级回风腔的所述出口与所述侧腔室贯通。

根据本发明的第二方面，还提供了一种预氧化炉端部主气流回风腔网孔布置方法，包括以下步骤：

确定第二网孔板上分区的个数m；

确定四周边距；

根据第二网孔板的可利用面积及孔径确定最大孔数；

计算远离一级回风腔出口区域的平均截面积A1’；

计算气流挡板倾角及在两个垂直板上的截距；

计算远离一级回风腔出口区域的平均压损；

根据压损及以及截面积，依次计算区域2至区域m的网孔数量。

进一步地，在所述第二网孔板的m个分区中，第i个区间的质量流率Qm的计算公式为：

其中，ρ为气流密度，v_k,i为网孔处气流速度，A为第一层滤网入口处主流截面积，N_i为第i个区间内网孔的数量，R_i为网孔孔径。

进一步地，网孔处气流速度v_k,i与一级回风腔内第i个区域气流及回风腔内截面积A_i’之间关系为：

。

进一步地，每一个区域滤网的压损为：

其中，p_1,i为第一网孔板第i个孔位的网前来流压力，v_1,i为第一网孔板第i个孔位的网前来流速度；p_2,m为第二网板与第一网板第i个网孔对应位置处的网后气流压力，v_2,i为第二网孔板中与第一网孔板第i个区域位置对应的位置处的网后气流速度，在依次计算区域2至区域m的网孔数量时，使得每个区域的网孔压损相等。

本发明的有益效果为：本发明通过第一网孔板和第二网孔板的布置，第一网孔板均匀分布用于稳定气流方向，第二网孔板通过划分若干区域，每个区域内网孔数量不同但压损相等，使得流过第一网孔板并且从第二网孔板流出的气体在一级回风腔内各区域的压力相同，从而起到了稳定气流的作用，达到了稳定气流的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中预氧化炉端部主气流回风腔结构及网孔布置方法的结构示意图；

图2为本发明实施例中预氧化炉端部主气流回风腔结构及网孔布置方法的结构示意图；

图3为本发明实施例中一级回风腔第一层滤网示意图（均匀滤网）的结构示意图；

图4为本发明实施例中一级回风腔第二层滤网示意图（非均匀滤网）的结构示意图；

图5为本发明实施例中一级回风腔非均匀网孔设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图5所示的预氧化炉端部主气流回风腔结构及网孔布置方法，包括：主腔室1、分配器8、一级回风腔2和侧腔室5。具体请参考图1，其中：

主腔室1，用于供预氧丝从其中通过并在其内发生预氧化反应；

分配器8，设置在主腔室1内；

一级回风腔2，在主腔室1内与分配器8相对设置；

侧腔室5，与主腔室1平行设置，且两端分别与一级回风腔2、分配器8连接，侧腔室5内具有风机7，用于将一级回风腔2内的气体吹入至分配器8内，一级回风腔2的入口23与主腔室1连通，一级回风腔2的出口25与侧腔室5连通。

继续参考图2，一级回风腔2在远离侧腔室5的一端上具有倾斜设置的气流挡板24，气流挡板24用于辅助气流转向，主腔室1内在靠近一级回风腔2的入口23处依次平行间隔设置有第一网孔板21和第二网孔板22，第一网孔板21上的孔位均匀布置，第二网孔板22上的孔位非均匀布置，第二网孔板22沿其长度方向上等分为若干区域，且每一个区域内的孔位的压损相等。

预氧化炉端部主气流回风腔内气体流动的过程如下，请参考图1、图2所示，中到端形式的预氧化炉的左半部分结构图，气流经过分配器8均流后后进入主腔室1，与碳纤维充分换热后进入一级回风腔2。气流首先经过第一网孔板21上均匀布置的网孔，而后经过第二网孔板22上非均匀布置的网孔，一级回风腔2为一长方体腔体，以方便气流进入和流出。在其内有一个气流挡板24，用于辅助气流转向。一级回风腔2的层间气流则通过二级回风腔3进行回收，端部气帘4用于防止气流逸散。一级回风腔2和二级回风腔3回收气流进入侧腔室5后，先后经过加热器6加热，再通过风机7吹入进分配器8，如此循环。

请继续参照图1至图4，由于侧腔室5内风机7在工作时，一级回风腔2内的气体流速在从靠近侧腔室5至远离侧腔室5的方向逐渐减弱，是导致气流紊乱的最主要因素，本发明通过第一网孔板21和第二网孔板22的布置，第一网孔板21均匀分布用于稳定气流方向，第二网孔板22通过划分若干区域，每个区域内网孔数量不同但压损相等，使得流过第一网孔板21并且从第二网孔板22流出的气体在一级回风腔2内各区域的压力相同，从而起到了稳定气流的作用，达到了稳定气流的效果。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，分配器8设置于主腔室1的中间端、顶端或者侧端位置。这里需要指出的是，在本实施例中，主腔室1内内气流方向是从中间到两端，分配器8设置在主腔室1的中间段，但在不同的预氧化炉实施例中，也可以在顶端或者侧端，以实现气流方向从端到端或者顶部到底部。

此外，继续参考图1，侧腔室5内还具有加热器6，用于对循环气流进行加热。在本发明的一些实施例中，主腔室1中的温度要求在200℃～300℃之间，以保证碳纤维原丝在适当张力下经历分子链的环化、交联、脱氢、氧化等一系列的复杂反应，使它转化成热稳定的吡啶环梯形结构，加热器6对流经侧腔室5的气体进行加热，以保证主腔室1内的温度稳定。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，还包括设置在主腔室1内并且与侧腔室5连通的二级回风腔3，二级回风腔3设置在一级回风腔2外侧，用于回收一级回风腔2的层间气流。当气体经过主腔室1与碳纤维充分换热后，大部分流入一级回风腔2，一小部分层间气流进入设置在一级回风腔2外侧的二级回风腔3内，最后一同流入侧腔室5内。

继续如图1所示，为了防止主腔室1内气流逸散，主腔室1的端部还具有端部气帘4。这里需要指出的是，端部气帘4可以是多种结构形式，可以是气缝嘴对吹形成上下对流的气流，也可以是通过风机7将气体抽出等其他形式。

进一步地，如图1、图2所示，一级回风腔2为长方体腔体，一级回风腔2的入口23与主腔室1贯通，一级回风腔2的出口25与侧腔室5贯通。这里需要指出的是，贯通即没有壁板的意思，减少对气流流向的干扰。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种网孔板的孔位布置方法，应用于上述预氧化炉端部主气流回风腔结构中的第二网孔板22中，如图5中所示，包括以下步骤：

确定第二网孔板22上分区的个数m；在本发明实施例中，在确定分区时，每个分区的宽度是相同的，分区的个数一般大于2个，上限的设定最大值根据整个第二网孔板22的长度来确定，在本发明实施例中，推荐的设定范围为7-12个；

确定四周边距；四周边距即孔与第二网孔板22四周的距离；

根据第二网孔板22的可利用面积及孔径确定最大孔数；在本发明实施例中，孔径的确定与碳纤维丝束和流场有关，一般推荐直径8mm，在本发明实施例中，孔径的设定范围一般为6~10mm；

计算远离一级回风腔2的出口25区域的平均截面积A1’；平均截面积的压损与通流面积有关。

计算气流挡板24倾角及在两个垂直板上的截距；

计算远离一级回风腔2的出口25区域的平均压损；

根据压损及以及截面积，依次计算区域2至区域m的网孔数量。

在本发明实施例中，具体的设计方法如下：将一级回风腔2第二网孔板22分为m个区域，从远离一级回风腔2的出口25位置端开始，第i个位置处的网孔数量Ni，网孔孔径Ri，网孔处气流速度vk,i以及以之间存在如下关系：

第i个区间的质量流率Qm：

，

其中A和v1分别为第一网孔板21的入口23处主流截面积和气流流速，ρ为气流密度。

网孔处气流速度vk,i与一级回风腔2内第i个区域气流及回风腔内截面积Ai’之间关系：

一级回风腔2的第一网孔板21前和出口25处满足质量守恒，即：

，其中v2o和Ao’分别为一级回风腔2的出口25速度和面积。

每一个区域滤网的压损为：

应其中，p_1,i为第一网孔板第i个孔位的网前来流压力，v_1,i为第一网孔板第i个孔位的网前来流速度；p_2,m为第二网板与第一网板第i个网孔对应位置处的网后气流压力，v_2,i为第二网孔板中与第一网孔板第i个区域位置对应的位置处的网后气流速度，在依次计算区域2至区域m的网孔数量时，使得每个区域的网孔压损相等。通过上述设置，会使得流场中的气流在流动时更加的均衡，实现了在主腔室1内更加均一稳定的气流场。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种预氧化炉端部主气流回风腔结构，其特征在于，包括：

主腔室，用于供预氧丝从其中通过并在其内发生预氧化反应；

分配器，设置在所述主腔室内；

一级回风腔，在所述主腔室内与所述分配器相对设置；；

侧腔室，与所述主腔室平行设置，且两端分别与所述一级回风腔、分配器连接，所述侧腔室内具有风机，用于将一级回风腔内的气体吹入至所述分配器内，所述一级回风腔的入口与所述主腔室连通，所述一级回风腔的出口与所述侧腔室连通；

其中，所述一级回风腔在远离所述侧腔室的一端上具有倾斜设置的气流挡板，所述气流挡板用于辅助气流转向，所述主腔室内在靠近所述一级回风腔的入口处依次平行间隔设置有第一网孔板和第二网孔板，所述第一网孔板上的孔位均匀布置，所述第二网孔板上的孔位非均匀布置，所述第二网孔板沿其长度方向上等分为若干区域，且每一个区域内的孔位的压损相等。

2.根据权利要求1所述的预氧化炉端部主气流回风腔结构，其特征在于，所述分配器设置于所述主腔室的中间端、顶端或者侧端位置。

3.根据权利要求1所述的预氧化炉端部主气流回风腔结构，其特征在于，所述侧腔室内还具有加热器，用于对循环气流进行加热。

4.根据权利要求1所述的预氧化炉端部主气流回风腔结构，其特征在于，还包括设置在所述主腔室内并且与所述侧腔室连通的二级回风腔，所述二级回风腔设置在所述一级回风腔外侧，用于回收所述一级回风腔的层间气流。

5.根据权利要求4所述的预氧化炉端部主气流回风腔结构，其特征在于，所述主腔室的端部还具有端部气帘，用于防止主腔室内气流逸散。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的预氧化炉端部主气流回风腔结构，其特征在于，所述一级回风腔为长方体腔体，所述一级回风腔的所述入口与所述主腔室贯通，所述一级回风腔的所述出口与所述侧腔室贯通。

7.一种网孔板的孔位布置方法，应用于如权利要求1至6中任一项所述的预氧化炉端部主气流回风腔结构中的第二网孔板中，其特征在于，包括以下步骤：

确定第二网孔板上分区的个数m；

确定四周边距；

根据第二网孔板的可利用面积及孔径确定最大孔数；

计算远离一级回风腔出口区域的平均截面积A1’；

计算气流挡板倾角及在两个垂直板上的截距；

计算远离一级回风腔出口区域的平均压损；

根据压损及以及截面积，依次计算区域2至区域m的网孔数量。

8.根据权利要求7所述的网孔板的孔位布置方法，其特征在于，在所述第二网孔板的m个分区中，第i个区间的质量流率Qm的计算公式为：

其中，ρ为气流密度，v_k,i为网孔处气流速度，A为第一层滤网入口处主流截面积，N_i为第i个区间内网孔的数量，R_i为网孔孔径。

9.根据权利要求8所述的网孔板的孔位布置方法，其特征在于，网孔处气流速度v_k,i与一级回风腔内第i个区域气流及回风腔内截面积A_i’之间关系为：

。

10.根据权利要求9所述的网孔板的孔位布置方法，其特征在于，每一个区域滤网的压损为：

其中，p_1,i为第一网孔板第i个孔位的网前来流压力，v_1,i为第一网孔板第i个孔位的网前来流速度；p_2,m为第二网板与第一网板第i个网孔对应位置处的网后气流压力，v_2,i为第二网孔板中与第一网孔板第i个区域位置对应的位置处的网后气流速度，在依次计算区域2至区域m的网孔数量时，使得每个区域的网孔压损相等。