ES2607075T3 - Dispositivo para el tratamiento con vapor a presión de un haz de fibras de acrílico precursor de la fibra de carbono y procedimiento para fabricar haces de fibra de acrílico - Google Patents

Dispositivo para el tratamiento con vapor a presión de un haz de fibras de acrílico precursor de la fibra de carbono y procedimiento para fabricar haces de fibra de acrílico Download PDF

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Abstract

Un aparato de tratamiento con vapor a presión (1) para un haz de fibras de acrílico precursor de fibra de carbono que incluye una cámara de tratamiento con vapor a presión (10) y una cámara de estanqueidad laberíntica (20, 31, 33), en donde las cámaras de estanqueidad laberíntica (20, 31, 33) están dispuestas, respectivamente, sobre una entrada del haz de fibras y sobre una salida del haz de fibras del aparato de tratamiento con vapor (1), que tiene una trayectoria de la circulación del haz de fibras en dirección horizontal y que tiene varias toberas laberínticas (24) en la parte superior e inferior de la trayectoria de circulación; y las toberas laberínticas (24) se componen de una tobera laberíntica lateral superior y una tobera laberíntica lateral inferior situadas una frente a la otra; el aparato se caracteriza por: incluir un elemento de la pared externa (40) sobre una superficie superior del aparato de tratamiento con vapor a presión (1) que excluye una entrada de vapor, poseer un material del marco en forma de lámina (50) que se extiende a lo largo de una placa superior (11a) del aparato de tratamiento con vapor a presión (1), un elemento de la pared externa (40) sobre una superficie inferior del aparato de tratamiento con vapor a presión (1) que excluye una entrada de vapor y que tiene un material del marco en forma de lámina (50) que se extiende a lo largo de una placa inferior (11b) del aparato de tratamiento con vapor a presión (1); y un elemento conductor del calor (44, 46, 48) está dispuesto dentro de una parte del espacio entre al menos la superficie superior de la cámara de tratamiento con vapor a presión (10) y la cámara de estanqueidad laberíntica (20, 31, 33) y el elemento de la pared externa (40).

Description

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acero ferroso que cuenten con una capa anticorrosiva.
La cámara de estanqueidad laberíntica 20 está provista de una pluralidad de toberas laberínticas 24 hechas de fragmentos de lámina que sobresalen perpendicularmente en una dirección disminuida en la distancia entre los 5 fragmentos superior e inferior, desde cada superficie de la pared interna 22 de la placa superior 11a y la placa inferior 11b hacia los haces de fibras Z. Una sección de la abertura 26 que ha de ser la trayectoria de circulación del haz de fibras dentro de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 está conformada al lado de las toberas laberínticas 24 y la cámara de expansión 28 está formada entre las toberas laberínticas 24 adyacentes. Además, un haz de fibras de entrada 30 para introducir los haces de fibras Z está conformado dentro de una primera cámara de
10 estanqueidad laberíntica 31 sobre la cara primaria (parte trasera) de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10, y una salida del haz de fibras 32 desde la que se descargan los haces de fibras Z está conformada dentro de una segunda cámara de estanqueidad laberíntica 33 sobre la cara secundaria (parte delantera) del tratamiento con vapor a presión 10.
15 Ejemplos del material del fragmento de la lámina que integra la tobera laberíntica 24 son, entre otros, el acero inoxidable, el titanio, las aleaciones de titanio y el material de acero ferroso tratado en superficie con cromado duro en el punto en que cada uno de estos materiales contrarresten la corrosión y puedan reducir los daños causados a los haces de fibras al estar en contacto con los haces de fibras.
20 La conformación de la cámara de expansión 28 entre las toberas laberínticas adyacentes 24 en la cámara de estanqueidad laberíntica 20 provoca la generación de corrientes de Foucault en el flujo del vapor a presión de la cámara de expansión 28 para consumir energía, permitiendo descender, de ese modo, la presión, lo que lleva a la reducción de la cantidad de fugas de vapor a presión.
25 La tobera laberíntica 24 está hecha de un fragmento de placa estrecha y está conformada para sobresalir en ángulo recto con los haces de fibras Z que circulan a través de la sección de la abertura 26 de la sección laberíntica 20 desde la superficie de la pared interna 22 de las placas superior e inferior 11a y 11b. La tobera laberíntica 24 es preferiblemente un fragmento de placa que tiene forma de marco rectangular, aunque no se impone ninguna limitación particular sobre la forma de la tobera laberíntica 24.
30 Esta tobera laberíntica 24 puede proyectarse desde la totalidad de la superficie de la pared interna 22 dentro de todas las regiones de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 o puede proyectarse desde la superficie de la pared interna 22 con exclusión de la de una parte de la cámara de estanqueidad laberíntica 20. En concreto, como se muestra en la figura 3, las toberas laberínticas 24 pueden proyectarse como una unidad desde cada superficie de la
35 pared interna 22 de las placas superior e inferior 11a y 11b hacia los haces de fibras Z que circulan dentro de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 sobre toda la zona de la cámara de estanqueidad laberíntica 20. En este caso, un par de toberas laberínticas superior e inferior 24 puede proyectarse desde cada una de las superficies superior e inferior 22 de la pared interna opuestas entre sí hacia los haces de fibras Z que circulan dentro la sección de la abertura 26 de la cámara de estanqueidad laberíntica 20, y una sección de la abertura 26 de forma rectangular
40 con forma de hendidura puede estar conformada por el par de toberas laberínticas 24 y las superficies izquierda y derecha de la pared interna 22.
Aunque la relación (L/P) de la longitud proyectada L (fig. 3) de cada superficie de la pared interna 22 de las placas superior e inferior 11a y 11b al paso P (fig. 3) entre toberas laberínticas adyacentes 24 sea preferiblemente menor
45 que 0,3, no hay ninguna limitación particular sobre la relación. También, aunque la longitud proyectada L de la tobera laberíntica 24 de cada superficie de la pared interna 22 de las placas superior e inferior 11a y 11b sea preferiblemente de 3 mm o más, no hay ninguna limitación particular sobre la longitud.
El paso P entre las toberas laberínticas adyacentes 24 es preferiblemente de 16 a 29 mm, aunque no se impone
50 ninguna limitación particular sobre el paso. Aunque el espesor A (fig. 3) del fragmento de la lámina que integra la tobera laberíntica 24 sea preferiblemente de 3 mm o menos, no se impone ninguna limitación particular sobre el espesor. Aunque el número de pasos de la tobera laberíntica 24 sea preferiblemente de 20 a 80, no se impone ninguna limitación particular sobre el número.
55 Asimismo, la forma de la tobera laberíntica 24 no se limita a la forma de lámina plana ilustrada en las figuras 1 a 3.
La sección de la abertura 26 conformada por la tobera laberíntica 24 está hecha preferiblemente de forma rectangular que se extiende en dirección horizontal, como se muestra en la figura 4. Si la sección de la abertura 26 tiene una forma rectangular, los haces de fibras Z que circulan dentro del aparato de tratamiento 1 se mantienen en
60 un estado plano que permite que los haces de fibras Z los atraviesen y que la presión del vapor soplado hacia fuera en la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 llegue con facilidad a la superficie de los haces de fibras Z y que se propicien la penetración y el contacto del vapor a presión. Esto hace que sea fácil calentar uniformemente los haces de fibras Z mediante vapor a presión en un tiempo breve.
Además, la sección de la abertura 26 se conforma preferiblemente en el centro de la dirección de la altura de la cámara de estanqueidad laberíntica 20. Esto evita fácilmente la aparición de un fenómeno tal que difieran entre sí las corrientes de flujo del vapor a presión que tienen lugar en las regiones superior e inferior divididas por los haces de fibras Z que circulan dentro de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 de la cámara de expansión 28, lo que
5 hace inestable la circulación de los haces de fibras Z.
La relación (H/W) (FIG. 4) de la altura H con la anchura W de la sección de la abertura de forma rectangular 26 de la tobera laberíntica 24 oscila preferiblemente entre 1/2000 y 1/60. Cuando la relación (H/W) es de 1/2000 o más, esto reduce la interferencia entre los haces de fibras Z adyacentes que circulan juntos en, especialmente, un proceso por
10 lotes de husillos múltiples en el que se hace que circule una pluralidad de haces de fibras Z, y también facilita la contención de los daños y el entrelazamiento de las fibras originado por la interferencia, lo que facilita la contención del incremento de las imperfecciones en el haz de fibras y la rotura del haz de fibras. Además, cuando la relación (H/W) mencionada es de 1/60 o menos, esto hace que sea fácil mantener planos los haces de fibras y reducir, al mismo tiempo, la cantidad de la fuga de vapor a presión.
15 El aparato de tratamiento 1 está preferentemente diseñado de manera que se divide en dos secciones, es decir, la sección superior y la sección inferior con los haces de fibras Z que circulan dentro del aparato como su centro. Esto hace que sea posible llevar fácilmente a cabo el trabajo de roscado en poco tiempo cuando, en particular, una pluralidad de haces de fibras se estira colectivamente en un entorno de vapor a presión mientras que se provoca
20 que los haces de fibras Z circulen en paralelo dentro del aparato de tratamiento 1.
Al adoptar la estructura que se obtiene dividiendo el aparato de tratamiento 1 en dos secciones, no hay ninguna limitación particular a un mecanismo de apertura/cierre de las estructuras divididas del aparato, y, por ejemplo, se puede adoptar un mecanismo en el que de las estructuras divididas del aparato estén unidas por una bisagra para
25 conmutar la apertura/el cierre de ambas. Además, se puede adoptar un procedimiento en el que la sección de la caja del aparato superior dividido se levante para abrir/cerrar. En tal caso, es preferible fabricar una estructura en la que la pieza de unión entre las estructuras divididas del aparato se selle con una grapa para evitar que el vapor a presión se escape de la pieza de unión entre las estructuras del aparato.
30 Además, se disponen un material en forma del marco en forma de lámina 50 delimitado por un material de la placa y un elemento de la pared externa 40 de manera que cubran los elementos estructurales que constituyen el tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 del aparato de tratamiento 1 que se muestra en la figura 1 y la figura 2. Las superficies de unión del material del marco en forma de lámina 50 y del elemento de la pared externa 40 están unidas mediante soldadura. Tanto el material del marco en forma de lámina
35 50 como el elemento de la pared externa 40 pueden reducir la deformación del aparato originada por la presión aplicada a los elementos que conforman la sección de tratamiento con presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 de la presión del vapor utilizada para tratar los haces de fibras Z y, por lo tanto, se puede obtener una sección de la abertura de forma rectangular 26 que tenga una altura uniforme.
40 Si, en la sección de la abertura de forma rectangular 26, es preferible que la altura del centro sea la misma que la del extremo en la dirección de la anchura de la sección de la abertura 26, como se muestra en la figura 4, porque la presión del vapor se puede contener de manera uniforme. Sin embargo, el calor provoca una diferencia de temperatura entre la placa superior o la placa inferior y el elemento de pared externa, con el resultado de que surge una diferencia (AH) de altura entre la altura del centro de HI y la altura del extremo H2 en la dirección de la anchura
45 de la sección de la abertura de forma rectangular 26, como se muestra en la figura 5.
En el aparato de tratamiento 1, cuando la temperatura de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 oscila entre 120 °C y 160 °C (en concreto, en la situación en la que la temperatura ambiente de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 es de 140 °C), la AH mencionada se puede reducir a 0, 5 mm o menos conduciendo de manera 50 eficiente el calor de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 hacia el elemento de la pared externa 40. Esto provoca dificultades en el incremento de la diferencia en el flujo del vapor a presión en el centro y el extremo en la dirección de la anchura de la sección de la abertura 26 de forma rectangular, para que el calor se aplique uniformemente a un flujo de fibras, con el resultado de que sea fácil obtener un flujo de fibras que tenga una calidad uniforme. En este punto, AH está diseñada para ser más preferiblemente de
55 0,25 mm o menos.
Si una diferencia de temperatura entre un punto opcional sobre las placas superior e inferior 11a y 11b de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 y un punto sobre el elemento de la pared externa opuesto al punto opcional mencionado es de 30 °C o menos cuando la temperatura de la cámara de
60 tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 oscila entre 100 °C y 160 °C (en concreto, en la situación en la que la temperatura ambiente de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 es de 140 °C), esto es preferible, debido a que se limita el alabeo originado por la expansión térmica. En este punto, la diferencia de temperatura es más preferiblemente de 25 °C o menos y aún más preferiblemente de 20 °C o menos.
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mm o más, la cantidad de los materiales estructurales que vaya a utilizarse puede reducirse a un mínimo y se puede suprimir el incremento del coste del aparato porque se puede limitar el incremento del tamaño del mecanismo de apertura/cierre con el incremento del peso del aparato en sí mismo.
5 Es preferible llenar el espacio conformado por el material en forma de lámina del marco 50, la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 con material de aislamiento para impedir la radiación de calor al aire desde el material del marco en forma de lámina 50 y el elemento de la pared externa 40. Ya que se puede utilizar el material de aislamiento de llenado, lana de vidrio, lana de roca y similares, aunque no se impone ninguna limitación particular sobre el material de aislamiento. La existencia del material de aislamiento
10 puede mejorar la eficiencia térmica de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 en el interior y, al mismo tiempo, limitar eficazmente la radiación de calor al aire desde el material del marco en forma de lámina 50 y el elemento de la pared externa 40.
Cualquier material puede utilizarse como material del material del marco en forma de lámina 50 y el elemento de la
15 pared externa 40 sin ninguna limitación particular mientras sea un material que ofrezca resistencia mecánica suficiente para contrarrestar la presión del vapor a presión. Se puede utilizar un material de acero ferroso con capa antioxidante, acero inoxidable, aleaciones de invar específico y similares que tengan un bajo coeficiente de dilatación lineal.
20 Cualquier material puede utilizarse como material de los elementos conductores del calor 44, 46 y 48 sin ninguna limitación particular mientras sea un material con una resistencia mecánica suficiente para contrarrestar la presión del vapor a presión y la alta conductividad del calor. Se puede utilizar un material de acero ferroso con capa antioxidante, acero inoxidable, aleaciones de invar específico y similares que tengan un bajo coeficiente de dilatación lineal.
25 A continuación, se explicará el aparato de tratamiento con vapor a presión de acuerdo con una segunda realización. La figura 14 es una vista vertical y en sección del aparato de tratamiento 101 de acuerdo con una segunda realización. En este aparato de tratamiento con vapor a presión 101, se utilizan los mismos números de referencia para las piezas y elementos que tienen la misma estructura que los utilizados en el aparato de tratamiento con vapor
30 a presión 1, de acuerdo con la primera realización mencionada, omitiendo de este modo una explicación detallada de estas piezas y elementos.
El aparato de tratamiento con vapor a presión 101 mostrado en la figura 14 está provisto de una cámara de tratamiento con vapor a presión 10 para el tratamiento de numerosos haces de fibras Z mediante vapor a presión y
35 con cámara de estanqueidad laberíntica con una cara primaria y una cara secundaria 20a y 20b dispuestas respectivamente adyacentes entre sí sobre las caras frontal y posterior en la dirección de los haces de fibras que circulan dentro de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10.
Al adoptar la estructura que se obtiene dividiendo el aparato de tratamiento 101 en dos estructuras, no hay ninguna
40 limitación particular a un mecanismo de apertura/cierre de las estructuras divididas del aparato 61 y 62, y, por ejemplo, se pueda adoptar un mecanismo en el que las estructuras divididas del aparato 61 y 62 estén unidas por una bisagra para cambiar la apertura/el cierre de ambas. Además, se puede adoptar un procedimiento en el que la sección de la caja del aparato superior dividido 61 se levante para abrir/cerrar. En tal caso, es preferible fabricar una estructura en la que la pieza de unión entre las estructuras divididas del aparato se selle con una grapa para evitar
45 que el vapor a presión se escape de la pieza de unión entre las estructuras del aparato.
Además, la caja del aparato formada por la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 del aparato de tratamiento 101 está delimitado por un material del marco superior e inferior en forma de lámina (elemento de la lámina) 50 de tal manera que cubra la estructura del aparato a lo largo
50 de las superficies periféricas superior e inferior, y los mismos elementos prismáticos 44 y 46 se ensamblan en el sentido de la rejilla en una parte del espacio delimitada por el elemento del marco superior e inferior 50 mencionado, con exclusión de una entrada de vapor a presión 12. Además, los elementos 40A y 40B de la pared externa están dispuestos de manera fija sobre las superficies externas laterales superior e inferior de los materiales del marco superior e inferior y los elementos prismáticos 44 y 46, respectivamente.
55 Aquí se puede utilizar el mismo u otro material para los elementos prismáticos 44, 46 y 48 con gran conductividad del calor que estén dispuestos sobre las superficies externas superior e inferior y las superficies externas izquierda y derecha de la caja del aparato. Con respecto a los elementos prismáticos dispuestos en forma de rejilla sobre las superficies externas superior e inferior y las superficies externas izquierda y derecha de la caja del aparato, se
60 puede combinar la misma materia prima u otra materia prima antes de su uso.
Está dispuesto un dispositivo de calentamiento en cada uno de los elementos de la pared externa superior e inferior 40A y 40B mencionados. En el aparato de tratamiento con vapor a presión 101 de esta realización, se utiliza un calentador de vapor 52 como el dispositivo de calentamiento mencionado. Sin embargo, no hay ninguna limitación
imagen7
Aunque los aparatos de tratamiento 1 y 101 no están particularmente limitados por el tipo de los haces de fibras Z de las fibras hechas de un polímero de tipo poliacrilonitrilo que se aplican y por los procesos de tratamiento, se puede utilizar preferentemente para un aparato de estirado o procedimiento de estirado en el caso de la obtención de fibras
5 de tamaño fino o de fibras que tienen una alta orientación y en el caso donde se requiere una alta velocidad de hilatura. En particular, los aparatos de tratamiento 1 y 101 se pueden utilizar preferiblemente en un proceso de estirado en la fabricación de fibras de polímero de tipo poliacrilonitrilo para las fibras de carbono.
Ejemplos
10 La invención se explicará en detalle por medio de ejemplos y de ejemplos comparativos. Sin embargo, la invención no está limitada por las siguientes descripciones. En los siguientes ejemplos 1 a 14 y los ejemplos comparativos 1 y 2, se calculó la diferencia ΔH (= H2 -HI) entre la altura HI de la sección en el centro 34 de la sección de la abertura se muestra en la figura 5 y la altura H2 de la sección en cada extremo 36 de la sección de la abertura y se calculó la
15 variación ΔH de la altura H originada por la deformación térmica del aparato de tratamiento a intervalos de 10 mm a lo largo de la dirección de circulación de los haces de fibras mediante análisis numérico utilizando el procedimiento de elementos finitos. Se evaluó el ΔH calculado basándose en el estándar mostrado en la tabla 1 para estimar el rendimiento como aparato de proceso por lotes de varios husillos. Se muestran los resultados en la tabla 3. En cuanto a la diferencia ΔT de temperatura entre un punto de la placa superior 11a superior y la placa inferior 11b de la
20 cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20 y un punto del elemento de la pared externa 40 opuesta, se midieron las temperaturas en posiciones predeterminadas para evaluarlas y se calculó una diferencia de temperatura máxima ΔTM.
[Tabla 1] 25
ΔH [mm]
Puntuación
Menos que 0,25
⊚
0,25 o más, y menos que 0,4
�
0,4 o más y menos que 0,5
Δ
0,5 o más
X
En los ejemplos 15 a 26, se evaluó la influencia de la desigualdad de la altura H de la sección de la abertura 26 originada por la deformación del aparato de tratamiento con vapor a presión 101 midiendo la frecuencia de la subida de imperfecciones en el haz de fibras. La evaluación de la frecuencia de la subida de imperfecciones en el haz de 30 fibras se hizo de acuerdo con el siguiente procedimiento. En concreto, se midió visualmente el número de imperfecciones generadas por hora en la pluralidad de circulación de los haces de fibras estirados y expulsados desde el aparato de tratamiento con vapor a presión para calcular el número medio de aumentos de imperfecciones por cada haz de fibras. La media de la evaluación se muestra en la tabla 2. Se calculó el número medio de aumentos de las imperfecciones en el haz de fibras mediante la siguiente ecuación. (Número medio de aumentos de
35 las imperfecciones en el haz de fibras) = (Número total de imperfecciones aumentado por hora en una pluralidad de haces de fibras en circulación estirados y expulsados desde el aparato de tratamiento con vapor a presión)/(Número de haces de fibras cargados hacia el aparato de tratamiento con vapor a presión)
[Tabla 2] 40
Número medio de las imperfecciones generadas en el haz de fibras
Evaluación
Menos que 0,5
⊚
0,5 o más, y menos que 2
 2 o más, y menos que 10
Δ
 10 o más
X
Incapaces de hilar
XX
La desigualdad de la altura de la sección de la abertura 26 en la dirección de la anchura en cada uno de los ejemplos 15 a 26 fue un máximo entre las diferencias ΔH = (H2 -HI) entre la altura HI de la sección en el centro 34 de la sección de la sección de la abertura 26 y la altura H2 de la sección en cada extremo 36 de la sección de la 45 sección de la abertura 26; estas alturas se encontraron, como se muestra en la figura 5, mediante la inserción de un alambre de plomo de 3 mm de diámetro sobre todos los fragmentos de lámina que constituye el centro 34 de la sección de la abertura entre las toberas laberínticas superior e inferior y los dos extremos 36 de la abertura de la tobera laberíntica del aparato de tratamiento con vapor a presión 101 y midiendo el espesor de la parte rota del alambre de plomo, y se evaluó la diferencia máxima de altura como una relación (ΔHmax/W) con la anchura W de la
50 sección de la abertura.
(Ejemplo de fabricación 1)
Se disolvió un polímero de tipo poliacrilonitrilo obtenido por copolimerización de acrilonitrilo (AN), acrilato de metilo (MA) y ácido metacrílico (MAA) en una relación molar de AN/MA/MAA = 96/2/2 en una concentración de solución 5 polímero dimetilacetamida (DMAc): 20 % en masa, viscosidad: 50 Pa-s, temperatura: 60 °C) para preparar una solución cruda de hilo. La solución cruda de hilo fue vertida en una solución de DMAc acuosa que tiene una concentración de 70 % en masa y una temperatura del líquido de 35 °C a través de una tobera de hilatura con
12.000 orificios. La fibra hilada obtenida se lavó con agua, a continuación se estiró con una relación de estiramiento de 3 veces y se secó a 135 °C para obtener haces de fibras Z densificados.
10 (Ejemplo 1)
El aparato de tratamiento 1 ilustrado en las figuras 1 y 2 se diseñó para que tuviese las siguientes dimensiones: longitud total X del aparato 1: 4.000 mm, la longitud total de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 en la 15 dirección de circulación de los haces de fibras Z: 1.000 mm, la longitud total de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 en la dirección de circulación de los haces de fibras Z: 1.500 mm, la anchura Y del aparato de tratamiento: 1.050 mm, la altura H de la sección de la abertura de forma rectangular 26: 2 mm y la anchura W de la sección de la abertura 26: 1.000 mm. En este caso, la longitud total del aparato de tratamiento 1 es la suma de cada longitud total de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y dos cámaras (primera y segunda) de
20 estanqueidad laberíntica en la dirección de circulación de los haces de fibras. En concreto, la longitud total de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 es cada longitud de las secciones primera y segunda de estanqueidad 20 sobre una cara de la misma, y las cámaras primera y segunda de estanqueidad laberíntica 20 que tienen esta longitud total están dispuestas sobre cada cámara delantera y trasera de tratamiento con vapor a presión 10.
25 Como el elemento conductor del calor 44 dispuesto en paralelo a la dirección de circulación de los haces de fibras Z, se dispusieron dos materiales de lámina que tienen un espesor de placa de 21 mm en forma de nervadura a intervalos iguales (paso de 350 mm), y como el elemento conductor del calor 46 dispuesto en paralelo a una dirección en la que está dispuesta la fila de haces de fibras. Se dispusieron 12 materiales de lámina que tienen un espesor de placa de 12 mm a intervalos iguales (300 mm de paso) para cruzarse con el elemento conductor del
30 calor 44. Se usó un material de lámina que tiene un espesor de placa de 25 mm como el material del marco en forma de lámina 50, un material de lámina que tiene un espesor de lámina de 21 mm se utilizó como el elemento de la pared externa 40 y un material de lámina que tiene un espesor de placa de 25 mm se utilizó como los elementos estructurales de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y de la cámara de estanqueidad laberíntica 20. Se diseñó el aparato de tratamiento delimitado por los elementos estructurales de la cámara de tratamiento con vapor a
35 presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20, el material del marco en forma de lámina 50 y el elemento de pared externa 40 para tener una altura de 300 mm. La proporción (A2/A1) del área de sección A2 del elemento conductor del calor con el área A1 delimitada por el material del marco en forma de lámina 50 en este aparato de tratamiento fue diseñada para ser del 7,5 %. En este caso, se dejaron de lado la tobera laberíntica 24 y la lámina porosa 14 con el fin de simplificar el cálculo.
40 Como las propiedades físicas particulares del material del marco en forma de lámina 50, el elemento de la pared externa 40, los elementos conductores del calor 44 y 46, la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 y la cámara de estanqueidad laberíntica 20, se utilizaron las propiedades físicas del acero ferroso general (módulo de elasticidad longitudinal = 206 GPa, módulo de elasticidad transversal = 79 GPa, y coeficiente de expansión lineal y =
45 11,7 x 10-6 [/ °C]).
Se establecieron la presión y la temperatura en el elemento estructural de la cámara de tratamiento con vapor a presión 10 a 300 kPa y 142 °C respectivamente y la presión aplicada a la parte interior del elemento estructural de la cámara de estanqueidad laberíntica 20 desciende hacia la entrada del haz de fibras 30 y la salida del haz de fibras 50 32 desde las cámaras primera y segunda de estanqueidad laberíntica 31 y 33. Se hizo que la temperatura aplicada en el interior del elemento que conforma la cámara de estanqueidad laberíntica 20 fuese la temperatura de saturación del vapor a la presión proporcionalmente descendente mencionada. En este ejemplo, la presión desciende proporcionalmente de tal manera que la presión de las cámaras primera y segunda de estanqueidad laberíntica 31 y 33 de 300 kPa y la presión de la entrada del haz de fibras 30 y de la salida del haz de fibras 32 sea
55 de 0 kPa. Además, la temperatura de las cámaras primera y segunda de estanqueidad laberíntica 31 y 33 se establece en 142 °C y la temperatura de la entrada del haz de fibras 30 y de la salida del haz de fibras 32 se establece en 100 °C.
El coeficiente de transferencia del calor entre la superficie interior del material del marco en forma de lámina 50, la
60 superficie del elemento conductor del calor 44 paralela a la dirección de circulación de los haces de fibras y la superficie del elemento conductor del calor 46 paralela a una dirección en la que la fila de haces de fibras y la sección del espacio se ajustó a 3 W/(m2/K) y la temperatura de la sección del espacio se fijó a 80 °C. El coeficiente de transferencia del calor entre la superficie externa del material del marco en forma de lámina 50 y la sección del espacio se ajustó a 10 W/(m2/K) y la temperatura de la sección del espacio se ajustó a 60 ºC. Aquí, W es la anchura
imagen8
imagen9
dirección de la anchura de la sección de la abertura 26. Se muestran los resultados en la tabla 4.
(Ejemplos 22 a 26)
5 Se llevó a cabo el tratamiento con vapor a presión de los haces de fibras Z de la misma manera que en el ejemplo 21, excepto en que se cambiaron los elementos prismáticos 44, 46 y 48 de los aparatos de tratamiento 105, 108, 111, 102 y 114, como se muestra en la tabla 4 ilustrada en las figuras 17, 19, 21, 15 y 23.
Se observó la situación del incremento de imperfecciones en el haz de fibras después del estirado con vapor a
10 presión mientras se realizaba el proceso de estirado en el aparato de tratamiento con vapor a presión para evaluar la frecuencia del incremento de imperfecciones en el haz de fibras y la desigualdad de la altura en la dirección de la anchura de la sección de la abertura 26. Se muestran los resultados en la tabla 4.
(Ejemplos comparativos 3 a 8)
15 Se llevó a cabo el tratamiento con vapor a presión de los haces de fibras Z de la misma manera que en el ejemplo 15, salvo en que se utilizó un aparato de tratamiento que tenía la misma estructura que los aparatos de tratamiento 101, 104, 107, 110 y 113, excepto en que no estaba dispuesto el calentador para el calentamiento de los elementos de la pared externa superiores e inferiores y que difería la temperatura del elemento de la pared externa 40A de la
20 mostrada en la tabla 4. Se observó la situación del incremento de imperfecciones en el haz de fibras después del estirado con vapor a presión mientras se realizaba el proceso de estirado en el aparato de tratamiento con vapor a presión para evaluar la frecuencia del incremento de imperfecciones en el haz de fibras y la desigualdad de la altura en la dirección de la anchura de la sección de la abertura 26. Se muestran los resultados en la tabla 4.
25
[Tabla 3]
Estructura del aparato
Diferencialmáximodetemperatura ΔT Sección de estanqueidad laberíntica Cámara de presión ΔH(mm) Puntuación
Númerode dibujo
Elemento conductor del calor A44 Elemento conductor delcalor B46 Elementoconductor delcalor C48 Relación(A2/A1) delelementoconductordelcalorconeláreainterior delaestructuradelmarco 50 LongitudtotalX Anchura Y Longitudtotal AnchuraW Alturamedia H Númerodepasos delastoberas Presión Temperatura Longitudtotal
Espesor
Númerodehojas Intervalosentreloselementos Espesor Númerodehojas Intervalosentreloselementos Espesor Númerodehojas
[mm]
[Hoja] [mm] [mm] [Hoja] [mm] [mm] [Hoja] [%] [mm] [mm] [°C] [mm] [mm] [mm] [kPa] [°C]
[mm]
Ejemplo 1
Dibujo 1 21 2 350 12 12 300 0 0 7,5 4.000 1.050 18 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,212 ⊚
Ejemplo 2
Dibujo 1 10 2 350 5 12 300 0 0 3,4 4.000 1.050 25 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,478 ◯ ⊚
Ejemplo 3
Dibujo 1 15 2 350 9 12 300 0 0 5,5 4.000 1.050 22 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,226
Ejemplo 4
Dibujo 1 20 10 350 20 26 300 0 0 33 4.000 1.050 15 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,127 ⊚
Ejemplo 5
Dibujo 1 30 10 350 30 26 300 0 0 50 4.000 1.050 12 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,04 ⊚
Ejemplo 6
Dibujo 12 — — — — — — — — 100 4.000 1.050 8 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,016 ⊚
Ejemplo 7
Dibujo 6 75 1 525 0 0 0 0 0 7,5 4.000 1.050 20 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,285 ◯
Ejemplo 8
Dibujo 8 0 0 0 150 2 1.333 0 0 7,5 4.000 1.050 24 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,368 ◯
Ejemplo 9
Dibujo 7 37,5 2 350 0 0 0 0 0 7,5 4.000 1.050 22 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,280 ◯
Ejemplo 10
Dibujo 9 0 0 0 20 15 250 0 0 7,5 4.000 1.050 20 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,243 ◯
Ejemplo 11
Dibujo 10 0 0 0 0 0 0 31 2 7,5 4.000 1.050 21 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,215 ⊚ ⊚
Ejemplo 12
Dibujo 11 19 1 525 19 2 1.333 19 2 7,5 4.000 1.050 14 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,190
Ejemplo 13
Dibujo 1 20 2 350 10 8 217 0 0 8 2.000 1.050 21 750 1.000 2 30 300 142 500 0,336 ◯
Ejemplo 14
Dibujo 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4.000 2.050 38 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,385 ◯
Ejemplocomparativo 1
Dibujo 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4.000 1.050 38 1.500 1.000 2 60 300 142 1.000 0,636 X
Ejemplocomparativo 2
Dibujo 2 20 10 205 10 12 300 0 0 13 4.000 2.050 23 1.500 2.000 2 60 300 142 1.000 0,612 Δ
17
[Tabla 4]
Estructura del aparato:
Temperatura de lalámina de la tapa Sección de estanqueidadlaberíntica Cámaradepresión Desigualdadde la alturade la secciónde laabertura trasel tratamientocon vapor apresión Resultados
Númerodedibujo
Elemento prismático 44 Elemento prismático 46 Elemento prismático48 Relación(A2/A1) delelementoconductor delcalorcon eláreainteriorde laestructura delmarco50 Longitudtotal X AnchuraY Láminade latapa dela carasuperior40A Tablade latapade lacarainferior40B Longitud total Secciónde laabertura Temperatura
Espesor
Númerode hojas Intervalos entreloselementos Espesor Númerode hojas Intervalos entreloselementos Espesor Númerode hojas
AnchuraW
Desigualdad(máxima) dela altura de lasección de laabertura 26en ladirección delaanchura/Anchura W x 10-1de la sección de laabertura
[mm]
[Hoja] [mm] [mm] [Hoja] [mm] [mm] [Hoja] [%] [mm] [mm] [°C] [°C] [mm] [mm] [°C]
Ejemplo 15
Dibujo14 75 1 525 — — — — — 7,5 4.000 1.050 142 142 1.500 1.000 142 0,064 ⊚
Ejemplo 21
Dibujo17 75 1 525 — — — — — 7,5 4.000 1.050 158 Sinmedir 1.500 1.000 142 0,152 ◯
Ejemplocomparativo 3
- 75 1 525 — — — — — 7,5 4.000 1.050 Sinmedir Sinmedir 1.500 1.000 142 0,285 Δ
Ejemplo 16
Dibujo14 37,5 2 350 — — — — — 7,5 4.000 1.050 142 142 1.500 1.000 142 0,18 ◯
Ejemplo 22
Dibujo17 37,5 2 350 — — — — — 7,5 4.000 1.050 158 Sinmedir 1.500 1.000 142 0,152 ◯
Ejemplocomparativo 4
- 37,5 2 350 — — — — — 7,5 4.000 1.050 Sinmedir Sinmedir 1.500 1.000 142 0,280 Δ
Ejemplo 17
Dibujo18 — — — 20 15 250 — — 7,5 4.000 1.050 142 142 1.500 1.000 142 0,057 ⊚⊚
Ejemplo 23
Dibujo19 — — — 20 15 250 — — 7,5 4.000 1.050 158 Sinmedir 1.500 1.000 142 0,097
Ejemplocomparativo 5
- — — — 20 15 250 — — 7,5 4.000 1.050 Sinmedir Sinmedir 1.500 1.000 142 0,243 Δ
Ejemplo 18
Dibujo20 — — — — — — 31 2 7,5 4.000 1.050 142 142 1.500 1.000 142 0,120 ◯
Ejemplo 24
Dibujo21 — — — — — — 31 2 7,5 4.000 1.050 158 Sinmedir 1.500 1.000 142 0,079 ⊚
Ejemplocomparativo 6
- — — — — — — 31 2 7,5 4.000 1.050 Sinmedir Sinmedir 1.500 1.000 142 0,215 Δ
Ejemplo 19
Dibujo14 21 2 350 12 12 300 — — 7,5 4.000 1.050 142 142 1.500 1.000 142 0,055 ⊚
Ejemplo 25
Dibujo15 21 2 350 12 12 300 — — 7,5 4.000 1.050 158 Sinmedir 1.500 1.000 142 0,082 ⊚
Ejemplocomparativo 7
- 21 2 350 12 12 300 — — 7,5 4.000 1.050 Sinmedir Sinmedir 1.500 1.000 142 0,212 Δ
Ejemplo 20
Dibujo22 19 1 525 19 2 1.333 19 2 7,5 4.000 1.050 142 142 1.500 1.000 142 0,112 ◯
Ejemplo 26
Dibujo23 19 1 525 19 2 1.333 19 2 7,5 4.000 1.050 142 Sinmedir 1.500 1.000 142 0,103 ◯
Ejemplocomparativo 8
- 19 1 525 19 2 1.333 19 2 7,5 4.000 1.050 Sinmedir Sinmedir 1.500 1.000 142 0,190 Δ
18
imagen10

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