DE1236127B - Vorrichtung zum Herstellen von Fasern aus schmelzbaren Stoffen mittels Duesenblasverfahren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

BJU-

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 29 a-6/30

Nummer: 1 236127

Aktenzeichen: G 35810 VI b/29 a

Anmeldetag: 29. August 1962

Auslegetag: 9. März 1967

Zum Herstellen von Fasern aus schmelzbaren Stoffen, wie Kunststoffen, Mineralien, Glas u. dgl. ist das sogenannte Düsenblasverfahren bekannt, bei dem verhältnismäßig dünne Strahlen einer Schmelze in einen schlitz- oder zylinderförmigen Kanal einer Blasdüse eintreten und dort von einem etwa in Richtung der Schmelzestrahlen schnell strömenden Blasmittel ausgezogen und zerfasert werden. In Weiterführung dieses Verfahrens ist aus der Patentschrift 1190 135 ferner bekannt, daß die aus der Blasdüse austretenden Blasmittelströme mit Hilfe des Coanda-Effektes über gekrümmte Führungsflächen in den Zerfaserungsbereich der Schmelzestrahlen eingeleitet und nahezu senkrecht nach unten gelenkt werden, wobei die Schmelzestrahlen mittig gefaßt und zerfasert werden.

Bei der zur Durchführung dieses Verfahrens dienenden Vorrichtung, die in F i g. 1 bis 4 der genannten Patentschrift wiedergegeben ist, ist bereits vorgesehen, das Austrittsende des Blasdüsen- oder Führungskanals mittels abgeschrägter Flächen 14 trichter- oder diffusorartig zu erweitern. Es hat sich indes gezeigt, daß die Diffusorwirkung der schrägen Flächen 14 entweder zu schwach ist oder daß es bei stärker divergierenden Flächen 14 zum Ablösen der Strömung und zu Wirbelbildung kommen kann, die die Qualität der erzeugten Fasern wie auch die Ausnützung der Energie des Blasstrahles beeinträchtigen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Fasern aus schmelzbaren Stoffen wie Kunststoffen, Mineralien, Glas u. dgl., die eine schlitz- oder ringförmige, insbesondere nach Patentschrift 1 190 135 ausgebildete Blasdüse aufweist und besteht darin, daß unmittelbar an das Auslaßende des Blasdüsenkanals anschließend ein Diffusor angebracht ist, dessen divergierende, den faserführenden Blasstrom begrenzende Wandungen nach außen hin derart gewölbt sind, daß ihre Krümmung nahe dem Einlauf am größten ist und in Strömungsrichtung (stetig) abnimmt, wobei die Querschnitterweiterung so getroffen ist, daß in an sich bekannter Weise der Formparameter der Strömungsgrenzschicht an jedem Punkte der Wandung einen konstanten Wert besitzt, der dicht unter dem für die Grenzschichtablösung berechneten Wert liegt, so daß die Kontur der Diffusorwandung einer in Strömungsrichtung geöffneten Parabel bzw. einem Paraboloid ähnlich ist.

Es ist bekannt, zur Herstellung von Fasern dienende Blasdüsen am Außlaßende ihres Kanals mit Diffusoren zu versehen. Dabei kann sich an den zylinder- oder schlitzförmigen Kanal der entsprechend geformte Diffusor unmittelbar oder mit Ab-Vorrichtung zum Herstellen von Fasern aus
schmelzbaren Stoffen mittels Düsenblasverfahren

Anmelder:

Grünzweig & Hartmann A. G.,

Ludwigshafen/Rhein,

Bürgermeister-Grünzweig-Str. 1-47

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Manfred Mayer,

Weilbach bei Rüsselsheim;

Dr.-Ing. Alfred Walz, Emmendingen (Bad.);

Dr.-Ing. Hans H. Fernholz, Großsachsen

stand anschließen. Es ist auch bekannt, die Wandung des Diffusors so zu durchbrechen, daß der Blasstrom aus der Umgebung Sekundärluft ansaugen kann, jedoch besteht hier die Gefahr der Ablösung der Grenzschicht von der Wandung.

Allgemein ist es der Zweck solcher Diffusoren, die hohe Strömungsgeschwindigkeit des eintretenden Blasstromes möglichst verlustlos herabzusetzen oder — mit anderen Worten — den statischen Druck des Blasstromes etwa auf den in der Umgebung des Diffusorauslasses herrschenden Druck zu bringen (sogenannter Druckrückgewinn). Dadurch kann die Geschwindigkeit an der Stelle, an der die Zerfaserung des Schmelzestrahls erfolgt, bei vorgegebener Blasstromenergie größer werden als im Fall ohne Diffusor, und damit die Menge und Qualität der Faser verbessert werden. Dazu weisen die bekannten Diffusoren einen in Strömungsrichtung sich meist stetig erweiternden Querschnitt auf, haben also etwa kegelstumpf- oder pyramidenstumpfartige Gestalt, wobei der Öffnungswinkel etwa 7° beträgt. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, dem Diffusor wenigstens im unteren Teil einen so großen öffnungswinkel zu geben, daß die Strömung sich ablösen würde, und diese Ablösung durch Absaugen der Grenzschicht zu verhindern. Diese herkömmlichen Diffusoren haben einige Nachteile, die ihrer Verwendung in Verbindung mit einer Zerfaserungsdüse Grenzen setzen. So sind sie mit Energieverlusten behaftet, die durch Ablösung der Grenzschicht von der Wandung des Diffusors, durch Wandreibung und Dissipation und durch ungünstige Geschwindigkeitsverteilung im Strahl entstehen. Die Grenzschicht-

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ablösung läßt sich zwar durch kleine Öffnungswinkel verringern, diese Maßnahme erhöht jedoch die Verluste und die für einen bestimmten Druckrückgewinn erforderliche Baulänge des Diffusors.

Aus der Dissertation von Hans-Hermann Fernholz »Theoretische Untersuchung zur optimalen Druckumsetzung in Unterschalldiffusoren«, T. H. Karlsruhe, 1961, ist nun ein Verfahren zur Berechnung von Diffusoren bekanntgeworden, bei denen die geschilderten Nachteile auf ein Minimum ge- ίο bracht werden können. Dieses Verfahren beruht auf der Grenzschichttheorie und geht davon aus, daß die Diffusorverluste minimal und zugleich der Druckrückgewinn (bzw. Geschwindigkeitsabbau) und der Wirkungsgrad optimal werden, wenn man den Formparameter H des Geschwindigkeitsprofils in der Grenzschicht an jedem Punkte der Kontur des Diffusors konstant und ganz dicht unterhalb des Ablöseformparameters hält. Dieses Berechnungsverfahren liefert für inkompressible und kompressible Grenzschichtströmungen mit turbulenter und ebener oder rohrsymmetrischer Grenzschicht Gleichungen oder Differentialgleichungen, aus denen sich die Abmessungen des jeweils optimalen Diffusors nach Näherungsverfahren ermitteln lassen, sofern — wie im vorliegenden Fall — die Anfangsbedingungen, d. h. die Einflußgrößen am Diffusoreinlauf, bekannt sind. Es ist zweckmäßig, die Konturen der Diffusoren für den vorliegenden Zweck auf Grund des bekannten Rechnungsganges zu ermitteln.

Mit Hilfe des bekannten Rechnungsganges ist man in der Lage, Unterschalldiffusoren mit optimalem Druckrückgewinn zu berechnen, sofern die Einflußgrößen am Diffusoreintritt, d. h. beim Verlassen des Blasdüsenkanals, bekannt sind. Der Diffusor erreicht dieses Ergebnis, indem am Diffusoreingang, der Stelle 0, der beliebig vorgebbare Formparameter auf kürzestem Wege auf den Wert des Ablöseformparameters gebracht wird, was sich durch richtig bemessene Querschnittserweiterung erreichen läßt. Daher unterscheiden sich solche optimalen Diffusoren von den herkömmlichen äußerlich durch die Art der Querschnittserweiterung, die einer in Strömungsrichtung geöffneten Parabel bzw. einem Paraboloid ähnlich ist, d. h., nach dem Diffusoreingang ist die konkave Krümmung der Diffusorwandungen am stärksten und nimmt nach seinem Ausgang hin ab. Der Hauptteil des Druckanstieges findet daher bei dem erfindungsgemäßen Diffusor schon nach kurzem Strömungsweg statt, so daß dieser Diffusor einen bestimmten Druckrückgewinn schon bei kleinerer Baulänge erreicht als übliche Difiusoren.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindung der gemäß dem Patent 1190 135 gestalteten Blasdüse mit dem an sich bekannten optimalen Diffusor führt zu einer Reihe von Vorteilen. Zunächst ist die Einsparung an Blasmittel, bezogen auf das Gewicht der in der Zeiteinheit erzeugten Fasern, beachtlich und kann 50% und gegebenenfalls mehr erreichen, was mit dem höheren Wirkungsgrad des Diffusors erklärt sein dürfte. Ferner ist die zum Abbau der Blasmittelgeschwindigkeit notwendige Diffusorlänge im Vergleich zu den üblichen Kreiskegeldiffusoren wesentlich geringer, d. h. bis zu 50 % und mehr. Weiterhin haben Versuche eine Verringerung des arithmetischen Mittels der Faserdurchmesser ergeben, es entstehen also feinere Fasern. Schließlich hat sich gezeigt, daß der faserführende Blassftom nach Verlassen des optimalen Diffusors sich nicht einschnürt, wie bei den herkömmlichen Diffusoren meist zu beobachten war, sondern im Gegenteil leicht divergierende Gestalt erhält, was die Ablagerung der Fasern verbessert. Schließlich erzeugt der optimale Diffusor in dem Kanal der Blasdüse einen stärkeren Unterdruck, der unter anderem ein schnelleres Ausfließen der Schmelze an der Spinndüse und damit höheren Durchsatz pro Zeiteinheit zur Folge hat. Es versteht sich, daß man den optimalen Diffusor auch in Verbindung mit herkömmlichen Blasdüsen, etwa ring- oder schlitzförmiger Bauart, vorteilhaft verwenden kann. Jedoch haben Versuche gezeigt, daß die stärkste Verringerung des mittleren Faserdurchmessers bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eintritt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen von Fasern aus schmelzbaren Stoffen, wie Kunststoffen, Mineralien, Glas u. dgl., die eine schlitz- oder ringförmige, insbesondere nach Patent 1190 135 ausgebildete Blasdüse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar an das Auslaßende des Blasdüsenkanals anschließend ein Diffusor angebracht ist, dessen divergierende, den faserführenden Blasstrom begrenzende Wandungen nach außen hin derart gewölbt sind, daß ihre Krümmung nahe dem Einlauf am größten ist und in Strömungsrichtung (stetig) abnimmt, wobei die Querschnittserweiterung so getroffen ist, daß in an sich bekannter Weise der Formparameter der Strömungsgrenzschicht an jedem Punkte der Wandung einen konstanten Wert besitzt, der dicht unter dem für die Grenzschichtablösung berechneten Wert liegt, so daß die Kontur der Diffusorwandung einer in Strömungsrichtung geöffneten Parabel bzw. einem Paraboloid ähnlich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Diffusorwandung in Abhängigkeit vom jeweils vorliegenden Zustand der Grenzschicht und unter Zugrundelegung des maximalen Druckrückgewinns und damit minimalen Reibungsverlustes nach dem Rechnungsgang von H.-H. Fernholz, »Theoretische Untersuchungen zur optimalen Druckumsetzung in Unterschall-Diffusoren«, Dissertation an der Technischen Hochschule Karlsruhe, 1961, ausgebildet ist.

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