Глава 3.1 О Механизме массообмена при контактной сушке бумаги в системе из трёх тел

В работе [1] предложен новый способ контактной сушки бу­маги, заключающийся в том, что роль теплообменных поверх­ностей выполняют нагретые сукна, которые с помощью облег­ченных полых металлических цилиндров прижимаются с двух сторон к влажному материалу и отбирают из него влагу. Для нагрева сукон и испарения влаги из них используются горячие газы, продуваемые с высокой скоростью в изолированных ко­ридорах сукносушильной зоны.

Процесс массообмена при контакте влажной бумаги с сук­нами, исходя из общих представлений теории тепло- и массо­обмена, определяется разностью  потенциалов  массопереносасукон и бумаги.

Количество влаги, перешедшей из бумаги в сукна, имея в виду изменение массы любого тела, можно выразить как [2] 

Значения потенциалов переноса контактирующих тел G, обусловленные их физико-химическими и структурно-механи­ческими свойствами, определяют интегральный поток перено­симой массы. В то же время для выяснения оптимальных ус­ловий масеообмена в рассматриваемом случае необходима дифференцированная оценка механизма процесса сушки.

В настоящее время установлено, что применительно к обычной контактной сушке бумаги в сушильной части бума­годелательной машины (система двух контактирующих тел) примерно 60—80% воды удаляется за тот период, когда бу­мага соприкасается с сукном [1, 7].

особенности с точки зрения воздействия на кинетику массо­переноса.

В работах [1, 3, 8] отмечается, что при некоторых условиях сукно может поглощать влагу из бумаги в жидком виде.

Таким образом, до сих пор не выявлена роль составляю­щих механизма перехода влаги из бумаги в сукно, а имею­щиеся сведения о соотношении между количествами влаги, переходящей в виде жидкости и пара, противоречивы [8].

Нами сделана попытка проанализировать и эксперимен­тально подтвердить некоторые закономерности механизма массообмена в системе бумага — сукна.

На границе контакта влажная бумага—сухое сукно возни­кает ряд сложных явлений, обусловленных действием поверх­ностных сил. Влага из бумаги может переходить в сукна в виде жидкости и пара. С позиций теории поверхностных явле­ний и сил для того чтобы влага на границе контакта могла перемещаться в жидком виде в сукна, последние должны обладать значительно большей удельной свободной поверх­ностной энергией, чем остальные составляющие системы.

В общем случае энергетическое состояние связанной массы в контактирующей системе бумага — сукно можно характери­зовать с помощью термодинамического потенциала — свобод­ной энергии F

(2)

где s₁ - энтропия поверхности; f - площадь поверхности; T - температура системы;— свободная  энергия единицы поверхности при постоянной 

температуре или так на­зываемое поверхностное натяжение.

Как видно из формулы (2), процесс при изотермических условиях в системе бумага — сукно возможен лишь в том случае, если ее составляющие обладают различной 0.

Косвенной характеристикой величины свободной энергии твердого тела на границе с жидкостью, является его смачи­ваемость данной жидкостью. Условие, при котором жидкость смачивает твердое тело, выражается формулой (3)

где - поверхностное натяжение соответственно

на границе газ — твердое тело, твердое тело — жидкость и жидкость — газ.

Мерой смачиваемости тела, как известно, является краевой уголкоторый образует жидкость с поверхностью твердого тела. Таким образом, по   смачиваемости   поверхности   сукна . водой можно судить о характере переноса массы из бумаги в сукна.

Исходя из теории капиллярных явлений, жидкость в капил­ляре перемещается поддействием капиллярного давления 

где r- радиус капилляра.

Из уравнения Пуазейля

после подстановки Р_к вместо АР можно получить выражение для объема жидкости V, перемещающейся в капилляре за вре­мя т,

где- вязкость; - разность   давлений на участке   капилля­ра длиной

В ткани сукна содержатся капилляры различной величины и формы. Понятно, что капилляры ткани — система смежных и сообщающихся каналов разной формы сечения. В работе [11] показано, что нет принципиального отличия в характере ка­пиллярного всасывания в одиночные цилиндрические капил­ляры и в модели пористых тел. Последнее позволяет предпо­ложить, что механизм переноса влаги в капиллярно пористых телах определяется теми же закономерностями, что и для одиночного цилиндрического капилляра.

В этом случае, как видно из уравнения (5), количество впитываемой сукнами воды при прочих равных условиях за­висит от структурной характеристики сукна и величины крае­вого угла

Равным образом интенсивность процесса зависит от скорости, с которой жидкость транспортируется к поверх­ности бумаги, т. е. от структуры бумажного полотна.

Повышение температуры системы бумага — сукно увели­чивает скорость массопереноса в основном за счет уменьше­ния вязкости влаги. При изменении температурного уровня системы и прочих равных условиях количество впитываемой сукнами воды является функцией

Иначе говоря, в случае    жидкостного    механизма    переноса   в   контактирующей , системе температурный уровень процесса не является опреде­ляющим.

Напрашивается вывод о серьезном влиянии на эффектив­ность процесса структурно-механических и физико-химиче­ских характеристик сукон, которым в связи с затронутым вопросом до сих пор не уделялось должного внимания.