ВЫТЯЖНОЙ ОБОГРЕВАЕМЫЙ ЦИЛИНДР Российский патент 1996 года по МПК D02J13/00 

Изобретение относится к производству химических волокон, а именно к устройствам для их термообработки и вытяжки.

При изготовлении химических волокон расплавленная масса полимера продавливается через фильеры. Застывая, полимер образует химическое волокно, которое для придания ему требуемых свойств необходимо нагреть и растянуть. Для этого волокно наматывается на вращающиеся нагретые цилиндрические роторы вытяжных цилиндров. Важнейшим определяющим качеством продукции требованием является равномерность нагрева поверхности ротора по его длине. Разность температур в различных точках рабочей зоны ротора не должна превышать 2^оС при средней температуре на поверхности до 250^оС.

Для обеспечения равномерности нагрева поверхности ротора используются различные устройства.

В патентах [1] [2] с этой целью предусмотрен многосекционный индуктор, каждая секция которого нагревает свой участок ротора. При этом каждому участку ротора должна соответствовать автономная система регистрации и управления температурой. Датчики температуры в количестве, равном числу секций, и многоканальная электронная обратная связь обеспечивают измерение температуры и управление секциями индуктора. Это устройство не нашло широкого применения, поскольку оказалось сложным и недостаточно эффективным, т.к. в пределах каждой секции для выравнивания температуры ничего не предусмотрено, а дробление секций индуктора на более мелкие части приведет к еще большему, практически неприемлемому усложнению конструкции.

В патентах [3] [4] в ротор концентрично вставлены температурно-выравнивающие втулки из теплопроводного материала. Это техническое решение проще предыдущего, но менее эффективно в смысле выравнивания температуры по всей рабочей поверхности ротора.

Конструкции роторов в патентах [5]-[9] имеют сплошную герметичную полость. Они выполнены составными из внутреннего цилиндра-барабана и охватывающего его тонкостенного внешнего цилиндра-кожуха, герметично соединенных между собой по торцам. Между барабаном и кожухом по всей длине ротора за исключением торцов имеется цилиндрический зазор, образующий сплошную герметичную полость, заполненную паром и водой. Но пар и вода имеют теплопроводность, в сотни раз меньшую, чем металл ротора, что препятствует тепловому потоку от барабана, где наводится индукционный электрический ток, к внешней нагревающей нить поверхности кожуха. Повышенное сопротивление тепловому потоку в роторах со сплошной герметичной полостью требует дополнительного расхода электроэнергии, снижает скорость и эффективность процесса выравнивания температуры. Кроме того, в конструкции со сплошной герметичной полостью обостряется проблема прочности ротора, поскольку кожух представляет собой тонкую цилиндрическую оболочку, а давление насыщенного пара внутри полости при максимальной рабочей температуре 250^оС достигает 40 атм. Наконец, при изготовлении и эксплуатации роторов со сплошной герметичной полостью появляется еще одна сложная, трудноразрешимая задача обеспечение надежной герметизации полости, заполненной паром под большим давлением.

Два из этих недостатков почти полностью устраняются в конструкции с заполненными водой и паром замкнутыми трубками, вставленными в тело ротора [10] [11] [12] Действительно, во-первых, тепловой поток в радиальном направлении свободно распространяется по металлу ротора, обтекая трубки с теплоносителем, во-вторых, механические напряжения в трубках при воздействии того же давления 40 атм на порядок меньше, чем в цилиндрической стенке сплошной герметичной полости. Однако преимущества этого решения сводятся на нет конструктивной сложностью и существенными технологическими трудностями изготовления ротора с вставными трубками.

В настоящее время наибольшую известность и распространение получили вытяжные цилиндры с герметичными каналами круглого сечения, просверленными в теле ротора. Эта конструкция, описанная в [13] является прототипом данного изобретения. Стальной ротор, состоящий из цилиндрического барабана, на который наматывается нить, и герметично соединенных с ним торцовых крышек, закреплен на вращающемся в шарикоподшипниках валу встроенного электродвигателя. На корпусе шарикоподшипников неподвижно закреплен расположенный внутри ротора соосно с ним индуктор. Внутри барабана параллельно оси ротора просверлены каналы, имеющие в сечении круглую форму. Каналы вместе с торцевыми полостями между крышками и барабаном образуют единую замкнутую полость, частично заполненную дистиллированной водой.

Конструкция прототипа имеет следующие недостатки:
дальнейшему повышению равномерности температуры мешает круглая форма сечения каналов;
сверление каналов малого диаметра на большую глубину технологически сложно и доступно только для высококлассного производства,
обеспечение надежности герметизации соединяющих каналов торцовых полостей, заполненных паром под давлением около 40 атм, при большой протяженности сварных швов является трудной задачей, разрешение которой требует применения особых технологий.

Целью предлагаемого изобретения является повышение равномерности температуры на поверхности ротора, технологичности изготовления ротора, надежности герметизации внутренней полости ротора.

Для достижения указанной цели каналы в барабане выполнены прямоугольной формы сечения фрезерованием пазов в барабане, на который надет кожух, соединенный с барабаном пайкой медью в водороде, причем кольцевые выступы на торцевых поверхностях барабана расположены в кольцевых проточках на торцах кожуха, а коленообразное пространство между стенками выступов и проточек заполнено расплавом меди в водородной среде.

На фиг. 1 изображен вытяжной обогреваемый цилиндр; на фиг.2 сечение ротора А-А на фиг.1; на фиг.3 узел I на фиг.2; на фиг.4 сечение В-В на фиг.3; на фиг.5 ротор вытяжного цилиндра; на фиг.6 узел II на фиг.5; на фиг.7 узел III на фиг.5.

Вытяжной обогреваемый цилиндр состоит из ротора 1, закрепленного на валу 2. Вал 2 свободно вращается в шарикоподшипниках 4. На корпусе 5 шарикоподшипников неподвижно закреплен индуктор 6. Ротор 1 состоит из цилиндрического кожуха 7 и находящегося внутри него барабана 8. На наружной поверхности барабана 8 имеются продольные пазы 9 прямоугольного сечения, соединенные между собой кольцевыми проточками 10. Кожух 7 своей внутренней поверхностью сопрягается с наружной поверхностью барабана 8 без зазора и с пазами 9 барабана 8 образует продольные каналы 11, имеющие в сечении прямоугольную форму. Каналы 11 вместе с кольцевыми проточками 10 образуют герметичную полость, в которую через отверстие 12 заливается определенное количество теплоносителя, например дистиллированной воды. После заливки отверстие 12 запирается клапаном 13. При вращении ротора 1 дистиллированная вода тонким слоев 14 располагается по поверхности 15 прямоугольных каналов 11. Насыщенный водяной пар 16 занимает остальной объем канала 11, образуя с водой поверхность раздела 17.

Внутренняя полость ротора герметизирована методом пайки медью в водородной среде. Для этого сопрягаемые поверхности кожуха 7 и барабана 8 покрыты слоем гальванической меди. После сборки ротор помещают в водородную печь торцом 18 вниз и нагревают в атмосфере водорода до температуры плавления меди 1100^оС. Медь оплавляется и после остывания соединяет кожух 7 и барабан 8 по всем соприкасающимся поверхностям. Для надежности герметизации на торцовых поверхностях кожуха 7 имеются кольцевые проточки 19 и 20, а на торцовых поверхностях барабана кольцевые выступы 21 и 22. Выступы 21 и 22 располагаются в проточках 19 и 20 и образуют коленообразные пространства 23 и 24. При нагревании ротора пространства 23 и 24 заполняются расплавленной медью, стекающей с поверхности кожуха 7 и барабана 8.

Вытяжной цилиндр работает следующим образом.

Ротор 1 вытяжного цилиндра, вращаясь вместе с валом 2 в шарикоподшипниках 4, наматывает и транспортирует далее нить химического волокна, которая, соприкасаясь с горячей поверхностью ротора, нагревается и одновременно в зоне между соседними устройствами вытягивается пропорционально отношению скоростей вращения роторов. Заданная температура поддерживается электронной системой автоматического регулирования, включающей и выключающей индуктор 6 по сигналу с датчика температуры, установленного в теле ротора. Постоянство скорости вращения ротора обеспечивается синхронным двигателем.

Ниже поясняется, каким образом введенные в конструкцию изменения обеспечивают технико-экономическую эффектив- ность предлагаемого изобретения, заключающуюся в повышении равномерности температуры в рабочей зоне поверхности ротора, технологичности его конструкции, надежности герметизации внутренней полости.

На фиг.4 стрелками показано как тепло переходит от горячего участка 25 к холодному 26, преодолевая тепловое сопротивление слоя металла, кожуха 7 и воды 27, затем вдоль оси ротора тепло переносится паром 16 и снова только в обратном порядке тепловой поток проходит слой воды 28 и металла. На горячей части канала происходит испарение с поверхности воды, на холодной конденсация.

Интенсивность процесса теплообмена, а следовательно, и равномерность температуры по рабочей поверхности ротора 1 тем больше, чем больше площадь поверхности испарения воды 14 и чем меньше ее тепловое сопротивление, т.е. чем меньше толщина слоя воды. Однако в каналах круглой формы сечения уменьшение толщины слоя воды приводит к уменьшению площади поверхности испарения, в то время как в роторе с прямоугольными каналами можно, не уменьшая площади испарения, уменьшить толщину слоя воды до минимума, ограниченного массой жидкости, которая получается после конденсации насыщенного пара, заполняющего все каналы, включая замыкающие их полости. Расчеты показывают, что при одинаковом количестве воды и числе каналов, при ширине прямоугольных каналов, равной диаметру сечения круглых каналов, и при прочих равных условиях в предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом площадь испарения воды в 2,5 раза больше, а толщина слоя воды в 3,7 раза меньше. Соответственно интенсивность обеспечивающего равномерность температуры на рабочей поверхности процесса теплообмена в части, зависящей от площади свободной поверхности и теплового сопротивления воды, в предлагаемом вытяжном цилиндре почти на порядок (2,5х3,7 9,3) выше, чем в прототипе. В этом заключается положительный эффект от введения прямоугольной формы каналов.

Второе преимущество предлагаемого вытяжного цилиндра состоит в том, что технологически сложная операция сверления в барабане ротора каналов малого диаметра на большую глубину заменена на простое фрезерование пазов прямоугольной формы по наружной поверхности барабана, соединенного с насаженным на него кожухом, методом пайки медью в водороде, а также в том, что к поверхности стенок и дна каналов имеется свободный доступ, облегчающий их обработку, в частности нанесение антикоррозионного и медного покрытия.

Наконец, положительный эффект предлагаемого изобретения заключается в том, что наличие проточек 19, 20 (см. фиг.5-7), выступов 21 и 22 и образованных ими коленообразных пространств 23 и 24 повышает надежность герметизации замкнутой полости внутри ротора, содержащей теплоноситель и его пары. При отсутствии этих элементов ничего не препятствует вытеканию расплавленной меди из зазора между сопрягаемыми поверхностями барабана и кожуха, что может привести к образованию участков, где зазор не заполнен медью. В этом случае на указанных участках нарушается герметичность соединения. Наличие двух коленообразных пространств исключает вытекание меди из зазора и создает надежное герметичное уплотнение.

В настоящее время изготовлены, прошли автономные испытания и переданы для испытаний в составе агрегата по производству химического волокна 3 опытных образца вытяжных цилиндров предлагаемой конструкции.

Использование: производство химических волокон, а именно их термообработка и вытяжка. Сущность изобретения: вытяжной обогреваемый цилиндр содержит закрепленный на вращающемся в шарикоподшипниковых опорах валу цилиндрический ротор. Ротор имеет барабан с продольными каналами прямоугольной формы поперечного сечения, образующими внутреннюю полость, заполненную теплоносителем, двигатель, вращающийся вал, индуктор, электронную систему съема и передачи информации о температуре на поверхности ротора. Барабан имеет кожух. Продольные каналы в барабане выполнены фрезерованием. В торцовых поверхностях барабана выполнены кольцевые выступы, а на торцах кожуха - кольцевые проточки. Пространство между стенками выступов и проточек заполнено расплавом меди в водородной среде. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Вытяжной обогреваемый цилиндр, содержащий закрепленный на вращающемся в шарикоподшипниковых опорах валу ротор, имеющий барабан с продольными каналами, образующими внутреннюю полость, заполненную теплоносителем, встроенный двигатель, вращающий вал, индуктор, электронный блок съема и передачи температурной информации с поверхности ротора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кожух барабана, при этом каналы в последнем имеют прямоугольную форму поперечного сечения. 2. Цилиндр по п.1, отличающийся тем, что продольные каналы в барабане выполнены фрезерованием. 3. Цилиндр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в торцевых поверхностях барабана выполнены кольцевые выступы, а на торцах кожуха соответствующие им кольцевые проточки, при этом образующееся между стенками выступов и проточек пространство заполнено расплавом меди в водородной среде.