應(yīng)力條件下造紙毛毯滲透性測(cè)試在造紙過程中的應(yīng)用

1、應(yīng)力條件下造紙毛毯滲透性測(cè)試在造紙過程中的應(yīng)用x. thibault, j.-f. bloch, j.-m. serra-tosio and y.chavelaboratoire gnie des procds papetiers (lgp2/efpg/ctp/cnrs umr 5518) bp 65, 38402 saint-martin-dhres cedex（上海金熊造紙網(wǎng)毯有限公司 鄭平 ）摘要：由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的原因，壓榨部需要有所改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，一個(gè)途徑就是優(yōu)化壓榨毛毯脫水效率。水流阻力越小，脫水效率越高。當(dāng)水流速度較小時(shí)，水流壓力梯度和滲流速度呈線性關(guān)系，此時(shí)可以應(yīng)用達(dá)西定

2、律。為了研究毛毯滲透性能，搭建了兩種實(shí)驗(yàn)裝置。在不同的應(yīng)力條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，因?yàn)樗髯枇?duì)應(yīng)力很敏感。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠測(cè)試造紙毛毯厚度方向和任意平面方向的滲透性能，給出了不同造紙毛毯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：滲透性，造紙毛毯，測(cè)試，壓榨在造紙過程中，脫水主要依靠三種方式：首先紙漿均勻的鋪在成型網(wǎng)上，主要通過重力排水。其次是壓榨部：濕紙頁(yè)由造紙毛毯托持通過兩個(gè)壓輥，通過機(jī)械方式脫水。這樣紙頁(yè)的結(jié)構(gòu)更加牢固。最后是烘干部，紙頁(yè)通過加熱輥脫水。烘干脫水與壓榨脫水相比成本較高。因此，壓榨效率越高，成本越低。由于紙機(jī)車速提高，壓榨技術(shù)必須與之相適應(yīng)，需要優(yōu)化。改善壓榨部通常的解決方案是調(diào)整壓區(qū)，例

3、如：提高壓區(qū)停留時(shí)間、線壓力或者溫度。此外提高造紙毛毯脫水能力也是很重要的。hello1證實(shí)了在常壓運(yùn)行條件下，濕紙頁(yè)的干度與造紙毛毯的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本論文討論后一種解決方案。目前關(guān)于多孔介質(zhì)中的流體滲流阻力問題已有大量的研究，其中最有價(jià)值的工作是由達(dá)西完成的2。他發(fā)現(xiàn)對(duì)于在顆粒介質(zhì)中緩慢滲流的流體，流體壓力梯度與流動(dòng)速度成正比。壓力損失與公式（1）中的滲流粘度（單位面積上的流速）有關(guān)。（1）其中q是多孔介質(zhì)中流體的滲流速度，p是流體壓力損失, l是流動(dòng)方向的樣品長(zhǎng)度，是流體粘度，k是所謂的滲透性。該特性是材料固有的。kozeny (1927)和后來的carman 3研究表明雷諾數(shù)越小，達(dá)西定

4、律適用的多孔介質(zhì)的范圍越廣。他們將達(dá)西滲透率與材料的孔隙度（孔隙度是空隙體積與材料的表觀體積之比）聯(lián)系起來。scheidegger 4給出了各向異性多孔介質(zhì)的張量形式的達(dá)西定律。 （2）黑體字表示一個(gè)向量或一個(gè)張量，v是滲流速度場(chǎng)，k是對(duì)稱張量。等式（2）在下文數(shù)值模擬和試驗(yàn)中會(huì)用到。macklem 5, kershaw 6, chevallier 7研究了不同毛毯對(duì)流體滲流的阻力。結(jié)果表明p 和q之間有良好的線性關(guān)系。伴隨著壓榨技術(shù)的發(fā)展，造紙機(jī)車速逐漸提高。因此達(dá)西定律的有效性應(yīng)進(jìn)行確認(rèn)：達(dá)西定律是建立在蠕流條件的假設(shè)基礎(chǔ)上。壓區(qū)的流動(dòng)模式是根據(jù)雷諾數(shù)的數(shù)量級(jí)來估計(jì)的，雷諾數(shù)表達(dá)式如下：（

5、2）其中是體積模量，是動(dòng)態(tài)粘度，pore是平均水壓直徑。vpore是孔隙中水流的平均速度。va是壓區(qū)內(nèi)通過水質(zhì)量平衡估計(jì)得到的平均速度，是孔隙率，t是彎曲度，s是比表面積。假定毛毯纖維的截面形狀是圓柱形，s等于4/d，此時(shí)d是毛毯纖維的平均直徑。 毛毯內(nèi)的水流速度va很難估計(jì)，因?yàn)樵旒垬I(yè)中有很多不同的壓榨技術(shù)。然而,chevallier7和decrosta8實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)普通壓榨毛毯內(nèi)水流速度約為50mm/s，毛毯纖維的平均直徑為50m9，毛毯的孔隙率在壓區(qū)中間時(shí)約為0.3。因此壓區(qū)水流的雷諾數(shù)可以通過方程（3）來估計(jì)，約為5。這表明流動(dòng)模式為層流，達(dá)西方程是有效的。1 實(shí)驗(yàn)裝置1.1 橫向滲透儀該

6、裝置（見圖1）利用水流垂直通過毛毯平面的方式實(shí)現(xiàn)水流壓力梯度，此時(shí)就可以測(cè)試毛毯的橫向滲透性。此外為了實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試壓榨毛毯的滲透性，沒有對(duì)毛毯平面進(jìn)行密封，因此會(huì)出現(xiàn)側(cè)邊滲漏現(xiàn)象。利用防護(hù)區(qū)域?qū)Σ皇軡B漏影響的水流進(jìn)行測(cè)試（如通過邊界條件）。滲透性的評(píng)價(jià)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分進(jìn)行解釋。為了確定箱體的規(guī)格，利用matlab來解流體方程，邊界條件為箱體的部分截面，見圖2。假定流體為軸對(duì)稱的，邊界條件和壓力場(chǎng)如圖2所示。水平方向和垂直方向的滲透率之比為10。計(jì)算箱體直徑和防護(hù)層面積是為了防止邊界區(qū)域的等壓力線受外界壓力的影響。計(jì)算得到箱體直徑為120mm，防護(hù)層的直徑為57mm。多孔板的滲透性poral 40

7、約為30m2。型號(hào)為sensorex sx 8 mm 10的線性位置傳感器測(cè)試范圍為10mm，精確度為10m，可以對(duì)毛毯的厚度進(jìn)行測(cè)試（見圖1）。常壓容器與壓力計(jì)連接，壓力恒為10pa。有了常壓容器就能夠獲得最高壓力1.5mhwc，最低壓力20cmhwc（見圖1），因此總壓力為1.7mhwc。壓力傳感器測(cè)試施加載荷系統(tǒng)內(nèi)部的空氣壓力，誤差在5%以內(nèi)，最高載荷為5mpa。水從與防護(hù)層連接的容器中流出來，測(cè)試水流的重量和時(shí)間就可以知道水流速度，測(cè)試精度約為5%。溫度計(jì)用來測(cè)試水溫，就可以估計(jì)水的粘度。1.2 平面滲透儀測(cè)試平面內(nèi)滲透性使用平面滲透儀，測(cè)試原理與橫向滲透儀類似。測(cè)試過程和設(shè)備與橫向滲

8、透儀相同。然而，水流方向需要調(diào)整。多孔板用狹縫板代替。下面的板有放射狀的狹縫。上面的板有兩條狹縫，與下面的狹縫平行并對(duì)稱。為了確定箱體的規(guī)格，通過水流方程計(jì)算壓力場(chǎng)。防護(hù)區(qū)域大小30mm，離上面的狹縫板30mm。在水流防護(hù)區(qū)域，等壓線與毛毯位置平行（見圖3）。由于水流是平面的，而且橫向流動(dòng)，利用此實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試得到的滲透性可以用橫向測(cè)試值來校正。然而，校正通常被忽略。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)按照以下步驟來進(jìn)行：首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行校正。在放置樣品之前先確認(rèn)壓力梯度與滲流速度之間的關(guān)系。圖4是一個(gè)實(shí)例，說明了橫向滲透試驗(yàn)中兩者是線性關(guān)系。其次，測(cè)試滲透性之前，對(duì)滲透儀箱體上的毛毯樣品施加常壓，測(cè)試毛毯應(yīng)力

9、?？刂撇y(cè)試流體壓力下降程度，測(cè)試水流速度和溫度。對(duì)這些數(shù)據(jù)能進(jìn)行很好的線性擬合，見圖4。滲透性測(cè)試可以通過標(biāo)準(zhǔn)曲線來校正。利用此裝置對(duì)幾種毛毯進(jìn)行了測(cè)試，毛毯參數(shù)列于表1。所有試樣測(cè)試前都未經(jīng)過壓縮。不可壓縮厚度定義為孔隙率為零時(shí)毛毯樣品的厚度。表 1 毛毯主要參數(shù)毛毯克重(g/m2)不受壓力時(shí)的厚度(mm)不可壓縮厚度(mm)a16404.231.43b15303.881.34c15503.881.36對(duì)毛毯樣品a進(jìn)行四次橫向滲透性實(shí)驗(yàn)。一號(hào)實(shí)驗(yàn)箱體橫向無(wú)滲漏（可拆卸薄膜將箱體密封，見圖1）。二號(hào)實(shí)驗(yàn)中有滲漏。對(duì)毛毯樣品a進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性（一號(hào)實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，二號(hào)實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次

10、）。一號(hào)橫向滲透性實(shí)驗(yàn)和二號(hào)橫向滲透性實(shí)驗(yàn)對(duì)比（見圖5）發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與孔隙率小于45%的滲透性非常接近。對(duì)于實(shí)驗(yàn)重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散可能是試驗(yàn)樣品不同造成的，全部是從壓榨毛毯上裁剪的樣品。三號(hào)實(shí)驗(yàn)是將兩個(gè)a樣品重疊在一起進(jìn)行橫向滲透性實(shí)驗(yàn)。將一號(hào)實(shí)驗(yàn)的兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)和三號(hào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，結(jié)果相近。這更加證明了滲透性是毛毯固有的性能。 對(duì)樣品b和c進(jìn)行橫向滲透性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖7。樣品a的滲透性比樣品b和c差，樣品b和樣品c的滲透性接近。 對(duì)樣品a進(jìn)行兩次平面內(nèi)滲透性實(shí)驗(yàn)。在縱向（六號(hào)實(shí)驗(yàn)）和橫向（七號(hào)實(shí)驗(yàn)）分別對(duì)樣品進(jìn)行滲透性測(cè)試。樣品a平面內(nèi)滲透性測(cè)試結(jié)果（見圖7）可以確定表示滲透性

11、張量的等壓線趨勢(shì)。樣品a平面內(nèi)滲透性和厚度方向滲透性（一號(hào)實(shí)驗(yàn)兩次重復(fù)試驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明平面內(nèi)滲透性約為厚度方向滲透性的三倍。3 結(jié)論為了優(yōu)化壓榨部，應(yīng)該選用合適的毛毯。通常，可以根據(jù)未受應(yīng)變時(shí)毛毯的橫向滲透性來選擇。文中所描述的實(shí)驗(yàn)裝置可以測(cè)試不同應(yīng)變下毛毯任意方向上的滲透性。因此，需要研究毛毯在應(yīng)變狀態(tài)下的滲透性張量的變化。此外，為了優(yōu)化造紙機(jī)壓榨部提高脫水效率也需要考慮滲透性張量。致謝本研究是在格勒諾布爾的造紙過程實(shí)驗(yàn)室完成的，并受歐洲joule iiird項(xiàng)目的資助，在此一并表示感謝。 參考文獻(xiàn)1 helle, t. and forseth, t., 1994. in tappi

12、journal, influence of felts structure on water removal in a press nip, vol. 77(n 6): pp 171 - 178. 2 darcy, h. p. g., 1856. les fontaines publiques de la ville de dijon. paris. 3 carman, p. c., 1937. in trans. institute chemical engineering, fluid flow through granular beds, pp 150 - 166. 4 scheideg

13、ger, a. e., 1963. in springer verlag, hydrodynamics in porous media, pp 625 - 662. 5 macklem, j. e., 1961. in tappi journal, a study of the resistance of woven wool felts to liquid flow, vol. 44(n8): pp 535-544. 6 kershaw, t. n., 1972. in tappi journal, the three dimensions of water flow in press felts, vol. 55(n 6): pp 880 - 887. 7 chevallier, p., 1988. contribution loptimisation des feutres de presses humides de papeteries, institut national polytechnique de grenoble, grenoble. 8 decrosta, e. f. and plaisted, w.