织物水分统一控制研究空气冲击参数对织物干燥特性的影响

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Engineering

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Summary

此处介绍的一个协议,保证织物内部初始水分的统一分布,并调查热空气热力学参数(速度、温度和方向)和厚度对织物干燥的影响特征(例如,温度变化)在空气冲击条件下。

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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).

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Abstract

由于其高热性和质量转移系数,浸干性是织物干燥中广泛使用的有效方法。以往对织物干燥的研究忽视了水分均匀性和扩散系数对干燥过程的贡献;然而,它们最近已被证明对干燥特性有显著影响。本报告概述了通过控制织物区域水分分布的均匀性来调查空气冲击参数对织物干燥特性的影响的分步程序。配备可角度调节喷嘴的热风机单元用于使用红外热成像仪记录和分析干燥过程时,产生具有不同速度和温度的空气流量。此外,还采用了统一的垫片,以确保织物的水分均匀性。通过改变气流温度、速度和方向,在不同初始条件下对冲击干燥进行了研究,并评价了该协议的适用性和适用性。

Introduction

浸其中干燥是一种非常有效的干燥方法,具有高热能、质传递系数和短干燥时间。它因应用众多而备受关注,包括化工、食品1、纺织、印染2、造纸3、4等。现在,浸其中干燥被广泛用于增强其运输特性,特别是在加热过程中对纺织品的干燥。

织物被喷嘴阵列冲击干燥,用于热设置。喷嘴布局影响干燥温度的均匀性,对织物性能、干燥效率、织物表面有直接影响。因此,有必要了解纺织表面的温度分布,以设计更好的喷嘴阵列。目前,该领域的研究很少,但迄今为止对织物干燥过程的热和水分传递性能的研究还很多。一些研究主要集中在纺织品在指定热源下的自然蒸发,其中冲击干燥过程没有参与这些研究6,7。一些侧重于热风干燥纺织品的热和水分传递,但纺织品的水分和温度在这些研究中假设是均匀的,在这些研究中8,9,10,11。此外,其中一些研究试图获得温度分布变化,随着时间的推移,研究纺织品在冲击干燥下的热量和水分转移。

Etemoglu等人2开发了一种实验装置,用于获取织物时间和总干燥时间的温度变化,但这一设置仅限于单点温度测量。在这类研究中,织物中最初的水分含量分布也被忽视。Wang等人打算通过在纺织表面不同点粘贴热电偶来获取织物的温度分布,但用它们的方法无法准确获得表面温度分布。在均匀湿度分布的织物上,在空气冲击区获得温度分布对于工业印染生产非常重要,它将为物体的分配和排列策略提供更好的指导用多喷嘴13干燥。以下过程提供了在冲击干燥过程中研究织物的热量和水分传递的详细信息。初始水分含量控制良好,可以均匀分布,而织物每个点的表面温度是通过实验设置获得的。

实验装置由热风机单元、红外热成像装置、均匀垫片系统等辅助装置组成。热风机单元根据实验要求,以指定的温度和速度向可调节的方向提供热空气。红外热成像仪记录每个冲击干燥过程的温度历史记录;因此,使用支持的后处理工具可以提取所录制视频的每个像素点的温度。均匀的垫片系统控制织物每个点的水分含量的均匀分布。最后,用织物水分均匀控制方法研究了空气冲击参数对织物干燥特性的影响。该过程可以按照下面描述的标准协议以可重复的方式进行。

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Protocol

1. 实验钻机设置

注:参见图1。

  1. 热风机单元
    1. 确保热风机通过耐高温硅胶管道连接到空气喷嘴,该管道采用石棉材料进行热绝缘。逐渐将空气喷嘴调整到理想的倾斜角度,以控制气流方向。对于这项工作,倾斜角度,α,在60°和90°之间变化。
    2. 打开鼓风机风扇和电阻线。
      注: 风扇和电阻导线的打开顺序无法反转。
    3. 通过鼓风机控制器通过电阻线逐渐调节电流,设置热风机的出口温度,并使用数字温度传感器测量气流温度。对于这项工作,热空气温度T, 在 70 °C 和 130 °C 之间变化。
    4. 在室温 (RT) 下,使用手持多功能风速计测量空气喷嘴出口处的空气流动速度。对于这项工作,热空气速度,V a,变化在8-20米/s之间。为了准确测量空气速度,探头应垂直于气流的方向。
    5. 通过变频器逐渐调整鼓风机风扇的转速,以获得所需的气流速度。用高热阻板盖住空气喷嘴,以分散热流,避免对人员或设备造成热损伤。
  2. 红外热成像装置
    1. 将红外热成像仪固定在空气喷嘴正上方的支撑架上,距离约为 1 米。使用网络电缆将红外热成像仪与计算机连接。打开红外热像仪电源,打开计算机上的红外热像仪操作软件。选择连接模式作为以太网,以便计算机自动将 IP 地址分配给红外热图,并且可以使用红外热像仪实时读取对象温度。
    2. 用针板夹具在空气喷嘴上固定一块标准织物样品,并将空气喷嘴和样品之间的距离调整到所需的值。在这项工作中,使用 30 mm,这是喷嘴直径的 3 倍。
    3. 调整摄像机对焦并通过计算机设置基本参数。打开"参数"对话框,将温度单位设置为 °C,将热辐射设置为 0.95,将环境相对湿度设置为 50%,将环境温度设置为 25°C,并将测量对象和摄像机之间的距离设置为 1.5 m。这将确保测量的温度正确。
    4. 在制备经过测试的织物样品时,将其固定在与标准织物样品相同的位置,然后通过计算机将织物的温度记录为视频。
  3. 统一垫片系统
    1. 确保通过管道将统一垫片连接到空气压缩机。打开空气压缩机电源,并将其最大输出压力设置为 0.8 MPa。
    2. 手动调整压力调节器以控制压气缸对压缸的两个压力,这些油缸连接到垫片的上辊上,以便控制织物中的残余水分。确保滚筒两侧的压力相等,以便分布在每个区域的织物的水分含量均匀。
    3. 打开垫片的电源,确保滚筒可以自由旋转,然后将具有足够吸湿力的饱和织物样品放到均匀垫片的上辊上,以便测试的织物能够挤压通过辊子耦合和湿气织物内部的分布可以控制为均匀。
    4. 关闭垫片的电源。
  4. 重量和厚度测量装置
    1. 将电子秤放在水平平台上,然后进行拉制。将标准重量放在校准的天平上,以便对试样进行精确加权。
    2. 切出一个宽度和长度分别为10厘米和31厘米的矩形织物样品。打开厚度测试仪器的电源(参见材料表),并将其连接到计算机。将这些织物样品放在 FTT 的测试平台上。打开FTT的操作软件,在操作界面上点击"启动",然后由FTT自动测试织物的厚度,并将其记录在操作界面上。
  5. 干燥炉单元
    1. 打开干燥炉电源,确保干燥室内没有样品。将干燥炉设置为高温(本工作中使用的 120°C),30 分钟,以蒸发炉子内壁吸收的水分。
    2. 将干燥炉预热至所需温度(本工作中使用的温度为 45°C),以便炉子可直接用于干燥织物样品。

2. 测试样品和制造工艺

  1. 用剪刀和用于制造试样(织物面积 = 6.25 × 104 mm2) 的三角形标尺,从用于矩形织物样品的相同织物中切割出 250 mm x 250 mm 的方形织物。将织物标本放入干燥炉中,蒸发从环境中吸收的常驻水分,从而获得净重。
  2. 从干燥炉中拿出一块织物标本,然后用电子天平测量样品的初始重量W 0。
  3. 将织物样品浸入水中 5 分钟,以确保织物吸收水分直至饱和。将饱和织物样品平贴到均匀垫片的上辊上,以获得所需的甚至初始水分含量。
  4. 打开垫片电源,并设置压力调节器的初始压力。当瓷砖样品通过辊子耦合时,关闭垫片电源,并将样品从垫片中取出。
  5. 用电子天平测量湿织物样品W1的重量。 织物的剩余水分可以计算为C = W1-W0) /W0, 织物中的平均水分含量可以计算为Wa = (W) 1-W0)/A
  6. 如果未获得所需的水分含量Cd,请先用毛巾或纸巾擦干滚筒,然后重复步骤 2.4-2.5,直到设置C d。
  7. 如有必要,从用于制备试样的相同织物中切出样品条,然后测量并记录其厚度。

3. 数据采集、后处理和分析

  1. 与步骤 1.1 中所做的那样,将鼓风机的出口温度和速度设置为所需的值,并用高热阻板盖住喷嘴。制备经过测试的织物样品后(第 2 节),将其固定为针板夹具,以便进行序列测试,并在红外热像仪上通电。开始记录样品温度。
  2. 拆下热空气可能直接冲击已测试样品的下表面的覆盖板。在干燥过程中观察计算机织物的干燥温度变化。当干燥温度升高到稳定值并持续约 30 秒时,这意味着取样的织物干燥到目标状态,则停止记录。将样品从夹具中取走,用高热阻板再次盖住喷嘴。
  3. 如有必要,使用红外热像仪(用于数据绘图、保存等)的辅助后处理工具设置目标分析区域,以便测试织物的干燥特征(通常温度随时间变化的方式)可以获得。
  4. 如有必要,将视频导航到不同干燥阶段的部分,并将视频帧保存为彩色图像。然后,根据以下步骤14,通过图像处理方法计算热空气干燥区域面积。首先,用加权平均方法对彩色图像进行灰色缩放,然后用 OSTU 方法对获得的灰度图像进行双码化,方法是将阈值设置为图像中温度接近热空气的灰度值温度。因此,可以在二元化图像上计算干燥区域的面积。
  5. 重复步骤 3.1-3.4,通过调整气流速度、温度、方向以及织物材料、物理参数等,记录每个织物样品的干燥特性。
  6. 观察不同空气温度、空气速度、气流方向和织物厚度下的所有差异。

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Representative Results

图2中提供的数据是不同干燥阶段棉织物的典型温度轮廓,喷嘴出口的空气速度和温度分别为20.0米/s和120°C。如图2A、B、C、D所示,在空气冲击干燥下,温度从中心衰减到外围,形成同心圆套。同时,温度在直接撞击区域的边缘显著下降。可使用红外热像仪专用支持后处理工具绘制沿任意轨迹的温度分布。图 2E在典型的干燥过程中,在不同阶段沿织物的水平中心线显示温度。这是由于织物在水平方向上的高扩散系数或热阻,甚至由于干燥时间延长到50s;如图所示,与稳定状态相比,冲击区边缘附近的温度上升得很少(见图2C;干燥过程在大约20s时达到稳定状态)。

也可以使用后处理工具绘制视频每个点的历史数据。图 3说明了在不同初始条件下在撞击区域中心点测量的一些典型结果。图 3A、B显示空气温度和速度对干燥过程的影响。通常,温度或速度越高,织物干燥得越快;然而,空气温度在恒定速率状态和稳定状态下对温度有影响,而风速只影响稳定状态温度。图 3C显示厚度不同时具有相同初始区域平均水分含量的织物的干燥过程。均匀垫片对于控制织物每个角落的水分分布是否均匀非常重要。由于薄织物的饱和水分含量明显低于较厚的织物,因此在这种情况下,较厚的织物所需的水分含量C d是很难设定的。因此,试样应用垫片处理两次或两次以上。

图 3C表明较厚的样品的扩散系数较高,会减慢干燥过程。这对多喷嘴干燥过程非常重要,因为设计中的系统总是用于用相同材料但厚度不同的材料干燥织物。图 3D显示了不同气流方向下的干燥过程,而图 3E显示了 60 s 稳定状态下的温度轮廓。如图2所示,织物温度在达到稳定状态后变化不大,干燥面积可以基于温度轮廓的图像处理方法计算。二元化结果如图 3 F所示,其中白色区域表示干燥区域,这五种状态从 65° 到 90° 的比率为 0.61:0.81:1.07:1.02:1.01:1。这也是由于织物在水平方向上的高扩散系数和流体热力学参数造成的,这在设定干燥时间的策略中非常重要。

Figure 1
图1:实验钻机。图中显示了实验装置的示意图,由热风机单元组成,用于提供不同温度、速度和方向的爆风空气。此外,还采用了用于控制织物每个区域水分含量均匀分布的统一垫片系统、用于记录每个冲击干燥过程的温度历史记录的红外热成像仪,以及一些辅助设备用于测量织物重量、织物厚度等。所得结果随后在计算机系统上进行分析。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:不同干燥阶段的棉织物温度轮廓。温度轮廓在条件 V a = 20.0 m/s、T = 120 °C 和Cd = 70% 的条件下显示。 图 2At = 0 s 处显示温度轮廓,而图 2B、C、D显示t = 5 s、20 s 和 50 s 的温度轮廓。以数字形式提供织物。图 2E说明了水平织物中心线在不同时间的温度分布。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:在不同初始条件下在撞击区域中心点测量的典型结果。图 3A显示Va = 20.0 m/s 和Cd = 70% 时的空气温度的影响。图 3B显示T = 120 °C 和Cd = 70% 时的空气速度的影响。图 3C显示与相同初始区域平均水分含量的织物的影响,W a,为 48 g/m2;然而,它们的厚度在V a = 20.0 m/s和T = 120 °C时是不同的。图 3D、E、F显示Va = 20.0 m/s、T = 120 °C 和Cd = 70% 的气流方向的影响。请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

本节提供了确保可靠的定量结果所需的一些提示。首先,织物试样必须保持完全干燥,以确保初始重量正确。这是可以通过干燥过程(即,使用合适的干燥炉)实现的。如果可能的话,保持恒定的环境湿度有利于实验。

其次,织物试样必须经过精心加工,以确保织物每个区域的水分均匀。这可以通过使用统一垫片或类似过程手动处理来完成。操作统一垫片的关键是确保提供给上辊两侧夹紧油缸的气压相等,从而防止压力对织物造成差异。

必须确保对红外热成像仪进行适当的校准,以获得准确的温度。同时,温度记录过程是手动启动的,在去除高热电阻板之前几秒钟,因此用户还需要估计应跳过多少帧。这可能因人而异,因此建议在进行实际测量之前进行几项练习试验测试。

该技术的一个局限性是织物试样在开放环境下干燥,不能设置所需的周围温度和湿度;因此,实验结果不能直接反映热环境实际工作条件下的干燥过程。试验台将进一步改进,以用于今后的工作。

报告的程序提供了详细资料,以研究织物在冲击干燥过程中的热量和水分传递。初始水分含量控制良好,统一,而织物每个点的表面温度是通过开发的设置获得的。

总之,本报告中概述的程序可用于研究空气冲击参数对织物干燥特性的影响,将织物的水分控制在均匀状态。需要注意的是,目前不同领域的研究通常忽略了水分分布,但对干燥过程和干燥结果有显著影响。建议在无空气对流的环境中执行此协议的所有步骤,以避免任何与环境相关的退化。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了国家自然科学基金委员会-浙江省工业化与信息化一体化联合基金(赠款号U1609205)和国家自然科学基金(赠款号51605443)的支持,浙江省(助学金号2018C01027)、浙江科技大学521人才工程、浙江省机械工程重点学科青年研究员基金会(助学金)编号 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

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References

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