CN106337259A - 一种干布热定型过程织物实时温度的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干布定型机热定型过程织物温度的估算方法，可以在干布热定型的过程中使用，使用方法简单。仅需要在加工该织物情况下，采样一次实际织物表面温度(采集的点越多，辨识准确性越高)，基本就能明确织物实际温度的变化情况，有利于设定合理的工艺参数。

Description

一种干布热定型过程织物实时温度的估算方法

技术领域

本发明涉及工业自动控制领域，涉及一种热定型机的建模方法。

背景技术

在纺织品染整加工过程中，织物要受到(包括物理机械的、化学的)多种复合作用。使得产品在外部形态及结构尺寸上有所变化，有的甚至失去了织物所应具备的形态、外观和风格，严重影响了服用性能。因此确保织物的外部形态和尺寸的稳定性是衡量产品质量的一个重要标准。通常将稳定织物的外观、形态和尺寸的处理过程称定型处理，针对不同纤维织物的特点，有着多种不同的定型处理方法，其中包含化学方法(如棉织物的树脂整理、丝光等)和物理机械方法(如毛织物煮、蒸呢，合成纤维热定型等)。

在合成纤维的大分子结构中一般不含有亲水基团，分子链排列紧密，结构紧凑，吸湿溶胀性极差，因而在常态下合成纤维的缩水现象并不明显，然而合成纤维具有良好热塑性，当处于温度较高的环境中时，大分子链段间的重排使得纤维微结构和形态发生很大变化，这些变化又可通过降低环境温度而被相对永久保持下来。这种热塑性可集中表现在合成纤维织物于染整加工中的形态多样性。合成纤维及其混纺织物在纺织染整加工过程中，有多次受到干、湿热处理的历史，且织物在运行过程中要受到各种张力的拉伸作用，因而其外形、尺寸始终处于多变复杂的状态，如经、纬向长度变化(收缩或伸长)，布面折皱、手感粗糙等，给产品质量带来了严重影响：针对这一问题，为了提高合成纤维的热稳定性，采用热处理的方法，利用其热塑性对合成纤维予以定型。也就是将织物在张力下置于高温环境中(如180～200℃)，并保持一定的尺寸或形态，热处理一段时间后，迅速冷却降温，使改变了的纤维微结构被固定下来，在宏观上赋予了织物相对稳定的尺寸和形态。由于是热处理的方法，故称为热定型。

热定型的工艺参数在加工过程中一直是个难题，对热定型效果影响最大的参数最主要的是温度、时间、张力。

织物热定型后热收缩性、机械性能、上染性、白度等均与定型温度有着密切关系。而热定型工艺中规定的温度通常是指织物基质实际所到达的温度，它是保证定型质量的最重要因素。然而合成纤维的热定型是在热定型机中进行的。定型机上仪表所指示的温度，实际上仅表示定型机烘室内所达到的温度值，而并不能说明织物主体实际所达到的温度，因而定型机烘室温度与织物主体温度之间存在着差异。在热定型过程中，烘室温度一般可控制固定不变，而织物主体温度则随着织物纤维、组织结构、运行速度等因素的不同而变化着。由于织物表面的实体温度在实际生产中难以测试并显示出来，故工艺上的定型温度往往被定型机的烘室温度所代替，这种烘室温度与变化的织物主体表面温度的差异，会给热定型质量带来一定问题，往往织物主体表面的实际温度低于机器烘室的温度，这显然是无法获得良好定型效果的。

发明内容

本发明正是基于上述问题，提出一种干布热定型过程织物实时温度的估算方法，从而方便定型机设定有效的车速和烘箱温度。

本发明提供的技术方案是：

一种干布定型机热定型过程织物温度的估算方法，包括以下步骤：1)确定织物主体温度模型：

设时间为参变量，设定布匹定型时的速度为v，取其中微小长度Δx,那么所需的时间应该是Δτ＝Δx/v，则Δx这段距离所对应的面积周围的热空气的温度为T_air(τ)，记瞬时换热为h(τ)，

根据能量守恒定律，单位时间内热空气通过射流方式进行对流换热，传给织物的热量应等于织物内部焓的增量，得到了如下的表达式：

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\τ}\right)=h\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}S\[T_W\left(\mathrm{\τ}\right)-T\left(\mathrm{\τ}\right)\]={\mathrm{\ρc}}_p\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}V\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

这里面，

Φ(τ)在单元时间内通过ΔS面积的换热量，称为热流量，单位是W。

ΔS是单元织物换热面积，单位是m²

h(τ)瞬时对流换热系数，单位是W/(m²·℃)

T(τ)单元织物经过加热时间Δτ后的温度，单位℃

T_W(τ)布匹的边界温度，单位℃

ρ被加热的织物的密度，单位是kg/m³

c_p(τ)被加热的织物的定比压热容，单位是J/(kg·℃)

τ布匹在烘箱内的时间，单位s

平衡方程建立了表面对流换热速率与织物内能变化速率之间的关系，取单位长度为计算单元体，因此有ΔV/ΔS＝δ，δ是织物厚度，公式(1)进行变形，得到：

$\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\[T\left(\mathrm{\τ}\right)-T_W\left(\mathrm{\τ}\right)\]=0---\left(2\right)$

进行积分分离，令θ＝T_W(τ)-T(τ)，取初始条件为τ＝0，T＝T₀，且微分方程初始条件可以写成：

$\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\θ}=0---\left(3\right)$

将初始条件θ₀＝T_W0(τ)-T₀代入，经过计算后，可得：

$\mathrm{\θ}=c\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\]---\left(4\right)$

此处c是积分常数，

由于

因此，

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_w\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_0-T_{w0})---\left(5\right)$

其中，边界温度T_w(τ)可以用下式近似表示，

$T_w\left(\mathrm{\τ}\right)\≈\[\frac{T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)+T\left(\mathrm{\τ}\right)}{2}\]---\left(6\right)$

假定热空气温度基本稳定，即T_air＝T_air(0)，因此：

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[\frac{\ln \left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_{air\left(0\right)}-T_0)---\left(7\right)$

2)h(τ)的确立

h(τ)可以通过专用设备(可见专利申请：申请号：2016105954975，一种定型机用织物温度无线记录装置以及记录方法)利用实验方式获取T(τ)数据，并结合T_air的值，利用一些数据拟合的方法得到。

本发明作为一种有效的织物温度实际估算方法，可以在干布热定型的过程中使用，使用方法简单。仅需要在加工该织物情况下，采样一次实际织物表面温度(采集的点越多，辨识准确性越高)，基本就能明确织物实际温度的变化情况，有利于设定合理的工艺参数。

附图说明

图1为本发明的数据拟合示意图一。

图2为本发明的数据拟合示意图二。

图3为本发明的数据拟合示意图三。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

1)织物主体传热机理分析：

在定型过程中，布匹在定型机的烘箱内进行移动，织物主体(布匹)实质是靠定型机内喷射的热风射流进行加热，热风射流模型极其复杂，在工程应用上难以直接利用。因此本发明从织物主体的导热原理出发，来建立对象模型。

定型过程中，布匹或从室温进入烘箱，或从上级烘箱进入到下级烘箱，在达到定型温度前都属于加热过程，这种温度升高是因为在织物主体表面上发生了对流换热的结果。织物在传热过程中，由于织物很薄，通常在几个毫米，可以视为织物内外温度一致。

同时我们知道，当定型机某节烘箱温度设定好后，温度在热定型过程中，一般可控制固定不变，而且在定型机中通过对射流间距，开孔大小，孔的布置等手段能实现有效的均热，这就保证了宽度和长度方向的温度均匀稳定，只需要分析计算织物厚度方向的传导传热，因此织物在定型机烘房内的传热是一维非稳定非周期的瞬态导热。

2)织物主体温度模型的确立

布匹传导传热计算模型是解决非稳态非周期瞬态导热问题、计算薄材温度变化的方法，是一维非稳定瞬态导热的严格解。

设时间为参变量，知道某型布匹定型时的速度为v，取其中微小长度Δx,那么所需的时间应该是Δτ＝Δx/v。则Δx这段距离所对应的面积周围的热空气的温度为T_air(τ)，记瞬时换热为h(τ)。

根据能量守恒定律，单位时间内热空气通过射流方式进行对流换热，传给织物的热量应等于织物内部焓的增量。得到了如下的表达式：

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\τ}\right)=h\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}S\[T_W\left(\mathrm{\τ}\right)-T\left(\mathrm{\τ}\right)\]={\mathrm{\ρc}}_p\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}V\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

这里面，

Φ(τ)在单元时间内通过ΔS面积的换热量，称为热流量，单位是W。

ΔS是单元织物换热面积，单位是m²

h(τ)瞬时对流换热系数，单位是W/(m²·℃)

T(τ)单元布匹经过加热时间Δτ后的温度，单位℃

T_W(τ)布匹的边界温度，单位℃

ρ被加热的布匹的密度，单位是kg/m³

c_p(τ)被加热的布匹的定比压热容，单位是J/(kg·℃)

τ布匹在烘箱内的时间，单位s

平衡方程建立了表面对流换热速率与织物内能变化速率之间的关系。取单位长度为计算单元体，因此有ΔV/ΔS＝δ,δ是织物厚度。公式(1)进行变形，得到：

$\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\[T\left(\mathrm{\τ}\right)-T_W\left(\mathrm{\τ}\right)\]=0---\left(2\right)$

进行积分分离，令θ＝T_W(τ)-T(τ)，取初始条件为τ＝0，T＝T₀，且微分方程初始条件可以写成：

$\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\θ}=0---\left(3\right)$

将初始条件θ₀＝T_W0(τ)-T₀代入，经过计算后，可得：

$\mathrm{\θ}=c\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\]---\left(4\right)$

此处c是积分常数。

由于

因此，

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_w\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_0-T_{w0})---\left(5\right)$

其中，边界温度T_w(τ)可以用下式近似表示。

$T_w\left(\mathrm{\τ}\right)\≈\[\frac{T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)+T\left(\mathrm{\τ}\right)}{2}\]---6)$

假定热空气温度基本稳定，即T_air＝T_air(0)。因此：

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_{air\left(0\right)}-T_0)---\left(7\right)$

从上式可知，织物温度是时间的函数，受织物加工行进速度影响，此外同织物的物性参数以及织物同热风间的换热系数h(τ)有关。

织物在热定型中主要受到冲击射流以及常规对流的影响，h(τ)是一个变量，受影响的因素非常多，机理模型非常复杂。

h(τ)同喷嘴形状及分布等构成的几何位置系数、织物密度、比热容、热空气的喷射速度、气体粘度、喷嘴热风出口温度、织物速度、织物瞬时温度等相关，其中在加工过程中，由于机械结构影响的参数都可视为常数，在实际生产中，织物速度恒定，设定后的喷嘴热风出口温度及速度保持稳定，因此换热系数h(τ)的时变特性主要同织物的瞬时温度相关。

2)h(τ)的确立

在应用中h(τ)是一个变值，如果h(τ)变化不大，那么就可以在实际中用数据处理的办法来进行拟合，从而得到一个定值来进行逼近，有利于实际应用，为验证这一看法，本发明采用实验的方式来进行验证。

以某涤纶织物(克重230g/㎡，幅宽180cm)热定型过程为研究对象，在韩国理和Platinmu定型机中进行热定型，配置8节烘箱，每节烘箱长度3m。分别给定设定温度180℃,190℃,200℃进行测试(由于定型工艺需要，一般温度值跨度都非常小，这里为了验证需要，已经属于较大区间)

如图1，纵坐标为温度(℃)，横坐标为时间(s)，设定温度为180℃时：这里“*”为实际采样的数据，实线是实际拟合的曲线，吻合度非常高；

如图2，在190℃时候，拟合度较好；如图3，在200℃时候，拟合同样较好；

结果表明，推导的模型基本准确，且h(τ)在较小的温度变化时候，差异不大，可以视为一个常数，通过一组数据，采用曲线拟合的方法能够确定该值；

上述的图形可视为本发明的一个具体实施例，但发明不限定于上述情况所对应的具体数值，发明提供了一种有效的织物温度实际估算方法，可以在干布热定型的过程中使用，使用方法简单。

仅需要在加工该织物情况下，采样一次实际织物表面温度(采集的点越多，辨识准确性越高)，基本就能明确织物实际温度的变化情况，有利于设定合理的工艺参数。

Claims (1)

1.一种干布定型机热定型过程织物温度的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定织物主体温度模型：

设时间为参变量，设定布匹定型时的速度为v，取其中微小长度Δx,那么所需的时间应该是Δτ＝Δx/v，则Δx这段距离所对应的面积周围的热空气的温度为T_air(τ)，记瞬时换热为h(τ)，

根据能量守恒定律，单位时间内热空气通过射流方式进行对流换热，传给织物的热量应等于织物内部焓的增量，得到了如下的表达式：

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\τ}\right)=h\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}S\[T_W\left(\mathrm{\τ}\right)-T\left(\mathrm{\τ}\right)\]={\mathrm{\ρc}}_p\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}V\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

这里面，

Φ(τ)在单元时间内通过ΔS面积的换热量，称为热流量，单位是W，

ΔS是单元织物换热面积，单位是m²，

h(τ)瞬时对流换热系数，单位是W/(m²·℃)，

T(τ)单元布匹经过加热时间Δτ后的温度，单位℃，

T_W(τ)布匹的边界温度，单位℃，

ρ被加热的布匹的密度，单位是kg/m³，

c_p(τ)被加热的布匹的定比压热容，单位是J/(kg·℃)，

τ布匹在烘箱内的时间，单位s，

平衡方程建立了表面对流换热速率与织物内能变化速率之间的关系，取单位长度为计算单元体，因此有ΔV/ΔS＝δ，δ是织物厚度，公式(1)进行变形，得到：

$\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\[T\left(\mathrm{\τ}\right)-T_W\left(\mathrm{\τ}\right)\]=0---\left(2\right)$

进行积分分离，令θ＝T_W(τ)-T(τ)，取初始条件为τ＝0，T＝T₀，且微分方程初始条件可以写成：

$\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\θ}=0---\left(3\right)$

将初始条件θ₀＝T_W0(τ)-T₀代入，经过计算后，可得：

$\mathrm{\θ}=c\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\]---\left(4\right)$

此处c是积分常数，

由于

因此，

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_w\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_0-T_{w0})---\left(5\right)$

其中，边界温度T_w(τ)可以用下式近似表示，

$T_w\left(\mathrm{\τ}\right)\≈\[\frac{T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)+T\left(\mathrm{\τ}\right)}{2}\]---\left(6\right)$

假定热空气温度基本稳定，即T_air＝T_air(0)，因此：

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_{air\left(0\right)}-T_0)---\left(7\right)$

2)h(τ)的确立

h(τ)用数据处理的办法来进行拟合而得到。