Badania procesu konsolidacji papieru filtracyjnego w prasie powietrznej

Transkrypt

1 W artyule omówiono metodyę i wynii pomiarów procesu odwadniania i odształcania papieru filtracyjnego, do filtracji powietrza w silniach spalinowych, stosowanych w motoryzacji i lotnictwie, metodą przedmuchu powietrza. Opisano stoiso doświadczalne, na tórym prowadzono badania. Wynii badań wyazały, że metoda odwadniania papieru filtracyjnego za pomocą przepływu powietrza nie powoduje niepożądanego zagęszczenia jego strutury a równocześnie odwadnianie tą metodą jest wielorotnie bardziej wydajne niż metodami onwencjonalnymi. Słowa luczowe: maszyna papiernicza, odwadnianie i onsolidacja wstęgi papieru, papiery filtracyjne. Badania procesu onsolidacji papieru filtracyjnego w prasie powietrznej The investigations of the consolidation process of the filter paper in the air press In this paper, the methodology and results of dewatering process measurements of the filter paper used and air filtration in internal-combustion engines are discused. The method of blowthrough of air was used for paper dewatering. The investigations were carried out on experimental stand. On the basis of carried out investigations, it was concluded that this process of paper dewatering does not result in densification of paper structure. This process is also more effective than conventional methods. Keywords: paper machine, dewatering and consolidation of paper web, air filtration paper. WŁODZIMIERZ KAWKA, MARIUSZ RECZULSKI Wprowadzenie W ostatnich ilunastu latach wprowadzono do maszyn papierniczych metodę przedmuchowego odwadniania i suszenia papierów tissue, o tórej pisaliśmy już wielorotnie (1-3). Metoda ta zapewnia znacznie więszą, niż w metodach onwencjonalnych, wydajność odwadniania i suszenia papieru bez nadmiernego zagęszczenia jego strutury. Celem artyułu jest przedstawienie metody badań taich procesów na stanowisu doświadczalnym w zastosowaniu do papieru filtracyjnego przeznaczonego do filtracji powietrza, szczególnie w motoryzacji i lotnictwie. Opis stanowisa pomiarowego Specyfią zbudowanego stanowisa pomiarowego jest możliwość jednoczesnej rejestracji ilości wody, odprowadzonej z próbe papieru i zmian grubości tych próbe w czasie ich przedmuchowego odwadniania. Schemat stoisa pomiarowego przedstawiony jest na rysunu 1. W sład stoisa wchodzą następujące elementy.: - przedmuchowe urządzenie odwadniające (9) wraz z oprzyrządowaniem, - zbiorni ciśnieniowy (1) o pojemności 3,5 m 3 (ciśnienie do 600 Pa), do tórego doprowadzano powietrze ze stacji sprężarowej poprzez osuszacz adsorpcyjny (2), - zespół rurociągów (3) i (4) o średnicach 60 mm i 100 mm z oprzyrządowaniem obejmującym zawór odcinający (5), zawór reducyjny (8) typu ZRC Z6 oraz zawór eletromagnetyczny (6) Prof. dr hab. inż. W. Kawa, dr inż. M. Reczulsi, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechnii Łódziej, ul. Wólczańsa 223, Łódź Rys. 1. Schemat stoisa pomiarowego a) system urządzeń i aparatów, b) schemat urządzenia doprowadzającego powietrze z rurociągu do omory ciśnieniowej (anału przepływowego) PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD

2 typu ZE 435 sterowany za pomocą eletronicznego regulatora czasowego (7) o zaresie regulacji od 0 do 10 s, - amera filmowa typu Pentazet (10) z taśmą 16 mm, wyposażona w obietyw o ognisowej 125 mm z nasadą 1:1 i przystosowana do wyonywania zdjęć z częstotliwością od 300 do 3000 late/s. Dodatowe wyposażenie stanowił optyczny znaczni czasu, - mirofalowy czujni wilgotności typu M/K Systems 400 R zainstalowany bezpośrednio pod wylotem z omory ciśnieniowej (9), służący do ciągłego pomiaru ilości wody odprowadzanej z próbi papieru. Sygnał eletryczny z tego czujnia (o częstotliwości własnej 1 Hz) podawany był poprzez wzmacniacz (21) do oscylosopu (19) i rejestrowany w jego pamięci. Stosowano oscylosop wieloanałowy z pamięcią typu KR 7401 producji KAB i D 2 AE Radiotechnia Wrocław, - aparatura ontrolno-pomiarowa, Głównym elementem stoisa pomiarowego jest urządzenie przedmuchowe z omorą ciśnieniową (9) wraz z zainstalowanymi pod nią prowadnicami przesuwanej rami pomiarowej i elementami doprowadzającymi powietrze. Powietrze do omory ciśnieniowej (9) doprowadzane było rurociągiem (4) o średnicy 100 mm przez specjalnie zaprojetowane urządzenie sładające się z dyfuzora (24), wstępnej omory ciśnieniowej (27) i dyszy (28) doprowadzającej powietrze do omory (9). Wewnątrz dyfuzora i wstępnej omory ciśnieniowej zainstalowano elementy wywołujące turbulencje powietrza: blachę perforowaną (Ø5/5) o grubości 1 mm wyonaną w ształcie stoża o ącie 15 oraz ratownicę wyonaną z pociętej i odpowiednio powyginanej blachy o grubości 0,75 mm (25 i 26). Dysza (28) wyonana była ze sleji drewnianej lejonej wiolem. Wewnętrzna powierzchnia dyszy została poryta epidianem i następnie była ręcznie polerowana. Celem zaprojetowania i wyonania przedstawionych na rysunu 1b elementów, doprowadzających powietrze do omory ciśnieniowej (9), było zminimalizowanie grubości warstewe przyściennych powietrza w tej omorze (do wartości 3-4 mm) oraz zapewnienie jednorodnego pola prędości powietrza w omorze nad badaną próbą papieru. Cienie warstewi przyścienne są rozpraszane przez występy prowadnic rami pomiarowej i nie wywierają wpływu na proces odwadniania próbi. W celu pomiaru ciśnienia powietrza p 0 w omorze (9) zainstalowano w niej manometr zegarowy (16) oraz czujni piezoeletryczny (17) typu 4101 A 2 firmy Kistler, z tórego sygnał przeazywany był poprzez wzmacniacz (18) typu 4653 tej samej firmy do oscylosopu (19) i rejestrowany w jego pamięci. W obu prostopadłych do siebie boach omory ciśnieniowej (9) wyonano otwory pomiarowe (22), poprzez tóre wprowadzono do środa sondę anemometryczną typu 55 AZZ firmy DISA (o częstotliwości własnej 20 Hz) do ciągłego pomiaru prędości przepływającego powietrza. Sonda ta współpracowała z zestawem aparatury termoanemometrycznej firmy DISA. Sygnał eletryczny podawany był na oscylosop typu KR 7401 i rejestrowany w jego pamięci, oraz na woltomierz cyfrowy V 540 Meratroni. Rys. 2. Komora ciśnieniowa urządzenia przedmuchowego wraz z prowadnicami rami W czasie filmowania procesu odształcania próbe papieru sondy są wyjmowane, a otwory pomiarowe zaślepione. Z bou omory ciśnieniowej (9) zainstalowano również podświetlacz mirosopowy próbi papieru (11) sprzężony eletrycznie z uładem optycznym (12) a zasilany poprzez autotransformator i tablicę rozdzielczą (13). W celu doładniejszego przedstawienia budowy i działania przedmuchowego urządzenia odwadniającego zamieszczono na rysunach 2 i 3 odpowiednie przeroje przez omorę ciśnieniową (9). Na rysunu 2 widać, że przesuwana rama pomiarowa słada się z dwóch części (2) i (3). Rama wyonana jest ze stopu aluminium. W jej obu częściach, poprzez wcisanie rame wewnętrznych (1) wyonanych z testolitu, zamocowane są sita fosforobrązowe o numerze 22. Na sicie (2) ładzie się materiał o przepuszczalności powietrza zbliżonej do przepuszczalności badanego papieru, a na sicie (3) próbę tego papieru. Rama, umieszczona na prowadnicach jest przesuwana bardzo szybo za pomocą uładu napędowego, współpracującego z silniiem wysooobrotowym (6). Wyorzystano silni szlifieri ręcznej o liczbie obrotów 317 obr./s. Uład napędowy obejmuje wałi: napędowy (7) i prowadzący (8) oraz pasi gumowe (9) z zaczepami (10). Po obu stronach rami zamocowane są pręty prowadzące (5). W chwili początowej rama pomiarowa (4) usytuowana była w taim położeniu, że jej pierwsza część (2) z wzorcowym materiałem przepuszczalnym znajdowała się pod omorą ciśnieniową (stanowiła jej dno), a zaczepy na pasach (9) były ta ustawione, ja to poazano na rysunu 2. Po nastawieniu optymalnej wartości ciśnienia p 0 w omorze ciśnieniowej (9), (rys. 1) następowało bardzo szybie przesunięcie rami w położenie robocze, w tórym dno tej omory stanowiła druga (robocza) część rami (3) z usytuowaną na sicie próbą 652 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD 2010

3 ruchu powierzchni odwadnianej próbi papieru (wsute jej odształcania się) oraz precyzyjne ustalenie zmian położenia puntu świetlnego na tej powierzchni względem wsaźnia (3) o regulowanym położeniu mocowanego po środu omory nadmuchowej. W przedniej części omory umieszczono szybę optyczną (2), przez tórą można było obserwować proces odwadniania próbi papieru. Na opisanym stoisu, można mierzyć podstawowe wielości charateryzujące proces przedmuchowego odwadniania próbe papierów, tj. zmiany w czasie t wydajności odwadniania (t) i grubości papieru b (t) (4, 5, 6, 7). Rys. 3. Komora ciśnieniowa urządzenia przedmuchowego wraz z uładem optycznym papieru. Rozpoczynał się proces przedmuchowego odwadniania badanej próbi papieru. W miejscu uderzenia przedniej rawędzi rami o podstawę urządzenia zainstalowano władę amortyzującą. Równocześnie z tym uderzeniem (po bardzo szybim przesuwie) przednia rawędź rami wcisa ramię mirołącznia (12) synchronizującego pracę aparatury ontrolno pomiarowej z położeniem rami oraz włączającego eletroniczny regulator czasu (7), sterujący zaworem eletromagnetycznym (6) na rurociągu doprowadzającym powietrze do urządzenia przedmuchowego. W czasie wyonywania pomiarów pase napędowy (9) ślizgał się w rowach walca napędowego (7), a zaczep (10) utrzymywał pręty prowadzące (5), zatem i ramę, w stałym położeniu. Wyjściowe położenie zaczepów (10) na pasach (9), poazane na rysunu 2, umożliwiało uzysanie przez silni napędzający (6), po jego włączeniu, odpowiedniej prędości obrotowej, zapewniającej przesuw rami z prędością o. 20 m/s. Czas przesunięcia rami z położenia początowego w położenie robocze wynosił zaledwie 0,01 s, co przy stosowanym pomiarowym przedziale czasu w granicach od 0,1 do 10,0 s zapewniało właściwą doładność pomiarów. Na rysunu 3 poazany jest uład optyczny zainstalowany wewnątrz rury przyspawanej do orpusu omory nadmuchowej. Sładał się on ze źródła światła (15), przesuwanej przesłony (16) oraz zespołu soczewe supiających (17). Jao źródło światła zastosowano żarówę 30 W/6V typu Nava, tóra posiada włóno żarzenia bliso bańi szlanej i tym samym zapewnia oświetlenie puntowe. Przesłona posiada szczelinę regulowaną w zaresie od 0,1 do 1,0 mm. Zespół soczewe supiających dawał wypadową ognisową równą 90 mm. Wnętrze rury optycznej i omory nadmuchowej zostało pomalowane czarną farbą matową. Umożliwia to filmowanie Metodya wyznaczania charaterysty odwadniania próbe i ich odształcania b Do pomiarów tych wycinano z morego arusza (220 x 880 mm) papieru uformowanego na urządzeniu typu ctp 18 firmy Allimans próbi o wymiarach 92 x 142 mm. Następnie, próbi te umieszczano na przepuszczalnym sicie zamocowanym w specjalnej ruchomej ramce, zainstalowanej w urządzeniu przedmuchowym w tai sposób, że przez pewien ściśle oreślony czas stanowiły one dno omory ciśnieniowej i poddawane były działaniu powietrza o zadanym ciśnieniu. Z tego samego arusza wycinano również próbi do pomiaru, początowej suchości s p oraz grubości b p. W czasie procesu przedmuchowego odwadniania próbe, można mierzyć w sposób ciągły ilość odprowadzanej wody oraz filmować proces odształcania próbe w celu oreślania zmian ich grubości. Wyznaczanie chara terysty odwadniania próbe Charaterystyi wyznaczono na podstawie pomiaru ilości wody odprowadzanej z próbe w czasie ich przedmuchowego odwadniania przy stałym spadu ciśnienia ( p = const) Do pomiarów ciągłych stosowano aparat typu M/K Systems (producji USA) o czułości 500 mv/(g/m 2 ) i częstotliwości własnej 1 Hz. Czujni tego aparatu typu M/K Systems 400 R zainstalowano bezpośrednio pod badaną próbą papieru. Sygnał z czujnia ierowano poprzez wzmacniacz do oscylosopu i zarejestrowano w jego pamięci. Na czujniu umieszczony był bardzo higrosopijny papier o gramaturze 900 g/m 2, tóry wchłaniał (bardzo szybo i równomiernie) wodę usuwaną z próbi. Papier ten formowano na aparacie Rapid Köthen z masy otrzymanej po rozwłónieniu papieru chromatograficznego Whatmana, tóry charateryzuje się bardzo szybim i równomiernym wchłanianiem wody w postaci rozproszonej w strumieniu powietrza. Dla odpowiednich ilości wody wchłanianej przez papier higrosopijny (stanowiących odwzorowanie ilości wody usuwanej z badanej próbi papieru) ustalono wcześniej właściwe nastawy wzmacniacza aparatu M/K Systems ta, aby zachowana była liniowość pomiędzy ilością wchłoniętej wody w g/m 2 a sygnałem napięciowym, przeazywanym z czujnia wilgotności do odpowiedniego anału pamięci oscylosopu. PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD

4 Nad eranem oscylosopu umieszczono salę w g/m 2, za pomocą tórej można było oreślić zawartość wody w papierze higrosopijnym w dowolnej chwili. Przebieg odwadniania badanej próbi (odwzorowany na papierze higrosopijnym) rejestrowano w pamięci oscylosopu, następnie odtwarzano i fotografowano za pomocą specjalnej naładi na eran oscylosopu. Przy odczycie (ze zdjęć) ilości wody w g/m 2, odprowadzonej z próbi papieru, odejmowano początową zawartość wody w papierze higrosopijnym (powietrznie suchym). Na podstawie tych pomiarów wyznaczono charaterystyi dla wszystich badanych papierów przy różnych wartościach różnicy ciśnień po obu stronach próbe, p. Dla ażdego papieru i ażdej wartości p rejestrowano w pamięci oscylosopu przebieg odwadniania 10-ciu próbe w zaresie suchości od s p =10% do suchości teoretycznej st tzn. możliwej do uzysania bez doprowadzania ciepła ( s = st ). Sposób oreślenia wartości suchości teoretycznej w oparciu o wsaźni WRV wg Jayme a opisano wcześniej (4, 5). Suchość początową s p morych aruszy papierów, z tórych wycinane były próbi do badań, oreślano metodą wagową wg normy PN-EN ISO 287:2009, a ich gramaturę zgodnie z normą PN-ISO 536:1996/Ap1:1999. W dalszych rozważaniach brano pod uwagę tylo próbi wycięte z aruszy o suchości s p =10% z tolerancją ± 0,3%. Odnośnie do gramatury stosowano tolerancję ±0,001 g/m 2. Przy ustabilizowanych warunach pracy urządzenia formującego nie było problemów z uzysaniem co najmniej pięciu taich próbe. W czasie badań procesu przedmuchowego odwadniania tych próbe, po ustaleniu oreślonej wartości ciśnienia p 0 w omorze ciśnieniowej urządzenia przedmuchowego przy przepływie powietrza przez materiał wzorcowy, wprowadzano do urządzenia ramę pomiarową z badaną próbą papieru. Rama zajmowała położenie początowe, a powietrze przepływało chwilowo przez materiał wzorcowy założony w pierwszej części rami (o podobnej przepuszczalności). Po ustaleniu się i zmierzeniu wartości ciśnienia p przesuwano ramę. Zajmowała ona teraz położenie robocze. 0 W ten sposób uniano wpływu fali uderzeniowej powietrza na wynii pomiarów. Przednia rawędź rami, uderzając w ramię mirołącznia, powodowała włączenie eletronicznego regulatora czasu, sterującego zaworem eletromagnetycznym na rurociągu, doprowadzającym powietrze do omory ciśnieniowej. Wyłączał on dopływ powietrza do tej omory po oreślonym czasie t 0. W tej części pomiarów (przy ciągłej rejestracji odwodnienia) stosowano długie czasy przedmuchu t 0 = 2 10 s. Przez cały czas czujni ciśnienia aparatu firmy Kistler przesyłał sygnał do odpowiedniego anału pamięci oscylosopu ta, że wartość ciśnienia p 0 w omorze ciśnieniowej była znana z doładnością do 1%. Oprócz ciągłych pomiarów ilości wody odprowadzanej z próbe wyonano szereg oresowych pomiarów suchości próbe przed i po operacji ich przedmuchowego odwadniania. Pomiary suchości wyonywano tradycyjną metodą ważenia próbe. Z morego arusza papieru wycinano w tym celu próbi do pomiaru suchości początowej s p i gramatury q oraz próbi (o wymiarach 92 x 142), tóre umieszczano na sicie rami pomiarowej urządzenia przedmuchowego i poddawano procesowi odwadniania przy różnych wartościach różnicy ciśnień po obu stronach próbi, p, w zaresie od 10 do 60 Pa oraz w różnych czasach t 0 w zaresie od 0,1 do 10,0 s. Czas przedmuchu powietrza o oreślonym ciśnieniu przez próbę ustalono za pomocą eletronicznego regulatora czasu. Po wyłączeniu dopływu powietrza do omory ciśnieniowej urządzenia przedmuchowego wyjmowano ramę pomiarową i oreślano suchość próbi s metodą wagową. Ilość wody odprowadzonej z próbi o oreślonym czasie t 0 obliczano ze wzoru: Q w q 100 = 1 r w s p 1 s A ilość wody swobodnej pozostałej w próbce (tylo dla s T ) z zależności: s V w q = r w s 1 st s > s parametr ten będzie miał zna Przy wartościach T i oreśla wodę związaną usuniętą z próbi na drodze jej suszenia. Te wielości nas nie interesują i nie będziemy ich obliczać. Z przeprowadzonej analizy błędu pomiarów i obliczeń wynia, że: Średnie odchyłi pomiaru suchości były równe ± 0,35%, a masymalny błąd względny wynosił 2,0%; Średnie odchyłi obliczeń odwodnienia Q w wynosiły od ± 0, do 0, m 3 /m 2 w zależności od gramatury próbi, a masymalny błąd względny zawierał się w granicach od 0,6% do 1,4%. Wyznaczanie charaterysty odształcenia próbe (zmiany ich grubości b) b W celu wyznaczenia zależności b dla danego papieru, przy różnych wartościach p filmowano proces przedmuchowego odwadniania próbe tych papierów w urządzeniu przedmuchowym. Uład optyczny wyregulowany był w tai sposób, aby obraz szczeliny (w przesłonie) na sicie rami pomiarowej w położeniu roboczym tworzył bardzo jasną i wyraźną linię o długości 1-2 mm. Obietyw amery (oś obietywu uchylona była od płaszczyzny poziomej o 5 ) zapewniał widoczność poprzez pryzmat zarówno puntu odniesienia na wysalowanym wsaźniu, ja i wyświetlanej przez uład optyczny resi pomiarowej. Wsaźni oraz powierzchnię próbi oświetlano lampą mirosopową w tai sposób, że najwyraźniej odznaczała się resa pomiarowa. Częstotliwość pracy amery ustalono na 1000 zdjęć w ciągu seundy. Kamerę włączano tuż przed uruchomieniem silnia przesuwu rami. Podczas procesu przedmuchowego odwadniania próbi, amera 654 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD 2010

5 rejestrowała obniżenie się resi pomiarowej wyświetlanej na jej powierzchni. Na brzegu taśmy filmowej rejestrowano czas procesu za pomocą eletronicznego znacznia czasu. Umożliwiało to bardzo doładne (z doładnością do 0,001 s) ustalenie czasu, w jaim zachodziły sfilmowane etapy obniżania się powierzchni próbi. Po wywołaniu taśmy zarejestrowany obraz analizowano przy użyciu analizatora mirosopowego. Najpierw ustalono salę pomiarową (i) filmu (rys. 4). Krzyż obietywu ustawiono za pomocą śrub mirometrycznych w uładzie współrzędnych prostoątnych w tai sposób, aby pionowa linia rzyża porywała się z rawędzią boczną wsaźnia, a linia pozioma przechodziła przez punt zerowy podziałi, naniesionej na tym wsaźniu. Znając rzeczywiste wartości odległości pomiędzy resami podziałi na wsaźniu, odczytywano ilarotnie odpowiadające im wartości na bębnie analizatora. Ustalono, że sala pomiarowa (i) wynosi 1:1,25. Sposób odczytu wielości deformacji wstęgi ( y) na poszczególnych latach filmu wyjaśniono na rysunu 5. Odczytywano wartość odległości plami wyświetlanej na powierzchni próbi od resi zerowej zaznaczonej na sali wsaźnia. Ponieważ badano próbi o suchości początowej s 10%, a więc nigdy na powierzchni próbi nie występowało p lustro wody i zmiany położenia plami pomiarowej obrazowały zmiany grubości próbi z doładnością zależną od chropowatości jej powierzchni. Wielość odształcenia próbi oreślano z zależności: ( y y ) i b = 2 1 a wartość parametru b ze wzoru: b( t) = bp p Odczyty wartości parametru y (z doładnością do 0,005 mm) wyonano z late filmu w odstępach czasowych co 0,025 s. Odpowiadało to długości taśmy filmowej 195 mm. Do dalszych rozważań brano średnią wartość odczytów z dwóch sąsiednich late filmu. Różnica czasu pomiędzy tymi odczytami (latami filmu) wynosiła zaledwie 0,002 s. Dla tego rodzaju papieru filmowano proces odształcania dziesięciu próbe przy zmianie ich suchości od wartości początowej s p 10% do ońcowej s > s T podobnie ja to zrobiono w przypadu rejestracji odwodnienia próbe. W ażdym aruszu badanego papieru o suchości początowej s p 10% mierzono w dziesięciu miejscach na całej jego powierzchni grubości b p. Do dalszych rozważań brano średnią wartość z tych pomiarów. Pomiaru grubości morego papieru doonywano za pomocą odpowiednio przystosowanego sferometru (rys. 6). Na ońcu śruby mirometrycznej sferometru zamocowano pisa (2), tóry po zetnięciu z powierzchnią morego papieru, leżącego na szlanej płytce, powodował powstawanie bardzo wyraźnego śladu. Umożliwiało to oreślenie właściwej chwili odczytu wartości mierzonej b p. Ten sposób pomiaru grubości morego papieru zapewniał doładność odczytu ±0,01 mm przy doładności przyrządu równej ±0,001 mm. Niezależnie od ciągłej rejestra- cji na taśmie filmowej zmian grubości próbe papierów w urządzeniu przedmuchowym, doonywano oresowych pomiarów (za pomocą sferometru) grubości próbe wyjmowanych z tego urządzenia po odpowiednim odwodnieniu. Umożliwiało to ontrolę prawidłowości wyonywania pomiarów odształcenia próbe metodą ciągłą Rys. 4. Schemat do oreślenia sali pomiarowej filmu Rys. 5. Schemat do oreślenia wielości odształcenia próbi z filmu Rys. 6. Sferometr 1 próba papieru, 2 pisa, 3 podstawa, 4 stoja, 5 listwa pomiarowa, 6 tarcza pomiarowa i oresową, ja również oreślenie wielości ewentualnych odształceń sprężystych próbe wewnątrz omory ciśnieniowej. Wynii pomiarów i ich omówienie W oparciu o przedstawioną metodyę badano proces odwadniania i odształcania papierów filtracyjnych na próbach laboratoryjnych o gramaturze 120 g/m 2 i sładzie masowym: 50% celuloza siarczanowa bielona sosnowa, 50% celuloza buowa wisozowa, melaform PM 80, siarczan glinu. Z badań przeprowadzonych w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii (8) wynia, że ten sład masy jest bardzo dobry dla papierów filtracyjnych używanych w motoryzacji i lotnictwie. Próbi papieru z tej masy były formowane na aparacie do dynamicznego formowania papieru firmy Allimand. PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD

6 zerowy. Wynii tych pomiarów dla badanego papieru oraz wybranych wartości różnicy ciśnień p podano w postaci wyresów na rysunach 7-9. Krzywe zamieszczone na tych rysunach obrazują przebieg zmian ilości wody odprowadzonej z próbe papieru w czasie procesu ich przedmuchowego odwadniania w odniesieniu do powierzchni 1 m 2,. Z analizy wyresów zamieszczonych na rysunu 7 wynia, że w miarę upływu czasu przedmuchowego odwadniania badanych próbe całowita ilość wody z nich odprowadzona wzrasta (początowo bardzo intensywnie) aż do pewnego poziomu (w przybliżeniu stałego dla danego rodzaju papieru), przy tórym proces się ończy. Czas, po tórym ten moment następuje, jest tym dłuższy, im mniejsze jest ciśnienie powietrza p 0 w omorze ciśnieniowej, a więc mniejsze p. W celu doładnego potwierdzenia wyniów badań wyonano oresowe pomiary suchości próbe papierów odwadnianych metodą przedmuchu powietrza na stoisu pomiarowym (rys. 1). Sposób ten charateryzuje stosunowo mały błąd pomiarów i obliczeń. Średnie wynii pomiarów (z pięciu wyonanych) przedstawiono na wyresach rysunu 8. Rys. 7. Charaterystyi odwadniania papieru filtracyjnego (pomiar ciągły) Na rysunu naniesiono również odpowiednie rzywe 1 p = 10 Pa, 2 p = 30 Pa otrzymane na podstawie obliczeń teoretycznych (T) wg wzorów opisanych wcześniej w literaturze (4, 5 i 8). Ja widać z rysunu 8, dla badanego rodzaju papieru występuje duża zgodność rzywych oreślonych teoretycznie oraz odpowiednich rzywych doświadczalnych (E) w całym zaresie stosowanych wartości ciśnień powietrza p 0. W czasie pomiarów uzysiwano suchości ońcowe próbe papieru o wartościach nieco więszych od suchości teoretycznych s T, co można wyjaśnić tym, że w ońcowym etapie procesu przedmuchowego odwadniania próbe rozpoczynał się proces ich suszenia tym intensywniejszy, im więsza była prędość przepływu powietrza przez próbę. Zjawiso to wywierało tylo niewieli Rys. 8. Krzywe zależności dla papieru filtracyjnego (pomiar oresowy) wpływ na ońcowe efety badanego procesu 1 p = 10 Pa, 2 p = 20 Pa, 3 p = 30 Pa, 4 p = 40 Pa, i może być w rozważaniach pominięte. 5 p = 50 Pa, 6 p = 60 Pa Analiza otrzymanych charaterysty odwadniania Ze zdjęć eranu oscylosopu odczytywano olejne wartości nawadniania papieru higrosopijnego w g/m 2 w odstępach czasu co 0,2 s. Dla tego rodzaju papieru i ażdej wartości ciśnienia powietrza ( p 0 = const) odczytywano pięć wartości z pięciu zdjęć, a do dalszych rozważań brano wartość średnią. Początową zawartość wilgoci w papierze higrosopijnym (powietrznie suchym) przyjmowano przy odczycie parametru Q, jao punt w Analiza wyniów pomiaru Najwięszy wpływ na intensywność odwadniania, rozumianą jao stosune / t, wywiera niewątpliwie różnica ciśnień p, przy czym intensywność ta maleje ze wzrostem suchości papieru aż do wartości zbliżonej do zera przy suchościach ońcowych ( s = st ). Średnia intensywność odwadniania badanego, labaratoryjnego filtracyjnego papieru w zaresie suchości od s p 10% do ( s st ), przy stosowanych różnicach ciśnienia powietrza od 10 do 60 Pa, zawierała się w granicach od 1, do 7, m 3 /(m 2 s). 656 PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD 2010

7 Podczas prób wytwarzania papierów filtracyjnych na onwencjonalnych maszynach papierniczych nie można było nigdy uzysać intensywności odwadniania więszej niż 0, m 3 /(m 2 s). Główną przyczyną wysoiej intensywności odwadniania przedmuchowego jest przetaczanie przez pory wstęgi powietrza o zwięszonej gęstości oraz bra wtórnego nawilżania wstęgi. Intensyfiacja odwadniania w onwencjonalnych prasach walcowych jest realizowana głównie przez zwięszenie siły docisu walców, a to powoduje gwałtowne zagęszczenie wstęgi i znaczne pogorszenie najważniejszych właściwości użytowych papierów chłonnych. Obecnie papiery tego typu (o zadowalającej jaości) wytwarzane są w raju na bardzo prymitywnych maszynach, umożliwiających jedynie producję wytworów wielowarstwowych w aruszach w sposób oresowy i przy bardzo małej wydajności. Ja wyazały doświadczenia, intensywność przedmuchowego odwadniania papierów filtracyjnych gwarantuje możliwość ich ciągłej producji w optymalnych warunach (tzn. przy nisim stężeniu początowym, o. 0,05%) zapewniających wysoą jaość. Analiza otrzymanych charaterysty odształcenia b W odróżnieniu od innych wytworów papierniczych, papiery i artony filtracyjne mają normowaną grubość, a nie gramaturę. Bardzo ważną ich właściwością użytową jest równomierność grubości, zależna od przebiegu odształcenia podczas odwadniania. Badania procesu odształcenia próbe papieru w czasie ich przedmuchowego odwadniania wyonywano zgodnie z metodyą opisaną w podrozdziale Metodya wyznaczania charaterysty odształcenia próbe b. Wynii pomiarów zobrazowano na rysunu 9. Ja widać, rzywe zależności b mają przebieg podobny, lecz w odwrotnym ierunu, do opisanych wcześniej rzywych. Grubość wstęgi maleje począwszy od wartości b p (początowo bardzo intensywnie) aż do pewnego poziomu b (w przybliżeniu stałego dla danego rodzaju papieru), przy tórym następuje bardzo wyraźna stabilizacja tego procesu. Czas t 0, po tórym następuje stabilizacja procesu odształcania próbe, wzrasta ze zmniejszaniem różnicy ciśnień p, a więc podobnie ja to miało miejsce z odwodnieniem Q w. Dla ażdej wartości p osiągano ońcową, charaterystyczną dla rodzaju badanego papieru, grubość ońcową b. Grubość tę uzysiwano dla danego papieru w właściwym dla jego strutury czasie t 0. Odpowiednie wartości parametru t 0 w obu omawianych procesach (odwadniania i odształcania) są pratycznie jednaowe. Potwierdza to słuszność przyjętego na początu rozważań założenia, że istnieje ścisły związe pomiędzy ilością odprowadzonej z papieru wody swobodnej a jego grubością. W czasie wyonywania oresowych pomiarów suchości próbe papierów, wyjmowanych z urządzenia przedmuchowego po różnym czasie przedmuchu, mierzono również wyrywowo grubości tych próbe za pomocą sferometru (rys. 6). Porównanie Rys. 9. Charaterystyi odształcenia b papieru filtracyjnego 1 p = 10 Pa, 2 p = 30 Pa, 3 p = 60 Pa odpowiednich wartości grubości próbe, oreślonych w omorze ciśnieniowej (z filmu) oraz poza nią (za pomocą sferometru), pozwala stwierdzić, że próbi te nie rozprężają się (nie pęcznieją), a więc nie ma odształceń sprężystych papieru w urządzeniu przedmuchowym. Odształcenie wstęgi powstaje przede wszystim wsute przesunięć względnych i przemieszczeń poszczególnych włóien. More włóna zmieniają swój ształt, ale ich objętość pozostaje niezmieniona dopói nie wystąpi surcz charaterystyczny dla suszenia wstęg włónistych. Podobnie, po osiągnięciu suchości ońcowej ( s st ) próba uzysuje stałą grubość b, zależną tylo od rodzaju papieru. Oznacza to, że przepływ powietrza przez pory utworzone w papierze o suchości ( s st ) nie powoduje istotnej zmiany grubości papieru dopói nie wystąpi wspomniany surcz w wyniu suszenia papieru. W oparciu o powyższe spostrzeżenie, można stwierdzić, że odształcenia morego papieru odwadnianego metodą przedmuchu powietrza zachodzą inaczej niż to ma miejsce przy prasowaniu papieru w prasach wałowych o dużych docisach walców. Prasowanie papieru w prasach wałowych (przy dużych docisach walców) powoduje jego odształcenia, będące sutiem zarówno odształceń poszczególnych włóien (zmiany ich objętości), ja i wzajemnych przesunięć między włónami. Natomiast w przypadu odwadniania przedmuchowego nie występuje zmiana objętości włóien. Włóna przez cały czas odwadniania cechuje zawartość wody, odpowiadająca suchości teoretycznej papieru s T. Usuwana jest tylo woda swobodna, za- PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD

8 Rys. 10. Schemat obrazujący zmianę ształtu włóien w papierze odwadnianym przedmuchowo warta w porach międzywłónistych. W miejsca opróżnione przez wodę przesuwają się more włóna, tóre równocześnie mogą zmieniać swój ształt (tym bardziej im bardziej są elastyczne) ta, ja to poazano schematycznie na rysunu 10. Wyjaśnia to związe pomiędzy odształceniami próbi (zmianą jej grubości) a ilością odprowadzonej z niej wody swobodnej. Wniosi W oparciu o analizę wyniów uzysanych w czasie badań próbi papieru filtracyjnego można sprecyzować szereg wniosów ońcowych: Grubość wstęgi papieru w czasie procesu jej przedmuchowego odwadniania zmienia się zgodnie z zależnością: b ( t ) = b + yψ y V ( t ) (5) w przy czym Ψ oznacza współczynni odształcenia zależny głównie od elastyczności włóien. Wartość tego współczynnia dla badanych próbe papieru filtracyjnego wyniósł o. 0,4. Grubość papieru podczas jego przedmuchowego odwadniania maleje ze zmienną szybością. Początowo szybość ta jest dość znaczna, stopniowo maleje, osiągając wartość blisą zera przy suchości papieru zbliżonej do wartości teoretycznej s T, przy czym grubość papieru zmniejsza się do stałej wartości, równej b, niezależnie od wartości różnicy ciśnień p. Intensywność przedmuchowego odwadniania badanych papierów maleje w miarę wzrostu ich suchości. Bez względu na wartość różnicy ciśnień po obu stronach odwadnianej wstęgi, minimalna (blisa zera) wartość tego parametru występuje przy tej samej suchości papieru ( s st ). Wzrost wielości różnicy ciśnień powoduje zwięszenie średniej intensywności odwadniania. Za pomocą nieogrzanego powietrza, można całowicie usunąć z papieru wodę swobodną, uzysując jego suchość na poziomie suchości teoretycznej s. Wartość tego parametru może być T z wystarczającą doładnością oreślona w oparciu o wsaźnii WRV wg Jayme a. Konieczną i wystarczającą wartość czasu przedmuchu t, można oreślić analitycznie (4, 5, 8). Dla badanych próbe papieru filtracyjnego parametr ten zawiera się w szeroich granicach od 0,5 s do 3,0 s w zależności od wielości różnicy ciśnień p. Dalszy wzrost suchości papieru wymaga jego suszenia przy użyciu powietrza o podwyższonej temperaturze. Intensywność odwadniania badanych próbe papieru filtracyjnego była bardzo duża i zawierała się w zależności od różnicy ciśnień p w granicach 0, do 7, m 3 /(m 2 s). Są to wielości dziesięciorotnie więsze w porównaniu z onwencjonalnymi metodami odwadniania tych papierów, co umożliwia ich wytwarzanie w optymalnych warunach gwarantujących wysoą jaość wytworów, tzn. przy początowym stężeniu włóien w wodzie rzędu 0,05%. Wysoa efetywność procesu przedmuchowego odwadniania papierów i artonów wynia z przetłaczania przez nie powietrza o zwięszonej gęstości oraz wyeliminowania zjawisa wtórnego nawodnienia wstęgi. Dane uzysane podczas badań dają podstawę do zaproponowania nowego systemu urządzeń w maszynach papierniczych wytwarzających papiery i artony filtracyjne, pras powietrznych odwadniających i suszących (w zależności od temperatury stosowanego powietrza). W budowie opisanego stanowisa znaczący udział brał dr inż. Krzysztof Stępień obecnie ierowni Załadu Poligrafii w IPiP (9). Literatura 1. Kawa W., Ingielewicz H.: Odwadnianie i suszenie papieru na maszynie papierniczej metodą przedmuchu powietrza, Przegl. Papiern. 28, 11, (1972). 2. Kawa W., Ingielewicz H.: Nowa technia wytwarzania papierów porowatych z zastosowaniem urządzeń przedmuchowych, Przegl. Papiern. 30, 1, (1974). 3. Kawa W., Ingielewicz H, Mare I.: Badania nowych urządzeń do intensywnego odwadniania i suszenia porowatych wytworów papierniczych, Przegl. Papiern. 34, 3, (1978). 4. Kawa W.: Konsolidacja chłonnych wstęg włónistych w maszynach papierniczych za pomocą przepływu powietrza, Wyd. PŁ, Rozprawy habilitacyjne, Kawa W.: The analysis of the consolidation process of the paper web in the air press, Tappi J. 48, 2, 1-30 (2001). 6. Kawa W., Reczulsi M.: Konsolidacja wstęgi papieru w prasie powietrznej, Inżynieria i aparatura chemiczna 48, 2, (2009). 7. Kawa W., Rogut R., Szymańsi A.: Tendencje technologiczne w producji papierów filtracyjnych dla motoryzacji i lotnictwa, Przegl. Papiern. 64, 8, (2008). 8. Sprawozdanie z wyonania grantu badawczego N /0096 Nowoczesne papiery filtracyjne dla motoryzacji i lotnictwa ( ). 9. Kawa W., Ingielewicz H., Stępień K.: Badania procesu przedmuchowego odwadniania papierów chłonnych wraz z budową stoisa doświadczalnego, prace własne IPiP PŁ PRZEGLĄD PAPIERNICZY 66 LISTOPAD 2010