автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов обеспечения тепловых режимов вращающихся термоэлектропластификаторов в машинах по производству химических волокон

ВВЕДЕНИЕ.

1. Литературный обзор . б

1.1. Некоторые вопросы технологии получения синтетических нитей

1.2. Конструкции обогреваемых транспортирующих цилиндров (ОТЦ) и способы их нагрева

1.3. Цели и задачи диссертации.

2. Анализ индукционного нагрева обогреваемых транспортирующих цилиндров машин химических волокон

2.1. Выделение энергии в однородном стальном ОТЦ

2.2. Распределение активной энергии по длине ОТЦ

2.3. Выделение энергии в двухслойном ОТЦ

2.4. Оценка изменения тока индуктора в функции толщины диамагнитной вставки

2.5. Определение активной энергии, выделяемой в ОТЦ, при различной толщине латунной вставки

3. Математическая модель обогреваемого транспортирующего цилиндра

ЗЛ. Общие методы определения температурного поля ОТЦ.

3.2. Одномерное температурное поле однородного стального транспортирующего цилиндра, явная разностная схема

3.3. Одномерное температурное поле ОТЦ с диамагнитной вставкой, явная разностная схема

3.4. Двумерное температурное поле ОТЦ, явная разностная схема

3.5. Одномерное температурное поле ОТЦ, неявная схема

4. Экспериментальное и аналитическое исследование температурного поля ОТЦ

4.1. Экспериментальное определение темпераоурного поля ОТЦ формовочно-приемного агрегата АФС-ЮОО-КП

4.2. Уточнение математической модели ОТЦ.

4.3. Распределение температуры по длине ОТЦ для различной конфигурации латунной вставки

4.4. Характеристика процесса ориентационного термовытягивания нити

4.5. Теоретические исследования процесса нагрева и остывания нити в процессе термовытягивания

4.5.1. Исследование нагрева нити круглого сечения

4.5.2. Исследование нагрева нити некруглого сечения

4.5.3. Исследование остывания нити . НО

4.6. Оценка теплоотвода нитью с поверхности обогревающего элемента

4.7. Влияние теплоотвода нитью на характер температурного поля ОТЦ

Производство химических волокон относится к одной из прогрессивных и развивающихся высокими темпами отраслей народного хозяйства. В последнее время наиболее интенсивно возрастает выпуск синтетических волокон, в том числе капроновых.

Развитие производства синтетических волокон требует создания новых типов машин и аппаратов, обеспечивающих повышение качества волокон и нитей и увеличение их выпуска на действующих предприятиях, получение волокон и нитей новых видов, повышение производительности труда, снижение энергозатрат и других материальных ресурсов на единицу продукции, улучшение условий труда и техники безопасности, механизацию трудоемких операций.

Основным направлением создания высокопроизводительного оборудования, отвечающего перечисленным требованиям, является создание высокоскоростных крутильно-вытяжных машин и агрегатов совмещенного формования и вытягивания.

В свою очередь, повышение скорости выпуска нитей требует новых конструктивных решений, обеспечивающих интенсификацию нагрева нити и, главным образом, равномерность ее прогрева в процессе термовытягивания.

Вышеуказанные положения полностью относятся к обогреваемым транспортирующим цилиндрам (ОТЦ), широко применяемым в машинах химических волокон.

С другой стороны, повышение энергетической экономичности ОТЦ при большом их количестве на кавдой машине имеет важное значение в плане экономии энергоресурсов.

Несмотря на широкое применение ОТЦ, в настоящее время эти устройства еще недостаточно изучены с точки зрения характера выделения активной энергии, обеспечивающей их нагрев, и особенностей температурного поля цилиндров с учетом их взаимодействия с окружающей средой (в том числе с обогреваемой нитью) в различных мощностных и скоростных режимах.

Все вышесказанное позволяет считать актуальной задачу исследования методов обеспечения определенных температурных режимов вращающихся термоэлектропластификаторов (обогреваемых транспортирующих цилиндров) машин химических волокон.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1,1. Некоторые вопросы технологии получения синтетических нитей

При производстве синтетических нитей значительную роль в формировании требуемых физико-механических свойств играет тепловая обработка нитей. В частности, технологический процесс производства капроновых нитей предусматривает осуществление ориентационного вытягивания нитей при определенном температурном режиме.

Необходимость указанной операции вызвана тем, что непосредственно после процесса формования нить имеет низкую прочность и чрезмерно большое удлинение, вызванные малой упорядоченностью структуры нитей: только небольшая часть макромолекул ориентирована параллельно оси нити. Повышение упорядоченности в расположении элементов структуры, а следовательно и улучшение физико-механических свойств, достигается вытягиванием нитей /I/.

Нагрев вытягиваемой нити ослабляет межмолекулярные связи (материал нити%находится в пластическом состоянии) и определенным образом способствует взаимному перемещению элементов структуры и их ориентации вдоль оси нити, молекулярная структура нитей уплотняется, образуются дополнительные межмолекулярные связи. При этом длина нити в зависимости от кратности вытяжки увеличивается в 3-5 раз, а диаметр ее уменьшается почти вдвое, плотность нити возрастает примерно на 2-3&.

Прочность нити, как правило, тем больше, чем выше степень вытяжки. Максимальная степень вытяжки, а следовательно и прочность нити, достигается при оптимальных температурных условиях /2/.

Из сказанного становится ясным, что устройства, обеспечивающие тепловую обработку нити в процессах вытягивания, играют очень важную роль и к ним предъявляются высокие требования. Основными из этих требований являются: способность обеспечить интенсивный равномерный по сечению прогрев обрабатываемых нитей до заданных температур /3/; способность обеспечить безобрывное прохождение нитей в зоне тепловой обработки; высокая экономичность; малые габариты; простота и надежность в эксплуатации; безопасные условия обслуживания. В настоящее время в производстве синтетических нитей процесс вытягивания отделен от процесса формования и осуществляется на крутильно-вытяжных машиных различных конструкций в зависимости от толщины и назначения нити. Однако, в последнее время наряду с вышеупомянутыми машинами стали применяться опытные образцы перспективных высокоскоростных машин совмещенного формования и вытягивания, например, формовочно-приемный агрегат АФС-ЮОО-КП 18, совмещающий процессы формования и вытягивания капроновых нитей технического ассортимента.

В современных вытяжных машинах нагрев нитей осуществляется с помощью различных нагревательных устройств. В общем случае обогревающие устройства по способу передачи тепла от источника к технологической поверхности нагрева делятся на бесконтактные и контактные.

При бесконтактном способе нагрева нить прогревается посредством горячего газа, пара, теплового или электромагнитного полей, и, с точки зрения равномерного прогрева нити и уменьшения поврезвдения элементарных нитей, этот способ является предпочтительным, К недостаткам его можно отнести более низкий по сравнению с контактными устройствами коэффициент теплопередачи /4/.

На устройствах контактного типа нагрев нитей осуществляют при непосредственном контакте с обогреваемой металлической, керамической или полимерной поверхностью. В существующих вытяжных машинах такие устройства получили широкое распространение /5/. Объяснить это можно, вероятно, тем, что контактные нагревательные устройства отличаются относительной простотой конструкции, надежностью в работе, экономичностью, универсальностью применения.

Названные достоинства, наряду с тем обстоятельством, что тип нагревательного устройства незначительно влияет на прочностные показатели нитей /4/, гарантируют, вероятно, широкое применение контактных устройств и в будущем.

К недостаткам контактных нагревающих устройств следует отнести неравномерный нагрев нитей по сечению, возможное травмирование элементарных нитей при контакте с обогреваемыми поверхностями.

Подробный анализ и классификация существующих конструкций контактных нагревательных устройств проведены Богданом Н.В. в работе /42/,

Контактные нагревающие устройства подразделяются на две основные группы: устройства с неподвижной рабочей поверхностью и движущейся обрабатываемой нитью (например, плоские термоэлектро-пластификаторы - утюги); устройства с рабочей поверхностью, движущейся вместе с обрабатываемой нитью (обогреваемые транспортирующие цилиндры),

В работе /42/ одновременно отмечается перспективность и целесообразность применения ОТЦ в машинах по производству синтетических нитей, в том числе высокоскоростных вытяжных машинах. В связи с этим представляет интерес подробнее рассмотреть существующие конструкции ОТЦ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В настоящее время недостаточно разработаны теоретические основы и инженерные методы проектирования двухслойных обогреваемых транспортирующих цилиндров (ОТЦ) машин химических волокон, учитывающие необходимость снижения электропотребления и обеспечения определенных температурных режимов цилиндров.

2. В диссертации даны обзор и систематизация, основных положений теории индукционного нагрева однородных и двухслойных объектов. Предложена методика определения активной энергии,выделяемой в однородном и двухслойном ОТЦ.

3. Разработаны методы аналитического исследования температурных режимов ОТЦ с учетом теплового взаимодействия с обрабатываемой нитью, в которых используются созданные автором

- математические модели однородного и двухслойного ОТЦ и соответственное программное обеспечение;

- математические модели двухслойного ОТЦ, позволяющие исследовать влияние конфигурации латунной вставки на характер распределения температуры по длине ОТЦ;

- методика исследования процесса прогрева обрабатываемой нити для различных вариантов формы ее поперечного сечения;

- численная оценка коэффициента теплоотдачи от поверхности цилиндра и поверхности нити для различных скоростных режимов;

- методика определения теплоотвода нитью от поверхности цилиндра и влияние теплоотвода на характер распределения температуры по длине цилиндра.

4. Проведено экспериментальное исследование ОТЦ в различных мощностных и скоростных режимах, в результате которого

- уточнены математические модели ОТЦ;

- определен характер выделения активной энергии по длине

ОТЦ;

- показана необходимость уточнения коэффициента рассеивания энергии для индукторов ограниченной длины;

- выявлена зависимость распределения температуры по длине ОТЦ от режима его работы (мощности и числа оборотов).

5. Разработана методика определения оптимальной толщины латунной вставки с точки зрения снижения энергопотребления ОТЦ.

6. На основании проведенных исследований и полученных результатов рекомендовано

- при определении активной энергии, выделяемой в цилиндре, использовать уточненное значение эмпирического коэффициента рассеивания энергии Ks ;

- для рассмотренного диапазона мощности ОТЦ принять в качестве оптимальной толщину латунной вставки в интервале 1-2,5 мм;

- для повышения равномерности распределения температуры по длине цилиндра использовать профилированную латунную вставку;

- в качестве оптимальной зоны размещения датчика температуры принять зону - 30 мм относительно середины индуктора.

7. Материалы диссертации являются составной частью работ по теме, выполняемой по закаку СКЬБМХВ ЛМО имени Карла Маркса в соответствии с целевой программой О.Ц. 018 ГКНТ (программа выпуска полиамидных нитей повышенной прочности).

1. Зазулина З.А., Конкин A.A. Основы технологии химических волокон. М., Химия, 1969, с.344.

2. Фишман К.S., Хрузин H.A. Производство волокна капрон. М., Химия, 1976, с.310.

3. Савицкий A.B., Носов М.П. Динамика нагрева синтетических нитей на плоском нагревателе в процессе вытягивания. Хим.волокна, 1979, № 4, с.13-15.

4. Фильберт Д.В. и др. Интенсификация процессов формования и вытягивания технических нитей из поликапроамида. Международный симпозиум по химическим волокнам. Калинин, 1977. Препринты, т.2, с.30-38.

5. Кудрявцев Г.И., Носов М.П., Волохина A.B. Полиамидные волокна. М., Химия, 1976, с.194.

6. Рабкин Р.Л. Методика расчета индукционного нагрева вытяжных цилиндров машин для формования и вытягивания синтетических нитей. Хим.волокна, 1979, № I, с.15-17.

7. Локшина С.И., Рабкин Р.Л. Индукционный нагрев вытяжных цилиндров с токопроводящими кольцами. Хим.волокна, 1982,1. I, с.32-34.

8. Вологдин В.П. Поверхностная индукционная закалка. М., Оборонгиз, 1947, с.291.

9. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. Л., Госэнергоиздат, 1949, с.190.

10. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. М.-Л., Энергия, 1965, с.552.

11. Лозинский М.Г. Промышленное применение индукционного нагрева. М., Изд-во АН СССР, 1958, с.472.

12. Глуханов Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева.

13. JI., Машиностроение, 1965, с.95,

14. Родигин Н.М. Индукционный нагрев стальных изделий. Свердловск, Металлургиздат, 1950, с.246.

15. Простяков A.A. Индукционные нагревательные установки. М., Энергия, 1970,с.120.

16. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М., Энергия, 1967, с.415.

17. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., Энергия, 1974, с.264.

18. Немков B.C. Теория и расчет цилиндрических электромагнитных систем индукционного нагрева. Л., Энергия, 1980, с.192.

19. Махмудов K.M., Слухоцкий А.Е. Расчёт электрических параметров цилиндрических индукторов произвольной длины. Труды ВНИИТВЧ,вып.Ю, Л.,Машиностроение,1969, с.20-35.

20. Махмудов K.M., Павлов H.A. Методический нагрев тонкостенных труб в коротких индукторах. Труды ВНИИТВЧ, вып.П, Л., Машиностроение, 1970, с.I1-25.

21. Кувалдин A.B. Низкотемпературный индукционный нагрев стали. М., Энергия, 1976, с.145.

22. Слухоцкий А.Е. Применение токов высокой частоты в электротермии. Труды ВНИИТВЧ, вып.7. Л., Машиностроение, 1966,с.34-38.

23. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей (Справочная книга). Л., Энергия, 1970, с.415.

24. Поттер Д. Вычислительные методы в физике. М., Мир, 1975, с.392.

25. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1977, с.343.

26. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967, с.599.

27. Шаблон К., Симон Ж.-К. Применение ЭВМ для численного моделирования в физике. М., Наука, 1983, с.234.

28. Самарский А.А. Теория разностных схем. М., Наука, 1983, с.614.

29. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М., Мир, 1979, с.158.

30. Немков B.C., Полеводов B.C. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева. Л., Машиностроение, I960, с.62.

31. Кремнев О.А. и др. О тепловой обработке синтетических волокон при вытяжке. Хим.волокна, 1963, 6, с.18-23.

32. Рабкин Р.Л. К вопросу о нагревании капроновой нити в процессе ориентационного вытягивания. Хим.волокна, 1972, № 4, с.23-25.

33. Рабкин Р.Л. К вопросу о контактном нагревании волокна в процессе ориентационного вытягивания. Хим.волокна, 1975, №, 6, с.65-67.

34. Захаров B.C. и др. Нагревание синтетических нитей на металлических обогреваемых поверхностях. Хим.волокна, 1977,5, с.52-55.

35. Суров Ю.И., Геллер В.Э. Оценка температурных полей моноволокон в процессе формования. Хим.волокна, 1974, № I,с.17-19.

36. Геллер В.Э. и др. Исследование полей температур и скоростей при вытягивании полиэфирных мононитей. Хим.волокна, 1974,3, с.67-69.

37. Пинский В.П. и др. Особенности термообработки полиамидных нитей на намоточно-вытяжной машине. Хим.волокна, 1978,5, с.17-19.

38. Андронов Е.С. и др. Теплообмен'в системе нагреватель- нить при вытягивании синтетических комплексных нитей. Хим.волокна, 1977, № 3, с.20-22.

39. Григорьев П.И. Нагревание полиамидных нитей в процессе ориентационного вытягивания. Хим.волокна, 1972, № 4, с.23-25.

40. Фильберт Д.В., Андронов E.G. Достижения в области формования поликапроамидных кордных и технических нитей.

41. Хим.волокна, 1981, № 3, с.32-35.40. ßeyreuther R. Foserf. u.Textitt., 1974, &d.25ta, s.m-im.

42. Пневский И.М. и др. Тепло- и массообмен в химической технологии. Киев, Наукова думка, 1967, с.159.

43. Богдан М.В. Разработка и исследование контактных нагревательных устройств в машинах для вытягивания капроновых технических нитей. Кандидатская диссертация, ЛИТЛП им.С.М.Кирова, 1984, с. 184.

44. Кремнев O.A., Боровский В.Р., Долинский A.A. Скоростная сушка. Киев, Гостехиздат, 1963, с.382.

45. Боровский В.Р., Чавдаров A.C., Усик Т.А. Теплофизика и теплотехника. (Респ. межведомств.сборник), Вып.15, Киев, Наукова думка, 1969, с.58-60.

46. Боровский В.Р. и др. Теплофизика и теплотехника. (Респ. межведомств.сборник), Вып.17. Киев, Наукова думка, 1970, с.77-80.

47. Simons and ßoily. Phil. ГПад,., 1927, hJl5.

48. Методы расчета теплообмена в процессах производства синтетических волокон. (Обзорная информация), НИИТЭХИМ, М., 1979, с.35.

49. Григорьев П.И. и др. Термообработка капроновых технических нитей при высоких скоростях вытягивания. Хим.волокна,3, 1982, с.23-25.49. иЛ^/ч/е^Ь Рот'югу ЬетрегаЬигу ы 1>сн£атосЬэ¡п'1кон / иггцЖгеп с1ер1!пус11. .л/огзюи/а, \л/.Л/.Т., ШЗ, б .340.

50. Нагревание полиамидных нитей в процессе высокоскоростного вытягивания. Хим.волокна, 1981, № I, с.24-26.