NO138693B - Fremgangsmaate og anordning til fremstilling av fibre av glass eller annet termoplastisk materiale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte

til fremstilling av fibre av smeltet glass eller annet termoplastisk materiale som ved rotasjon slynges ut som tråder fra fine åpninger i en rundt om forløpende vegg på et sentrifugallegeme og trekkes ut til fibre ved at et gassmedium med høy temperatur og høyt trykk rettes mot trådene, slik at fibrene i form av et slør bringes til å følge ytterkonturen til et i uttrekningsretning avsmalnende strømstyringsorgan som er anordnet koaksialt med og umiddelbart etter sentrifugallegemet på dettes nedstrømsside. Oppfinnelsen vedrører også en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten.

Det er kjent å fremstille store mengder glassfibre ved å føre en strøm av smeltet glass til en sentrifuge eller rotor med et stort antall perforeringer i omkretsflaten, gjennom hvilke glassmelten strømmer som følge av sentrifugalkraften. De uttredende glasstråder fra rotorperforeringene utsettes for

en gasstrøm med stor hastighet, som fortynner smeltestrømmene til fine fibre eller filamenter. Produksjonshastigheten ved slik glassfiberproduksjon er en funksjon av antallet perforeringer i rotorens omkrets. For å øke produksjonshastigheten må det således anordnes flere perforeringer for dannelse av glasstråder. Dette kan oppnås ved en økning av rotorens omkretsfla-te hvor perforeringene er anordnet. Omkretsflaten økes ved en økning av rotorens dybde eller diameter.

En økning av rotorens dybde forårsaker glasstrøm-nings- og termiske likevektsproblemer som igjen fører til uønskede glassfiberegenskaper. På den annen side vil strømningsdy-namikken nedstrøms av rotoren påvirkes i uheldig retning av en økning av rotorens diameter. Lavtrykksområdet like nedstrøms for rotoren blir større og får større innvirkning på stabili-teten av fibersløret som strømmer fra rotoren. Det har vist seg at fibersløret kan bli ytterst ustabilt ved en økning av rotorens diameter til et område mellom ca. 30 og ca. 40 cm. Det ustabile slør tenderer til å blafre vilkårlig i alle retninger om forlengelsen nedstrøms for rotorens rotasjonsakse. Denne blafring påvirker brennerens strømningsparametre og den forlengende gasstråle i den sone hvor fibrene dannes. Det område som påvirkes sterkest antas å ligge diametralt overfor slingsrings-retningen. Som følge av de forstyrrende strømningsparametre fremkommer grove, ujevne.og uønskede fibre. Hvis sløret stadig tillates å blafre, vil det alltid foreligge en sone hvor det fremkommer grove fibre, hvilke fører til et ujevnt glassullpro-dukt.

Sløringsstabilitetsfenomenet er ikke nødvendigvis begrenset til rotorer med store diametre. Ustabile slør er blitt observert nedstrøms for rotorer med en diameter på ca. 20 cm. Generelt sagt, kan instabilitetsfenomenet observeres ved forskjellige fortynningshastigheter avhengig av hvirvelstyr-ken umiddelbart nedstrøms av rotoren.

Fordeler som kan oppnås ved en økning av rotordiame-teren er lavere omdreiningstall pr. minutt for en gitt glassfi-berproduksjonshastighet. En rotor med diameter på ca.. 20, 30, 38 cm må f. eks. ha ca. 3000, 2100, henholdsvis 1600 omdreinin-ger/minutt for fremstilling av 453 til 680 kg glassfibre i timen. De sentrifugalkrefter som påvirker rotorene ved ovennevnte has-tigheter er ca. 1000, 750, henholdsvis 570 g. Rotorer med større diameter drives således med mindre materialbelastning og kan ventes å få lengre, effektiv levetid.

Kjente teknikker for reduksjon av virkningen av lavtrykksområdet nedstrøms for rotoren og således for oppnåelse av kontroll med fibersløret er angitt i U.S. patentene nr. 3.114.618, 3.285.723, 3.179.507, 3.372.011, 2.855.626 og 3.040.377. De tre førstnevnte patentskrifter omtaler organer med hvilke fibersløret fysisk tvinges utad og bort fra den aksi-ale midtlinje nedstrøms for rotoren. Dette oppnås ved at det innenfor sløret anordnes geometriske elementer, slik som koniske flater som divergerer i nedstrøms retning eller ved at det inn-føres en gass, som luft eller damp, i lavtrykksområdet, slik at dette svekkes. Konvergerende koniske rotasjonslegemer er festet til rotorens bunn ifølge de tre sistnevnte patentskrifter for at strømningsinstabiliteten nedstrøms av rotoren skal reduseres.

Den koniske form er riktignok lett å fremstille, men utgjør ikke den optimale form for fjerning av lavtrykksområdet. Det eksisterer en adskilt strømning med en karakteristisk hvir-vel av motsatt rettet gass- og fiberstrømning i oppstrømsret-ning langs den koniske flate. Ytterligere erfaring tyder på at glassfibrenes, forlengelsesmediets og det koniske legemes drifts-temperatur kan være slik at fibre som preller mot den koniske flate, kleber til denne. Et slikt forhold vil bryte fiberslør-strømningsparametrene.

Det er således et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte og innretning for stabilisering av strømningsparametrene for fibersløret umiddelbart nedstrøms for et sentrifugallegeme.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for opprettholdelse av driftstemperaturlikevekt i et strømstyringsorgan umiddelbart nedstrøms av et sentrifugallegeme for fiberdannelse.

Oppfinnelsen går videre ut på å tilveiebringe en op-timal strømstyring for laminær eller turbulent strømning.

Dette oppnås ved en fremgangsmåte og anordning som er

kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Ved oppfinnelsen stabiliseres slørstrømningsparametre-ne ved at det anordnes et strømstyringsorgan etter et rotasjonslegeme med en form eller et profil som tilnærmet svarer til den nominelle strømlinje som begrenser lavtrykksområdet nedstrøms av rotoren. Luft eller en annen hensiktsmessig gass injiseres i grensesjiktet og strømmer langs strømstyringsorganets profil for derved å tilveiebringe et forholdsvis kjølig grensesjikt langs styringsorganets overflate. Det kjølige grensesjikt styrer videre overflatetemperaturen til styringsorganet ved reduksjon av varmeoverføringen gjennom grensesjiktet og tilveiebringer dessuten en dynamisk barriere av stor gasstetthet som skjer-mer strømstyringsorganet mot kontakt med fibrene. Innenfor opp-finnelsens ramme kan det anordnes to grunntyper av styringsorga-ner, nemlig med laminær og turbulent grensesjiktstrømning.

Det er fordelaktig å omslutte strømstyringsorganet og utnytte dets indre volumkapasitet som en akkumulator for derved å dempe eventuelle fluktasjoner av tilført gasstrykk og tilveiebringe en jevn, kontinuerlig gasstrøm til grensesjiktet.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til utførelseseksempler som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. 1 et skjematisk tverrsnitt av lavtrykkssonen nedstrøms for en rotor uten foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 et utførelseseksempel av oppfinnelsen, hvor overgangen fra rotorflate til strømstyringsorgan skaper en laminær strømning langs strømstyringsorganet,

fig. 3 et utførelseseksempel som omfatter et trinn som vender bakover i punktet for strømningsovergang fra rotoren til strømstyringsorganet for opprettelse av en turbulent strøm-ning langs strømstyringsorganets profil,

fig. 4 en alternativ utførelse av utførelseseksemplet ifølge fig. 3.

Fig. 1 viser en sentrifugalrotor 10 som roteres av en drevet spindel eller hulaksel 11. Rotoren 10 mottar en strøm av smelte 12, såsom glassmelte, som av sentrifugalkraften som ut-øves mot den"bringes til å strømme ut og opp langs innsiden av rotorflaten 13. På grunn av det hydrostatiske trykk som påvirker glassmelten, bringes denne til å strømme gjennom et flertall hull 16 som er boret gjennom rotorflaten 13. De resulterende tråder av glassmelte 14 påvirkes av en stråle av meget hete for-brenningsgasser som strømmer ut gjennom brenneråpningen 15 og er rettet nedad mot glassmeltestrålene. I tillegg sendes en stråle av gass eller damp med høyt trykk gjennom blåsedysen 20. Kombinasjonen av de meget hete gasser under høyt trykk fra bren-neren 15 og gassen som sendes under høyt trykk fra blåseren 20 påvirker glassmeltetrådene 14 og fortynner disse til fibre 21 og dirigerer og akselererer fibrene til et bakre, strømmende, sy-linderformet slør 22 av gass som med stor hastighet fører fiber-lengder med seg.

Ved ovenfor omtalte drift vil det dannes en sone av innestengte gasser 23 med et trykk som er lavere enn det omgiv-ende umiddelbart nedstrøms for rotoren 10. I denne sone 23 opp-trer en motsatt rettet strøm, som er antydet ved pilen 24. Denne lavtrykkssone 23 og strømningen 24 er generelt ustabile og vari-able og fører til dannelse av et ustadig fiberslør 22. Sløret 22 vil blafre tilfeldig, hvilket resulterer i et uenhetlig og lite tilfredsstillende produkt nedenfor.

Fig. 2 viser et utførelseseksempel ifølge oppfinnelsen, hvor anordningen og fremgangsmåten for dannelse av glassfibre 21 ved tilførsel av en glassmeltestrøm 12 til en rotor 10 med stor omdreiningshastighet som nevnt ovenfor, er forbedret på følgende måte: Hulakselen 11 er forlenget nedenfor rotoren 10 til hvilken et strømstyringsorgan 29 er festet med hen-siktsmessige deler, såsom den skiveformede støtte 34. Organet 29 omfatter et avkortet kjegleformet rotasjonslegeme. Rota-sjonslegemet kan ha konisk form, men har fortrinnsvis en form som tilnærmet svarer til den nominelle strømlinje som begrenser lavtrykksområdet nedstrøms for rotoren 10, når det ikke foreligger et strømstyringsorgan 29. Et slikt rotasjonslegeme kan f. eks. ha parabolsk, hyperbolsk eller ellipsoid form. Strømstyr-ingslegemet begynner ved 31, umiddelbart nedenfor rotorflaten 13 med et ringformet, åpent rom eller en tilsvarende sliss 3 5 mellom legemet og rotoren 10. Legemet fortsetter nedstrøms og innad mot rotoraksen i overensstemmelse med det ønskede profil til avskjæringsnivået 32 og fortsetter horisontalt til hulakselens forlengelse 33, til hvilken det er festet på en hensiktsmessig måte. Et overtrykkskammer 4 0 dannes derved av den skiveformede støtte 34, hulakselforlengelsen 33 og strømstyringsorga-nets profil 30.

En forholdsvis kjølig gass, såsom luft 41, injiseres

i hulakselens 11 midtpassasje 42 og strømmer inn i overtrykkskammer et 40 gjennom åpninger 43. Sperren 4 4 blokerer midt-passasjen 42 nedenfor åpningene 43 og tvinger den kjølende gass inn i overtrykkskammeret 40. Derfra strømmer den kjølende gass gjennom åpninger 45 i støtteskiven 34, passerer langs bunnen av rotoren 10 og trer ut gjennom den ringformede sliss 35 for derved å tilføre gass til grensesjiktet som strømmer nedstrøms langs strømstyringsorganets profil, som antydet ved pilen 46. Det kjølige grensesjikt som strømmer langs profilet 30 reduserer den aerodynamiske, konvektive varmeoverføring fra det hete slør 22 til strømstyringsorganets profil 30. Det er nødvendig å holde strømstyringsorganet på en temperatur under ca. 371°C, slik at fibre som rammer styringsorganet ikke kleber til dette. Da grensesjiktet er tettere som følge av den forholdsvis kjølige gass

som er injisert, vil det sannsynligvis redusere fibrenes tendens til å trenge gjennom grensesjiktet og komme i kontakt med profilet 30. Det har vist seg at ca. 849 dm 3 pr. minutt av stan-ard komprimert luft tilført ved 2,8 - 3,5 kg/cm passer for en rotor på ca. 30 - 38 cm for fremstilling av ca. 453 - 680 kg glassfibre i timen.

Strømstyringsorganet 29 opptar den del av lavtrykksområdet 23 på fig. 1 umiddelbart nedstrøms av rotoren 10 som

har den største virkning på fiberslørets strømningsparametre og tilveiebringer et pptimalt strømnings.profil . 30 som sløret .22

kan følge med stor hastighet. Som følge av et det foreligger

et strømstyringsorgan 29 i dette område, er den faktor som frem-kaller ustabilitet i sløret erstattet av en massiv geometrisk form som styrer sløret 22 og gir det stabilitet. Den nødvendige lengde L av strømstyringsorganet avhenger av rotorens geometri og av slørets strømningsegenskaper. For en glassfiberformer med en rotordiameter mellom ca. 30 og ca. 38 cm og en produksjons-kapasitet på ca. 453 - 680 kg glassfibre i timen, har det vist seg at et forhold mellom lengden L og rotorens diameter på ca. 0,70 er passende. For rotorer med en diameter på ca. 20 cm kan dette forhold overstige 1,0.

Under strømstyringsorganet dannes en mindre lavtrykkssone med mindre intensitet. På grunn av strømstyrignsorganet 29 er området dog langt mindre enn sonen 23 på fig. 1 og har langt mindre virkning på slørstabiliteten. Som følge av strømstyrings-organets nærvær blir sløret 22 stabilisert ved å strømme langs profilet 30 før det påvirkes av gjenstående lavtrykkssone 47. Den kinetiske energi som tildeles sløret 22 langs den kontroller-te strømningsbane som bestemmes av profilet 30, stabiliserer sløret før det påvirkes av den mindre intense lavtrykkssone 47.

Fig. 3 viser ytterligere et utførelseseksempel av oppfinnelsen, hvor strømstyringsprofilet 50 ikke følger den ad-skillende strømlinje mellom fibersløret 22 og lavtrykkssonen 23 på fig. 1, men forløper parallelt med denne strømlinje innenfor denne. Som følge av dette vil strømstyringsprofilet 50 i kombi-nasjon med rotorens 10 geometri skape et bakovervendt trinn 51 med henblikk på strømmen av forlengende fibre 21 som flyter nedad fra rotoren. Nærværet av et slikt bakovervendt trinn 51 skaper en turbulent strømning 52 langs profilet 50.

Et gassformet kjølemiddel, såsom luft eller damp, fø-

res gjennom hulakselen 11 og til overtrykkskammeret 40 som ved utførelseseksemplet som er vist og beskrevet på fig. 2. Nevnte kjølegass innføres på lignende måte som et massetilføreende me-

dium til den turbulente strømning 52 gjennom den ringformede sliss 53 som begrenses av basis av rotoren 10 og strømstyrings-

prof ilet 50. Den kjølte, turbulente strømning 52 langs strøm-styringsprof ilet 50 har økt kjøleeffekt på strømstyringslegemet.

Men sannsynligheten for at fibre rammer strømstyringsprofilet 50

. :. er større enn ved. det laminære strømstyringsorgan som vist på

fig. 2.

Fig. 4 viser ytterligere et utførelseseksempel av et

turbulent strømstyringsorgan, som også omfatter det bakovervendte trinn for opprettelse av en turbulent strømning langs styrings-

profilet 50. Ved sistnevnte utførelse er det dog anordnet en flik eller skjerm 55 som beskytter bunnen av rotoren 10 mot til-

feldig fiberkontakt, som kunne oppstå på grunn av det lille bak-

evjefeltet 56 som karakteristisk foreligger nedstrøms av et bak-

overvendt trinn.

Den kjølende gasstrøm er antydet med piler 57 og inn-

føres i grensesjiktet gjennom den ringformede sliss 58 som dan-

nes mellom rotoren 10 og fliken 55.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av fibre av smeltet glass eller annet termoplastisk materiale som ved rotasjon slyn-. ges ut som tråder fra fine åpninger (16) i en rundt om forløpen-de vegg (13) på et sentrifugallegeme (10) og trekkes ut til fibre ved at et gassmedium med høy temperatur og høyt trykk rettes mot trådene, slik at fibrene i form av et slør (22) bringes til å følge ytterkonturen (30) til et i uttrekningsretning av smalnende strømstyringsorgan (29) som er anordnet koaksialt med og umiddelbart etter sentrifugallegemet (10) på dettes nedstrøms-side, karakterisert ved at en kontinuerlig kjøle-gasstrøm (46) som en masseøkning tilføres grensesjiktet mellom fibersløret (22) og strømstyringsorganet (29) for reduksjon av varmeoverføringen fra det varme uttrekningsmedium og fibersløret til strømstyringsorganet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den kontinuerlige kjølegasstrøm først tilfø-res et hulrom (40) i strømstyringsorganet (29) for innenfra å oppta varme ved konveksjon fra strømstyringsorganet før kjøle-gasstrømmen tilføres grensesjiktet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at kjølegasstrømmen bringes til å tilveiebringe en turbulent strømning (52) hos grensesjiktet mellom fi-bersløret (22) og strømstyringsorganet (29).

4.. Anordning fpr fremstilling av fibre av glass eller annet termoplastisk materiale ifølge ett eller flere av kravene 1 - 3 og innbefattende et sentrifugallegeme (10.) og flere peri-fere utløpsåpninger (16) for en materialsmelte (12) som tilfø-res sentrifugallegemet for dannelse av tråder som slynges aksi-elt ut fra sentrifugallegemet og trekkes ut til fibre (21) i form av et slør (22) ved hjelp av et gassmedium og/eller damp med høy temperatur og høyt trykk fra et munnstykke (15, 20) som omgir periferien til sentrifugallegemet (10) og er rettet mot de utstrømmende tråder, idet et strømstyringsorgan i form av et avsmalnende, med sentrifugallegemet fast forbundet rotasjonslegeme (29) er anordnet innenfor sløret (22) og umiddelbart etter sen-trif ugallegemet (10) i strømningsretningen, karakterisert ved at styreorganets periferivegg (30) i hovedsaken følger slørets bevegelsesbane og at organ (41, 42, 43, 45, 35, 53, 58) er anordnet for tilførsel av en kontinuerlig kjølegass-strøm (46) som et massetilskudd til grensesjiktet mellom strøm-styringsorganet (29) og sløret (22), idet den mot sentrifugallegemet vendte del av strømstyringsorganet (29) begrenser en ringformet spalte (35, 53, 58) eller hull mellom seg og sentrifugallegemet (10), gjennom hvilken spalte (35, 53, 58) kjøle-gasstrømmen tilføres grensesjiktet mellom fibersløret og strøm-styringsorganets ytre periferi (30) for reduksjon av varmeover-føringen fra det varme uttrekningsmedium og det varme slør til strømstyringsorganet (29).

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at den mot sentrifugallegemet vendte del av strømstyrings-organet har samme diameter som den midt imot liggende del av sentrifugallegemet .

6. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at den mot sentrifugallegemet vendte del av strømstyrings-organet har mindre diameter enn den midt imot liggende del av sentrifugallegemet for dannelse av en ansatsflate (51), som er anordnet for tilveiebringelse av en turbulent strømning i grensesjiktet mellom fibersløret og strømstyringsorganet.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at den mot sentrifugallegemet vendte kant av strømstyr-ingsorganet (29) har en radialt utragende krave (55) som løper parallelt med den midt imot liggende bunndel av sentrifugallegemet og har i det vesentlige den samme ytre diameter som denne.