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Engineering

Control uniforme de la humedad de la tela para estudiar la influencia de los parámetros de impacto del aire en las características de secado de la tela

doi: 10.3791/59522 Published: August 19, 2019

Summary

Aquí se presenta un protocolo que garantiza una distribución uniforme de la humedad inicial dentro de un tejido e investiga los efectos de los parámetros termodinámicos de aire caliente (velocidad, temperatura y dirección) y el espesor en el secado de la tela características (por ejemplo, variación de temperatura) bajo la condición de impedimento del aire.

Abstract

La impinging dryness es ahora una forma ampliamente utilizada y eficaz para el secado de la tela debido a su alto coeficiente de transferencia de calor y masa. Estudios anteriores sobre el secado de tejidos han descuidado las contribuciones de la uniformidad de la humedad y el coeficiente de difusión al proceso de secado; sin embargo, recientemente se ha demostrado que tienen una influencia significativa en las características de secado. Este informe describe un procedimiento paso a paso para investigar los efectos de los parámetros de impacto del aire en las características de secado de un tejido mediante el control de la uniformidad de su distribución de humedad de área. Una unidad sopladora de aire caliente equipada con una boquilla ajustable en ángulo se utiliza para generar flujo de aire con diferentes velocidades y temperaturas, mientras que el proceso de secado se registra y analiza utilizando un termógrafo infrarrojo. Además, un padder uniforme está adaptado para garantizar la uniformidad de humedad de la tela. El secado de imnivel se estudia en diferentes condiciones iniciales cambiando la temperatura, la velocidad y la dirección del flujo de aire, luego se evalúa la aplicabilidad y la idoneidad del protocolo.

Introduction

La impinging secado es un método de secado muy eficaz debido a su alto calor, coeficiente de transferencia de masa y tiempo de secado corto. Ha atraído una amplia atención debido a susnumerosas aplicaciones incluyendo la industria química, alimentos 1, textil, teñido2, fabricación de papel3,4,etc. Ahora, el secado de impacto es ampliamente utilizado por sus características de transporte mejoradas, especialmente para el secado de textiles en el proceso de ajuste de calor5.

La tela está afectando a la matriz de boquillas seca para el ajuste de calor. El diseño de la boquilla afecta a la uniformidad de la temperatura de secado, lo que tiene una influencia significativa en las propiedades de la tela, la eficiencia de secado y en la superficie de la tela directamente. Por lo tanto, es necesario entender la distribución de la temperatura en la superficie textil para diseñar una mejor matriz de boquillas. Ha habido poca investigación en este campo en la actualidad, aunque ha habido un montón de investigación sobre el rendimiento de transferencia de calor y humedad del proceso de secado de la tela hasta ahora. Algunas investigaciones se han centrado principalmente en la evaporación natural de un textil bajo una fuente de calor especificada, en la que el proceso de secado que impedía no participó en estos estudios6,7. Algunos se han centrado en el calor y la transferencia de humedad del textil con secado al aire caliente, pero se suponía que la humedad y la temperatura del textil eran uniformes en estos estudios8,9,10,11. Además, algunos de estos estudios intentaron obtener la variación de distribución de la temperatura con tiempo para estudiar la transferencia de calor y humedad del textil bajo el secado que impida.

2 desarrollaron una configuración experimental para obtener la variación de la temperatura con el tiempo de la tela y el tiempo total de secado, pero esta configuración se limita a las mediciones de temperatura de un solo punto. La distribución inicial del contenido de humedad en el tejido también se descuida en este tipo de investigación. 12 destinado a obtener la distribución de la temperatura en la tela pegando termopares en la superficie textil en varios puntos, pero la distribución de la temperatura superficial no fue capaz de obtenerse con precisión con su método. La obtención de la distribución de la temperatura en el área de impacto del aire en un tejido con distribución uniforme de humedad es importante para la impresión industrial y la producción de teñido, y proporcionará una mejor orientación sobre la estrategia de distribución y disposición para el objeto secado con una boquilla múltiple13. El siguiente procedimiento proporciona detalles para estudiar la transferencia de calor y humedad de un tejido durante el proceso de secado. El contenido inicial de humedad está bien controlado para ser distribuido uniformemente, mientras que la temperatura superficial en cada punto de la tela se obtiene a través de la configuración experimental.

La configuración experimental consiste en una unidad de soplador de aire caliente, unidad de termógrafo infrarrojo, sistema de padder uniforme y otros dispositivos auxiliares. La unidad soplador de aire caliente suministra al aire caliente una temperatura y velocidad especificadas en una dirección ajustable de acuerdo con los requisitos experimentales. La unidad termográfica infrarroja registra el historial de temperatura de cada proceso de secado que afecta; por lo tanto, la temperatura en cada punto de píxel del vídeo grabado se puede extraer con una herramienta de postprocesamiento de apoyo. El sistema de padder uniforme controla la distribución uniforme del contenido de humedad en cada punto de la tela. Por último, se investiga la influencia de los parámetros de impacto del aire en la característica de secado de la tela con el método de control uniforme de la humedad de la tela. El proceso se puede llevar a cabo de forma reproducible siguiendo el protocolo estándar descrito a continuación.

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Protocol

1. Configuración de la plataforma experimental

NOTA: Consulte la Figura 1.

  1. Unidad de soplador de aire caliente
    1. Asegúrese de que el soplador de aire caliente esté conectado a la boquilla de aire a través de una tubería de silicona resistente a altas temperaturas que esté aislada térmicamente con material de amianto. Ajuste gradualmente la boquilla de aire al ángulo de inclinación deseable para controlar la dirección del flujo de aire. Para este trabajo, el ángulo de inclinación, , varió entre 60o y 90o.
    2. Encienda el ventilador del soplador de aire y el cable de resistencia.
      NOTA: El orden en el que se encienden el ventilador y el cable de resistencia no se puede invertir.
    3. Ajuste la temperatura de salida del soplador de aire caliente ajustando gradualmente la corriente a través del cable de resistencia con el controlador del soplador de aire, y mida la temperatura del flujo de aire utilizando el sensor de temperatura digital. Para este trabajo, la temperatura del aire caliente, T, varió entre 70 oC y 130 oC.
    4. Mida la velocidad del flujo de aire en la salida de la boquilla de aire utilizando el anemómetro multifuncional portátil a temperatura ambiente (RT). Para este trabajo, la velocidad del aire caliente, Va, varió entre 8-20 m/s. Para una medición precisa de la velocidad del aire, la sonda debe ser perpendicular a la dirección del flujo de aire.
    5. Ajuste gradualmente la velocidad de rotación del ventilador soplador de aire con el convertidor de frecuencia para obtener la velocidad de flujo de aire deseada. Cubra la boquilla de aire con una placa de alta resistencia térmica para dispersar el flujo de calor y evitar daños térmicos a personas o dispositivos.
  2. Unidad termográfica infrarroja
    1. Fije el termógrafo infrarrojo en el marco de soporte directamente por encima de la boquilla de aire con aproximadamente 1 m de distancia. Conecte el termógrafo infrarrojo con el ordenador mediante el cable de red. Encienda el termógrafo infrarrojo y abra el software de operación del termógrafo infrarrojo en el ordenador. Seleccione el modo de conexión como Ethernet para que el ordenador asigne automáticamente una dirección IP al termógrafo infrarrojo, y la temperatura del objeto se pueda leer en tiempo real con el termógrafo infrarrojo.
    2. Fije una muestra de tela estándar sobre la boquilla de aire con el accesorio de la placa de la aguja y ajuste la distancia entre la boquilla de aire y la muestra al valor deseado. En este trabajo, se utilizan 30 mm, que es 3 veces el diámetro de la boquilla.
    3. Ajuste el enfoque de la cámara y establezca los parámetros básicos a través del ordenador. Abra el cuadro de diálogo "parámetros", establezca la unidad de temperatura en .C, establezca el resplandor térmico en 0,95, establezca la humedad relativa ambiental en 50%, establezca la temperatura ambiente en 25 oC y establezca la distancia entre el objeto medido y la cámara a 1,5 m. Esto garantizará que la temperatura medida sea correcta.
    4. A medida que se prepara la muestra de tejido probada, arréglala en la misma ubicación que la muestra de tejido estándar y, a continuación, registre la temperatura de la tela con el ordenador como un vídeo.
  3. Sistema de padder uniforme
    1. Asegúrese de que el padder uniforme esté conectado al compresor de aire a través de la tubería. Encienda el compresor de aire y ajuste su presión de salida máxima a 0,8 MPa.
    2. Ajuste manualmente los reguladores de presión para controlar la presión del aire a la pareja de cilindros de la abrazadera, que están conectados al rodillo superior de la almohadilla, de modo que se pueda controlar la humedad residual en el tejido. Asegúrese de que la presión en ambos lados del rodillo sea igual para que el contenido de humedad del tejido distribuido en cada área sea uniforme.
    3. Encienda el padder, asegúrese de que el rodillo puede rotar libremente, luego coloque la muestra de tejido saturado con suficiente absorción de humedad en el rodillo superior de la almohadilla uniforme, para que el tejido probado se puede exprimir a través de la pareja de rodillos y la humedad distribución dentro de la tela se puede controlar para ser uniforme.
    4. Apague la almohadilla.
  4. Unidad de medición de peso y grosor
    1. Coloque una báscula electrónica en una plataforma horizontal y arde. Coloque pesos estándar en la balanza para la calibración de modo que la muestra pueda ponderarse con precisión.
    2. Corte una muestra de tejido rectangular con una anchura y longitud de 10 cm y 31 cm, respectivamente. Encienda el instrumento de prueba de espesor (consulte Tabla de materiales)y conéctelo al ordenador. Coloque estas muestras de tela en la plataforma de prueba del FTT. Abra el software de operación del FTT, haga clic en "inicio" en la interfaz de operación, luego pruebe automáticamente el espesor de la tela por el FTT y regístrelo en la interfaz de operación.
  5. Unidad de estufa de secado
    1. Encienda la estufa de secado y asegúrese de que no haya muestras en la sala de secado. Ajuste la estufa de secado a una temperatura alta (120 oC se utiliza en este trabajo) durante 30 minutos para evaporar la humedad absorbida por la pared interior de la estufa.
    2. Precalentar la estufa de secado a la temperatura deseada (se utiliza 45 oC en este trabajo) para que la estufa se pueda utilizar directamente para el secado de muestras de tela.

2. Muestra de prueba y el proceso de fabricación

  1. Cortar telas cuadradas de 250 mm x 250 mm de la misma tela utilizada para la muestra de tela rectangular con tijeras y una regla triangular para la fabricación de muestras de prueba (área de la tela de 6,25 x 104 mm2). Coloque las muestras de tela en la estufa de secado para evaporar la humedad residente absorbida del medio ambiente para que se pueda obtener su peso neto.
  2. Saque una pieza de muestra de tela de la estufa de secado, luego mida el peso inicial, W0, de la muestra con el equilibrio electrónico.
  3. Sumerja la muestra de tejido en agua durante 5 minutos para asegurarse de que el tejido absorbe la humedad hasta la saturación. Azulejo la muestra de tejido saturado en el rodillo superior de la almohadilla uniforme para obtener el contenido de humedad inicial deseado.
  4. Encienda el padder y ajuste una presión inicial con los reguladores de presión. A medida que la muestra de azulejos pasa a través de la pareja de rodillos, apague el padder y retire la muestra de la almohadilla.
  5. Mida el peso de la muestra de tejido húmedo, W1, de la muestra con el equilibrio electrónico. La humedad residual de la tela se puede calcular como C - (W1-W0)/W0, y el contenido medio de humedad del área en el tejido se puede calcular como Wa (W 1-W0)/A.
  6. Si no se obtiene el contenido de humedad deseado, Cd, seque primero los rodillos con una toalla o una toalla de papel y, a continuación, repita los pasos 2.4-2.5 hasta que se ajuste Cd.
  7. Si es necesario, corte una tira de muestra de la misma tela utilizada para preparar la muestra de prueba, luego mida y registre su espesor.

3. Adquisición, postprocesamiento y análisis de datos

  1. Como se hace en el paso 1.1, ajuste la temperatura de salida y la velocidad del soplador de aire a los valores deseados y cubra la boquilla con la placa de alta resistencia térmica. Una vez preparada la muestra de tejido probada (sección 2), fíjela con el accesorio de la placa de la aguja para pruebas de secuencia y alimentación del termógrafo infrarrojo. Comience a registrar la temperatura de la muestra.
  2. Retire la placa cubierta que el aire caliente puede afectar directamente en la superficie inferior de la muestra probada. Observe los cambios en la temperatura de secado de la tela en el ordenador durante el proceso de secado. Cuando la temperatura de secado aumenta a un valor constante y dura aproximadamente 30 s, lo que significa que el tejido muestreado está seco hasta el estado objetivo, deje de grabar. Lleve la muestra lejos del accesorio y cubra la boquilla con la placa de alta resistencia térmica de nuevo.
  3. Si es necesario, establezca el área de análisis de destino con una herramienta de postprocesamiento de soporte para el termógrafo infrarrojo (para el trazado de datos, el ahorro, etc.) de modo que las características de secado (normalmente cómo varía la temperatura con el tiempo) de ese punto del tejido probado pueden ser Obtenido.
  4. Si es necesario, navegue por el vídeo a la parte de diferentes etapas de secado y guarde el fotograma de vídeo como una imagen colorida. A continuación, el área de la región seca por aire caliente se puede calcular mediante el método de procesamiento de imágenes de acuerdo con los siguientes pasos14. En primer lugar, gris la imagen colorida con el método de promedio ponderado para escalar en gris la imagen, a continuación, biebise la imagen en escala de grises obtenida con el método OSTU estableciendo el umbral en el valor de escala de grises en el que la temperatura de la imagen está cerca del aire caliente Temperatura. Por lo tanto, el área de la región seca se puede calcular en la imagen de binarización.
  5. Repita los pasos 3.1-3.4 y registre las características de secado de cada muestra de tejido ajustando la velocidad del flujo de aire, la temperatura, la dirección, así como el material de la tela, los parámetros físicos, etc.
  6. Observe todas las diferencias bajo la temperatura variable del aire, la velocidad del aire, la dirección del flujo de aire y el grosor de la tela.

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Representative Results

Los datos presentados en la Figura 2 son contornos de temperatura típicos para el tejido de algodón en diferentes etapas de secado bajo la condición de que la velocidad del aire y la temperatura en la salida de la boquilla son de 20,0 m/s y 120 oC, respectivamente. Se puede calcular a partir de la Figura 2A, B, C,D que bajo el aire impingement secado, la temperatura se descompone desde el centro hasta la periferia y forma conjuntos de círculos concéntricos. Mientras tanto, la temperatura se descompone dramáticamente en el borde del área de impacto directo. La distribución de la temperatura a lo largo de una trayectoria arbitraria se puede dibujar con la herramienta especial de postprocesamiento de soporte para el termógrafo infrarrojo. Figura 2 E muestra la temperatura a lo largo de la línea central horizontal de la tela en diferentes etapas en un proceso de secado típico. Esto es causado por el alto coeficiente de difusión de la tela o resistencia térmica en una dirección horizontal, e incluso por la extensión del tiempo de secado a 50 s; como se muestra, la temperatura cerca del borde del área de impingement aumenta muy poco en comparación con la del estado estacionario (ver Figura 2C;el proceso de secado alcanza el estado estacionario a aproximadamente 20 s).

Los datos históricos en cada punto del vídeo también se pueden trazar con la herramienta de postprocesamiento. La Figura 3 ilustra algunos resultados típicos medidos en el punto central del área de impacto en diferentes condiciones iniciales. Figura 3 A,B muestra la influencia de la temperatura del aire y la velocidad en el proceso de secado. Normalmente, cuanto mayor sea la temperatura o la velocidad, más rápido será el tejido a secar; sin embargo, la temperatura del aire influyó en la temperatura tanto en el estado de velocidad constante como en el estado estacionario, mientras que la velocidad del aire sólo influyó en la temperatura del estado estacionario. Figura 3 C muestra el proceso de secado de telas con el mismo contenido medio de humedad de área inicial cuando el espesor es diferente. El padder uniforme es importante para controlar la distribución de la humedad en cada esquina de la tela para ser uniforme. Como el contenido de humedad saturada de un tejido delgado es aparentemente más bajo que el de uno más grueso, entonces el contenido de humedad deseable, Cd, del tejido más grueso en esta situación es muy difícil de establecer. Por lo tanto, la muestra debe ser procesada con el padder dos o más veces.

Figura 3 C revela que el mayor coeficiente de difusión de muestras más gruesas ralentiza el proceso de secado. Esto es importante para un proceso de secado de varias boquillas porque un sistema diseñado siempre se utiliza para secar la tela con el mismo material pero con diferentes espesores. Figura 3 D muestra el proceso de secado bajo diferentes direcciones de flujo de aire, mientras que la Figura 3E muestra el contorno de temperatura bajo un estado estable a 60 s. Como se revela en la Figura 2, la temperatura de la tela cambia poco después de alcanzar el estado estable, y el área seca se puede calcular con el método de procesamiento de imágenes basado en el contorno de temperatura. Los resultados de la binarización se muestran como figura 3F, en la que el área en blanco representa el área seca y la relación de estos cinco estados de 65 a 90o es 0.61:0.81:1.07:1.02:1.01:1. Esto también es causado por el alto coeficiente de difusión de la tela y los parámetros termodinámicos fluidos en una dirección horizontal, que es importante en las estrategias para establecer el tiempo de secado.

Figure 1
Figura 1: Plataforma experimental. Se muestra una representación esquemática de la plataforma experimental, que consiste en la unidad de soplador de aire caliente para suministrar aire de impingement con diferentes temperaturas, velocidades y direcciones. También se representa el sistema de padder uniforme utilizado para controlar la distribución uniforme del contenido de humedad en todas las áreas de la tela, la unidad termográfica infrarroja para registrar el historial de temperatura de cada proceso de secado que impere, y algunos dispositivos auxiliares para medir el peso de la tela, el grosor de la tela, etc. Los resultados obtenidos se analizan en el sistema informático. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: El contorno de temperatura de la tela de algodón en diferentes etapas de secado. Los contornos de temperatura se muestran en las condiciones Va a 20,0 m/s, T a 120 oC y Cd a 70%. Figura 2 A muestra el contorno de temperatura en t a 0 s, mientras que la Figura 2B,C,D muestra los que están en t a 5 s, 20 s y 50 s. Leyendas P01, P02, P03 y P04 en cada imagen muestran la variación de temperatura en diferentes puntos de muestreo en el tejido en formato digital. Figura 2 E ilustra la distribución de la temperatura a lo largo de la línea central de la tela horizontal en diferentes momentos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Resultados típicos medidos en el punto central del área de impacto en diferentes condiciones iniciales. Figura 3 A muestra la influencia de la temperatura del aire en Va a 20,0 m/s y Cd a 70%. Figura 3 B muestra la influencia de la velocidad del aire a T a 120 oC y Cd a 70%. Figura 3 C muestra la influencia de la tela con el mismo área inicial contenido medio de humedad, Wa, de 48 g/m2; sin embargo, su espesor era diferente en Va a 20,0 m/s y T a 120 oC. Figura 3 D,E,F muestra la influencia de la dirección del flujo de aire en Va a a 20,0 m/s, T a 120 oC y Cd a 70%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Esta sección proporciona algunos consejos necesarios para garantizar resultados cuantitativos fiables. En primer lugar, las muestras de tela deben mantenerse completamente secas para garantizar que los pesos iniciales sean correctos. Esto se puede lograr a través del proceso de secado (es decir, el uso de una estufa de secado adecuada). Si es posible, una humedad ambiental que se mantiene constante beneficia al experimento.

En segundo lugar, las muestras de tela deben ser bien procesadas para asegurar que la humedad en cada región de la tela sea uniforme. Esto se puede hacer mediante el procesamiento manual con un padder uniforme o un proceso similar. La clave para operar el padder uniforme es asegurarse de que la presión de aire suministrada a los cilindros de sujeción en ambos lados del rodillo superior es igual, lo que evita una diferencia de fuerza de prensa a la tela.

Debe garantizarse una calibración adecuada del termógrafo infrarrojo para obtener una temperatura precisa. Mientras tanto, el proceso de grabación de temperatura se inicia manualmente y varios segundos antes de la eliminación de la placa de alta resistencia térmica, por lo que los usuarios también están obligados a estimar cuántos fotogramas se deben omitir. Esto puede variar entre individuos, por lo que se recomiendan varias pruebas de ensayo para practicar antes de tomar medidas reales.

Una limitación de la técnica es que los especímenes de tela se secan bajo un ambiente abierto, y la temperatura y humedad circundantes deseadas no se pueden ajustar; por lo tanto, los resultados experimentales no reflejan directamente los procesos de secado en condiciones de trabajo reales de un ajuste térmico. El equipo de pruebas se mejorará aún más para el trabajo futuro.

El procedimiento notificado proporciona detalles para estudiar la transferencia de calor y humedad de la tela durante el proceso de secado. El contenido inicial de humedad está bien controlado para ser uniforme, mientras que la temperatura superficial en cada punto de la tela se obtiene a través de la configuración desarrollada.

En resumen, el procedimiento descrito en este informe se puede utilizar para estudiar los efectos de los parámetros de impacto del aire en las características de secado de un tejido mediante el control de la humedad de la tela a un estado uniforme. Cabe señalar que la distribución de la humedad normalmente se ignora en la investigación actual de diferentes campos, pero influye significativamente en el proceso de secado y los resultados de secado. Se recomienda que todos los pasos de este protocolo se realicen en un entorno sin convección de aire para evitar cualquier degradación relacionada con el medio ambiente.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por el Fondo Conjunto NSFC-Zhejiang para la Integración de la Industrialización e Informatización (número de subvención U1609205) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (número de subvención 51605443), el Proyecto Clave de Investigación y Desarrollo de Zhejiang Province (número de subvención 2018C01027), el 521 Talent Project de la Universidad Sci-Tech de Zhejiang, y la Young Researchers Foundation de Zhejiang Provincial Top Key Academic Discipline of Mechanical Engineering of Zhejiang Sci-tech University (subvención 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

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References

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Xiang, Z., Huang, Y., Hu, X., Qian, M., Zhao, Z. Fabric Moisture Uniform Control to Study the Influence of Air Impingement Parameters on Fabric Drying Characteristics. J. Vis. Exp. (150), e59522, doi:10.3791/59522 (2019).More

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