应力条件下造纸毛毯渗透性测试在造纸过程中的应用

1、应力条件下造纸毛毯渗透性测试在造纸过程中的应用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（上海金熊造纸网毯有限公司 郑平 ）摘要：由于经济和技术的原因，压榨部需要有所改进。为了实现这个目标，一个途径就是优化压榨毛毯脱水效率。水流阻力越小，脱水效率越高。当水流速度较小时，水流

2、压力梯度和渗流速度呈线性关系，此时可以应用达西定律。为了研究毛毯渗透性能，搭建了两种实验装置。在不同的应力条件下对实验装置的性能进行评价，因为水流阻力对应力很敏感。该实验装置能够测试造纸毛毯厚度方向和任意平面方向的渗透性能，给出了不同造纸毛毯的实验结果。关键词：渗透性，造纸毛毯，测试，压榨在造纸过程中，脱水主要依靠三种方式：首先纸浆均匀的铺在成型网上，主要通过重力排水。其次是压榨部：湿纸页由造纸毛毯托持通过两个压辊，通过机械方式脱水。这样纸页的结构更加牢固。最后是烘干部，纸页通过加热辊脱水。烘干脱水与压榨脱水相比成本较高。因此，压榨效率越高，成本越低。由于纸机车速提高，压榨技术必须与之相适应，

3、需要优化。改善压榨部通常的解决方案是调整压区，例如：提高压区停留时间、线压力或者温度。此外提高造纸毛毯脱水能力也是很重要的。hello1证实了在常压运行条件下，湿纸页的干度与造纸毛毯的结构密切相关。本论文讨论后一种解决方案。目前关于多孔介质中的流体渗流阻力问题已有大量的研究，其中最有价值的工作是由达西完成的2。他发现对于在颗粒介质中缓慢渗流的流体，流体压力梯度与流动速度成正比。压力损失与公式（1）中的渗流粘度（单位面积上的流速）有关。（1）其中q是多孔介质中流体的渗流速度，p是流体压力损失, l是流动方向的样品长度，是流体粘度，k是所谓的渗透性。该特性是材料固有的。kozeny (1927)和

4、后来的carman 3研究表明雷诺数越小，达西定律适用的多孔介质的范围越广。他们将达西渗透率与材料的孔隙度（孔隙度是空隙体积与材料的表观体积之比）联系起来。scheidegger 4给出了各向异性多孔介质的张量形式的达西定律。 （2）黑体字表示一个向量或一个张量，v是渗流速度场，k是对称张量。等式（2）在下文数值模拟和试验中会用到。macklem 5, kershaw 6, chevallier 7研究了不同毛毯对流体渗流的阻力。结果表明p 和q之间有良好的线性关系。伴随着压榨技术的发展，造纸机车速逐渐提高。因此达西定律的有效性应进行确认：达西定律是建立在蠕流条件的假设基础上。压区的流动模式是

5、根据雷诺数的数量级来估计的，雷诺数表达式如下：（2）其中是体积模量，是动态粘度，pore是平均水压直径。vpore是孔隙中水流的平均速度。va是压区内通过水质量平衡估计得到的平均速度，是孔隙率，t是弯曲度，s是比表面积。假定毛毯纤维的截面形状是圆柱形，s等于4/d，此时d是毛毯纤维的平均直径。 毛毯内的水流速度va很难估计，因为造纸业中有很多不同的压榨技术。然而,chevallier7和decrosta8实验发现普通压榨毛毯内水流速度约为50mm/s，毛毯纤维的平均直径为50m9，毛毯的孔隙率在压区中间时约为0.3。因此压区水流的雷诺数可以通过方程（3）来估计，约为5。这表明流动模式为层流，达

6、西方程是有效的。1 实验装置1.1 横向渗透仪该装置（见图1）利用水流垂直通过毛毯平面的方式实现水流压力梯度，此时就可以测试毛毯的横向渗透性。此外为了实现在线测试压榨毛毯的渗透性，没有对毛毯平面进行密封，因此会出现侧边渗漏现象。利用防护区域对不受渗漏影响的水流进行测试（如通过边界条件）。渗透性的评价在实验结果部分进行解释。为了确定箱体的规格，利用matlab来解流体方程，边界条件为箱体的部分截面，见图2。假定流体为轴对称的，边界条件和压力场如图2所示。水平方向和垂直方向的渗透率之比为10。计算箱体直径和防护层面积是为了防止边界区域的等压力线受外界压力的影响。计算得到箱体直径为120mm，防护层

7、的直径为57mm。多孔板的渗透性poral 40约为30m2。型号为sensorex sx 8 mm 10的线性位置传感器测试范围为10mm，精确度为10m，可以对毛毯的厚度进行测试（见图1）。常压容器与压力计连接，压力恒为10pa。有了常压容器就能够获得最高压力1.5mhwc，最低压力20cmhwc（见图1），因此总压力为1.7mhwc。压力传感器测试施加载荷系统内部的空气压力，误差在5%以内，最高载荷为5mpa。水从与防护层连接的容器中流出来，测试水流的重量和时间就可以知道水流速度，测试精度约为5%。温度计用来测试水温，就可以估计水的粘度。1.2 平面渗透仪测试平面内渗透性使用平面渗透仪，

8、测试原理与横向渗透仪类似。测试过程和设备与横向渗透仪相同。然而，水流方向需要调整。多孔板用狭缝板代替。下面的板有放射状的狭缝。上面的板有两条狭缝，与下面的狭缝平行并对称。为了确定箱体的规格，通过水流方程计算压力场。防护区域大小30mm，离上面的狭缝板30mm。在水流防护区域，等压线与毛毯位置平行（见图3）。由于水流是平面的，而且横向流动，利用此实验装置测试得到的渗透性可以用横向测试值来校正。然而，校正通常被忽略。2 实验结果实验按照以下步骤来进行：首先，对实验装置进行校正。在放置样品之前先确认压力梯度与渗流速度之间的关系。图4是一个实例，说明了横向渗透试验中两者是线性关系。其次，测试渗透性之前

9、，对渗透仪箱体上的毛毯样品施加常压，测试毛毯应力。控制并测试流体压力下降程度，测试水流速度和温度。对这些数据能进行很好的线性拟合，见图4。渗透性测试可以通过标准曲线来校正。利用此装置对几种毛毯进行了测试，毛毯参数列于表1。所有试样测试前都未经过压缩。不可压缩厚度定义为孔隙率为零时毛毯样品的厚度。表 1 毛毯主要参数毛毯克重(g/m2)不受压力时的厚度(mm)不可压缩厚度(mm)a16404.231.43b15303.881.34c15503.881.36对毛毯样品a进行四次横向渗透性实验。一号实验箱体横向无渗漏（可拆卸薄膜将箱体密封，见图1）。二号实验中有渗漏。对毛毯样品a进行重复实验，验证实

10、验的可重复性（一号实验重复两次，二号实验重复两次）。一号横向渗透性实验和二号横向渗透性实验对比（见图5）发现实验结果与孔隙率小于45%的渗透性非常接近。对于实验重复性，实验结果的离散可能是试验样品不同造成的，全部是从压榨毛毯上裁剪的样品。三号实验是将两个a样品重叠在一起进行横向渗透性实验。将一号实验的两次重复实验和三号实验进行对比发现，结果相近。这更加证明了渗透性是毛毯固有的性能。 对样品b和c进行横向渗透性实验。实验结果对比见图7。样品a的渗透性比样品b和c差，样品b和样品c的渗透性接近。 对样品a进行两次平面内渗透性实验。在纵向（六号实验）和横向（七号实验）分别对样品进行渗透性测试。样品a

11、平面内渗透性测试结果（见图7）可以确定表示渗透性张量的等压线趋势。样品a平面内渗透性和厚度方向渗透性（一号实验两次重复试验）实验结果对比表明平面内渗透性约为厚度方向渗透性的三倍。3 结论为了优化压榨部，应该选用合适的毛毯。通常，可以根据未受应变时毛毯的横向渗透性来选择。文中所描述的实验装置可以测试不同应变下毛毯任意方向上的渗透性。因此，需要研究毛毯在应变状态下的渗透性张量的变化。此外，为了优化造纸机压榨部提高脱水效率也需要考虑渗透性张量。致谢本研究是在格勒诺布尔的造纸过程实验室完成的，并受欧洲joule iiird项目的资助，在此一并表示感谢。 参考文献1 helle, t. and fors

12、eth, t., 1994. in tappi 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

13、beds, pp 150 - 166. 4 scheidegger, 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(n°8): 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 àl'optimisation des feutres de presses humides de papeteries, institut national polytechnique de grenoble, grenoble. 8 decrosta, e. f. and plaisted,