Глава 3.2 Хлопчатобумажные сукна

С понижением влажности бумаги возрастает роль пере­носа массы в виде пара. В этом случае кинетика процесса в значительной степени зависит от скорости фазового перехода, которая определяется, во-первых, температурой бумаги, а зна­чит, и условиями теплопередачи на границе контакта сукно — бумага, и во-вторых, от скорости, с которой образующийся пар отводится из зоны контакта.

Теплопередача от сукна к бумаге происходит путем тепло­проводности через места фактического контакта сукна и бу­маги п через парогазовую прослойку между ними, т. е. при прочих равных условиях опять-таки определяется структурно-механическими свойствами контактирующих поверхностей.

где Q — количество тепла, передаваемого от сукна к бумаге   че­рез места фактического  контакта и   через   парогазовую   про­слойку- номинальная   площадь контакта- средний   температурный    напор   в   зонеконтакта.
Нетрудно показать, что

где— термические сопротивления теплопередачи со-

ответственно через  парогазовую  прослойку и места фактиче­ского контакта сукна и бумаги.

Увеличивая давление сукон на бумагу и подбирая сукна с лучшей  структурно-механической  характеристикой,  можно увеличить площадь   фактического   контакта   материалов F% и, как видно из формулы (7), уменьшить  термическое  сопро­тивление системы.

Пар, образующийся при сушке бумаги между сукнами, не может конденсироваться в сукнах, имеющих более высокую температуру, и, как показали опыты[1], не проходит через сукно в окружающую среду. В то же время простыми расче­тами установлено, что в порах сукна может разместиться не более 10—15% влаги. Следовательно, сукна, обладая разви­той поверхностью, сорбируют пар. При более высоких сорб-ционных свойствах волокон сукна по отношению к парогазо­вой смеси, естественно, большее количество массы поглотится материалом в единицу времени.

Нами проведено экспериментальное исследование по вы­явлению некоторых закономерностей тепло- и дяассопереноса при сушке бумаги, находящейся в контакте с нагретыми мате­риалами, характеризующимися различными структурно-меха­ническими и физико-химическими свойствами.

Опыты проводились с фильтровальной бумагой, широко­пористой, с начальной влажностьюВ ка­честве контактирующих с бумагой материаловбыли испыта­ны широко применяемые в настоящее время в промышлен­ности типы технических сукон: хлопчатобумажное сушильное сукно с весом у= 1780 г/м², шерстяное сукно у= 1480 г/ж³, хлоп­чатобумажная, льняная и шерстяная ткани, сшитые в несколь­ко слоев, а также сухая фильтровальная бумага. Образец бумаги сушился между двумя сукнами или тка­нями в течение 10—60 сек под равномерно приложенной на­грузкой Р = 0,03 кг/см², которая оставалась постоянной во всех опытах. Количество влаги, перешедшей в сукно в жидком виде, определялось известным методом красок [13] с помощью универсального фотометра ФМ-56. Аналогично понятию о критерии фазового перехода sj при внутреннем переносе влаги в телах соотношение между коли­чеством влаги, переносимой в виде жидкости и пара при кон­такте бумаги с сукнами, можно характеризовать с помощью внешнего критерия фазового перехода е_е:

где - количество влаги, переходящее из бумаги в сукна соответственно в виде пара и жидкости.

Если 8е=1, то перенос влаги из бумаги в сукна происхо­дит только в виде пара, если е_е=0, то только за счет капил­лярного впитывания. В соответствии с выражением (8) опре­делялся внешний критерий фазового перехода е_е по результа­там экспериментов.

В опытах с шерстяными сукнами и тканями е_е оказался равным единице, иначе говоря, перенос влаги из бумаги про­исходил в паровой фазе. Последнее можно объяснить на основе теории поверхностных явлений и сил. По своему хими­ческому строению, характеризуемому наличием полярных групп СООН, NH₂, CO в молекуле, высокой гигроскопичности, способности к набуханию в воде, шерстяные волокна отно­сятся к типичным гидрофильным коллоидам. Однако по смачиваемости их поверхности неполярными жидкостями и несмачиваемости водой они должны быть отнесены к типич­ным гидрофобным поверхностям. Указанное аномальное по­ведение волокон шерсти (волоса) было отмечено и объяснено Пчелиным [6].

На рис. 1 в виде диаграммы представлены значения внеш­него критерия фазового перехода в_е для различного типа ма­териалов.

Более низкая впитываемость хлопчатобумажных сукон по сравнению с хлопчатобумажной тканью объясняется сущест­венно различной   структурой   рассматриваемых   материалов.

Хлопчатобумажные сукна изготовляются трехслойными из грубых крученых нитей, которые плотно прижимаются друг к другу, имеют неровную поверхность, резкие перегибы нитей основы. Вследствие этого они имеют меньшую площадь фак­тического контакта F^ с бумагой, чем в случае контакта с хлопчатобумажной тканью.

Минимальный внешний критерий фазового перехода в про­веденных опытах имела фильтровальная бумага, обладающая высокой впитывающей способностью. С понижением влаж­ности возрастает роль механизма переноса влаги в виде пара (рис. 1, д, е).

Тип контактирующего с бумагой материала при прочих равных условиях определяет интенсивность процесса массо-обмена. На рис. 2 представлена зависимость величины напря­жения контактной поверхности бумаги по влаге М от началь­ной температуры контактирующих с ней материалов. Как видно из рис. 2, при повышении температуры материала в случае жидкостного механизма переноса (сушка между ли­стами фильтровальной бумаги) от 50 до 130 °С общий влаго-съем увеличивается лишь на 25.%. В то же время при сушке между шерстяными сукнами (перенос влаги в виде пара) интенсивность процесса при тех же условиях увеличивается почти в три раза. Более низкие значения М в случае исполь­зования хлопчатобумажных сукон по сравнению с шерстя­ными   объясняются   более   высоким   значением   контактного термического сопротивлениямежду соприкасающимися по­верхностями сукна и бумаги из-за меньшей поверхности фак­тического контактаматериалов на единице расчетной пло­щади. При температуре контактирующих с бумагой материалов, 

интенсивность процесса при сушке   между листами фильтровальной бумаги намного выше, чем в случае контакт­ного взаимодействия бумаги с сукнами (преобладает перенос в виде пара), что наглядно видно из рис. 3.

На рис. 3 представлены типичные кривые сушки при кон­такте бумаги с сухими листами фильтровальной бумаги и шерстяными сукнами и при прочих равных условиях. Как видно из рисунка, запри   переносе   влаги в виде жидкости удаляется «из бумаги столько воды, сколько испа­ряется запри контакте с шерстяными сукнами. Следовательно,с точки зрения рациональности осущест­вления метода контактной сушки бумаги между сукнами целесообразно организовать процесс таким образом, чтобы на первой стадии удаления свободной влаги были созданы условия для эффективной работы механизма капиллярного впитывания путем взаимодействия бумаги с соответствующим типом сукон, обладающим по своим структурно-механическим характеристикам высокой впитывающей способностью. На второй стадии сушки при удалении в основном влаги гигро­скопического состояния (влага микрокапилляров, осмотиче­ская влага, адсорбционная) следует применять более высо­кие температуры нагрева материалов с тем,, чтобы обеспечить преобладание механизма переноса влаги в виде пара. При этом указанные материалы должны также обладать высокой сорбционной способностью и паропроницаемостью.