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2019年03月27日 09:11:24来源:浆纸技术作者:江小雷关键词:智能造纸机械
    浆料的输送是造纸生产中很重要的一个环节。
    浆料既不同于水流也不同于固液两相流体,它是由纤维—水—空气同时存在的三相混合体。一般来说,造纸车间的浆料浓度较低(<7%),按照浆料浓度的划分,属于低浓浆料。正是因为浆料中含有纤维使其不同于水,因此,浆料的浓度、纤维的特性等决定了浆料的流动特性。和水流相比,其流动机理更为复杂,因而浆料的流体特性对于这一个过程中的每一个操作单元,以至造纸机的抄造性能和纸张的性质,都有重大的影响。因而,熟悉浆料的流动特性,合理的设计浆料输送,对设计和使用造纸过程的工艺和设备具有重要的意义。
    浆料的流动特性
    一般来说,流体在管道中的流动状态可以分成两种类型:滞流和湍流。影响流体流动状态的因素除流体的流速(u)外,还有流体流经的管道直径(d)、流体的密度(ρ)和粘度(µ),这些影响因素可以用流体的雷诺数(Re=udρ/µ)来表示。实验表明,当Re≤2000时,流体的流动类型为滞流;当Re≥4000时,流体的流动类型为湍流;当Re在2000-4000这个范围内时,流体的流动类型可能是滞流,也可能是湍流。在外界的干扰下,如管道管径的改变和方向的变化、外来的轻微振动,都易促成湍流的发生。雷诺数的大小反映了流体流动的湍动程度,雷诺数越大,流体内部介质之间的碰撞或混合越剧烈,湍动的程度就越大,内摩擦也越大,流体的流动损失也就越大。
    浆料具有不同于水的特性,其流动机理更为复杂,影响因素也很多。随着浆料种类、浓度、流动速度、打浆度、温度及纤维形态等的变化,浆料的流动特性也随之变化。
    实验表明,浆料的浓度在临界浓度0.05%以下时,每根纤维有足够的运动区间,纤维之间的相互作用很小,其流动状态与水流相似。当浆料浓度超过临界浓度时,随着浆料浓度的提高,纤维相互碰撞并相互交织的机会也增加了,在流速较低时,容易形成纤维网络,浓度越高,由纤维絮聚交织形成的网络越稳定。但浓度在0.6%以下时,难以形成稳定纤维网络,流速稍有增加,所产生的剪切力就足以使纤维网络分散。
    随着浓度的增加和流速的不同,浆料的流动状态和水的差别也越来越大,只用层流和湍流的概念不能准确地描述。很多文献中将浆料的流动分为:塞流、混流和湍流三种基本流动状态。当浆料的浓度超过临界浓度时,浆料中的纤维相互碰撞的机会增多,已不能自由地移动。在流速较低时,流动产生的剪切力不足以破坏纤维网络,致使纤维相互交织成一个网状塞体。在塞体靠近管壁处存在着细小纤维和水混合的自由边界层叫做水环流。在水环流中,水介质中的纤维极少,可以近似的认为是一薄层环状水膜。纤维之间没有相互运动,整个网络像塞子一样向前滑移,这种流动状态称为塞流,如图(a)所示。随着流速的增加,管壁剪切力的提高将破坏网络塞体的稳定性,使网络塞体表面的纤维逐渐分散而进入水环流,水环厚度增加,一直到整个网络分散,完全进入湍流为止,这个流动区间类似于水流的过度流,称为混流,也就是塞流和湍流同时存在,如图(b)所示。流速提高到一定值后,纤维网络就会全部分散,进入完全的湍流状态,如图(c)所示。

    图浆料的三种流动状态(a.塞流;b.混流;c.湍流)
    不同的浆料,其塞流、混流、湍流三种流动类型所对应的流速范围是不同的。对同一种浆料,在一定的流动条件下(如温度、打浆度等),其流动类型范围是一定的。浓度是决定三种流动类型转变速度的重要因素,浓度越高,流态转变所需要的流速值就越大。浆料的浓度既是纤维网络形成的基本条件,又是纤维网络强度的基本标志。纤维网络具有一定的剪切强度,有抵抗被分散压缩的能力,也就是具有一定的固体性能。浓度越高,纤维网络的稳定性就越好,抵抗变形和分散的能力就越大。网络强度还受到纤维刚度、柔韧度、纤维长度等因素的影响。一般来说,纤维越长,越柔韧,刚度越好,所形成网络的强度就越大,反之就越小。纤维絮聚交织成的网络除了浓度和速度有较明显的影响外,浆料的种类和特性、化学品的添加也会造成一定的影响。打浆度高的浆料就比打浆度低的浆料不易絮聚,含长纤维的浆料就比纤维较短的浆料容易絮聚。有实验证明,温度对纤维网络强度的影响不大。
    在造纸车间的生产中,根据工艺的要求很多地方都要使用浆料的湍流输送,如浆料在进入筛选、净化设备前保持湍动,能达到更好的筛选、净化效果。
    浆料的流动处于湍流状态时,浆料中的纤维产生不规则的脉动,纤维得到充分的分散。浆料是否处于湍流状态,可用达菲公式判别:
    U=1.8C1.4
    式中:U—浆料在管道中达到湍流时的临界速度,m/s;C—浆料的浓度,%。
    浆料在管道中的流速超过临界速度U时,浆料的流动就处于湍流状态,流速越高,湍动强度也越高。在湍流区,由于具有较高的剪切力,纤维呈分散状态,纤维分散的程度称为纤维分散指数,与浆料的浓度和速度有关。浆料的浓度越高,要使浆料中的纤维达到同样的分散程度,所需要的速度也越高;而浆料在同一浓度下,速度越高,分散的程度越好。
    提高浆料的流速可以提高湍动的程度,但是却反映不出浆料的湍动尺寸。由于大尺寸湍动能包容纤维絮聚团,使之不受剪切力作用,纤维不能被很好的分散。在网部成型时,纤维絮聚团会造成纸页不均匀。因此,对流浆箱中上网之前的浆料要采用高强微湍动的流态。高强微湍流是造纸中造纸机流送部的浆料所希望具有的流态,即浆料具有高强度和小尺寸的湍动。高强度指湍动有足够的能量来分散浆料中的纤维絮聚团,小尺寸指湍动的尺度大致相当于浆料中纤维的平均长度,因而湍动剪切力可作用于每根纤维,使纤维充分分散。
    较先进的流浆箱在匀浆、整流过程中使浆料产生高强微湍流,这个过程非常短暂,因此在浆料进入流浆箱之前必须保证浆料有较高的速度和一定的湍动程度。由于管壁的粗糙程度、浆料流动方向的改变及管道的震动会对浆料的湍动造成影响,为减少这些外因素的影响,上浆管道采用内抛光管并尽量减少弯头或采用小角度弯头,管道使用支架固定后用水泥囤墩。
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