С.П. Корниенко, канд. техн. наук

П.И. Чередниченко, д-р техн. наук

Черниговский государственный технологический университет, г. Чернигов, Украина

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ НИТИ С УЧЕТОМ ЗАМАСЛИВАНИЯ И ТРЕНИЯ

В статье приводятся результаты теоретического исследования процесса охлаждения формуемой нити с учетом влияния взаимодействия термодинамики и теплообмена отдельных элементарных нитей между собой, а также с окружающей средой. Показано, что испаряющаяся из замасливателя вода существенно повышает скорость охлаждения, а трение замасленной нити на 5-8 % меньше, чем незамасленной.

Ключевые слова: формуемая нить, охлаждение, замасливание, теплообмен, трение, испарение.

У статті наведені результати теоретичного дослідження процесу охолодження нитки, що формується з урахуванням впливу взаємодії термодинаміки і теплообміну окремих елементарних ниток між собою, а також: з навколишнім середовищем. Показано, що вода, яка випаровується з замаслювана суттєво підвищує швидкість охолодження, а тертя замаслюваної нитки на 5-8 % менше, ніж незамаслюваної.

Ключові слова: нитка, що формується, охолодження, замаслювання, теплообмін, тертя, випаровування.

Theoretical experimental results of the cooling process of a filament during the spinning process taking into account the interaction between hydrodynamics and heat exchange of individual filament and environment are given in the article. It is shown that -water evaporation out of lubricant essentially rises the cooling speed, but friction of lubricated filament is 5-8% less than unlubricated filament.

Key words: filament being spun, cooling, lubrication, heat exchange, friction, evaporation.

Актуальность проблемы. Одним из важнейших процессов в производстве химических нитей из расплавов полимеров, определяющих структуру и свойства нитей, является процесс охлаждения нитей. От правильного проведения процесса обработки нити на данном участке зависят такие важные показатели, как равномерность по диаметру, ориентация элементарных нитей, способность к вытягиванию, качество нанесения замасливателя, а, следовательно, и качественные показатели вырабатываемой нити. Малоизученность особенностей процесса охлаждения нити приводит к тому, что в промышленности применяются одинаковые по конструкции охлаждающие устройства, как для охлаждения пучка нитей, так и для охлаждения единичных нитей, что приводит к снижению их качества и неэкономичному расходу дорогостоящего кондиционированного обдувочного воздуха [1]. В связи с этим, перед разработчиками оборудования, технологами и машиностроителями возникает необходимость создать не просто работающие устройства, а найти оптимальные или близкие к оптимальным варианты технологических режимов и параметров.

Таким образом, проблема теоретического исследования процесса охлаждения нитей с учетом влияния взаимодействия гидродинамики и теплообмена отдельных элементарных нитей между собой, а также с окружающей средой является актуальной.

Постановка задачи. Отсутствие научно-обоснованной инженерной методики проектирования охлаждающих устройств не позволяет разрабатывать охлаждающие устройства, отвечающие современным требованиям. При проектировании охлаждающих устройств возникает проблема прогнозирования влияния различных факторов на процесс формования и выбора оптимальных режимов охлаждения нитей. Достоверное прогнозирование возможно при использовании математического аппарата, адекватно описывающего реальный технологический процесс формования нити. Отсюда возникает задача разработки математической модели охлаждения движущегося пучка нитей, отображающей влияние процесса замасливания нити на охлаждение и трение движущегося пучка нитей, с учетом влияния взаимодействия гидродинамики и теплообмена отдельных элементарных нитей между собой, а также с окружающей средой.

Основная часть. Формование нитей из расплава является сложным процессом, для которого до настоящего времени не разработана достаточно полная комплексная математическая модель, которая позволила бы учесть все факторы, влияющие на температурное состояние и деформацию формуемых нитей. На существующих формовочных машинах на замасливающем устройстве комплексная нить собирается в пучок и движется затем компактным пучком до приемного устройства. С момента нанесения замасливателя в системе полимер – замасливатель происходят следующие физические процессы:

- выравнивание температуры полимер-замасливатель;

- охлаждение системы полимер-замасливатель за счет испарения летучих компонентов замасливателя;

- охлаждение пучка за счет теплопроводности после испарения летучих компонентов замасливателя;

- взаимодействие пучка и окружающей среды, влияющее на тянущее усилие.

Процесс выравнивания температур полимера и замасливателя может быть оценен следующим образом. Пусть - радиус собранного пучка элементарных нитей; - радиус пучка нитей, покрытых замасливателем.

Из сопряженных уравнений теплообмена движущейся системы полимер – замасливатель [2; 3] можно получить, опуская промежуточные уравнения, оценку расстояния пройденного пучком от точки нанесения замасливателя до точки выравнивания температур . Тогда оценка отношения:

описывается следующими соотношениями:

, (1)

где , , - теплофизические параметры нити; , , - теплофизические параметры замасливателя; - первый корень функции ; - отношение массы нити к суммарной массе полимер-замасливатель.

Порядок величины А₁ может быть определен из уравнения:

где - начальная температура нити; - начальная температура замасливателя; - установившаяся температура системы полимер-замасливатель.

Для рассматриваемого случая , откуда , что для рассматриваемых значений параметров полимера и замасливателя (полимер - ПКА-6, замасливатель – вода и жировая эмульсия) дает значение (0,01 м).

Таким образом, длина участка выравнивания температур по сравнению с длиной участка “точка замасливания – приемное устройство” достаточна мала и при расчете теплообмена ею можно пренебречь. Тогда начальная температура системы полимер – замасливатель определяется из зависимости:

(2)

Уравнение теплообмена движущейся системы пучок – замасливатель в одномерной постановке с использованием критериальных соотношений описывающих теплоотдачу за счет вынужденной конвекции и испарения, имеет вид:

, (3)

а выражение для расхода испаряющегося замасливателя по длине пучка имеет вид:

(4)

В уравнениях (3) и (4) используются следующие обозначения: - конвек­тивное число Нуссельта; - диффузионное число Нуссельта; - эффективная теплоемкость системы; - теплоемкость окружающей среды; - температура окружающей среды; - удельная теплота парообразования воды (); - температура системы; - плотность окружающей среды; - коэффициент диффузии водяных паров; - концентрация насыщенных паров воды у нити; - концентрация насыщенных паров воды в окружающей среде; - число Прандля окру­жающей среды; - число Шмидта окружающей среды; - число Рейноль­­дса для пучка; - - эффективная плотность системы полимер-замасливатель.

Для определения взаимного трения замасленного пучка и окружающей среды можно воспользоваться следующим выражением [3]:

, (5)

где - напряжение силы трения; - напряжение силы трения на сухой нити; - динамическая вязкость замасливателя.

Коэффициент трения в режиме турбулентного обтекания:

(6)

По предложенной модели были проведены расчеты для системы пучок нитей ПКА - 6 – замасливатель (вода 90 %, маслянная эмульсия 10 %), исходя из следующих данных:

– для пучка нитей: плотность - кг/м³; теплоемкость - Дж/(кг∙^оК); теплопроводность - Вт/м∙^оК;

– для замасливателя: плотность - кг/м³; теплоемкость - Дж/(кг∙^оК); теплопроводность - Вт/м∙^оК;

– начальные значения: длина участка “точка замасливания – приемное устройство” - м; скорость движения пучка - м/с; температура замасливателя - °С; температура окружающей среды - °С; влажность окружающей среды - %; эффективный радиус пучка - ; начальная температура пучка - ; отношение массы замасливателя к массе полимера -

Расчеты по полученной математической модели показали, что, несмотря на невысокую температуру полимера, из-за большой скорости движения, вода, составляющая до 90 % замасливателя, испаряется даже при больших значениях на небольших расстояниях от точки нанесения замасливателя. Вместе с тем, испарение воды существенно повышает скорость охлаждения. Поскольку, испаряющаяся часть замасливателя испаряется на малых длинах, влиянием вдува в пограничный слой можно пренебречь; оценка же трения на сухой и замасленной поверхности показывает, что напряжение трения на замасленной поверхности меньше на 5-8 %, чем на незамасленной.

Выводы. Полученная математическая модель позволила установить, что трение замаслен­ной нити меньше, чем незамасленной. Также установлены теоретические зависимости для определения расхода испаряющегося замасливателя по длине пучка и температуры нити.

Список использованных источников

1. Панкеев А. М. Исследование процессов теплообмена при формовании синтетического волокна: дис. канд. техн. наук: 05.14.04 / А. М. Панкеев. - К., 1978. - 175 с.

2. Зябицкий А. Теоретические основы формования волокон: пер. с англ. / А. Зябицкий. - М.: Химия, 1979. – 504 с.

3. Разработка теоретических основ процесса теплообмена синтетических нитей при формовании: отчет о НИР (заключительный) / Черниговский государственный технологический университет. - Чернигов, 1999. - 151с. - ОЦО № ГР 0197И019282; Инв. № 02004003232.