粘膠短纖維的干燥特性及其動(dòng)力學(xué)模型研究

王瑞利，李 慧，張 軍

(1.黃河科技學(xué)院工學(xué)院，河南鄭州450006;2.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

粘膠纖維作為一種常見而又重要的化工原材料，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛的使用。粘膠纖維的干燥過程耗能較大，為了提高經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)環(huán)節(jié)綠色環(huán)保，對(duì)粘膠纖維的干燥過程進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究具有重大的意義［1］。

在前期研究中，對(duì)粘膠短纖維鏈板式松弛熱定型機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了其流場(chǎng)速度和壓力分布規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，提出對(duì)其勻風(fēng)板的改進(jìn)方案，并進(jìn)行了驗(yàn)證［2－3］;通過粘膠纖維干燥特性實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定了熱風(fēng)溫度、纖維層厚度、熱風(fēng)風(fēng)速、纖維層含水率等工藝參數(shù)對(duì)其干燥過程的影響［4］。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其他不同類型的纖維和干燥形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，進(jìn)一步研究粘膠短纖維干燥影響因素，尤其增加對(duì)粘膠短纖維熱風(fēng)干燥過程動(dòng)力學(xué)理論分析，從而更好地提高其干燥效率，降低干燥成本是十分必要的。

作者在前期粘膠短纖維干燥特性的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用單指數(shù)干燥模型和三參數(shù)Logaritmic干燥模型，對(duì)粘膠短纖維的熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行了理論研究;對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到了粘膠短纖維的干燥動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，進(jìn)而得出粘膠短纖維的熱風(fēng)干燥理論計(jì)算曲線;并對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到更適合分析粘膠短纖維干燥規(guī)律的理論模型。

1 纖維干燥實(shí)驗(yàn)

1.1 干燥實(shí)驗(yàn)裝置

為了真實(shí)地反應(yīng)粘膠纖維的干燥過程，自行設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方便的粘膠纖維干燥實(shí)驗(yàn)裝置，此實(shí)驗(yàn)裝置已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利［5］。從圖1可知，該實(shí)驗(yàn)裝置由空氣壓縮機(jī)、電加熱爐、纖維干燥器組成。空氣由壓縮機(jī)輸送，進(jìn)入加熱爐被加熱到設(shè)定溫度后流入纖維干燥器。氣體流量由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，并由轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。干燥器入口裝有溫、濕度傳感器、壓力傳感器和氣流速度傳感器。干燥器出口也安裝有溫、濕度傳感器、壓力傳感器和氣流速度傳感器，用以測(cè)量干燥器內(nèi)的空氣狀況。傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到干燥實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試點(diǎn)的溫度、壓力、濕度。

圖1 干燥實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Scheme of drying experimental unit

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

粘膠纖維由鄭州紡織機(jī)械有限公司提供;在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)物料進(jìn)行預(yù)處理。纖維大小由干燥器尺寸確定。

影響纖維干燥的因素設(shè)定:纖維厚度(H)分別為90 mm和150 mm;纖維層初始含水率(S)用蒸餾水配制，采用BL200S型電子天平測(cè)定物料質(zhì)量，分別配制S為90% 和170%;熱風(fēng)風(fēng)速(V)由調(diào)節(jié)閥控制，分別為 1.2，1.6 m/s，熱風(fēng)溫度(T)分別是100，120℃。實(shí)驗(yàn)過程采用不同的T和V，對(duì)干燥器內(nèi)的不同S和H的纖維進(jìn)行干燥測(cè)試，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。

2 纖維干燥動(dòng)力學(xué)模型

為了更好的研究粘膠短纖維的干燥特性，需要選取和建立一個(gè)更適合的干燥動(dòng)力學(xué)模型。粘膠短纖維的干燥曲線近似為指數(shù)函數(shù)，考慮到干燥方程的復(fù)雜性和準(zhǔn)確度，選取了兩種在目前使用較多的干燥動(dòng)力學(xué)模型即單指數(shù)方程和三參數(shù)Logaritmic 指數(shù)方程［6］。

單指數(shù)模型:

Logaritmic模型:

式中:M為纖維含水率;t為干燥時(shí)間;R，A，B，C均為待定系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，選取的影響因素為T，H，V以及S。模型中的影響因子為T，V以及H。而采用的Logaritmic模型中有3個(gè)待定的系數(shù)A，B，C，那么這3個(gè)待定系數(shù)就是上面3個(gè)影響因素的函數(shù)。R表示纖維層的含水率參數(shù)，取值為0～1，可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。為了使方程能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化，考慮到在實(shí)驗(yàn)中纖維主要影響因子是T及V，可以得到以下方程式:

式中:a～a5，b～b5，c～c5均為待定系數(shù)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，可計(jì)算各個(gè)系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 T對(duì)纖維干燥特性的影響

在其他條件一定時(shí)，分別選用T為100℃和120℃對(duì)纖維層進(jìn)行干燥。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，選取兩個(gè)模型的R為0.972。根據(jù)公式(3)～(5)分別計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)，并由公式(1)和(2)計(jì)算出兩個(gè)模型的纖維干燥曲線即纖維M與t的關(guān)系。

從圖2可知，隨著T的提高，熱風(fēng)傳遞給纖維層的熱量也越多，纖維干燥速率也隨之加快。通過兩個(gè)干燥模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):T為100℃時(shí)，干燥時(shí)間為150～300 s的干燥階段，以及T為120℃時(shí)，干燥時(shí)間為150～250 s的干燥階段，兩個(gè)模型描述結(jié)果都不能完全接近實(shí)驗(yàn)曲線。但從整體來看兩個(gè)模型計(jì)算的曲線都能反映實(shí)驗(yàn)過程，尤其在干燥時(shí)間為0～150 s的干燥曲線。但比較兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果，三參數(shù)Logaritmic模型比單指數(shù)模型能更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 不同T時(shí)纖維干燥特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果Fig.2 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different T

3.2 S對(duì)纖維干燥特性的影響

在其他條件一定時(shí)，分別選用S為90%和170%來對(duì)比其干燥特性的變化。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合，兩個(gè)干燥模型的R分別相應(yīng)調(diào)整為0.930和0.997，同樣，可計(jì)算得到兩個(gè)模型的纖維干燥曲線。

從圖3的模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:S越高，其干燥速率越慢;對(duì)于S為170%的纖維干燥曲線，兩個(gè)模型計(jì)算曲線基本重合，而且這個(gè)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好;對(duì)于S為90%的纖維干燥曲線(圖3a)，在干燥時(shí)間達(dá)200 s以后，三參數(shù)Logaritmic模型計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)曲線。

圖3 不同S時(shí)纖維干燥特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果比較Fig.3 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different S

3.3 H對(duì)纖維干燥特性的影響

在其他條件一定時(shí)，分別選用H為90 mm和150 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，通過調(diào)整計(jì)算擬合得到兩個(gè)干燥模型的R為0.972，同樣可計(jì)算得到兩個(gè)模型的纖維干燥曲線。從圖4可以看到:在不同H實(shí)驗(yàn)條件下，兩個(gè)干燥動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相近，兩個(gè)模型計(jì)算的纖維干燥曲線與實(shí)驗(yàn)曲線幾乎重合，并且兩個(gè)模型都能很好地描述實(shí)驗(yàn)過程;但對(duì)H為150 mm的干燥曲線，三參數(shù)Logaritmic模型的計(jì)算結(jié)果在整個(gè)曲線更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這也說明三參數(shù)的Logaritmic模型能更好地描述纖維的干燥特性。

圖4 不同H時(shí)纖維干燥特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果Fig.4 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different H

3.4 V對(duì)纖維干燥特性的影響

在其他條件一定時(shí)，選用V分別為1.2 m/s和1.6 m/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)條件，計(jì)算擬合得到兩個(gè)模型的R為0.972。從圖5可以看出:兩個(gè)模型對(duì)不同V時(shí)纖維干燥曲線的描述都有誤差;V為1.2 m/s時(shí)，三參數(shù)Logaritmic模型計(jì)算結(jié)果在干燥時(shí)間為200 s之前與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，而單指數(shù)模型計(jì)算的曲線在干燥時(shí)間達(dá)300 s之后與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近;熱風(fēng)風(fēng)速1.6 m/s時(shí)，兩個(gè)模型在干燥時(shí)間小于200 s的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，而干燥時(shí)間大于200 s，三參數(shù)Logaritmic模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近。

圖5 不同V時(shí)纖維干燥特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果Fig.5 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different V

通過實(shí)驗(yàn)和理論模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，三參數(shù)的Logaritmic模型精度明顯高于單指數(shù)模型，因?yàn)長(zhǎng)ogaritmic模型相對(duì)于單指數(shù)模型多考慮了一個(gè)參數(shù)，所以Logaritmic模型能更好研究和預(yù)測(cè)粘膠短纖維的干燥特性。

4 結(jié)論

a.干燥過程中，T，H，V，S對(duì)粘膠短纖維的干燥特性都有著重要的影響。粘膠短纖維的干燥特性曲線近似為一指數(shù)函數(shù)。

b.選用了兩參數(shù)的單指數(shù)模型和三參數(shù)的Logaritmic模型對(duì)纖維的干燥特性進(jìn)行了分析，在干燥時(shí)間為150～300 s的階段，兩個(gè)模型描述結(jié)果都不能很好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于不同S和H條件下，兩個(gè)干燥模型的計(jì)算結(jié)果都非常相近;對(duì)于不同T和V時(shí)，兩個(gè)模型對(duì)纖維干燥曲線的描述都有誤差，三參數(shù)的Logaritmic模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近。因此，三參數(shù)的Logaritmic模型能更好分析粘膠短纖維的干燥特性。

［1］ 陳志華.紡織行業(yè)的低碳經(jīng)濟(jì)路徑［J］.南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，10(2):69 －72.

［2］ 張軍，常佳，魏新利，等.短纖維鏈板式松弛定型機(jī)流暢研究［J］.合成纖維工業(yè)，2010，33(5):55 －58.

［3］ 李慧，張軍，常佳，等.短纖維鏈板式松弛熱定型機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬［J］.合成纖維工業(yè)，2012，35(1):67－71.

［4］ 張軍，李慧，簡(jiǎn)士釗.粘膠短纖維干燥特性的影響因素研究［J］.合成纖維工業(yè)，2013，36(5):13 －16.

［5］ 張軍，魏新利，簡(jiǎn)士釗，等.纖維干燥實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置:中國(guó)，201010287743.3［P］.2012 －05 －30.

［6］ Mathioulakis E，Karathanos V T，Belessiotis V G.Simulation of air movement in a dryer by computational fluid dynamics:Application for the drying of fruits［J］.J Food Eng，1998，36(2):183－200.