粘胶短纤维的干燥特性及其动力学模型研究.docx

粘胶短纤维的干燥特性及其动力学模型研究 王瑞利1 ，李慧1 ，张军2*( 1 黄河科技学院工学院，河南 郑州 450006; 2 郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)摘 要: 分析了热风温度、纤维层厚度、热 风 速 度、纤维层含水率等工艺参 数 对 粘 胶 短 纤 维 干 燥 过 程 的 影响，在此基础上，建立了粘胶短纤维的干燥动力学模型，应用单指数干燥模型和 Logaritmic 干燥模型对比研 究了纤维的干燥特性。结果表明: 单指数干燥模型和 Logaritmic 干燥模型都能很好地描述热风温度、纤维层 厚度、纤维层含水率对其干燥速率的影响; 在计算热风温度以及热风速度对纤维干燥的影响时，两个干燥模 型计算结果与实验结果略有偏差; 相比单指数模型，Logaritmic 干燥模型的计算结果和实验结果吻合较好，能 更好地分析粘胶短纤维的干燥规律，对粘胶短纤维干燥特性的工程应用提供理论依据。关键词: 粘胶短纤维 干燥特性 动力学模型 干燥速率中图分类号: TQ341 + 1; TQ340 652文献标识码: A文章编号: 1001-0041( 2014) 06-0056-04粘胶纤维作为一种常见而又重要的化工原材料，在工业生产和日常生活中得到广泛的使用。 粘胶纤维的干燥过程耗能较大，为了提高经济效 益，生产环节绿色环保，对粘胶纤维的干燥过程进行理论和实验研究具有重大的意义1。在前期研究中，对粘胶短纤维链板式 松 弛 热 定型机内部流场进行了数值模拟，得到了其流场 速度和压力分布规律，结合现场测试结果，提出对其匀风板的改进方案，并进行了验证2 3; 通过粘 胶纤维干燥特性实验，分别测定了热风温度、纤维层厚度、热风风速、纤维层含水率等工艺参数对其 干燥过程的 影 响4。国内外研究人员对其他不 同类型的 纤 维 和干燥形式进行了实验和理论研 究，进一步研究粘胶短纤维干燥影响因素，尤其增 加对粘胶短纤维热风干燥过程动力学理论分析， 从而更好地提高其干燥效率，降低干燥成本是十 分必要的。作者在前期粘胶短纤维干燥特性的实验研究基础上，应用单指数干燥模型和三参数 Logaritmic 干燥模型，对粘胶短纤维的热风干燥特性进行了 理论研究; 对实验数据进行回归分析，得到了粘胶 短纤维的干燥动力学模型参数，进而得出粘胶短纤维的热风干燥理论计算曲线; 并对模型的计算结果与实验结果进行比较，得到更适合分析粘胶 短纤维干燥规律的理论模型。设计了一种结构简单、测试方便的粘胶纤维干燥实验 装 置，此实验装置已申请了国家发明专 利5。从图 1 可知，该实验装置由空气压缩机、电 加热炉、纤维干燥器组成。空气由压缩机输送，进 入加热炉被加热到设定温度后流入纤维干燥器。 气体流量由调节阀调节，并由转子流量计进行计 量。干燥器入口装有温、湿度传感器、压力传感器 和气流速度传感器。干燥器出口也安装有温、湿 度传感器、压力传感器和气流速度传感器，用以测 量干燥器内的空气状况。传感器通过数据线连接 到计算机中进行数据处理，可以得到干燥实验过 程中测试点的温度、压力、湿度。图 1 干燥实验装置示意Fig 1 Scheme of drying experimental unit1压缩机; 2流量调节阀; 3转子流量计; 4加热炉;5三通阀; 6干燥室; 7纤维层; 8数据采集显示器收稿日期: 2014-05-22; 修改稿收到日期: 2014-09-22。作者简介: 王瑞利 ( 1979) ，女，讲 师，从 事 机 械 设 计 制 造 及与能源开发及节能研究。E-mail: 63876193 qq com。 基金项目: 郑州市科技攻关项目( 20130789) 。 通讯联系人。E-mail: zhang_jun zzu edu cn。11 1纤维干燥实验干燥实验装置为了真实地反应粘胶纤维的干燥过 程，自 行*第 6 期王瑞利等 粘胶短纤维的干燥特性及其动力学模型研究571 2实验方法粘胶纤维由郑州纺织机械有限公司 提 供; 在 进行实验前，首先对物料进行预处理。纤维大小 由干燥器尺寸确定。影响纤维干燥的因素设定: 纤维厚度( H ) 分120 对 纤 维 层 进 行 干 燥。通过对实验结果拟 合，选取两个模型的 为 0 972。根据公式( 3)( 5) 分别计算出相应的参数，并由公式( 1 ) 和( 2 )计算出两个模型的纤维干燥曲线即纤维 M 与 t 的 关系。从图 2 可知，随着 T 的提高，热风传递给纤维 层的热量也越多，纤维干燥速率也随之加快。通 过两个干燥模型计算结果发现: T 为 100 时，干 燥时间为 150 300 s 的干燥阶段，以及 T 为 120 时，干 燥 时 间 为 150 250 s 的 干 燥 阶 段，两 个 模型描述结果都不能完全接近实验曲线。但从整 体来看两个模型计算的曲线都能反映实验过程， 尤其在干燥 时 间 为 0 150 s 的 干 燥 曲 线。但 比 较两个模型计算结果，三 参 数 Logaritmic 模 型 比 单指数模型能更接近实验结果。别为 90 mm 和 150 mm; 纤维层初始含水率 (S )用蒸馏水 配 制，采 用 BL200S 型电子天平测定物 料质量，分 别 配 制 S 为 90% 和 170% ; 热 风 风 速 ( V ) 由调节阀控制，分别为 1 2，1 6 m / s，热风温 度( T ) 分别是 100 ，120 。实验过程采用不同 的 T 和 V ，对干燥器内的不同 S 和 H 的纤维进行 干燥测试，每组实验重复 5 次。纤维干燥动力学模型为了更好的研究粘胶短纤维的干燥 特 性，需 要选取和建立一个更适合的干燥动力学模型。粘 胶短纤维的干燥曲线近似为指数函数，考虑到干 燥方程的复杂性和准确度，选取了两种在目前使 用较多的干燥动力学模型即单指数方程和三参数 Logaritmic 指数方程6。单指数模型:2M = Aexp( Bt)Logaritmic 模型:M = Aexp( Bt) + C 式中: M 为纤维含水率; t 为干燥时间; 均为待定系数。( 1)( 2)，A，B，C实验过程中，选取的影响因素为 T ，H ，V 以及 S 。模型中的影响因子为 T ，V 以及 H 。而采 用的 Logaritmic 模 型 中 有 3 个 待 定 的 系 数 A，B， C ，那么这 3 个待定系数就是上面 3 个 影 响 因 素 的函数。 表示纤维层的含水率参数，取值为 0 1，可通过实验数据拟合得到。为了使方程能够进 一步简化，考虑到在实验中纤维主要影响因子是 T 及 V ，可以得到以下方程式:22( 3)( 4) ( 5)A = a + a1 T + a2 T + a2 V + a3 TV + a4 T + a5 V22B = b + b1 T + b2 T + b2 V + b3 TV + b4 T + b5 V22C = c + c1 T + c2 T + c2 V + c3 TV + c4 T + c5 V图 2 不同 T 时纤维干燥特性的实验数据与模型计算结果Fig 2 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different TV 为 2 0 m / s，S 为 120% ，H 为 120 mm。实验数据; 单指数模型; Logaritmic 模型式中:a a5 ，b b5 ，c c5 均为待定系数。对实验得出的数据采用最小二乘法进行回归分析，可计算各个系数。3结果与讨论3 1T 对纤维干燥特性的影响在其他条件一定时，分别选用 T 为 100 和3 2S 对纤维干燥特性的影响在其 他 条 件 一 定 时，分 别 选 用 S 为 90% 和58合 成 纤维 工 业2014 年第 37 卷170% 来对比其干燥特性的变化。通 过 对 实 验 结果的 拟 合，两个干燥模型的 分 别 相 应 调 整 为0 930和 0 997，同 样，可 计算得到两个模型的纤 维干燥曲线。的纤维干燥曲线与实验曲线几乎重合，并且两个模型都能很好地描述实验过程; 但对 H 为 150 mm 的干 燥 曲 线，三 参 数 Logaritmic 模 型 的 计 算 结 果 在整个曲线更接近实验结果，这也说明三参数的 Logaritmic 模型能更好地描述纤维的干燥特性。从图 3 的模型计算结果和实验结 果 表 明:S越高，其干燥速率越慢; 对于 S 为 170% 的纤维干燥曲线，两个模型计算曲线基本重合，而且这个过 程与实验结果吻合较好; 对于 S 为 90% 的纤维干燥曲线( 图 3a) ，在干燥时间达 200 s 以后，三参数Logaritmic 模型计算结果更接近实验曲线。图 4 不同 H 时纤维干燥特性的实验数据与模型计算结果Fig 4 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different HT 为 120 ，V 为 2 0 m / s，S 为 120% 。实验数据; 单指数模型; Logaritmic 模型图 3 不同 S 时纤维干燥特性的实验数据与模型计算结果比较Fig 3 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different ST 为 120 ，V 为 2 0 m / s，H 为 120 mm。实验数据; 单指数模型; Logaritmic 模型3 4V 对纤维干燥特性的影响在其他 条 件 一 定 时，选 用 V 分 别 为 1 2 m / s 和 1 6 m / s 进行实验。根据此实验条件，计 算 拟 合得到 两 个 模 型 的 为 0 972。从 图 5 可 以 看 出: 两个模型对不同 V 时纤维干燥曲线的描述都 有误差; V 为 1 2 m / s 时，三参数 Logaritmic 模型 计算结果在干燥时间为 200 s 之前与实验结果接 近，而单指数模型计算的曲线在干燥时间达 300 s 之后与实验结果接近; 热风风速 1 6 m / s 时，两个 模型在干燥时间小于 200 s 的计算结果与实验结 果接近，而干燥时间大于 200 s，三参数 Logaritmic 模型计算结果与实验结果更接近。3 3 H 对纤维干燥特性的影响在其他条件一定时，分别选用 H 为 90 mm 和150 mm 进行实验。根据实验条件，通过调整计算 拟合得到两个 干 燥 模 型 的 为 0 972，同 样 可 计 算得到两个模型的纤维干燥曲线。从图 4 可以看 到: 在不同 H 实 验 条 件 下，两个干燥动力学模型 的计算结果与实验结果非常相近，两个模型计算第 6 期王瑞利等 粘胶短纤维的干燥特性及其动力学模型研究59研究和预测粘胶短纤维的干燥特性。4结论a干燥过程中，T ，H ，V ，S 对粘胶短纤维的干燥特性都有着重要的影响。粘胶短纤维的干燥特性曲线近似为一指数函数。b选用了两参数的单指数模型和三参数的 Logaritmic 模型对纤维的干燥特性进行了分析，在干燥时间为 150 300 s 的阶段，两个模型描述结 果都不能很好地反映实验结果。对于不同 S 和 H 条件下，两个干燥模型的计算结果都非常相近; 对 于不同 T 和 V 时，两个模型对纤维干燥曲线的描 述都 有 误 差，三 参 数 的 Logaritmic 模 型 计 算 结 果 与实验 结 果 更 接 近。 因 此，三 参 数 的 Logaritmic 模型能更好分析粘胶短纤维的干燥特性。参 考 文 献1 陈志华 纺织行业的低碳经济路径J 南通纺织 职 业 技 术 学院学报，2010，10( 2) : 69 722张军，常佳，魏新利，等 短纤维链板式松弛定型机流畅研究J 合成纤维工业，2010，33( 5) : 55 58 李慧，张军，常佳，等 短纤维链板式松弛热定型机 内 部 流 场测试及数值模拟J 合 成 纤 维 工 业，2012，35 ( 1 ) : 67 71张军，李慧，简士钊 粘胶短纤维干燥特性的影响因素研究 J 合成纤维工业，2013，36( 5) : 13 16张军，魏 新 利，简 士 钊，等 纤 维 干 燥实验测试装置: 中 国，201010287743 3P 2012 05 30Mathioulakis E，Karathanos V T，Belessiotis V G Simulation of air movement in a dryer by computational fluid dynamics: Ap- plication for the drying of fruitsJ J Food Eng，1998，36( 2) : 183 2003图 5 不同 V 时纤维干燥特性的实验数据与模型计算结果Fig 5 Experimental data and model calculation result on fiber drying behavior at different VT 为 120 ，H 为 120 mm，S 为 120% 。实验数据; 单指数模型; Logaritmic 模型45通过 实 验 和理论模型计算结果对比分析可 知，三 参 数 的 Logaritmic 模型精度明显高 于 单 指 数模 型，因 为 Logaritmic 模型相对于单指 数 模 型 多考 虑 了 一 个 参 数 ，所 以 Logaritmic 模 型 能 更 好6Kinetic modeling study on drying behavior of viscose staple fiberWang uili1 ，Li Hui1 ，Zhang Jun2( 1 Engineering Institute，Huanghe Science and Technology College，Zhengzhou 450006;2 Institute of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001)Abstract: The effects of process parameters，such as hot air temperature，fiber layer thickness，hot air speed，moisture content of fiber layer，on the drying process of viscose staple fiber were analyzed Hence，the kinetic model for the drying process of vis-cose staple fiber was established The drying behavior of viscose staple fiber was comparatively studied by single index dryingmodel and Logaritmic drying model The results showed that the effects of the hot air tem