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纸浆悬浮液的流动特性研究

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:在纸浆的流送过程中,合理的湍动对纤维分散、匀度改善和絮聚减少是有利的。湍动规模是指在湍动场中,发生速度波动的平均距离大小的量,即指湍动尺度大小。因此,在造纸机的纸料流送中,纸料应保持适度的湍动。

纸浆悬浮液的流动特性研究

1. 湍动的概念

当流体的雷诺数超过一定数值时,流体就处于湍动状态,这时管道内的每一个流体质点作不规则的、在速度大小和方向都发生变化的脉动,流体微团的这种不规则脉动就称为湍动。在纸浆的流送过程中,合理的湍动对纤维分散、匀度改善和絮聚减少是有利的。

2. 湍动的表示方法

湍动可用湍动规模和湍动强度来表示。湍动规模是指在湍动场中,发生速度波动的平均距离大小的量,即指湍动尺度大小。湍动强度指在湍动场中,发生速度变化的大小或湍动时产生剪切力的大小。

3. 湍动的类型

湍动在纸料流送过程中可分为3种流态:

①低强微度湍动 指湍动尺度小而湍动强度又低的一种湍流状态。这种湍流虽然是湍流尺度小(微湍度),但因湍动强度低,所产生的剪切力不足抗拒纤维之间内在强度,因而动平衡点在纤维絮聚物较多的地方,不能分散纤维网络,这种湍动在纸料输送过程中是不希望的。

②高强大湍动 这是一种湍动强度很高而湍动尺度也很大的湍流状态。其产生的剪切力不能作用于单根纤维上,因而也不能分散纤维网络,即不能破坏纤维的絮聚物,且消耗的能量高,这种湍动也是不希望出现的。

③高强微湍动 这是一种湍动强度很高而湍动尺度又很小的湍流状态。其产生的强大的剪切力可以作用于每根纤维上,从而破坏纤维絮聚物的内聚力,达到分散纤维的目的,这是纸料流送过程中所希望的一种湍动流态。

4. 湍动的特点(www.xing528.com)

湍动具有生存期很短的特点,通常用毫秒或几分之一毫秒表示。湍动还有两重性,湍动能分散纤维但又给纤维创造碰撞交缠的机会,一旦湍动衰减下来,纤维又将交缠成网络及絮聚团。因此,在造纸机的纸料流送中,纸料应保持适度的湍动。

1. 纤维絮聚的原因

现在普遍认为,纸料悬浮液的纤维絮聚是由于纤维与纤维之间相互发生碰撞产生机械交缠而连接起来的结果。一般纤维只要有三个交替与其他纤维接触的点,就能形成纤维絮聚物的基本构造,若絮聚进一步发展,就结合成纤维絮聚物,而当条件适合时,纤维絮聚物再相互作用,逐步形成连续的结构并稳定下来,成为一个具有弹性及强度等固体力学性质的纤维网络。它是纤维互相搭接、交叉而形成的稀疏的网状结构。纸料悬浮液中除纤维网络外,还有絮聚团,有些絮聚团还包含着粒子小于200目的微粒。絮聚团比纤维网络更坚固,分散时比分散纤维网络需要更大的剪切力。

2. 湍动和纤维絮聚的关系

当纸料的湍动强度较低时,纸料中絮聚物的纤维缠结强度足以阻碍湍动的作用,则湍动不能将絮聚物分散;当湍动的尺度很大时,絮聚物可完整地存在于大涡流之中,也不能分散絮聚物。也就是说,只有高强度微湍动能分散絮聚物。此外,有微湍流存在可使絮聚解散,当微湍流停止后,纤维会重新絮聚。因此,纸料的湍动与纤维絮聚存在一种平衡关系,必须采取措施控制这个平衡关系,让它向着有利于分散絮聚,而结构也趋于简单的方向发展,尽量做到增加湍流强度,降低湍流规模。

为了更好地分散纸料中的纤维絮聚物,从理论上看,湍动必须作用于每根纤维。为了满足这个要求,湍动的尺度必须小于或等于一个与纤维长度,如2mm以下,即所谓的“纤维尺度”的湍动。这种尺度的湍动,可由纸料通过一个与“纤维尺度”大致相同的流道来产生,但这么细的流道很容易被纤维堵塞,因而在生产实际中难以实现。

从布浆器直到网上形成湿纸,纸料都在流动,因此也就会有絮聚产生,要形成均匀的纸页,要求在流送过程中不断产生适当强度、小规模的湍流以分散絮聚物。要达到此目的,主要依靠流浆箱中的匀整装置,如匀浆辊、阶梯扩散器、飘片等,在流送过程中不断制造小规模、高强度的微湍流,以分散絮聚物。近年来发展的一些较先进的流浆箱,如高湍动流浆箱、集流式流浆箱、阶梯扩散器流浆箱等,其整流元件都能够使纸料产生高强微湍动,有利于纤维的分散。

纤维絮聚程度和所需时间与纸料浓度、纤维长度有关。一般随着纸料浓度增加,纤维长度增大,絮聚程度增强,絮聚所需时间缩短。车速600m/min时,对于含大量磨木浆短纤维的新闻纸浆来说,纤维重新絮聚所需时间与浆浓的关系如表 4-1所示。

表4-1 含大量磨木浆新闻纸浆纤维重新絮聚所需时间与浆浓的关系

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