周明星, 孟 婥, 孫以澤
(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)
在紡織工業(yè)中,混紡比一定程度上代表了紡織品的質(zhì)量,是重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。由于化學(xué)方法的穩(wěn)定性和通用性,定量化學(xué)分析是混紡纖維定量檢測(cè)應(yīng)用最廣泛的一種方法。根據(jù)GB/T 2910.1—2009《紡織品 定量化學(xué)分析 第1部分:試驗(yàn)通則》,混紡纖維中的1種組分由化學(xué)試劑溶解,通過(guò)計(jì)算殘留不溶組分得到各部分的比例。稱量前,不溶組分通過(guò)烘箱進(jìn)行烘干,溫度為(105±3)℃,時(shí)間不少于4 h。
熱風(fēng)烘干在干燥領(lǐng)域應(yīng)用已久,常見于食品行業(yè)[1-3]和紡織行業(yè)[4-6],例如,使用熱風(fēng)烘干獼猴桃,發(fā)現(xiàn)指數(shù)烘干模型和無(wú)線平面薄板模型都符合烘干過(guò)程[7]。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)通過(guò)熱動(dòng)力學(xué)分析,獲得了熱風(fēng)烘干羊毛纖維卷筒的最優(yōu)操作條件[8];也有研究粘膠纖維卷筒烘干模型,并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[9]。傳統(tǒng)的電熱鼓風(fēng)烘干溫度控制不夠精確,本文擬采用遠(yuǎn)紅外烘箱進(jìn)行替代,通過(guò)對(duì)纖維烘干特性研究,以求提高干燥效率并應(yīng)用于混紡纖維自動(dòng)定量檢測(cè)系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)電熱烘箱干燥相比,遠(yuǎn)紅外烘箱干燥雖然都依賴干燥溫度和熱風(fēng)循環(huán)對(duì)織物進(jìn)行烘干,但前者采用的遠(yuǎn)紅外加熱管加熱速度快,且烘箱溫度控制更優(yōu),對(duì)烘干效率有一定的改善。文獻(xiàn)[10]研究了薄荷葉在熱風(fēng)烘干和遠(yuǎn)紅外烘干下的效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外烘干可獲得更好的效果且能量消耗更少。文獻(xiàn)[11]通過(guò)研究洋蔥片遠(yuǎn)紅外烘干特性發(fā)現(xiàn),水分含量影響擴(kuò)散效率,而且更高的輻射強(qiáng)度和溫度有助于提高烘干效率。
本文首先通過(guò)試驗(yàn)方法研究毛/腈綸混紡纖維在遠(yuǎn)紅外烘箱中的干燥過(guò)程特性,探討不同的烘干條件對(duì)纖維烘干過(guò)程的影響。然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立烘干過(guò)程含水率變化的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)混紡纖維烘干試驗(yàn)討論和模型分析,為提高纖維烘干效率提供參考。
試驗(yàn)所用材料由上海毛麻研究所提供,為送檢的混紡織物標(biāo)準(zhǔn)樣品,烘干試驗(yàn)時(shí)的織物形態(tài)和盛放容器與傳統(tǒng)手工方法保持一致。
本文試驗(yàn)使用的設(shè)備主要包括:HW-450AS型遠(yuǎn)紅外烘箱,最高烘干溫度為300 ℃,控溫靈敏度為±1 ℃;烘箱,其內(nèi)部有多個(gè)高度可供選擇放置樣品;砂芯坩堝,容量為30 mL;BAS124S-CW型電子天平,最大量程為120 g,精度為0.1 mg。
試驗(yàn)時(shí),將待烘干纖維放置于砂芯坩堝中,因此不同的樣品干基質(zhì)量會(huì)影響水分的蒸發(fā)速度。遠(yuǎn)紅外烘箱的加熱板位于烘箱底部,纖維離加熱板的遠(yuǎn)近決定了纖維受到的熱輻射能量,對(duì)烘干效率有一定的影響。烘干溫度對(duì)纖維干燥效果的影響最直接,是重要的考慮因素之一。
根據(jù)上述3種因素設(shè)計(jì)了混紡纖維3因素3水平二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),其因素水平表如表1所示。
1)取樣。將毛麻研究所提供的混紡織物剪切成所需質(zhì)量大小的片狀樣品,然后拆分成紗線并放置于砂芯坩堝中。
2)測(cè)定干基質(zhì)量。將含有紗線的砂芯坩堝放置于烘箱中烘干特定時(shí)間,然后轉(zhuǎn)移到干燥皿中冷卻并用電子天平稱量,計(jì)算得到混紡纖維干基質(zhì)量。
表1 遠(yuǎn)紅外烘箱干燥試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factor and level settings of far-infrared oven drying
3)濕樣制備。將砂芯坩堝中的樣品放置于水中浸泡0.5 h,待充分浸潤(rùn)后通過(guò)微調(diào)得到固定的初始含水率。
4)樣品烘干。根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)定初始條件,將調(diào)整后的含水樣品放入遠(yuǎn)紅外烘箱干燥。
每組試驗(yàn)同時(shí)準(zhǔn)備多份樣品進(jìn)行烘干,當(dāng)烘干到特定時(shí)刻后快速拿出樣品進(jìn)行稱量,并求取平均值。
干基含水率是用來(lái)表征纖維含水量的一個(gè)重要指標(biāo),定義為纖維的實(shí)際含水量與干基質(zhì)量的比值。計(jì)算公式如下:
式中:M為干基含水率;m濕為纖維含有水分時(shí)的質(zhì)量,g;m干為纖維烘至質(zhì)量恒定的質(zhì)量,g。
干基含水率反映纖維的含水量,為體現(xiàn)纖維含水率隨時(shí)間的變化情況,定義纖維烘干速率如下:
式中:v為[t1,t2]時(shí)間段內(nèi)的纖維平均烘干速率;Mt2為t2時(shí)刻的纖維干基含水率;Mt1為t1時(shí)刻的纖維干基含水率。
2.2.1樣品干基質(zhì)量
為分別討論3個(gè)因素對(duì)紡織纖維烘干特性的影響,根據(jù)表1讓其中一種因素變動(dòng)并固定另外2種因素在水平0處。首先分析樣品干基質(zhì)量對(duì)混紡纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥過(guò)程的影響,結(jié)果如圖1所示。
圖1 樣品不同干基質(zhì)量時(shí)的纖維干燥過(guò)程Fig.1 Drying process of blends with different dry basis mass. (a) Change of dry basis moisture content with time; (b) Drying rate with change of time;(c) Change of drying rate with dry basis moisture content
由圖1(a)可知,在烘干開始階段含水率下降較慢,表明初始烘干速率相對(duì)較小。當(dāng)含水率下降到600%左右時(shí),下降速率變快,存在明顯的加速烘干過(guò)程。當(dāng)干基含水率繼續(xù)下降到300%左右,烘干速率再次趨于緩慢。由圖1(b)可知,混紡纖維遠(yuǎn)紅外烘干存在不同的速率階段,分別為加速階段、快速烘干和緩慢減速階段。圖1(c)表明,當(dāng)干基含水率一致時(shí),烘干速率隨干基質(zhì)量差異明顯。
2.2.2烘干距離
遠(yuǎn)紅外烘箱是通過(guò)加熱空氣來(lái)烘干纖維,當(dāng)將烘箱內(nèi)部看作溫度場(chǎng)時(shí)其溫度分布是不均勻的,因此,距離烘箱下部遠(yuǎn)紅外加熱元件距離不同,纖維受到的烘干效果有差異。圖2示出不同烘干距離下的纖維干燥特性曲線。
圖2 不同烘干距離時(shí)的纖維干燥過(guò)程Fig.2 Drying process of blends with different drying distances. (a) Change of dry basis moisture content with time;(b) Change of drying rate with time; (c) Change of drying rate with dry basis moisture content
由圖2(a)可知,3種烘干距離所需的烘干時(shí)間最大相差15 min左右,且干基含水率隨時(shí)間變化差異不大。需要特別注意的是,烘干距離處于中間位置即240 mm處時(shí),獲得的烘干效果最好。這是因?yàn)殡x遠(yuǎn)紅外發(fā)熱元件越近,則水汽越靠近烘箱底部,從而通過(guò)烘箱頂部排風(fēng)口排出越困難;相反,離遠(yuǎn)紅外發(fā)熱元件越遠(yuǎn),則纖維受到輻射的實(shí)際溫度降低,同樣不能獲得最好的烘干效果。
通過(guò)圖2(b)可知,混紡纖維的烘干仍然存在加速、快速烘干和緩慢減速過(guò)程。圖2(c)表明,當(dāng)含水率一致時(shí),烘干距離對(duì)干燥速率的影響變?nèi)酰黠@小于單樣品干基質(zhì)量對(duì)烘干速率的影響。
2.2.3烘干溫度
烘干溫度決定了混紡纖維能夠受到的熱輻射能量多少,對(duì)水分蒸發(fā)速率起關(guān)鍵作用。圖3示出不同烘干溫度的纖維干燥特性曲線。
圖3 不同烘干溫度下的纖維干燥過(guò)程Fig.3 Drying process of blends at different drying temperatures. (a) Change of dry basis moisture content with time;(b) Change of drying rate with time; (c) Change of drying rate with dry basis moisture content
由圖3(a)可知,不同烘干溫度所需的最終烘干時(shí)間差異明顯,最大相差30 min。圖3(b)、(c)表明,不管是隨時(shí)間還是干基含水率變化,不同溫度下的烘干速率差異顯著。從圖3可看出,烘干溫度對(duì)烘干過(guò)程的影響是3種因素中最大的。
此外,烘干溫度為105 ℃和115 ℃之間的差異小于95 ℃和105 ℃之間的差異,說(shuō)明低溫對(duì)烘干速率的降低程度更為明顯。盡管115 ℃烘干溫度可一定程度縮短纖維的烘干時(shí)間,但考慮到能源的消耗增大, 105 ℃可看成是最優(yōu)的纖維干燥溫度。
通過(guò)上述單因素分析,可得到混紡纖維烘干受各因素的影響情況。為進(jìn)一步研究各因素之間的關(guān)系以及對(duì)纖維烘干的整體影響,需要進(jìn)行烘干過(guò)程模型擬合和驗(yàn)證分析。
3.1.1常見烘干模型
纖維烘干過(guò)程是復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)傳熱過(guò)程,工業(yè)烘干過(guò)程的控制常以經(jīng)驗(yàn)為主,盲目性較大,因此,烘干過(guò)程的數(shù)學(xué)模型模擬和分析越來(lái)越受到重視。本文研究涉及的混紡纖維烘干過(guò)程適用于薄層干燥,現(xiàn)選取幾種常見的干燥模型分析如下。
單項(xiàng)擴(kuò)散模型[12]:
MR=Ae-kt
二次多項(xiàng)式模型[13]:
MR=a+bt+ct2
Page 模型[14]:
MR=e-ktn
式中:MR=(Mt-Me)/(M0-Me),為任意時(shí)刻與初始狀態(tài)的水分比;t為烘干時(shí)間,min;A、k、a、b、c、n為待定系數(shù);Mt為t時(shí)刻物料干基含水率,%;M0為物料初始干基含水率,%;Me為物料平衡干基含水率,%。為便于計(jì)算,通常將MR簡(jiǎn)化為MR=Mt/M0,即將物料平衡時(shí)的含水率當(dāng)作零。
3.1.2二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)
表2示出3因素3水平二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到的纖維烘干結(jié)果,將表中數(shù)據(jù)代入上述3種干燥模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,得出最適合的混紡纖維干燥模型。由于不同烘干條件所需的烘干時(shí)間不同,表2所示是以烘干35 min后的剩余干基含水率為目標(biāo)值。
3.1.3烘干模型擬合
將表2中的3種影響因素作為自變量,將剩余干基含水率作為因變量,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行回歸擬合,結(jié)果如表3所示。可知,3種模型在0.05的置信水平下極為顯著,說(shuō)明都可用來(lái)模擬纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥過(guò)程。同時(shí),Page模型的R2均值最高,說(shuō)明該模型擬合程度最好,因此,選用Page模型作為纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥動(dòng)力學(xué)方程。
將Page模型線性化,得到如下形式。
ln[ln(1/MR)]=lnk+nlnt
Page模型中的待定系數(shù)k和n取決于3個(gè)試驗(yàn)因素,即樣品干基質(zhì)量、烘干距離和烘干溫度??紤]3個(gè)因素獨(dú)立的一次作用、二次作用及兩兩因素相關(guān)作用,將參數(shù)k和n分別用三元二次多項(xiàng)式擬合,得到如下回歸方程。
表2 遠(yuǎn)紅外烘干二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of quadratic orthogonal rotation experiment
表3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Significance test of different fitting equations
式中:X1為纖維干基質(zhì)量,g;X2為遠(yuǎn)紅外輻射距離,mm;X3為烘箱溫度,℃。
根據(jù)上述烘干模型,可預(yù)判給定條件下紡織纖維在砂芯坩堝中的烘干過(guò)程。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,假定初始含水率為900%,纖維樣品干基質(zhì)量為0.65 g,遠(yuǎn)紅外輻射距離為240 mm,烘干溫度為105 ℃。將試驗(yàn)參數(shù)代入模型,得到Mt=900e-0.002 1t2.014 7,與試驗(yàn)得到的烘干數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。
圖4 紡織纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥理論與試驗(yàn)對(duì)比Fig.4 Comparison between Page model and experimental results
圖4中曲線為理論干基含水率隨時(shí)間的變化情況,點(diǎn)狀數(shù)據(jù)為通過(guò)試驗(yàn)得到的固定時(shí)刻的纖維干基含水率。由圖可知,理論模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近,證明模型應(yīng)用得當(dāng)。為客觀分析2組數(shù)據(jù),表4示出試驗(yàn)值與理論數(shù)據(jù)的誤差情況。
表4 理論值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差Tab.4 Error between model and experimental data
表4中絕對(duì)誤差代表理論值與試驗(yàn)得到的纖維含水率差值,其中絕對(duì)誤差最大為28%,最小為4%。因?yàn)楹娓汕捌诶w維含水率較高,存在絕對(duì)誤差較大的可能,而烘干后期纖維含水率低且趨于穩(wěn)定,絕對(duì)誤差逐漸降低;此外由表4可知,相對(duì)誤差最大為10.96%,最小為0.58%。因?yàn)橄鄬?duì)誤差為絕對(duì)誤差除以此刻的纖維含水率,纖維含水率的遞減性導(dǎo)致相對(duì)誤差與絕對(duì)誤差的變化趨勢(shì)不一致。上述試驗(yàn)結(jié)果和誤差分析證明,Page模型適宜作為混紡纖維放置于砂芯坩堝進(jìn)行遠(yuǎn)紅外烘箱干燥的預(yù)測(cè)模型。
對(duì)于混紡纖維遠(yuǎn)紅外烘箱干燥試驗(yàn),烘干距離處于中間位置所需時(shí)間最短,且烘干溫度為105 ℃最合適。對(duì)于不同的樣品干基質(zhì)量,烘干時(shí)間差異較大。不管烘干條件如何,烘干試驗(yàn)存在明顯的升速、快速烘干過(guò)程和緩慢降速3個(gè)過(guò)程。通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)并對(duì)比3種常見的烘干模型,得到Page模型最適合于纖維遠(yuǎn)紅外烘干,并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到模型參數(shù)。將理論模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比并進(jìn)行誤差分析,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
此外,研究結(jié)果表明,采用遠(yuǎn)紅外烘箱干燥混紡纖維所需時(shí)間隨著試驗(yàn)條件不同而變化。對(duì)于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手工方法機(jī)械化的混紡纖維自動(dòng)定量化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng),本文研究對(duì)提高系統(tǒng)工作效率有積極的促進(jìn)作用。
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