應力條件下造紙毛毯滲透性測試在造紙過程中的應用

1、應力條件下造紙毛毯滲透性測試在造紙過程中的應用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)濟和技術的原因，壓榨部需要有所改進。為了實現(xiàn)這個目標，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。當水流速度較小時，水流壓力梯度和滲流速度呈線性關系，此時可以應用達西定

2、律。為了研究毛毯滲透性能，搭建了兩種實驗裝置。在不同的應力條件下對實驗裝置的性能進行評價，因為水流阻力對應力很敏感。該實驗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驗結果。關鍵詞：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，通過機械方式脫水。這樣紙頁的結構更加牢固。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。由于紙機車速提高，壓榨技術必須與之相適應，需要優(yōu)化。改善壓榨部通常的解決方案是調整壓區(qū)，例

3、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證實了在常壓運行條件下，濕紙頁的干度與造紙毛毯的結構密切相關。本論文討論后一種解決方案。目前關于多孔介質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西完成的2。他發(fā)現(xiàn)對于在顆粒介質中緩慢滲流的流體，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。（1）其中q是多孔介質中流體的滲流速度，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)和后來的carman 3研究表明雷諾數(shù)越小，達西定

4、律適用的多孔介質的范圍越廣。他們將達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的張量形式的達西定律。 （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。結果表明p 和q之間有良好的線性關系。伴隨著壓榨技術的發(fā)展，造紙機車速逐漸提高。因此達西定律的有效性應進行確認：達西定律是建立在蠕流條件的假設基礎上。壓區(qū)的流動模式是根據(jù)雷諾數(shù)的數(shù)量級來估計的，雷諾數(shù)表達式如下：（

5、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)內通過水質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。 毛毯內的水流速度va很難估計，因為造紙業(yè)中有很多不同的壓榨技術。然而,chevallier7和decrosta8實驗發(fā)現(xiàn)普通壓榨毛毯內水流速度約為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，達西方程是有效的。1 實驗裝置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。此外為了實現(xiàn)在線測試壓榨毛毯的滲透性，沒有對毛毯平面進行密封，因此會出現(xiàn)側邊滲漏現(xiàn)象。利用防護區(qū)域對不受滲漏影響的水流進行測試（如通過邊界條件）。滲透性的評價在實驗結果部分進行解釋。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，防護層的直徑為57mm。多孔板的滲透性poral 40

7、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)內部的空氣壓力，誤差在5%以內，最高載荷為5mpa。水從與防護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滲透性使用平面滲透儀，測試原理與橫向滲透儀類似。測試過程和設備與橫向滲

8、透儀相同。然而，水流方向需要調整。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。防護區(qū)域大小30mm，離上面的狹縫板30mm。在水流防護區(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，利用此實驗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 實驗結果實驗按照以下步驟來進行：首先，對實驗裝置進行校正。在放置樣品之前先確認壓力梯度與滲流速度之間的關系。圖4是一個實例，說明了橫向滲透試驗中兩者是線性關系。其次，測試滲透性之前，對滲透儀箱體上的毛毯樣品施加常壓，測試毛毯應力

9、。控制并測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)能進行很好的線性擬合，見圖4。滲透性測試可以通過標準曲線來校正。利用此裝置對幾種毛毯進行了測試，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進行四次橫向滲透性實驗。一號實驗箱體橫向無滲漏（可拆卸薄膜將箱體密封，見圖1）。二號實驗中有滲漏。對毛毯樣品a進行重復實驗，驗證實驗的可重復性（一號實驗重復兩次，二號實驗重復兩次

10、）。一號橫向滲透性實驗和二號橫向滲透性實驗對比（見圖5）發(fā)現(xiàn)實驗結果與孔隙率小于45%的滲透性非常接近。對于實驗重復性，實驗結果的離散可能是試驗樣品不同造成的，全部是從壓榨毛毯上裁剪的樣品。三號實驗是將兩個a樣品重疊在一起進行橫向滲透性實驗。將一號實驗的兩次重復實驗和三號實驗進行對比發(fā)現(xiàn)，結果相近。這更加證明了滲透性是毛毯固有的性能。 對樣品b和c進行橫向滲透性實驗。實驗結果對比見圖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進行兩次平面內滲透性實驗。在縱向（六號實驗）和橫向（七號實驗）分別對樣品進行滲透性測試。樣品a平面內滲透性測試結果（見圖7）可以確定表示滲透性

11、張量的等壓線趨勢。樣品a平面內滲透性和厚度方向滲透性（一號實驗兩次重復試驗）實驗結果對比表明平面內滲透性約為厚度方向滲透性的三倍。3 結論為了優(yōu)化壓榨部，應該選用合適的毛毯。通常，可以根據(jù)未受應變時毛毯的橫向滲透性來選擇。文中所描述的實驗裝置可以測試不同應變下毛毯任意方向上的滲透性。因此，需要研究毛毯在應變狀態(tài)下的滲透性張量的變化。此外，為了優(yōu)化造紙機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驗室完成的，并受歐洲joule iiird項目的資助，在此一并表示感謝。 參考文獻1 helle, t. and forseth, t., 1994. in tappi

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