纺丝箱熔体冷冻阀结构的设计

连浩杰

摘 要：在直接法或间接法熔融纺丝中，纺丝箱是必不可少的纺丝设备之一。而熔体止流结构又是纺丝箱的关键零部件，常用的熔体止流结构为压缩空气冷冻阀，目前行业中绝大多数采用的是这种形式。因此，本文研究了纺丝箱熔体冷冻阀结构的设计方法，以提升纺丝设备性能。

关键词：纺丝箱;冷冻阀;压缩空气

中图分类号：TS103.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0049-03

Abstract： In direct or indirect melt spinning， the spinning box is one of the essential spinning equipment. The melt stop structure is the key component of the spinning box，the commonly used melt stop structure is a compressed air freezing valve， which is currently used in most industries.Therefore， this paper studied the design method of the melt freeze valve structure of the spin box to improve the performance of the spinning equipment.

Keywords： spinning box;freezingvalve;cmpressed air

在熔融纺丝中，纺丝箱是主要设备之一，其中放置有计量泵、熔体管道等。在纺丝箱内的熔体管道上，每台计量泵前均设置熔体止回阀，以保证清洗、更换计量泵、纺丝组件期间泵前管道内的熔体停止流动[1]。熔体止回阀是纺丝箱的关键零部件。常用的止回阀结构有机械形式和压缩空气冷冻阀形式[2-4]。压缩空气冷冻阀因结构简单、不存在泄露等优点而被广泛采用。本文对压缩空气冷冻阀的结构设计进行比较。

1 冷冻阀的工作原理设计要求

冷冻阀的工作原理是采用压缩空气直接吹响熔体管路，高速低温的压缩空气与熔体管道进行强迫对流换热，快速带走熔体管路上的热量，使熔体管路内的熔体温度迅速降低、凝固，达到快速有效冷冻止流的效果。

通常设计时，每台计量泵前设置一套冷冻閥装置。在清洗、更换某纺丝位的计量泵或纺丝组件时，仅需要关闭其对应的冷冻阀，不必停掉整条螺杆或整条生产线便可完成某个计量泵的快速更换。设计时，冷冻阀止流速度越快，效果越好。通过不断比较、对比分析，恒天重工股份有限公司在此方面进行了大量的研究，使其结构简单、冷冻时间短、效果好，提高了纺丝效率，减低了企业的生产成本。

2 常用冷冻阀的结构形式

2.1 缩颈型冷冻阀

缩颈型冷冻阀的结构如图1所示。阀芯8的中段直径小，两端直径大，其阀体内熔体通道呈缩颈状。当需要截止熔体时，打开压缩空气阀门，让低温的压缩空气从进气管4进入，直接吹向熔体管道的细颈，进行降温冷冻，经进气管4和内管5（或保温套6）之间夹层排出。因阀体内的熔体通道呈缩颈状，止流时冷却、凝固的熔体量少，需要散发的热量少，可以达到快速止流的目的。被冷冻的熔体形成锲栓状，可有效阻止熔体流动。当需要开通熔体通道时，停止压缩空气的进入，凝固的熔体融化后，纺丝即可正常进行。该型阀阀芯加工成型，阀体与熔体管道焊接。图1（a）的压缩空气通道外采用夹套形式，图1（b）采用较厚的保温套。

2.2 压扁型冷冻阀

阀芯压扁型冷冻阀的一般结构形式如图2、图3所示，其冷冻阀阀芯采用熔体管道压成扁平型。一种是管子压扁凸起部位朝上，即凸起部位面对压缩空气进管，如图2所示。另一种是管子压扁凹下部位朝上，即凹下部位面对压缩空气进管，如图3所示。当熔体需要止流时，压缩空气经进气管4吹向管子压扁部位，进行降温冷冻，经进气管4和内管5（或保温套6）之间夹层排出。如图2所示，压缩空气吹向的凸起部位后，继续沿壁面下行，竖直面为扁平型，气流与管子的接触面积增大;如图3所示，管子呈扁平状，压缩空气直吹的接触面积增大。此类型的阀芯压扁成型，熔体冷却凝固成扁平状，在一定的熔体压力下，熔体也很难通过此处，它可有效阻止熔体通过，达到止流的目的。

压扁型冷冻阀还有特殊形式，如图4所示。此型冷冻阀的结构与上述阀结构相似，只是阀芯是加工后中间薄壁部分压扁，阀体与保温套整体结构，结构简单。

3 几种冷冻阀的比较

3.1 阀芯结构

从传热学可知，热交换的热量[Q=α·F·Δt]，要想使熔体快速冷却、凝固，达到止流的目的，冷冻阀内的交换热量[Q]尽可能地减少，也就是需要冷却凝固的熔体量要小，同时要增大热交换系数和换热面积。

图1中的阀芯采用缩颈型，减少了凝固熔体的量，相应的需要散去的热量[Q]少。从流体力学和传热学可知，流体绕流物体时，物体表面存在速度边界层和热边界层。边界层的流动状态对热交换影响很大。流体绕流圆柱形物体时，除了流体吹向的面有流体绕过外，在流体没有直吹的管子背面发生涡流，因而细颈圆形，有效地增大了换热面积，换热系数较大。

图2、图3采用与熔体管道一样的管子压扁，熔体流通面积较大。止流时需要冷却、凝固的熔体较多，因此需要散发的热量较多。图2中，有效散热面积增加，但换热系数没有图1的大。图3中，虽然压缩空气直吹的接触面积较大，但有效换热面积并没有图2大，换热系数更低。表1是把图1作为基数1，图2、图3、图4与其比较的结果。

从表1可以看出，采用熔体管道的管子压扁后，虽然换热面积增大，但冷却、凝固的熔体量增大，需要散发的热量增加较多，换热系数降低，两者比较，还是熔体通道加工成缩颈形式较好，熔体冷却、凝固较快，缩短时间，提高生产效率。

3.2 保温套

为了保证纺丝箱内温度稳定，同时使压缩空气不受纺丝箱内高温的影响，进气管外常常设计一套管。一种方式是套管采用较大壁厚，如图5所示;另一种方式是采用双层套管，如图6所示。

对比式（1）、式（2）可知，[α1]、[α2]相同，而λ3<<λ，所以[K′]比[K]要小得多。因此，进气管外保温采用夹套形式比较大壁厚的单层保温套效果好，保护纺丝箱尽量减少热量损失，同时可以更好地使压缩空气以较低的温度吹向熔体管，冷却、凝固效果更好。

综上所述，图1（a）所示的冷冻阀结构比较合理。

4 结语

通过以上分析比较可以看出，缩颈阀芯型的冷冻阀冷却、凝固的熔体量较少，虽然换热面积小，但需要散发的热量少，圆形管换热更快、更充分。恒天重工股份有限公司在某型号纺丝箱中采用此结构，对其进行验证。该结构的冷冻阀机构紧凑，冷却、凝固效果稳定、可靠，空气消耗量小，符合节约能源、降低能耗的要求。

参考文献：

[1]秦庆伦.VC403纺丝机计量泵预热后快速更换法[J].合成纤维，1983（3）：65-66.

[2]王华平.熔融纺丝成形理论及HMLS涤纶纤维的研制[D].上海：东华大学，2001.

[3]孟辉波.旋流静态混合器内流场瞬态特性研究[D].天津：天津大学，2009.

[4]董海宏.静态混合器数值模拟研究与结构优化[D].西安：西安建筑科技大学，2011.