楊 旭 陳克復(fù)

(1.輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州,310004;2.華南理工大學(xué),廣東廣州,510640)

流漿箱稀釋水調(diào)節(jié)原理及特點(diǎn)初探

楊 旭1,2陳克復(fù)2

(1.輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州,310004;2.華南理工大學(xué),廣東廣州,510640)

應(yīng)用柏努利方程的原理,通過設(shè)置一個(gè)新的變量即進(jìn)、出口流量比 x,使求解方程大大簡化,從而比較分析了稀釋水流漿箱橫幅定量差調(diào)節(jié)的原理、特點(diǎn)以及影響因素等,結(jié)果與實(shí)際情況完全符合。

橫幅定量差;雙因素方差分析;稀釋水調(diào)節(jié);柏努利方程

在流漿箱上加裝稀釋水調(diào)節(jié)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置可以顯著改善紙張的橫幅定量差,其核心技術(shù)是通過改變局部漿料濃度而實(shí)現(xiàn)紙張橫幅定量差的調(diào)節(jié),這項(xiàng)技術(shù)在國外已得到了普遍應(yīng)用,目前國內(nèi)的應(yīng)用也在逐漸增多。雖然大部分是通過引進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的,但也有一些是通過國產(chǎn)化改造設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。通過這些改造實(shí)踐,不同程度地改善了紙張的橫幅定量差。隨著市場對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高,此技術(shù)必將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

稀釋水是如何調(diào)節(jié)濃度的?能調(diào)節(jié)到什么程度?受哪些因素的影響?把這些問題搞清楚,必將為更好地開發(fā)和應(yīng)用流漿箱稀釋水調(diào)節(jié)技術(shù)產(chǎn)生積極的影響。為了深入分析和解決這些問題,有必要首先分析紙張橫幅定量差產(chǎn)生的原因及判定分析方法[1]。

1 紙張橫幅定量差產(chǎn)生的原因及判定

在紙機(jī)流程和流漿箱設(shè)備上無論工作做得多么完善,紙張的橫幅定量總是會有波動的,這就是紙張橫幅定量差,如果將足夠大的一張紙比喻為海平面的話,其表面就跟海平面一樣,是波動不平的,無論在縱向還是橫向,每時(shí)每刻都在變化。紙張定量波動的原因主要有:

(1)縱向定量差是在紙機(jī)運(yùn)行方向上定量的變化,是與時(shí)間成一定規(guī)律性的波動變化。縱向定量差產(chǎn)生的原因主要有壓力脈動,濃度控制誤差及波動,白水或沖漿系統(tǒng)不穩(wěn)定等引起的變化,通過頻譜分析可以較準(zhǔn)確地分析出變化的頻率,從而確定引起的波動源。

(2)橫幅定量差是一種定量沿紙機(jī)橫向的變化,但其分布狀態(tài)并不隨時(shí)間變化而變化,換句話講,就是如果在橫向方向上某處的定量大了,那么它一直是大的,并不隨時(shí)間的變化而變化,這就是橫幅定量差。橫幅定量差一般由流漿箱中流道的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整 (如唇口裝置)產(chǎn)生的誤差及其變形而產(chǎn)生。比如布漿總管設(shè)計(jì)不合理可能產(chǎn)生橫幅定量差;管束、湍流發(fā)生器及唇口裝置的制造誤差和變形也都可能產(chǎn)生橫幅定量差。另外,成形、壓榨和干燥部也有可能對橫幅定量產(chǎn)生影響,如脫水不均勻和掉粉掉毛等。

(3)隨機(jī)定量差是一種隨時(shí)間、也隨坐標(biāo)位置變化的定量誤差,其變化是完全隨機(jī)的。產(chǎn)生隨機(jī)定量差的主要原因是漿料本身流態(tài)的不穩(wěn)定、流速波動(如大的橫流、擾流、渦旋等)和漿料中纖維分布的隨機(jī)波動等。

2 紙張橫幅定量差的分析

為了分析及控制紙張的定量差,也為了檢驗(yàn)流漿箱的性能,國際上通用的方法是采用雙因素方差分析[2-5]?？偡讲羁煞譃?3個(gè)組成部分:縱向方差,橫向方差,還有一項(xiàng)是時(shí)間和空間位置都不固定的、隨機(jī)性的定量波動,稱為隨機(jī)方差或剩余方差?？偡讲?、縱向方差及橫向方差可以通過測量足夠量的樣本數(shù)據(jù)求出?？偡讲钍强v向方差、橫向方差和隨機(jī)方差的和,因此將總方差減去縱向方差和橫向方差可得到隨機(jī)方差,但是這樣求出的隨機(jī)方差可能包含了所有的誤差,故隨機(jī)方差也稱為剩余方差。方差分析和數(shù)據(jù)采集的規(guī)范方法詳見 TAPPI T545pm—1986[6]。按照此方法采集樣本和數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,方差分析結(jié)果見表1,在 95%置信度比較 F值,可判定縱向因素、橫向因素以及隨機(jī)因素對定量波動的影響,其中橫幅定量標(biāo)準(zhǔn)差與平均定量的比值,稱為定量變化系數(shù),可作為紙張橫幅定量差的主要指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上繪出如圖1所示的紙張橫幅定量最大值、最小值及平均值的分布作為參考。

圖1 紙張橫幅定量差分布圖

根據(jù)表1中的標(biāo)準(zhǔn)差,可計(jì)算出定量變化系數(shù)[7-8]。

式中,σcd為橫幅定量變化系數(shù),σmd為縱向定量變化系數(shù),σres為隨機(jī)定量變化系數(shù),平均定量。

3 稀釋水調(diào)節(jié)原理及特點(diǎn)

紙張的縱向定量差、橫幅定量差和隨機(jī)定量差都與流漿箱設(shè)計(jì)、制造、使用和調(diào)節(jié)關(guān)系很大,由于隨機(jī)誤差的隨機(jī)性,工業(yè)上沒有辦法調(diào)節(jié)隨機(jī)變量,但可以通過流體元件參數(shù)的設(shè)計(jì)來控制流態(tài)使其穩(wěn)定,減少波動,從而減少此項(xiàng)誤差,這就是高速水力式流漿箱流體元件設(shè)計(jì)的最基本要求之一。

對于紙張橫幅定量差,由于紙張的定量在橫幅方向上的變化是相對固定的,這樣就完全可以通過改變橫向上某處的流量或濃度來改變該點(diǎn)的濃度或纖維含量,從而達(dá)到調(diào)節(jié)此處定量的目的,這就是橫幅定量差的調(diào)節(jié)方法。傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)法就是通過改變局部流量來調(diào)節(jié),而稀釋水裝置則通過改變局部漿料濃度來調(diào)節(jié)該部分纖維的總流量。

表1 雙因素方差分析表

本課題主要分析稀釋水調(diào)節(jié)法的調(diào)節(jié)原理、影響因素及特點(diǎn)。

稀釋水調(diào)節(jié)原理模型的簡化圖見圖2所示。當(dāng)稀釋水加入漿料中時(shí),纖維濃度必然發(fā)生變化,但同時(shí)這樣會不會引起出口的總流量也發(fā)生變化?變化多大?如何變化?這些都值得探討。如果在流漿箱內(nèi)一處的流速或流量增大或減小,必然會引起橫流或大的渦旋,這對紙頁成形十分不利,必須盡量避免。故對稀釋水調(diào)節(jié)法來講,在調(diào)節(jié)濃度時(shí),應(yīng)盡量保持總流量不變或變化很小,那么,總流量和濃度是如何變化的呢?與哪些因素有關(guān)?

圖2 稀釋水調(diào)節(jié)原理圖

由圖2所示模型,根據(jù)能量守恒的柏努利方程,可得到式 (1)。

式中,∑h為阻力損失,ξ為阻力系數(shù),ρ為流體密度。

對流量不變的同一段管內(nèi)的流速不同的阻力損失計(jì)算都可通過某一流速來表達(dá),證明很簡單,此不詳述。

將式 (1)移項(xiàng),可得式 (2)～式 (4):

根據(jù)質(zhì)量守恒原理,可得到式 (5)和式 (6):

理論上來講,將式 (2)～式 (6)聯(lián)合求解,可求出各個(gè)流量和濃度,但其過程和解析表達(dá)式都很繁瑣,不利于分析問題,如果引入 x=Q1/Q3這個(gè)變量,將對分析此問題有很大的幫助,x變量就是一個(gè)進(jìn)、出口流量的比值,可反映漿料被稀釋的程度,x值增大,意味著稀釋水量減少,而 x值減小,意味著稀釋水量增大。顯而易見,其取值范圍為 0～1。

對式 (5)和式 (6)求解得到式 (7):

式中:

圖2中,由于 2～0段,即稀釋水加入段有調(diào)節(jié)閥,故其阻力系數(shù)是可變的,所以將式 (2)、式(4)相加并移項(xiàng),得到式 (8):

式中,F1,F2,F3分別為各流速段的面積。

則:

當(dāng) x值變化時(shí),由式 (7)可知,濃度是隨 x值成正比例增大或減小,但從式 (9)可知,當(dāng)壓差不變時(shí),總流量是隨 x值增大而減小的,而 k3比 k1大得越多,總流量的變化越小,但濃度的變化不受此因素影響。即當(dāng)稀釋水加入量發(fā)生變化時(shí),如加入量增加了,則 x值會減小,濃度會下降,但流量會增加。反之,則相反。這種情況下,僅根據(jù)濃度變化情況是無法判定定量是增加還是減少的,必須引入纖維流量這個(gè)參數(shù),將濃度和流量相乘就是纖維流量,這個(gè)參數(shù)直接決定了紙張定量的大小,將式 (9)與式 (7)相乘,得到的式 (10)就是纖維流量的計(jì)算式。對式 (10)求導(dǎo)數(shù),可以容易判定,在 x取值范圍內(nèi)(0～1),這個(gè)函數(shù)是增函數(shù),即隨著 x值增大或減小,函數(shù) (纖維流量)是增大或減小的,這與實(shí)踐中的認(rèn)識一致。

從式 (10)可以判斷出,當(dāng) k3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 k1時(shí),纖維流量幾乎是與 x成正比的。要達(dá)到 k3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

k1,就要求稀釋水加入口應(yīng)盡量靠近漿料入口處,或稀釋水加入后設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)流口。

4 結(jié) 論

4.1 隨著稀釋水加入量的增大,漿料的濃度下降,雖然總流量增大,但纖維流量還是減少的,故紙張定量降低,反之,則相反。所以,稀釋水調(diào)節(jié)的量不宜過大,否則可能引起橫流或大的渦旋,產(chǎn)生紙頁成形質(zhì)量下降等其他問題。這與實(shí)際應(yīng)用情況是符合的。

4.2 稀釋水加入?yún)^(qū)域的流體阻力系數(shù)分布對稀釋水加入性能的影響很大。稀釋水加入前后的阻力比越小,總流量的變化越小,但濃度的變化不受此因素影響。所以在設(shè)計(jì)時(shí),稀釋水加入口應(yīng)盡量靠近漿料入口處,或稀釋水加入后設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)流口,這與實(shí)際應(yīng)用情況也是符合的。

4.3 無論是稀釋水法調(diào)節(jié),還是機(jī)械法調(diào)節(jié),對紙張橫幅定量差的調(diào)節(jié)只能作用于橫幅標(biāo)準(zhǔn)差或定量變化系數(shù)這個(gè)參數(shù),而對隨機(jī)因素引起的定量誤差是不起作用的。通過方差分析如果發(fā)現(xiàn)剩余方差較大時(shí),應(yīng)考慮流漿箱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)問題。

4.4 稀釋水濃度越低,濃度調(diào)節(jié)的敏感性越高,如為清水,敏感性最大。但同時(shí),對稀釋水閥的穩(wěn)定性要求也越高,否則,稀釋水加入量的波動會引起濃度波動,反而不利于定量的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。實(shí)際生產(chǎn)中,都是采用濃白水來調(diào)節(jié)濃度的。

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Cross-machine BasisW eight Profile Variation and the Characters of D ilution Water Control

YANG Xu1,2,＊CHEN Ke-fu2
(1.Hangzhou Project&Research Institute of Electrom echanical in Light Industry;2.South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

The paper discusses the constitution,cause and analyzingmethod—two-factor variance analysis of basisweight variance.The key point is that based on Bernoulli equation,setting a new variable—xthat is the ratio of inlet and outlet flux to greatly simplify the solution of Bernoulli equation in order to compare and analyze the principle,characters and influence factors,etc of regulating cross basisweightprofile with dilution water control.The result exactlymeets practical situation.

cross-machine basisweight profile variation;two-factor variance analysis;dilution water controls;Bernoulli equation

TS734+.2

A

0254-508X(2010)05-0017-04

楊 旭先生,教授級高級工程師;主要研究方向:高速造紙機(jī)及特種造紙機(jī)。

(＊E-mail:bypyxy@sina.com)

2009-12-08(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)