Summary
ここでは、ファブリック内部の初期水分の均一な分布を保証し、熱気熱力学的パラメータ(速度、温度、方向)と生地の乾燥に対する厚さの影響を調査するプロトコルです。空気障害の条件下での特性(例えば、温度変化)。
Abstract
乾燥を妨げるのは、高い熱と質量移動係数による生地乾燥のための広く使用され、効果的な方法です。生地乾燥に関する以前の研究は、乾燥プロセスへの水分均一性と拡散係数の寄与を無視してきました。しかし、彼らは最近、乾燥特性に大きな影響を与えることが示されています。このレポートでは、その面積の水分分布の均一性を制御することにより、空気衝突パラメータが生地の乾燥特性に及ぼす影響を調べるためのステップバイステップの手順を概説します。角度調節可能なノズルを装備した熱風送風ユニットは、乾燥プロセスが記録され、赤外線サーモグラフを使用して分析されている間、異なる速度と温度で空気の流れを生成するために使用されます。さらに、均一なパッドダーは生地の湿気の均一性を保障するために合わせられる。空気の流量、速度、方向を変化させ、異なる初期条件下で乾燥を妨げ、プロトコルの適用性と適合性を評価します。
Introduction
衝突乾燥は、高熱、質量移動係数、短い乾燥時間に起因する非常に効果的な乾燥方法です。化学産業、食品1、繊維、染色2、製紙3、4など、数多くの用途で大きな注目を集めています。現在、インピング乾燥は、特に熱設定プロセス5における繊維の乾燥のために、その強化された輸送特性のために広く使用されています。
ファブリックは、熱設定のためのノズルアレイによって乾燥を妨げている。ノズルレイアウトは、生地の特性、乾燥効率、および生地表面に直接大きな影響を与える乾燥温度の均一性に影響を与えます。したがって、より良いノズルアレイを設計するために、繊維表面上の温度分布を理解する必要があります。これまで、生地乾燥工程の熱・水分伝達性能に関する研究は数多く行われてきましたが、この分野での調査はほとんどありませんでした。いくつかの研究は、主に特定の熱源の下で繊維の自然な蒸発に焦点を当てています, その中で、衝突乾燥プロセスは、これらの研究に関与していない 6,7.いくつかは熱風乾燥と繊維の熱と水分の移動に焦点を当てていますが、繊維の水分と温度は、これらの研究8、9、10、11で均一であると仮定しました。さらに、これらの研究のいくつかは、乾燥を妨げ下の繊維の熱および水分移動を研究するための時間と温度分布変動を得ることを試みた。
Etemogluらは、生地の時間と全乾燥時間に伴う温度変化を得るための実験的なセットアップを開発したが、このセットアップは単一点温度測定に限定される。生地中の初期水分含有量分布も、この種の研究では無視されます。Wang et al.12は、繊維表面に様々な点で熱電対を貼り付けて織物の温度分布を得ることを目的としていたが、その方法では表面温度分布を正確に得ることができなかった。湿度分布も含む生地の空気衝突領域で温度分布を得ることは、工業用印刷や染色の生産にとって重要であり、物体の分布・配置戦略に関するより良いガイダンスを提供します。マルチノズル13で乾燥。以下の手順では、衝突乾燥プロセス中の生地の熱および水分移動を調製するための詳細を提供します。初期の水分含有量は均等に分布するように十分に制御され、生地のあらゆる点の表面温度は実験セットアップを介して得られます。
実験セットアップは熱い空気送風装置、赤外線サーモグラフの単位、均一なパッドシステムおよび他の補助装置から成っている。熱風送風装置は実験の条件に従って調節可能な方向の指定された温度および速度の熱気を供給する。赤外線サーモグラフユニットは、各衝突乾燥プロセスの温度履歴を記録します。したがって、記録されたビデオの各ピクセルポイントの温度は、サポート後処理ツールを使用して抽出することができます。均一なパッドシステムは生地のあらゆる点の水分含有量の均等な配分を制御する。最後に、生地水分均一制御法を用いた生地乾燥特性に対する空気衝突パラメータの影響を調べている。このプロセスは、以下に説明する標準プロトコルに従って再現可能な方法で行うことができる。
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Protocol
1. 実験的なリグのセットアップ
注:図 1を参照してください。
- ホットエアブロワユニット
- 熱風送風器がアスベスト材料で断熱されている高温耐性シリコーンパイプラインを介して空気ノズルに接続されていることを確認します。空気ノズルを望ましい傾斜角に徐々に調整し、空気の流れの方向を制御します。この研究では、傾斜角αは、60°と90°の間で変化した。
- エアブロワファンと抵抗線をオンにします。
注: ファンと抵抗線をオンにする順序を逆にすることはできません。 - 空気ブロワのコントローラーで抵抗線を通して電流を徐々に調整して熱風送風の出口温度を設定し、デジタル温度センサを使用して空気の流量を測定します。この作業では、熱い空気温度Tは、70°Cと130°Cの間で変化した。
- 室温(RT)でハンドヘルド多機能風速計を使用して、エアノズルの出口での空気流速度を測定します。この作品では、熱気速度、V a、8-20 m/sの間で変化した。空気速度を正確に測定するには、プローブが気流の方向に垂直である必要があります。
- 周波数コンバータでエアブロワファンの回転速度を徐々に調整し、所望の気流速度を得ます。人やデバイスへの熱損傷を避けるために熱流を分散させるために、高い熱抵抗ボードで空気ノズルをカバーします。
- 赤外線サーモグラフユニット
- 赤外線サーモグラフを約1mの距離でエアノズルの真上にあるサポートフレームに固定します。赤外線サーモグラフをネットケーブルを使用してコンピュータに接続します。赤外線サーモグラフの電源を入れ、コンピュータ上の赤外線サーモグラフの動作ソフトウェアを開きます。コンピュータによってIPアドレスが赤外線サーモグラフに自動的に割り当てられ、物体温度を赤外線サーモグラフでリアルタイムに読み取ることができるように、イーサネットとして接続モードを選択します。
- 標準の生地サンプルを針板器具でエアノズル上に固定し、エアノズルとサンプル間の距離を所望の値に調整します。この作業では、ノズルの直径の 3 倍である 30 mm が使用されます。
- カメラのフォーカスを調整し、コンピュータを介して基本的なパラメータを設定します。「パラメータ」ダイアログボックスを開き、温度単位を°Cに設定し、熱放射を0.95に設定し、周囲相対湿度を50%に設定し、周囲温度を25°Cに設定し、測定対象物とカメラ間の距離を1.5mに設定します。これにより、測定温度が正しいことを保証します。
- テスト済みのファブリック サンプルが作成されると、標準のファブリック サンプルと同じ場所に固定し、コンピュータをビデオとして使用してファブリックの温度を記録します。
- ユニフォームパダーシステム
- 均一なパダーがパイプラインを通して空気圧縮機に接続されていることを確認します。エアコンプレッサーの電源を入れ、最大出力圧力を0.8 MPaに設定します。
- 手動で圧力調整を調整して、パダーの上部ローラーに接続されているクランプシリンダのカップルに空気圧を制御し、生地の残留水分を制御できるようにします。ローラーの両側の圧力が等しく、各領域に分散した生地の水分含有量が均等であることを確認します。
- パダーの電源は、ローラーが自由に回転できることを確認し、均一なパダーの上部ローラーに十分な吸湿を持つ飽和生地サンプルを入れて、テストされた生地がローラーカップルと水分を通して絞ることができるようにします。生地内の分布は均一に制御することができる。
- パダーの電源を切る。
- 重量および厚さの測定単位
- 水平方向のプラットフォームに電子スケールを配置し、それを引き付けます。標本が正確に重み付けできるように、キャリブレーションのバランスに標準ウェイトを配置します。
- 幅と長さがそれぞれ 10 cm と 31 cm の長方形の生地サンプルを切り取ります。厚さ試験装置の電源を入れ(材料の表を参照)、コンピュータに接続します。これらのファブリック サンプルを FTT のテスト プラットフォームに配置します。FTTの操作ソフトウェアを開き、操作インタフェースの「開始」をクリックし、FTTによってファブリックの厚さを自動的にテストし、操作インタフェースに記録します。
- 乾燥ストーブユニット
- 乾燥ストーブの電源を入れ、乾燥室にサンプルがないことを確認します。ストーブの内壁に吸収された水分を蒸発させるために、乾燥ストーブを高温(本紙では120°C使用)に30分間設定します。
- 乾燥ストーブを所望の温度(本作では45°C使用)に予熱し、ストーブを直接生地サンプルの乾燥に使用できるようにします。
2. 試験試料と製造工程
- はさみと試験標本の製造のための三角形の定規(生地の面積= 6.25 × 104 mm2)で長方形の生地サンプルに使用されるのと同じ生地から250 mm x 250 mmの正方形の生地を切り取ります。生地の試料を乾燥ストーブに入れ、環境から吸収された常駐水分を蒸発させ、正味重量を得ることができます。
- 乾燥ストーブから生地標本を1個取り出し、その後、電子バランスでサンプルの初期重量W0を測定します。
- 生地サンプルを5分間水に浸し、生地が飽和するまで水分を吸収します。飽和生地サンプルを均一なパダーの上部ローラーにタイル化し、初期の水分含有量も所望の得ることができます。
- パッドに電源を入れ、圧力レギュレータで初期圧力を設定します。タイル張りのサンプルがローラーカップルを通過すると、パダーの電源を切り、パダーからサンプルを取り除きます。
- 電子バランスを使用してサンプルの湿った生地サンプルW1の重量を測定します。生地の残留水分はC = (W1-W0)/W0として計算でき、生地中の面積平均水分含有量はWa = (W 1-W0)/A.
- 所望の水分含有量が得られない場合は、まずタオルまたはペーパータオルでローラーを乾燥させ、Cdが設定されるまで手順2.4-2.5を繰り返します。
- 必要に応じて、試験試料の調製に使用したのと同じ生地からサンプルストリップを切り取り、その厚さを測定して記録します。
3. データ取得、後処理、分析
- ステップ1.1で行われるように、エアブロワの出口温度と速度を所望の値に設定し、高い熱抵抗ボードでノズルを覆います。テストされた生地サンプル(セクション2)が準備されたら、赤外線サーモグラフのシーケンステストと電源のための針板器具で固定します。サンプル温度の記録を開始します。
- 熱風がテストされたサンプルの下面に直接影響を与えることができるカバーボードを取り外します。乾燥プロセス中にコンピュータ上の生地の乾燥温度の変化を観察します。乾燥温度が安定した値に上昇し、約30sの持続すると、サンプリングされた生地が目標状態に乾燥することを意味し、記録を停止します。試料を取り付けから取り出し、再び高熱抵抗ボードでノズルを覆います。
- 必要に応じて、赤外線サーモグラフ(データプロット、保存など)のサポート後処理ツールを使用してターゲット解析領域を設定し、テストされたファブリックのそのポイントの乾燥機能(通常は温度が時間とともにどのように変化するか)を設定します。取得。
- 必要に応じて、ビデオを異なる乾燥段階の部分に移動し、ビデオフレームをカラフルな画像として保存します。そして、熱風で乾燥した領域の面積を、以下のステップ14に従って画像処理方法により算出することができる。まず、画像をグレースケールする加重平均法でカラフルな画像をグレースケールし、画像内の温度が熱気に近いグレースケール値にしきい値を設定してOSTU法で取得したグレースケール画像をバイナライズします。温度。これにより、乾燥領域の面積を二分化画像上で算出することができる。
- 手順 3.1~3.4 を繰り返し、空気の流れ速度、温度、方向、およびファブリック材料、物理パラメータなどを調整して、各ファブリック サンプルの乾燥特性を記録します。
- さまざまな空気温度、気速度、気流方向、および生地の厚さの下ですべての違いを観察します。
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Representative Results
図2に示すデータは、ノズル出口の空気速度と温度がそれぞれ20.0 m/sおよび120°Cであるという条件下で、異なる乾燥段階での綿織物の典型的な温度輪郭です。図2のA、B、C、Dから、空気障害乾燥の下で、中心から周辺まで温度が低下し、同心円のセットを形成していると考えられる。一方、直接衝突領域の端では温度が劇的に低下します。任意の軌道に沿った温度分布は、赤外線サーモグラフ用の特殊な支持後処理ツールで描画できます。図 2Eは、典型的な乾燥プロセスにおいて、異なる段階で生地の水平中心線に沿った温度を示す。これは、生地の高い拡散係数または水平方向の熱抵抗、さらには乾燥時間を50sに延長することによって引き起こされます。図のように、衝突領域の縁付近の温度は定常状態に比べてほとんど上昇し(図2C;乾燥プロセスは約20sで定常状態に達する)。
ビデオの各ポイントの履歴データは、後処理ツールを使用してプロットすることもできます。図3は、異なる初期条件下での衝突領域の中心点で測定されたいくつかの典型的な結果を示す。図 3A,Bは、乾燥プロセスに対する気温および速度の影響を示す。通常、温度または速度が高いほど、生地の乾燥が速くなります。しかし、気温は定数状態と定常状態の両方で温度に影響を与え、空気速度は定常温度にのみ影響を与えました。図 3Cは、厚さが異なる場合に同じ初期面積平均水分含有量を有する生地の乾燥プロセスを示す。均一なパダーは、均一である生地の隅々の水分分布を制御するために重要です。薄い生地の飽和水分含有量は明らかに厚いものよりも低いので、この状況での厚い生地の望ましい水分含有量、Cdは、設定することは非常に困難である。したがって、試料は、パダーで2回以上処理されるべきである。
図 3Cは、より厚いサンプルの拡散係数が高いほど乾燥プロセスが遅くなることを明らかにする。設計されたシステムは常に同じ材料が異なる厚さで生地を乾燥させるために使用されているので、これはマルチノズル乾燥プロセスのために重要です。図 3Dは異なる気流方向下で乾燥プロセスを示し、図3Eは60sの定常状態下の温度輪郭を示す。図2に明らかにしたように、地積温度は定常状態に達した後に少し変化し、乾燥面積は温度輪郭に基づく画像処理方法で算出することができる。バイナライゼーションの結果は図 3Fとして示され、白の面積は乾燥面積を表し、65° から 90° までの 5 つの状態の比率は 0.61:0.81:1.07:1.02:1.01:11:1 です。これはまた、乾燥時間を設定するための戦略で重要である水平方向に生地の高い拡散係数と流体熱力学的パラメータによって引き起こされます。
図 1: 実験リグ。図示は、異なる温度、速度、および方向を持つ衝突空気を供給するためのホットエアブロワユニットからなる実験リグの概略表現です。また、生地のあらゆる領域の水分含有量の均一な分布を制御するために使用される均一なパダーシステム、各衝突乾燥プロセスの温度履歴を記録するための赤外線サーモグラフユニット、およびいくつかの補助装置が表されます。生地の重量、生地の厚さなどを測定するための。得られた結果は、コンピュータシステム上で分析されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:異なる乾燥段階における綿織物の温度輪郭。温度輪郭は、条件 Va = 20.0 m/s、T = 120 °C、およびCd = 70% の条件下で示されます。 図 2Aはt = 0 s の温度輪郭を示し、図 2B、C、Dはt = 5 s、20 s、および 50 s. 凡例 P01、P02、P03、および P04 の温度変化を示します。デジタル形式のファブリック。図 2Eは、異なる時間における水平織物中心線に沿った温度分布を示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:異なる初期条件下での衝突領域の中心点で測定される典型的な結果。図 3A は、Va = 20.0 m/s およびCd = 70% の気温の影響を示します。図 3Bは、T=120°CおよびCd=70%における空気速度の影響を示す。 図 3Cは、同じ初期面積平均水分含有量、W a、48 g/m 2の生地の影響を示す。しかし、その厚さはV a=20.0m/sとT=120°Cで異なっていた。 図 3D,E,FはV a = 20.0 m/s、T= 120 °C、およびCd = 70%における気流方向の影響を示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
このセクションでは、信頼性の高い定量的な結果を確実にするために必要なヒントをいくつか紹介します。まず、生地の標本は、最初の重量が正しいことを確認するために完全に乾燥したままにする必要があります。これは、乾燥プロセスを通じて達成可能である(すなわち、適切な乾燥ストーブを使用して)。可能であれば、一定に保たれている環境湿度は実験に利益をもたらす。
第二に、生地の各領域の水分が均一であることを確認するために、生地標本を十分に処理する必要があります。これは、均一なパダーまたは同様のプロセスで手動で処理することによって行うことができます。均一なパダーを操作するための鍵は、上部ローラーの両側のクランプシリンダーに供給される空気圧が等しいことを確認することです。
正確な温度を得るためには、赤外線サーモグラフの適切な校正を確保する必要があります。一方、温度記録プロセスは、高い熱抵抗ボードの取り外しの数秒前に手動で開始されるので、ユーザーはまた、スキップするフレームの数を推定する必要があります。これは個人によって異なる場合があるため、実際の測定を行う前に、練習のためのいくつかの試用テストをお勧めします。
技術の1つの制限は、生地の標本がオープンな環境下で乾燥され、所望の周囲の温度と湿度を設定できないことです。したがって、実験結果は、熱設定の実際の作業条件下での乾燥プロセスを直接反映しません。テストリグは、将来の作業のためにさらに改善される予定です。
報告された手順は、衝突乾燥プロセス中に生地の熱および水分移動を研究するための詳細を提供します。初期の水分含有量は均一であることがよく制御され、生地のあらゆる点の表面温度は、開発されたセットアップを介して得られます。
要約すると、このレポートで概説されている手順は、生地の水分を均一な状態に制御することにより、生地の乾燥特性に対する空気衝突パラメータの影響を調製するために使用できます。水分分布は、通常、異なる分野の現在の研究では無視されますが、乾燥プロセスと乾燥結果に大きく影響することに注意してください。このプロトコルのすべての手順は、周囲に関連する劣化を避けるために、空気対流のない環境で実行することをお勧めします。
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Disclosures
著者は何も開示していない。
Acknowledgments
本研究は、工業化と情報化の統合のためのNSFC-浙江共同基金(助成番号U1609205)と中国国家自然科学財団(助成番号51605443)の主要研究開発プロジェクトの支援を受けました。浙江省(助成番号2018C01027)、浙江科学技術大学の521人材プロジェクト、浙江省の若手研究者財団(助成)の浙江省の機械工学のトップキー学問分野(助成番号 ZSTUME02B13)。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Air Blower | Zhejiang jiaxing hanglin electromechanical equipment co., Ltd. | HLJT-3380-TX10A-0.55 | Air Volume: 900 m3/s; |
| Anemometer | KIMO | MP210 | Measurement range: 0-40 m/s; Accuracy: ±0.1 m/s |
| Drying stove | Shanghai Shangyi Instrument Equipment Co., Ltd. | DHG 101-0A | precision: 1 °C; Temperature control range:10-300 °C |
| Electronic Balance | Hangzhou Wante Weighing Instrument Co., Ltd. | WT1002 | Precision: 1 °C; Range: 100 g |
| Fabric Style Measuring Instrument | SDL Atlas | M293 | |
| Fabric Touch Tester | SDLATLAS Ltd | Fabric thickness tester | |
| High thermal resistance board | Baiqiang | Flame resistance, Heat resistance is greater than 200 °C | |
| High-temperature resistant silicon pipeline | Kamoer | 18# | Temperature range: -60-200 °C |
| Infrared Thermogragh | Hangzhou Meisheng Infrared Optoelectronic Technology Co., Ltd. |
R60-1009 | Temperature measuring range: -20-410 °C; Maximum measuring error: ±2 °C |
| Padder | Yabo textile machinery co., Ltd. | Roller pressure: 0.03-0.8 MPa; Stable pressure; Easy adjustment | |
| Personal Computer | Lenovo Group. | L460 | |
| Temperature Sensor | Taiwan TES electronic industry co., Ltd. | 1311A | resolution: 1 °C; Temperature measuring range: -50-1350 °C |
References
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