DE2219641A1

DE2219641A1 - Vorrichtung zum Behandeln von fadenförmigem Material

Info

Publication number: DE2219641A1
Application number: DE19722219641
Authority: DE
Inventors: Drexel Kermit Hendersonville Tenn. Smith (V.St.A.)
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1971-04-23
Filing date: 1972-04-21
Publication date: 1972-11-09
Also published as: US3750302A; GB1348959A

Description

Vorrichtung zum Behandeln von fadenförmigem Material

Die Erfindung betrifft das Behandeln von fadenförmigem Material mit fließfähigen Medien und gibt eine verbesserte Vorrichtung für derartige Behandlungen an. Insbesondere betrifft die Vorrichtung ein Düsengerät, das eine gleichartige Behandlung aller Fäden gewährleistet, die in grösserer Anzahl in bandartiger Nebeneinanderreihung angeordnet sind; dabei ist die Gleichmässigkeit der Behandlung verbessert und das Aufspannen erleichtert.

Es sind zahlreiche Vorrichtungen für die Behandlung von bandartigen Fadenanordnungen bekannt; dabei läßt man in einem engen Kanal heisses Fluid von einer Seite oder von beiden Seiten einwirken, um die Streckspannung herabzu-

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setzen und den Streckpunkt zu lokalisieren. Jedoch haben diese Vorrichtungen, die, abgesehen von dem Fadeneintritt und -austritt, nicht an allen Seiten verschlossen sind, einem Teil der Fadenanordnung keine gleichmässige Wärmebehandlung zuteil werden lassen, während die verschlossenen Vorrichtungen mit einer Hilfseinrichtung zum Öffnen der Vorrichtung versehen werden müssen, damit die Fäden eingeführt werden können_o Wird eine derartige Vorrichtung zum Aufspannen der Fäden geöffnet, so wird die Temperatur der Vorrichtung selbst verändert, und es erfordert einige Zeit, bis sie wieder den normalen Wert erreicht hat. Wenn nur ein Teil der Fadenanordnung neu gespannt werden muß, werden die Fäden, die bei geöffneter Vorrichtung behandelt werden, weniger stark als normal erhitzt. Andererseits ist der Wirkungsgrad der Erhitzung bei nichtumschlossenen Vorrichtungen, die leicht beschickt werden können, im allgemeinen niedrig, beispielsweise wenn das Fadenmaterial nur sehr kurze Zeit in dem heissen Fluidstrom, der die Fadenanordnung senkrecht durchsetzt« verbleibt. Eine derartige Anordnung ist in der britischen Patentschrift 758 398 (Jones und Wakerly) beschrieben,,

Es hat sich nun herausgestellt, daß das leichte Aufspannen und gleichmässige wirkungsvolle Erhitzen einer Fadenanordnung mit Hilfe einer Düsenvorrichtung erfolgen kann, die einen durch drei Flächen begrenzten Kanal aus einer Unterlage mit ebener Bodenfläche und zwei aufrecht darauf stehenden Seitenwänden aufweist, zwischen denen die zu behandelnden Fäden hindurchlaufen, wobei die Unterlage mit einem querverlaufenden, an eine Druckfluidquelle angeschlossenen Spalt versehen ist, der von einer stromauf und einer stromab gelegenen Wand begrenzt ist, an eine Quelle -■ für Druckfluid angeschlossen ist und sich ausserdem über die Gesamtbreite zwischen den Seitenwänden erstreckt, an

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der ebenen Bodenfläche endet und in Richtung stromab unter einem etwa 15° bis etwa 45° betragenden Winkel gegen die ebene Bodenfläche geneigt ist. An den anderen, stromab gelegenen Endender Unterlage kann eine Coanda-Fläche vorgesehen sein, die die zugeführte Flüssigkeit aus dem Bereich der Fädenanordnung weglenkt. Die Spaltöffnung besteht vorzugsweise aus aufeinanderfolgenden kovergierenden und divergierenden Wänden,bei denen der Divergenzwinkel höchstens 18° beträgt und vorzugsweise zwischen etwa 1° und etwa 7° liegt. Am zweckmässigsten ist es, wenn die die stromab gelegene Fläche der Spaltöffnung bildende Fläche eine Ebene darstellt, die die ebene Bodenfläche der Unterlage unter einem zwischen 20 und 40° liegenden Winkel schneidet, und die Merkmale des Konvergierens, Parallellaufens und Divergierens ausschließlich durch die Form der gegenüberliegenden stromauf befindlichen Fläche bestimmt werden. Bei Düsen der oben angegebenen Form hebt sich der Fluidstrom, wenn er mit so hohen Fluiddrücken betrieben wird, daß an dem Spaltausgang ein Schall- oder Überschallstrom auftritt, von der Unterlage um einen bestimmten Betrag ab und bildet eine Niederdruckzone zwischen der Unterlage und dem Fluidstrom, wendet sich dann abwärts, legt sich jenseits der Niederdruckzone auf die Unterlage und fließt parallel zu der Unterlage bis an deren Ende. Da der V.'ärme Übergangskoeffizient höher ist, wenn das Fluid quer zu den Fäden fließt, als wenn er in Richtung der Fäden verläuft, wird der Wärmeübergang verbessert, wenn di.e Fäden in einem Fluid angeordnet sind, der bei seinem Austritt aus der Düse zu« nächst quer durch die Fäden fließt und sich dann abwärts wendet und parallel zu den Fäden fließt und auf diese Weise eine ausgedehnte Erhitzungszone schafft« Die Seitenwände übersteigen vorzugsweise die Fädenanordnung und sind mindestens so hoch wie der aus dem Düsenspalt austretende Fluidstrom sich über die Unterlage erhebt, ehe er sich abwärts wendet,

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Zwar können in eingeschlossenen Düsen, bei denen das Fluid zwangsweise in Kontakt mit den Fäden gebracht wird, Spaltöffnungen unterschiedlicher Form und mit unterschiedlichem Auftreffwinkel verwendet werden, jedoch sind die Konstruktionsdaten bei Düsen der vorliegenden Art, bei denen der Kanal an der der Fluidspaltöffnung gegenüberliegenden Seite offen ist, wichtig. Die erste wesentliche Bedingung ist, daß zumindest ein Teil der Fläche, die die stromab gerichtete Seite der Spaltöffnung bildet, eine Ebene darstellt, die stromab gerichtet ist und mit der ebenen Bodenfläche der Unterlage einen Winkel zwischen 15 und 45 einschließt. Wird dieser VJinkel kleiner gehalten, hebt sich das Fluid an dieser Stelle nur um ein geringeres Maß und erreicht die Unterlage schon sehr bald wieder, wodurch die Fäden nur in geringerem Umfang bestrichen werden und die Querströmung herabgesetzt wird, welche beiden Maßnahmen für einen guten Wärmeübergang sehr wichtig sind. Bei grösseren Winkeln löst sich das Fluid vollständig von der Unterlage ab, kann keine Niederdruckzone mehr bilden und kehrt nicht wieder auf die Unterlage zurück.

Die nächsten wesentlichen Merkmale sind das Vorhandensein von Seitenwänden und 'die Erstreckung der Spaltöffnung über die gesamte, zwischen den Seitenwänden liegende Strecke. Wenn keine Seitenwände vorgesehen sind oder wenn die Spaltöffnung sich nicht über den gesamten Abstand zwischen den Wänden erstreckt, fließt Luft mit Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur in den Bereich zwischen dem Fluidstrom ■ und verhindert die Ausbildung einer stabilen Niederdruckzone, die wesentlich ist, wenn der Fluidstrom die Unterlage über den Gesamtquerschnitt der Vorrichtung wieder erreichen soll. Durch Eindringen von Umgebungsluft in den heissen Strom an dessen Rändern ergeben sich Temperaturungleichmässigkeiten,

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Die Zeichnungen stellen im einzelnen folgendes dar:

Fig, 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig» 2 einen Vertikalschnitt längs der Linie 2-2 in

Fig. 1 zur Verdeutlichung der Einzelheiten einer typischen engen Spaltöffnung und der geforderten ' Strömungsverhältnisse;

Figo 3, ¹I und 5 vergrösserte Wiedergaben von Spaltöffnungen nach Fig₀ 2 mit anderen Ausführungsmöglichkeiten für den Spalt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Anordnung 1 von fadenförmigem Material, das über Führungen 12 läuft, die das Fadenmaterial in einem gewünschten Abstand 3 oberhalb der ebenen Oberseite 4 der Unterlage 5 des Strahlstroms halten. Erhitzte Flüssigkeit tritt durch den Einlaß 6 in die Unterlage 5 ein und verläßt die Unterlage durch die Spaltöffnung 7, wo sie auf die Fadenanordnung 1 trifft. Beiderseits der Fadenanordnung sind aufrechtstehende Seitenwände 8 an der Unterlage 5 angebracht. Am stromab liegenden Ende der Unterlage kann eine Coanda-Fläche 9 mit Seitenwänden 10 vorgesehen werden, die die zugeführte Flüssigkeit von der Fadenanordnung ablenkt. Heisses, unter Druck stehendes Fluid 13 strömt durch die Spaltöffnung 7, die von einer stromauf befindlichen Fläche IU und einer stromab gelegenen Fläche 15, die beide in Richtung stromab zeigen, begrenzt wird«, Die stromab gelegene Fläche 15 schneidet die ebene Bodenfläche 4 der Unterlage 5 unter einem Winkel 16. Die Kanten 17 und 18 sollen praktisch den Radius Null haben, d.h. er soll nicht grosser als etwa 0,015 cm (0^005 inch) sein. Die Seiten-

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wände 8 müssen in Längsrichtung der ebenen Bodenfläche H mindestens zwischen den Punkten 18 und 21 vorhanden sein, vorzugsweise über die Gesamtlänge der Fläche 4 verlaufen.

Das aus der Spaltöffnung 7 austretende Fluid fließt zunächst mehr oder weniger geradlinig weiter und gelangt durch die Fadenanordnung 1 hindurch nach oben, wobei die Fäden zwecks maximaler Wärmeübertragung getrennt werden. Unterhalb des Fluidstroms entsteht eine Niederdruckzone Dann wirkt der Umgebungsluftdruck 20 auf die entgegengesetzte Seite des Fluidstroms ein und biegt ihn nach unten auf die Unterlage ab, sodaß er die Fadenanordnung zum zweiten Mal durchsetzt und die ebene Fläche 4 der Unterlage 5 am Punkt 21 wieder erreicht, wobei das Garn zum zweiten Mal erwärmt wird. Das heisse Fluid zirkuliert auch in der Niederdruckzone 19, erwärmt das Garn weiter und schließlich hält das Fluid, das parallel zu der ebenen Fläche U in Strömungsrichtung unterhalb des Punktes 21 abfließt, die Fäden auf erhöhter Temperatur, wenn auch die Mitteltemperatur des Fluidstroms in diesem Bereich infolge Vermischung mit der umgebenden Luft herabgesetzt ist. Diese Abkühlungswirkung kann dadurch verringert werden, daß die gesamte erfindungsgemässe Einrichtung teilweise eingeschlossen wird, wodurch das Gas in der Umschliessung umgewälzt werden kann, ohne daß das Aufspannen der Fäden nennenswert beeinträchtigt wird. Die Coanda-Fläche 9 kann dazu dienen, das erwärmte Gas innerhalb der Umschliessung zu halten und am Austreten mit der Fadenanordnung durch die vorzusehende Austrittsöffnung zu hindern.

Zwar könnte man erwarten, daß eine hohe Austrittsgeschvjindigkeit die Strömung von der ebenen Eäche M- abhebt, es hat sich überraschenderweise aber gezeigt, daß für einen gegebenen Auftreffwinkel 16, der die Strömung in dor Düse aus«

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breitet, die Anlage in Wirklichkeit verbessert wird, weil der Druck in der Zone 19 herabgesetzt wird, so daß der Umgebungsluftdruck 20 die Strömung stärker umzubiegen vermag, Nachzahlen zwischen 1,5 und 2,0 an der Spaltöffnung sind als optimal für die Erhitzungswirkung anzusehen; dazu sind Drücke des Fluidzustroms zwischen 3,5 und 8,1

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kg/cm (50 und 115 psig) vorzusehen und ein zwischen 3 und

7° liegender Divergenzwinkel.

In einer breiten Düse kann es wegen der Gleichmässigkeit der Temperatur von einer Seite zur anderen erforderlich sein, heisses Fluid durch zwei an entgegengesetzten Seiten vorgesehene Öffnungen in die Unterlage eintreten zu lassen, wie es in "Tow Treating Jet Device", Product Licensing Index, October 1970, page 35 und von Gutmann in der noch schwebenden USA-Patentanmeldung Serial No. 858 921 vom 18, September 1969 beschrieben ist» Bei schmäleren Düsen, bei denen eine gleichförmige Temperaturverteilung leichter zu erreichen ist, kann die heisse Flüssigkeit durch einen einzigen Einlaß 6 in den Sammelraum 22 vor einer ersten Verteilerplatte 2 3 und einer zweiten Verteilerplatte 2*+ eingeführt werden; diese Platten vergleichmässigen die Temperatur und die Geschwindigkeit in der Strömung 13, wenn sie sich der Spaltöffnung 7 nähert. Anstelle der Verteilerplatten 23 und 24 können Spaltöffnungen verwendet werden; in diesem Fall sollte der freie Querschnitt des zweiten VerteilerspaLts 24 etwa doppelt so groß sein wie der des ersten Verteilerspalts 23.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausbildung der Spaltöffnung gezeichnet. Der Wärmeübergangskoeffizient für die Fäden hat seinen höchsten Wert, wenn die Geschwindigkeit des auftreffenden Fluids bei oder oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt» Für hohe Werte der Wärmeübertragung empfiehlt es

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sich, die Fluidgeschwindigkeiten am Spaltausgang auf Oberschallwerte heraufzusetzen. Das läßt sich durch eine Düsenform erreichen, die zunächst konvergiert und dann divergiert. Eine solche Düse läßt sich günstig herstellen, indem man die stromab gelegene Wand 15 als einheitliche ebene Fläche ausführt! während die stromauf befindliche Wand aus einem Flächenstück 26, das zusammen mit 15 den konvergierenden Düsenabschnitt bildet und einem Flächenstück If, das einen divergierenden Abschnitt bildet, besteht. Der Obergang zwischen den Flächen 26 und 14 kann einen kleinen Krümmungsradius haben. Damit der auftretende Flüssigkeitsstrom SQfcusammenhängend wie möglich ist, sollte der Divergenzwinkel 25 höchstens 18° betragen, vorzugsweise aber zwischen 1 und 7° liegen. Ausserdem sollte das kürzeste Flächenstück des divergierenden Abschnitts, in diesem Fall das· Flächenstück I¹*, mindestens dreimal so groß sein wie die kleirete Abmessung der Drosselstelle 27.

Fig. 4 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführung der Bauweise nach Fig. 3, Ein parallel zu der Wand 15 verlaufendes kurzes Flächenstück 29 ist an der Drosselstelle 27 vorgesehen. Damit eine günstige Führung der Strömung stattfindet, sollte die Länge des Stücks 29 mindestens gleich der doppelten kleinsten Weite der Drosselstelle 27 sein. Wenn sicherheitshalber bei 18 eine sehr scharfe Kante vermieden werden soll, kann eine kleine ebene Abschrägung 30 vorgesehen werden, die einen Winkel von etwa 90° mit der Ebene 11 einschließt. Die Länge des ebenen Abschnitts 30 sollte höchstens gleich der geringsten Weite der Drosselstelle 27 sein."

Fig. 5 gibt eine weitere Spaltöffnung mit einem konvergierenden, einem parallelen und einem divergierenden Abschnitt wieder. In diesem Fall besteht die stromab gelegene Fläche der öffnung aus einem Abschnitt 15, der einen Winkel 16 mit der ebenen Bodenfläche 4 der Unterlage einschließt, sowie

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einer Zusatzfläche 31, die mit der Fläche 4 einen etwas grösseren Winkel einschließt. Die stromauf befindliche Fläche der Spaltöffnung wird von der Fläche 14, die mit der Fläche 4 einen Winkel 28 einschließt, wobei der Winkel 28 ebenso groß ist wie der zwischen den Flächen 31 und 4 eingeschlossene Winkel, und dem Abschnitt 26 gebildet, der den konvergierenden Abschnitt der öffnung darstellt. Ein Abschnitt aus parallelen Seiten 29 entsteht durch die einander überlappenden Flächenstücke IU und 31.

Der Vorteil von Düsen, die so ausgebildet sind, daß die Fluidströmung sich von der Unterlage abhebt und sie dann wieder erreicht, wird durch das nachstehende Beispiel verdeutlicht»

Beispiel

Drei der Fig. 4 entsprechende Düsen mit etwas unterschiedlichen Abmessungen werden mit einer Düse nach Fig. 5 verglichen, die so abgewandelt wurde, daß die Strömung sich nicht von der Unterlage trennte; dazu erhielt die Kante 17 eine Krümmung mit einem Radius von 0,25 cm (0,10 inch), so daß die an der Fläche 15 anliegende Strömung glatt auf die Fläche 4 übertrat, Jeder Düse wurde überhitzter Dampf von 245°C und 6,7 kg/cm² (95 psig) zugeführt. Alle Düsen wiesen eine geringste Drosselweite (27) von 0,025 cm (0,010 inch) auf, so daß die zur Behandlung der Fäden benutzte Dampfmenge in allen Fällen die gleiche war. Acht Enden von 150 Denier 34 Polyäthylenterephthalat-Fäden wurden der Strahlvorrichtung mit 622 m/min (688 yards per minute) zugeführt und mit 2740 m/min (2890 yards per minute) abgezogen, woraus sich ein Streckverhältnis von 4,2 ergibt. Der Abstand 3 der Fäden 1 von der ebenen Bodejif lache 4 betrug 0,020 cm (0,008 inch). Die acht Garnenden jedes Versuchs

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wurden auf acht getrennte Garnkörper gewickelt, und eine Teilmenge jeder Spule wurde als Schußgarn zum Herstellen eines Gewebes in Leinwandbindung benutzt, 80 Schläge in der Kette und 48 Schläge im Schuß, 127 χ 15,2 cm (50 χ 6 inches) groß. Die Gewebe wurden dann mit Latyl Brilliant Blue FLW auf einen kritischen Farbton gefärbt. Danach wurden sie untersucht und die Gesamtzahl der nichtgestreckten Abschnitte (flashes) in den acht Abschnitten, die von den Garnen jedes Versuchs gewebt waren, zusammengezählt. Aus den Werten in Tabelle I ergibt sich, daß die Düse, die keine Strömungsabhebung hervorrief, eine mehr als zehnfache Zahl von nichtgestreckten Abschnitten zeigte gegenüber der am wenigsten wirksamen der bevorzugten Düsenformen. Das Zählen der Zahl ungestreckter Abschnitte in einem aus einem Garn hergestellten Gewebe hat sich als das zuverlässigste Maß für die Fähigkeit der Streckdüse erwiesen, den Streckpunkt zu lokalisieren, und steht in Korrelation zu der Wirksamkeit der Wärmeübertragung.

Strömungsverläufe werden durch die Schattenbildtechnik festgestellt. Ein kurzer Blitz eines sehr hellen Lichts, etwa aus einer Funkenstrecke, wird durch die Düse in einer den Fig. 2 bis 5 entsprechenden Blickrichtung gesandt. Dabei werden durchsichtige Seitenwände 8 benutzt. Hinter der Düse befindet sich in einem verdunkelten Raum ein Filmstück. Da die Lichtgeschwindigkeit sich mit der Dichte eines Mediums ändert, brechen Dichtegradienten in dem Strömungsverlauf den Lichtstrahl. Die auf dem photographischen Film auftretenden Muster sind proportional der zweiten Ableitung der Fluiddichte (der ersten Ableitung des Dichtegradienten), Die Gleichmässigkeit der Strömungsverteilung Über die Breite der Düse kann untersucht werden, indem Schattenbildau&eichnungen vom linken oder rechten Ende der Düse hergestellt werden.

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Tabelle I

Versuch Düsen- Auftreff- Länge der Länge des Winkel Länge Diver- Menge d. Strömungs form winkel Fläche m Parallel- 28 der genz- nicht ge- verlauf abschnitts Fiächewinkel streckten

, 30 25 Abschnitte

in Testgeweben

^w " " dto.

1	Fig.	4	30°	0,185 (0,073)	0,076 (0,030)	3 3°	entf.	3°
2	Fig.	4	30°	0,185 (0,073)	0,244 (0,096)	3 3°	0,010 (0,004)	3°
3	Fig.	*	30°	0,185 (0,073)	0,287 (0,113)	33°	entf.	3°
	Fig.	5	27°	0,185 ■ (0,073)	0,284 (0,112)	30°	entf.	3°

Abheben von der Unterlage und Wiederauftreffen

Abheben von der Unterlage

Kein Abheben

von der Unterlage .

/" Alle Längen in Zentimetern (inch), ro

Claims

P atentan Spruch

Vorrichtung zum Behandeln von Fäden (1) mit einem unter Druck stehenden Fluid,

gekennzeichnet durch einen durch drei Flächen begrenzten Kanal aus einer Unterlage (5) mit ebener Bodenfläche (4) und zwei aufrecht darauf stehenden Seitenwänden (8), zwischen denen die zu behandelnden Fäden (1) hindurchlaufen, wobei die Unterlage (5) mit einem querverlaufenden, an eine Druckfluidquelle angeschlossenen Spalt (7) versehen ist, der sich über die Gesamtbreite zwischen den Seitenwänden (8) erstreckt, an der ebenen Bodenfläche (4) endet und in Richtung stromab unter einem 15 bis 45° betragenden Winkel (16) gegen die ebene Bodenfläche (4) geneigt ist.

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