Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen und Präparieren von
schmelzgesponnenen Fäden, die eine im Zentrum eines ringförmigen Fadenbün
dels angeordnete Blaskerze und eine Präparationsvorrichtung umfasst, auch
bekannt unter der Bezeichnung Zentralanblasung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Zentralanblasungsvorrichtung ist zum Beispiel abgebildet und deren Möglich
keiten kurz erläutert in der Fachpublikation "Stand und Trends der Technologien
zur Herstellung schmelzgesponnener Synthesefasern", Chemiefasern/Textil
industrie, 42./94. Jahrgang, Juni 1992.
Eine wichtige Komponente der Zentralanblasungsvorrichtung ist die Präparations
vorrichtung. Mit dieser werden im Betrieb die vorbeilaufenden, frisch gesponne
nen Polymerfäden, die an dieser Stelle nach dem Durchlaufen der Anblas- und
Abkühlstrecke zum ersten Mal in mechanischen Kontakt mit einem Fadenleit
organ kommen, stabilisiert und mit einem aus einem Ringspalt austretenden
Spinnpräparationsmittel (üblicherweise rund 99% Wasser) benetzt, wodurch die
Fäden an ihrer Oberfläche vor trockener mechanischer Reibung geschützt und
mit der richtigen Wasser- und Oelauflage für den weiteren Prozess versehen wer
den.
Der Stand der Technik zur örtlichen Anordnung der Präparationsvorrichtung bei
der Zentralanblasung, zu ihrer Funktion und technischen Ausführung ist be
schrieben in DE 36 29 731 A1, DE 37 08 168 A1 und WO 92/15732. Aus
diesen Patentanmeldungen ist bekannt, die Präparationsvorrichtung in Form von
ringförmigen, keramikbeschichteten Lippen mit mindestens einem rundherum
offenen Ringspalt auszuführen. Deshalb wird diese Präparationsvorrichtung auch
Präparationsring genannt. Varianten dieser Ausführungsform können darin beste
hen, dass der Ringspalt verbreitert und mit einem für die Spinnpräparations
lösung durchlässigen Material ausgefüllt oder die Kontaktfläche an den
Lippenrändern durch einen schmalen Sintermetallring ersetzt wird. Die Zuführung
der Spinnpräparationslösung im kontinuierlichen Betrieb erfolgt, eingespeist von
einer Dosierpumpe, ausserhalb der Zentralanblasungsvorrichtung durch eine
Zulaufleitung in das Innere der Präparationsvorrichtung, von wo aus sich das
Spinnpräparationsmittel radial durch den oder die horizontalen Ringschlitze nach
aussen verteilt und dort von den Fäden mitgenommen wird.
Aus der DE 29 19 331 A1 ist eine Spinndüse mit Vorrichtung zum kontinuierlichen
Aufbringen von Präparationsöl auf die Austrittsfläche der Düse bekannt. Hierbei
geht es nicht um den Auftrag einer Spinnpräparation auf die gesponnenen
Fäden, sondern um das Benetzen und Feuchthalten der Austrittsfläche der
Düsenplatten mit Silikonöl. Dies geschieht, um zu verhindern, daß an der
Düsenplatte Schmelztropfen hängenbleiben und sich Ablagerungen bilden. Dazu
dient ein an der Düsenplatte montierter, flacher Verteilungskörper, der eine
perforierte Metallfolie oder ein Sieb sein kann, das mit Silikonöl über eine
Zuleitung getränkt wird und im Bereich der Düsenbohrungen ausgestanzte
Aussparungen aufweist. Aufgrund der Aussparungen können die Spinnfäden
ungehindert passieren. Eine Anregung für eine Vorrichtung, die den direkten
mechanischen Kontakt mit schnellaufenden Spinnfäden nach der Abkühlung und
den örtlich und zeitlich konstanten und gleichmäßigen Spinnpräparationsauftrag
auf die Fäden vorsieht, ist dieser Entgegenhaltung fremd.
Für die Auflagemenge an Spinnpräparationslösung auf den Fäden (ausgedrückt
in Gewichts-% sowohl für das Wasser als auch für das spezifische Oel) gibt es
jeweils einen optimalen Bereich, der, angepasst an das Spinnverfahren, das
Produkt, die vorhandenen Maschinen und die Verarbeitungsbedingungen bei der
Faser- oder Filamentherstellung, neben anderen einzuhaltenden Bedingungen,
die Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb mit guter Produktqualität ist. Für
gegebene Bedingungen ist somit die mittels des Präparationsrings auf die Fäden
aufzubringende Menge an Spinnpräparationslösung ungefähr proportional zur
Gesamtproduktionsmenge der Fäden an einer Spinnstelle bzw. proportional zum
Gesamtdurchsatz der Polymerschmelze durch die entsprechende Spinndüsen
platte der Zentralanblasungsvorrichtung.
Im Jahr 1992 betrug die Kapazität einer Zentralanblasungs-Spinnstelle zur
Herstellung von Polyesterfasern 2 kg/min, wie der am Anfang erwähnten Fach
publikation (Chemiefasern/Textilindustrie, 42./94.
Jahrgang, Juni 1992) entnommen werden kann. Für die industrielle Produktion galt diese durch die Grösse
der Standardvorrichtung bedingte Grenze bis 1996, gemäss dem Vortrag "EMS-
The Technology Partner" von W. Stibal (EMS-INVENTA AG), gehalten anlässlich
der PET '97, World Congress, The Polyester Chain, November 3-5, 1997,
Zürich, Switzerland. Im Jahr 1997 konnte ein Durchsatz von 3 kg/min freigege
ben werden, und 1998 wird im Pilotmassstab bereits ein Durchsatz von 4 kg/min
erprobt werden. Diese Entwicklung ist dargestellt in Abb. 20 der
Vortragsschrift. Wie in der Abbildung zu erkennen und im Kommentar dazu
erläutert ist, musste bei jedem der Vergrösserungsschritte auch der Blaskerzen-
und Präparationsringdurchmesser entsprechend vergrössert werden, und zwar
nicht nur wegen des grösseren Durchmessers der Düsenplatte, sondern weil mit
der Kapazitätserhöhung auch der Blasluftbedarf (zur Abkühlung und Verfestigung
der gesponnenen Schmelzefäden) und der Spinnpräparationsbedarf proportional
gestiegen waren, und die grösseren Mengen auch per se schon grössere Durch
messer erforderten, um den einzelnen Fäden immer noch mit annähernd gleicher
Geschwindigkeit und auf etwa derselben spezifischen Austrittsfläche zugeführt
werden zu können.
Insbesondere bei grossen Präparationsringen wird es aber immer schwieriger, für
eine gleichmässige Verteilung der Präparationsflüssigkeit auf dem gesamten
Umfang des Rings zu sorgen. Die Wahrscheinlichkeit, dass es bei der radialen
Ausströmung des mit der Präparationspumpe in das Zentrum der Präparations
vorrichtung zudosierten Spinnpräparationsstroms aus dem rundherum offenen
Ringspalt zu einer Ungleichverteilung kommt, wird mit zunehmendem Durchmes
ser grösser, ist aber auch schon bei kleineren Durchmessern vorhanden. Dabei
spielen kleine Unterschiede in der Spaltbreite, nichthorizontale Lage des Rings
oder unter Umständen Inhomogenitäten in der Präparationslösung, die manchmal
eher als Emulsion anzusehen ist, eine Rolle. Dementsprechend ist es zwar
möglich, bei der herkömmlichen Ausführung diese Störfaktoren zu minimieren,
indem durch konstruktive Massnahmen für kleinste Toleranzen in der Spaltbreite,
durch Justierung für exakt horizontale Lage und durch gute, saubere Aufberei
tung des Spinnpräparationsmittels für eine homogene Lösung gesorgt wird;
trotzdem bleibt aber das System empfindlich auf den Einfluss der genannten
Störgrössen, sollten diese doch einmal eintreten und sich dann mehr oder
weniger stark bemerkbar machen.
Im leichteren Störfall wird die Auftragung des Spinnpräparationsmittels auf die
Fäden über den Umfang des Präparationsrings gesehen ungleichmässig, was zu
unruhigem Fadenlauf und einer grösseren Streuung in den Qualitätsdaten der
Spinnfäden führt. Bei grösseren Störungen, wenn z. B. der Präparationsring nicht
mehr horizontal steht und/oder wenn im Ringspalt der Durchfluss partiell durch
Abscheidungen aus einer unsauberen Spinnpräparationslösung behindert oder
ganz zum Erliegen gekommen ist, kann es im Extremfall vorkommen, dass aus
den entsprechenden Zonen des Ringspalts gar keine Flüssigkeit mehr austritt und
der Ring an der Kontaktfläche mit den Fäden trockenläuft. Abgesehen von der
direkten mechanischen Reibung der betroffenen Fäden, die bei mittleren und
hohen Abzugsgeschwindigkeiten an sich schon eine starke Schädigung verur
sacht, kommt es in der Folge zu Störungen und sogar Unterbrüchen im Produk
tionsablauf, weil die nach der Zentralanblasungsvorrichtung zu einem Garn bzw.
Kabel zusammengefassten Einzelfäden keinen genügend kompakten Faden
schluss besitzen und aus einem zu nassen Kabelteil einerseits und einem losen,
trockenen Kabelteil andererseits bestehen. Ein solches Fadenkabel hat grosse
Tendenz, von einem der schnell drehenden Folgeaggregate aufgewickelt zu
werden. Von den Abzugsgaletten werden bevorzugt die zu nassen und durch die
erhöhte Oelauflage klebrig gewordenen Fäden aufgewickelt, während im Fall der
Stapelfaserherstellung zudem die trockenen, abstehenden Einzelfäden Tendenz
zeigen, von den Haspelrädern der Kannenablage aufgewickelt zu werden, was
sogar mit dem Hochziehen des ganzen Kanneninhalts enden kann, wenn die Ha
spelvorrichtung nicht rechtzeitig gestoppt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit der Zentralan
blasungsvorrichtung mit der darin enthaltenen Präparationsvorrichtung zu erhö
hen und über den Umfang des Präparationsrings eine gleichmäßigere Verteilung
des Spinnpräparationsmittels zu gewährleisten, wobei nach wie vor nur eine
externe Spinnpräparations-Dosierpumpe und eine Zuleitung erforderlich sein soll.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 mit einer Vorrichtung zum Abkühlen und
Präparieren von schmelzgesponnenen Fäden gelöst, die aus einer im Zentrum
eines ringförmigen Fadenbündels angeordneten Blaskerze und einer Präparations
vorrichtung besteht, die von einer externen Spinnpräparations-Dosierpumpe über
eine Zuleitung mit Spinnpräparationslösung gespeist wird und die vorbeilaufen
den Fäden aus einem Ringspalt damit benetzt, wobei die Präparationsvorrichtung
in Segmente gleicher Grösse unterteilt ist, die ringförmig angeordnet sind, und
den Segmenten vorgeschaltete Strömungsverteilelemente umfasst, die den von
der Zuleitung kommenden Spinnpräparationsstrom gleichmässig auf alle Seg
mente aufteilen, von wo aus die Spinnpräparationslösung durch den Ringspalt
tritt. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
enthalten.
Die Erfindung wird nachfolgend mittels besonderer Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: ein allgemeines Schema einer erfindungsgemäßen Präpara
tionsvorrichtung,
Fig. 2: eine schematische Ausführungsform einer mechanischen
Variante der erfindungsgemäßen Präparationsvorrichtung und
Fig. 3 und 4: eine Ausführungsform einer hydraulischen Variante der erfin
dungsgemäßen Präparationsvorrichtung.
Das Prinzip der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch und von oben gesehen
dargestellt. Dabei bedeuten die Bezugsziffern:
Bezugszeichenliste
1
Spinnpräparations-Dosierpumpe
2
Zuleitung für die Spinnpräparation
3
Präparationsvorrichtung
4
Verzweigung des Spinnpräparationsstroms
5
Strömungsverteilelement
6
Segment der Präparationsvorrichtung
7
Unterteilung in Segmente
Von der Spinnpräparations-Dosierpumpe 1 wird ein konstanter Volumenstrom
Spinnpräparationslösung über die Zuleitung 2 zur Präparationsvorrichtung 3
gefördert. In der Präparationsvorrichtung 3 erfolgt eine Verzweigung 4 des
Spinnpräparationsstroms auf Strömungsverteilelemente 5, die mit jeweils einem
Segment 6 verbunden sind und deren Anzahl somit der Anzahl der Segmente 6
entspricht. Die ringförmig angeordneten Segmente 6 sind von gleicher Grösse
und durch Unterteilungen 7 voneinander abgetrennt. Die Unterteilungen 7 sind
aber nur schematisch bis ganz an den Umfang des an die Segmente nahtlos
anschliessenden Ringspalts hinaus gezeichnet. Bei einer realen Ausführung
enden die Unterteilungen schon im Inneren, damit beim Präparationsring überall
an seinen Lippenrändern Flüssigkeit austritt und die Fäden nirgends auf
Unstetigkeitsstellen treffen.
Für die gleichmässige Aufteilung des Spinnpräparationsstroms auf die Ringseg
mente 6 sorgen die vorgeschalteten Strömungsverteilelemente 5, die strömungs
technisch entsprechend gestaltet sind und den Einfluss von Störgrössen weit
gehend unterdrücken. Durch die bestimmende Wirkung der Strömungsverteilele
mente 5 beeinflussen Unterschiede in der Spalthöhe oder Schräglage des Präpa
rationsrings die Verteilung zu den einzelnen Segmenten 6 nur noch minimal. Weil
die Strömungsverteilelemente 5 und nicht der Druckabfall im Ringspalt oder
hydrostatische Druckunterschiede für die Verteilung der Spinnpräparationsmenge
über den Ringumfang ausschlaggebend sind, können bei einer segmentierten
Präparationsvorrichtung die Spalthöhe und die Fertigungstoleranzen grösser
gewählt werden. Durch die mögliche Wahl eines grösseren Spaltes wird abgese
hen von der Erleichterung bei der Fertigung auch die Verstopfungsgefahr im
Betrieb durch eventuelle Unregelmässigkeiten in der Konsistenz der Präparations
lösung deutlich verkleinert.
Jedes Ringsegment 6 wird mit annähernd demselben Teilstrom an Spinn
präparation versorgt, und ein Trockenlaufen des Präparationsrings auf irgend
einer Seite ist nicht mehr möglich. Eine Ungleichverteilung könnte sich höchstens
noch innerhalb eines Segmentabschnittes ergeben, weshalb es sich von selbst
versteht, dass die Segmente 6 in sich im Hinblick auf die Verteilung des Teil
stroms möglichst gleichmässig auszubilden sind. Andererseits wird die Verteilung
der Spinnpräparationslösung über den Ringumfang gesehen immer besser, je
mehr und entsprechend kleinere Segmente 6 die Präparationsvorrichtung auf
weist. Weil die am Präparationsring vorbeilaufenden Fäden aber seitlich am Ring
durchaus ein paar Millimeter hin und her wandern können, ist es zur Gewährlei
stung eines gleichmässigen Spinnpräparationsauftrags auf die Fäden nicht not
wendig, die Anzahl der Segmente 6 ins Endlose zu steigern. In der Praxis genügt
eine Anzahl von 6 bis 48 Segmenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Strömungsverteilelemente
5 aus identischen Strömungs-Messdüsen. Mit Vorteil wird deren Geometrie so
gewählt, dass im Betrieb der Druckabfall über die Strömungs-Messdüsen im Be
reich von 0,03 bis 0,50 bar liegt, weil dann der Einfluss von Störgrössen nicht
mehr ins Gewicht fällt, aber gleichwohl der von der Spinnpräparations-Dosier
pumpe 1 aufzubringende Druck noch nicht zu hoch ist. Bei dieser Aus
führungsform erfolgt also die gleichmässige Aufteilung auf hydraulische Weise.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Strömungs-Messdüsen um Kapillar-
Röhrchen oder Kapillar-Bohrungen.
Eine andere erfindungsgemässe Variante der Strömungsverteilelemente 5 besteht
darin, diese als miteinander gekoppelte Flüssigkeits-Volumenzähler auszuführen.
Dabei erfolgt die gleichmässige Aufteilung des Spinnpräparationsstroms auf me
chanische Art. Bei den Flüssigkeits-Volumenzählern handelt es sich bevorzugt
um verzahnte Rotorpaare. Besonders bevorzugt sind Zahnrad-Volumenzähler
oder Ovalrad-Volumenzähler, die für die vorliegende Erfindung natürlich entspre
chend klein, d. h. in einer Mikroversion verfügbar sein müssen. Bei Zahnrad- oder
Ovalrad-Volumenzählern stehen in einer Kammer zwei verzahnte Rotoren ständig
miteinander im Eingriff und werden vom Druck der eintretenden Flüssigkeit
angetrieben, wobei bei jeder Umdrehung ein exakt definiertes Volumen verdrängt
wird. Im Gegensatz zu den bekannten Messelementen, bei denen mit einzelnen
Volumenzählern der Durchfluss gemessen wird, werden bei der vorliegenden
Erfindung mehrere Volumenzähler miteinander gekoppelt, so dass eine
erzwungene, gleichmässige Aufteilung des Spinnpräparationsstroms durch
synchronisierte Verdrängung von identischen Teilströmen aus dem unter leich
tem Überdruck stehenden und von der externen Dosierpumpe gespiesenen
Präparations-Pool im Inneren der Präparationsvorrichtung in die Präparationsring-
Segmente hinaus resultiert.
Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform der erfindungsgemässen Präpara
tionsvorrichtung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die Bezugsziffern 1 bis 7
haben dabei wieder dieselbe Bedeutung wie in der Fig. 1. Das Strömungsver
teilelement 5 ist in diesem Fall ein verzahnter Volumenzähler, der jeweils aus
einem Zahnradpaar besteht. Das mitlaufende zweite Zahnrad ist nicht eingezeich
net, hingegen aber jeweils dasjenige Zahnrad, dessen Achse über eine Welle 8
mit den anderen Volumenzählern mechanisch gekoppelt ist. Auf einer Welle kön
nen mehrere Volumenzähler angeordnet werden. Die kreisförmige Geometrie der
Präparationsvorrichtung bedingt, dass die Volumenzähler auf mehreren in einem
Vieleck angeordneten Wellen plaziert werden, die z. B. über Kegelradgetriebe 9,
Kardangelenke oder biegeflexible Wellenverbindungen miteinander kraftschlüssig
gekoppelt sind. Durch die Verbindung über die Wellen ist sichergestellt, dass alle
Volumenzähler genau gleich schnell laufen. Eventuelle Drehmomentunterschiede
aufgrund unterschiedlicher Strömungswiderstände werden über die Wellen
ausgeglichen.
Zur noch konkreteren Veranschaulichung der Erfindung soll das nachfolgende
Beispiel dienen, das in den Fig. 3 und 4 eine Ausführungsform der hydrau
lischen Erfindungsvariante zeigt, ohne auf das generelle Wesen der Erfindung
eine einschränkende Wirkung zu haben.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Ansichten derselben Präparationsvorrichtung. Fig.
4 ist die Seitenansicht eines vertikalen Schnittes durch die Mitte der Präpara
tionsvorrichtung. Fig. 3 stellt den horizontalen Schnitt A-A dar. Der Aussen
durchmesser dieser Präparationsvorrichtung 3 beträgt 210 mm. Von der Dosier
pumpe 1 wird über die Zuleitung 2 ein ringförmiger Verteilkanal 4 mit Spinn
präparation versorgt. Dieser Verteilkanal ist der Pool und die Verzweigung des
Spinnpräparationsstroms im Inneren der Präparationsvorrichtung. Aus baulichen
Gründen (weil im Zentrum der als ganzes ringförmigen Präparationsvorrichtung
die Luft für die Blaskerze hindurchgeführt wird) erfolgt in Realität die Verzwei
gung also nicht in einem zentralen Punkt, wie in Fig. 1 und 2 schematisch darge
stellt, sondern von einem um das imaginäre Zentrum herum angeordneten
Ringkanal aus. Vom Verteilkanal 4 werden 18 identische Kapillaren 5 gespeist,
die als Bohrungen in den mittleren Block des Rings eingelassen sind und die
Strömungsverteilelemente bilden. Der Durchmesser der Kapillaren beträgt 0,7
mm und deren Länge 30 mm. Jede Kapillare mündet an ihrem oberen Ende in ein
Segment 6, wobei die Segmente 6 als Vertiefungen in die Oberseite des mitt
leren Blocks eingelassen und durch stehengelassene Zwischenwände 7 vonein
ander abgetrennt sind. Der nach aussen hin offene und rundherum durchgehende
Ringspalt befindet sich zwischen dem mittleren und oberen Block der Präpara
tionsvorrichtung 3, deren Ränder die untere und obere Lippe für die Präparations
auftragung bilden, und die Spalthöhe 10 beträgt 0,2 mm. Im eigentlichen Spalt
selber hat es keine zusätzlichen Segment-Unterteilungen, weil sich die Segmente
6 schon relativ nahe am Umfang befinden und die Zwischenwände 7 für die
Unterteilung genügen.
Bei einem Gesamt-Spinnpräparationsstrom von 0,70 Liter pro Minute wurde ein
Druckabfall über den Kapillaren von 0,10 bar gemessen. Der Ringspalt selber
verursachte einen zusätzlichen Druckabfall von weniger als 0,01 bar. Somit war
der Druckabfall in den Kapillaren mehr als zehnmal so gross wie derjenige im
Ringspalt. Die Präparationsvorrichtung konnte bis zu einem in der Produktions
praxis nie vorkommenden, extremen Winkel von 45° geneigt werden, ohne dass
bei dieser Schräglage die höher liegende Seite des Rings trockenlief. Bei diesem
mit Strömungsverteilkapillaren versehenen, segmentierten Präparationsring fielen
also Ungleichmässigkeiten in der Spalthöhe bzw. ein zusätzlich zu überwinden
der hydrostatischer Druck auf der höher liegenden Seite bei Schieflage im
Verhältnis zum Druckabfall in den Kapillaren nicht ins Gewicht und beeinflussten
die Präparationsmengenverteilung zu den einzelnen Segmenten nur sehr gering.
Der grosse Vorteil einer erfindungsgemässen Präparationsvorrichtung bei der
Zentralanblasung ist wie schon oben erwähnt, dass diese unempfindlich auf
Störgrössen wie Unterschiede in der Ringspaltbreite, schiefe Lage oder partielle
Verschmutzung ist und die Spinnpräparationslösung über den ganzen Umfang
gleichmässig austritt, was die Betriebssicherheit der ganzen Zentralanblasungs
vorrichtung und der nachfolgenden Aggregate der Spinnmaschine erhöht und zu
einer homogenen Qualität der Spinnfäden beiträgt. Dabei genügt nach wie vor
eine externe Spinnpräparations-Dosierpumpe pro Vorrichtung.
Zur letzteren Aussage soll noch ergänzt werden, daß bei Produktionsanlagen, die
aus mehreren nebeneinander angeordneten Spinnpositionen mit entsprechender
Anzahl Zentralanblasungsvorrichtungen bestehen, die oben genannte Spinn
präparations-Dosierpumpe pro Zentralanblasungsvorrichtung nicht als jeweils
separate Pumpe mit Einzelantrieb vorliegen muß, sondern vorteilhafterweise Teil
einer Mehrfachpumpe mit gemeinsamem Antrieb ist.