應(yīng)力條件下造紙毛毯滲透性測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試在造紙過程中的應(yīng)用x. thibault, j.-f. bloch, j.-m. serra-tosio and y.chavelaboratoire génie des procédés papetiers (lgp2/efpg/ctp/cnrs umr 5518) bp 65, 38402 saint-martin-dhères 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)這個目標(biāo)，一個途徑就是優(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，水流

2、壓力梯度和滲流速度呈線性關(guān)系，此時可以應(yīng)用達(dá)西定律。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)力條件下對實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行評價，因?yàn)樗髯枇?yīng)力很敏感。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠測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：濕紙頁由造紙毛毯托持通過兩個壓輥，通過機(jī)械方式脫水。這樣紙頁的結(jié)構(gòu)更加牢固。最后是烘干部，紙頁通過加熱輥脫水。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)，

3、需要優(yōu)化。改善壓榨部通常的解決方案是調(diào)整壓區(qū)，例如：提高壓區(qū)停留時間、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，其中最有價值的工作是由達(dá)西完成的2。他發(fā)現(xiàn)對于在顆粒介質(zhì)中緩慢滲流的流體，流體壓力梯度與流動速度成正比。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是流動方向的樣品長度，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

4、后來的carman 3研究表明雷諾數(shù)越小，達(dá)西定律適用的多孔介質(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）黑體字表示一個向量或一個張量，v是滲流速度場，k是對稱張量。等式（2）在下文數(shù)值模擬和試驗(yàn)中會用到。macklem 5, kershaw 6, chevallier 7研究了不同毛毯對流體滲流的阻力。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)的流動模式是

5、根據(jù)雷諾數(shù)的數(shù)量級來估計的，雷諾數(shù)表達(dá)式如下：（2）其中是體積模量，是動態(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，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，約為5。這表明流動模式為層流，達(dá)

6、西方程是有效的。1 實(shí)驗(yàn)裝置1.1 橫向滲透儀該裝置（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，此時就可以測試毛毯的橫向滲透性。此外為了實(shí)現(xiàn)在線測試壓榨毛毯的滲透性，沒有對毛毯平面進(jìn)行密封，因此會出現(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)行測試（如通過邊界條件）。滲透性的評價在實(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。假定流體為軸對稱的，邊界條件和壓力場如圖2所示。水平方向和垂直方向的滲透率之比為10。計算箱體直徑和防護(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。計算得到箱體直徑為120mm，防護(hù)層

7、的直徑為57mm。多孔板的滲透性poral 40約為30m2。型號為sensorex sx 8 mm 10的線性位置傳感器測試范圍為10mm，精確度為10m，可以對毛毯的厚度進(jìn)行測試（見圖1）。常壓容器與壓力計連接，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，測試水流的重量和時間就可以知道水流速度，測試精度約為5%。溫度計用來測試水溫，就可以估計水的粘度。1.2 平面滲透儀測試平面內(nèi)滲透性使用平面滲透儀，

8、測試原理與橫向滲透儀類似。測試過程和設(shè)備與橫向滲透儀相同。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稱。為了確定箱體的規(guī)格，通過水流方程計算壓力場。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，利用此實(shí)驗(yàn)裝置測試得到的滲透性可以用橫向測試值來校正。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，測試滲透性之前

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

10、驗(yàn)的可重復(fù)性（一號實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，二號實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次）。一號橫向滲透性實(shí)驗(yàn)和二號橫向滲透性實(shí)驗(yàn)對比（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。三號實(shí)驗(yàn)是將兩個a樣品重疊在一起進(jìn)行橫向滲透性實(shí)驗(yàn)。將一號實(shí)驗(yàn)的兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)和三號實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比發(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。 對樣品a進(jìn)行兩次平面內(nèi)滲透性實(shí)驗(yàn)。在縱向（六號實(shí)驗(yàn)）和橫向（七號實(shí)驗(yàn)）分別對樣品進(jìn)行滲透性測試。樣品a

11、平面內(nèi)滲透性測試結(jié)果（見圖7）可以確定表示滲透性張量的等壓線趨勢。樣品a平面內(nèi)滲透性和厚度方向滲透性（一號實(shí)驗(yàn)兩次重復(fù)試驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明平面內(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 fors

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