CN110763828A - 一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法 - Google Patents

一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，具体如下：针对某个待测定的纸张干燥过程，测试记录纸张在不同干燥时间t时的重量Wt和纸张的绝干质量Wo，由式μ＝(Wt‑Wo)/Wo得到纸张的干基湿含量；在二维坐标系中绘制出测试的数据点(t，μ)，利用μ与t的关系模型进行曲线拟合，进而建立μ与t函数关系μ＝f(t)；由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))计算获得蒸发热随纸张干基湿含量变化情况。本发明克服了“等温吸附线”法复杂繁琐、不具备通用性的问题，更简单、快捷，容易获得不同原料及工艺条件下纸张干燥过程蒸发热的具体情况。

Description

一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法
技术领域
本发明涉及一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，属于造纸加工技术领域。
背景技术
纸张是一种由纤维(主要是植物纤维)和其他固体颗粒物质(如填料、胶料、助剂等非纤维添加物质)交织结合而成，具有吸湿性、多孔性和网状物性的薄张材料。纸张在抄造过程中，浆料经过成型、压榨后，仍有约45％～60％(即水分质量占湿纸总质量的百分比)的水分存在湿纸张中，需要在干燥部进一步蒸发脱除，以达到成品干度(约92％，即纸张的绝干质量占成品质量百分比) 的要求。
依据水分子受到束缚力的不同，湿纸张中水分可以划分为三种形式：游离水、毛细管水和结合水。不同形式的水分蒸发需要的蒸发热是不一样的。由不同纤维原料、不同成型、压榨工艺生产出的湿纸张，游离水、毛细管水和结合水的含量千差万别，蒸发所需要的蒸发热也大不相同，这给纸张干燥过程热能的分配与控制带来了极大的困难。目前行业内给纸张干燥过程供热的蒸汽-冷凝水系统大都依赖经验进行生产调节，不可避免的会造成能源的浪费，据IPST (Institute of Paper Science and Technology，造纸科学与技术研究所)的研究，纸张干燥过程的能耗约占造纸过程总能耗的61.9％，节能潜力巨大。探索一种快速测量蒸发热的方法，对优化控制纸张干燥过程热能分配问题以及实现纸张干燥过程节能降耗具有重要的科学与现实意义。
目前纸张蒸发热的定量方法，常采用基于测量纸张等温吸附线的方法。等温吸附线是在一定环境温度下，纸张平衡含水量与环境湿度之间的关系。Heikkila[HeikkilaP.AStudy on the Drying Process 0f Pigment Coated Webs[Thesis]. Finland:
Figure RE-RE-GDA0002275411270000021
Akademi University；1993.]对涂布纸的蒸发热做过研究，研究指出纸张干燥蒸发热由水的汽化潜热和吸附热构成，常压下水的汽化潜热跟温度有关，可由水物性数据获得，吸附热可测量纸张等温吸附线，并依据 Clausius-Clapeyron方程估算。纸张等温吸附线跟原料与生产工艺息息相关，[J.Increasing the Drying Efficiency ofCylinder Drying[Thesis]. finland:
Figure RE-RE-GDA0002275411270000024
2011.]发现不同填料配比下纸张等温吸附线的拟合模型参数差异明显，相信不同定量不同纸种间的差异会更大。等温吸附线测量过程对环境要求严格，且耗时也很长，难以适应工业生产复杂多变的环境。
干燥曲线是一条物料含湿量随干燥时间变化而变化的曲线。在纸张实际生产过程，干燥曲线也会描述为纸张干基含湿量随干燥位置(烘缸编号)变化而变化的曲线。它是纸张在干燥过程的表征，涵盖了纸张干燥过程的所有信息，当然也包括纸张干燥蒸发热。目前干燥曲线测量技术成熟，测量方法简单、快速。运用理论模型通过干燥曲线建立纸张干基湿含量与干燥时间(或是干燥位置)的函数关系，进而推导出纸张不同干基湿含量下纸张的蒸发热，这将是一种能快速定量测量纸张干燥过程蒸发热的方法。
发明内容
本发明的目的是通过湿纸张干燥过程中不同干燥时间t时纸张质量Wt和纸张干燥至恒重后的绝干质量W0的测量(纸张干基湿含量μ＝(Wt-W0)/W0，相当于获得了(t，μ)的测试数据点)，并借助μ与t的关系模型建立μ与t的函数关系μ＝f(t)，再由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线。与“等温吸附线”的方法相比，纸张干燥过程中纸张质量Wt和纸张干燥至恒重后的绝干质量W0的测量更简单、快捷，且容易根据不同原料、不同工艺下的纸张干燥曲线获得纸张干燥过程蒸发热的具体情况，克服基于“等温吸附线”方法复杂繁琐、不具备通用性的问题。
为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法包括如下步骤：
1)针对某个待测定的纸张干燥过程，测试记录含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在不同干燥时间下的重量Wt和纸张干燥至恒重后的绝干质量 W0，纸张在干燥时间t时的干基湿含量μ则由式μ＝(Wt-W0)/W0计算获得；
2)在以时间t为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出步骤1)中记录的测试数据点(t，μ)，然后利用μ与t的关系模型对测试数据点进行曲线拟合，再由拟合曲线获得模型参数的具体数值，建立μ与t 函数关系μ＝f(t)；
3)根据步骤2)中获得的函数关系μ＝f(t)，由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线；
其中SHCw表示蒸发热，kJ/kg；△Hlatent表示水的汽化潜热，kJ/kg；(dμ/dt)|t＝t0表示干燥初期μ对t的一阶导数值，dμ/dt表示μ对t的一阶导数。
进一步，步骤1)中所述的待测定的纸张干燥过程，由含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在干燥烘箱中进行，并通过秒表记录干燥时间t，用天平称量干燥时间为t时湿纸张质量Wt；步骤1)中所述的待测定的纸张干燥过程，由含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在水分测定仪中进行，水分测定仪可以自动记录干燥时间t和此时的湿纸张质量Wt。
进一步，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的关系模型可以选自Gaussian模型、Exponential模型、Fourier模型中的一种。
更进一步，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的Exponential 模型可以用式μ＝a·exp(b·t)表示，Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(t-b)/c]2}表示，Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·t)+d·sin(c·t)表示，其中a、b、c、d是模型参数。
更有选的，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的关系模型为Gaussian模型，可以用式μ＝a·exp{-[(t-b)/c]2}表示，其中a、b、c是模型参数。
本发明还公开了一种纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在生产线的干燥部是以一定速度向前运行过程中，通过便携式纸张定量测试仪测定编号为N的烘缸处的单位面积湿纸张的质量WN，通过纸张干燥至恒重获得单位面积纸张的绝干质量W0，纸张在烘缸N处的干基湿含量μ则由式μ＝(WN-W0)/W0计算获得；
2)在以烘缸编号N为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出步骤1)中记录的测试数据点(N，μ)，然后利用μ与N的关系模型对测试数据点进行曲线拟合，再由拟合曲线获得模型参数的具体数值，建立μ与N函数关系μ＝f(N)；
3)根据步骤2)中获得的函数关系μ＝f(N)，由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dN)|N＝N0·(1/(dμ/dN))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线；
其中SHCw表表示蒸发热，kJ/kg；△Hlatent表示水的汽化潜热，kJ/kg； (dμ/dN)|N＝N0表示干燥初期μ对N的一阶导数值，dμ/dN表示μ对N的一阶导数。
进一步，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型可以选自Exponential模型、Gaussian模型、Fourier模型中的一种。
更进一步，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的Exponential 模型可以用式μ＝a·exp(b·N)表示，Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2} 表示，Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·N)+d·sin(c·N)表示，其中a、b、c、d 是模型参数。
优选的，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型可以选自Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，或Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·N)+d·sin(c·N)表示，其中a、b、c、d是模型参数。
更有选的，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型为Gaussian模型，可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，其中a、b、c是模型参数。
本发明的有益效果：
本发明的纸张蒸发热定量测量方法与现在常用的“等温吸附线”法相比更简单、快捷，且容易根据不同原料、不同工艺下的纸张干燥曲线获得纸张干燥过程蒸发热的具体情况，克服基于“等温吸附线”方法复杂繁琐、不具备通用性的问题，对优化控制纸张干燥过程热能分配问题以及实现纸张干燥过程节能降耗具有重要的科学与现实意义；且本发明的方法获得的蒸发热随纸张干基湿含量变化曲线与“等温吸附线”法获得的曲线具有较高的重合性，说明本发明的方法可以达到“等温吸附线”法的可信度。
附图说明
图1实验设计思路
图2常量k的确定方法
图3为实验室环境t-μ干燥曲线图。
图4为实验室环境与“等温吸附线法”的μ-SHCw干燥曲线对比。
图5生产线环境干燥工艺流程示意图
图6为生产线环境t-μ干燥曲线图。
图7为生产线环境与“等温吸附线法”的μ-SHCw干燥曲线对比。
具体实施方式
为了便于理解本发明，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法包括如下步骤：
1)针对某个待测定的纸张干燥过程，测试记录含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在不同干燥时间下的重量Wt和纸张干燥至恒重后的绝干质量W0，纸张在干燥时间t时的干基湿含量μ则由式μ＝(Wt-W0)/W0计算获得；
2)在以时间t为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出步骤1)中记录的测试数据点(t，μ)，然后利用μ与t的关系模型对测试数据点进行曲线拟合，再由拟合曲线获得模型参数的具体数值，建立μ与t 函数关系μ＝f(t)；
3)根据步骤2)中获得的函数关系μ＝f(t)，由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线；
其中SHCw表示蒸发热，kJ/kg；△Hlatent表示水的汽化潜热，kJ/kg；(dμ/dt)|t＝t0表示干燥初期μ对t的一阶导数值，dμ/dt表示μ对t的一阶导数。
纸张是一种吸湿材料，干燥过程大致分为两个阶段，恒速干燥阶段，减速干燥阶段。也有一种说法分成三个阶段，升温阶段(升速阶段)，恒速阶段，减速阶段，由于升温阶段很短，也常被忽略。因此，(dμ/dt)|t＝t0可以理解为恒速干燥阶段的蒸发速度。在升温阶段，蒸发速度会逐渐增大；在恒速阶段，蒸发速度会保持恒定；在减速阶段，蒸发速度会逐渐减小。所以，蒸发速度在恒速阶段达到最大值。在实际应用中，我们根据u＝f(t)方程求数值微分，即得到u＝f(t) 曲线上各个时间t位置的斜率，然后取斜率中的最大值，即为(dμ/dt)|t＝t0。
其中步骤3)中式SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))的理论依据详见附图1，具体如下：
蒸发热的测定即测定纸页在不同湿含量时的吨水热耗SHCw(Specific HeatC0nsumption based on water evaporated)：
SHCw＝EC/WE………(1)
式(1)中，SHCw表示吨水热耗，kJ/kg；EC表示能量消费量，kJ；WE表示蒸发水量，kg。
能量的定量测量目前还没有可靠的方法，所以本发明选用干燥时间作为中间变量代替能量直接测量。假设能保证干燥实验是在统一稳定条件下进行，则系统单位时间能量消耗量k应该是一常数。能源消费量(EC)就可以表示为：
EC＝k·△t………(2)
式(2)中，k表示系统单位时间能耗量，kJ/s；△t表示干燥时间，s。
则：SHCw＝k·(△t/WE)………(3)
而△t/WE＝(1/Mdp)·(1/(dμ/dt))………(4)
式(4)中，Mdp表示纸张绝干质量，kg；t表示时刻，s；μ表示纸页湿含量，kg/kg；dμ/dt表示μ对t的一阶导数。
则：SHCw＝k·(1/Mdp)·(1/(dμ/dt))………(5)
由于k和Mdp是常量，所以蒸发热的测定可以通过记录干燥过程中的干燥曲线来实现。
常量Mdp表示纸页绝干质量，比较容易获得。常量k表示系统单位时间耗能量，直接测量比较困难，需要通过能量守恒定律间接测量。如附图2所示，当在干燥初期(t＝t0，u＝u∞)，u∞足够大，纸页仍处于自由水干燥阶段，此时蒸发热就等于水的汽化潜热△Hlatent，不同温度下的汽化潜热是可以通过查表得到的。
则：SHCw|u＝u∞＝△Hlatent………(6)
故：k/Mdp＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0………(7)
综上所述：
SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))………(8)
所以，为了获得纸张在不同干基湿含量μ下的蒸发热SHCw首先要获得μ与t的函数关系，为此就要测试不同干燥时间t下的纸张湿含量μ。根据湿含量的定义μ＝(Wt-W0)/W0，可以通过测量不同干燥时间t下的纸张的重量Wt及纸张的绝干W0来获得纸张的湿含量。
在实验室环境下，待测定的纸张干燥过程，可以由含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在干燥烘箱中进行，并通过秒表记录干燥时间t，用天平称量干燥时间为t时湿纸张质量Wt。在实验室环境下，待测定的纸张干燥过程，还可以由含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在水分测定仪中进行，水分测定仪可以对湿纸张进行干燥烘干，同时自动记录干燥时间t和此时的湿纸张质量 Wt。纸张的绝干重量W0通常是通过湿纸张烘干至恒重后测得，再结合获得的t 和Wt的测试数据，，进而获得测试数据点(t，μ)。
获得记录的μ随t变化的测试数据点(t，μ)后，我们可以通过做图方法，在以时间t为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出记录的测试数据点，然后利用μ与t的关系模型将测试数据点拟合成曲线，并由拟合曲线获得模型中的模型参数的具体数值，建立μ与t函数关系μ＝f(t)。
对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的关系模型可以选自Exponential模型、Gaussian模型、Fourier模型中的一种。以上关系模型仅为示例，并非是对本发明的限制，也可以用其它相关的μ与t的模型进行数据拟合。采用本专利的方法，通过其它相关的μ与t的关系模型进行数据拟合的，也同样在本发明的保护范围之内。
对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的Exponential模型可以用式μ＝a·exp(b·t)来示例，其中a、b是模型参数。我们知道，Exponential模型可能采用不同的关系式表示，如表示为μ＝a·exp(b·tc)，其中a、b、c是模型参数，采用此关系式进行数据拟合时，也同样在本发明的保护范围之内。对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(t-b)/c]2}示例，其中 a、b、c是模型参数。对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·t)+d·sin(c·t)示例，其中a、b、c、d是模型参数。
其中更有选为Gaussian模型对测试数据点进行曲线拟合，μ与t的关系式可以用式μ＝a·exp{-[(t-b)/c]2}表示，其中a、b、c是模型参数。
在纸张干燥生产线环境下，含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在干燥设备中以一定速度匀速向前运行，所以可以根据湿纸张在干燥设备中的位置计算出干燥时间t。干燥设备是由一系列并行排列的烘缸组成，我们可以自前向后依次将烘缸进行排序(如1、2、3…N)，纸张所处位置的烘缸编号越大，说明干燥时间越长。在实际应用中，我们可以用烘缸的编号N等效干燥时间t，并用便携式纸张定量测试仪对该编号处的湿纸张进行定量从而获得单位面积湿纸张的质量WN，将烘干至恒重的单位面积的纸张的绝干质量记为W0，纸张在烘缸N处的干基湿含量μ则由式μ＝(WN-W0)/W0计算获得，进而得到测试数据点(N，μ)。然后采用与测试数据点(t，μ)相同的处理方法，并最终获得蒸发热随纸张干基湿含量变化曲线。
一种纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法包括如下步骤：
1)含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在生产线的干燥部是以一定速度向前运行过程中，通过便携式纸张定量测试仪测定编号为N的烘缸处的单位面积湿纸张的质量WN，通过纸张干燥至恒重获得单位面积纸张的绝干质量W0，纸张在烘缸N处的干基湿含量μ则由式μ＝(WN-W0)/W0计算获得；
2)在以烘缸编号N为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出步骤1)中记录的测试数据点(N，μ)，然后利用μ与N的关系模型对测试数据点进行曲线拟合，再由拟合曲线获得模型参数的具体数值，建立μ与N函数关系μ＝f(N)；
3)根据步骤2)中获得的函数关系μ＝f(N)，由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dN)|N＝N0·(1/(dμ/dN))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线；
其中SHCw表表示蒸发热，kJ/kg；△Hlatent表示水的汽化潜热，kJ/kg； (dμ/dN)|N＝N0表示干燥初期μ对N的一阶导数值，dμ/dN表示μ对N的一阶导数。
获得记录的μ随N变化的测试数据点(N，μ)后，我们可以通过做图方法，在以烘缸编号N为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出记录的测试数据点，然后利用μ与N(t)的关系模型将测试数据点拟合成曲线，并由拟合曲线获得模型中的模型参数的具体数值，建立μ与N函数关系μ＝f(N)。
对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型可以选自Exponential模型、Gaussian模型、Fourier模型中的一种。以上关系模型仅为示例，并非是对本发明的限制，也可以用其它相关的μ与N的模型进行数据拟合。采用本专利的方法，通过其它相关的μ与N的关系模型进行数据拟合的，也同样在本发明的保护范围之内。
对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的Exponential模型可以用式μ＝a·exp(b·N)来示例，其中a、b是模型参数。我们知道，Exponential模型可能采用不同的关系式表示，如表示为μ＝a·exp(b·Nc)，其中a、b、c是模型参数，采用此关系式进行数据拟合时，也同样在本发明的保护范围之内。对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}示例，其中a、b、c是模型参数。对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的Fourier 模型可以用式μ＝a+b·cos(c·N)+d·sin(c·N)示例，其中a、b、c、d是模型参数。
其中优选的，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型可以选自Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，或Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·N)+d·sin(c·N)表示，其中a、b、c、d是模型参数。
更优选的，步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型为Gaussian模型，可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，其中a、b、c是模型参数。
下面结合具体实施例继续对本申请的快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法予以说明。
实施例1
表1干燥曲线数据拟合结果
Figure RE-RE-GDA0002275411270000121
实验室环境：通过瓦利打浆机(VB-42F，中国制浆造纸研究院有限公司)，将植物纤维原料疏解，并打浆至特定打浆度(30°SR)；测定纸浆浓度，以抄造定量60g/m2的纸张为基准，称取一定量的纸浆，用纤维标准解离器(ZY-XW，山东中仪仪器有限公司)解离，并在快速凯塞纸页成形器(ASM-32N2F，中国制浆造纸研究院有限公司)上成形；随后在多功能挤压机(MASP22H803，中国制浆造纸研究院有限公司)上压榨(50kPa)；最后送往水分测定仪(MB120，奥豪斯常州有限公司)测定干燥曲线，获得记录的μ随t变化的测试数据(附图3中测试值)。
而后，通过做图方法，在以时间t为横坐标和以纸张干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出记录的测试数据点(t，μ)，采用Exponential模型、 Gaussian模型、Fourier模型对测试数据进行拟合，拟合曲线详见附图3，模型结构与模型参数结果见表1。可见，实施例1中，Gaussian模型和Fourier模型拟合结果比较接近(相关系数R2越接近1，说明拟合性越好)，且都优于Exponential 模型拟合结果，因此后续蒸发热的估算采用Gaussian模型，即μ＝2.563·exp{-[(t+79.25)/445.6]2}。
通过求导，得到(dμ/dt)|t＝t0＝0.0049s-1，再由式SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))得到蒸发热随纸张干基湿含量变化曲线，与“等温吸附线”法获得的曲线比较，详见附图4所示，可见二者具有较高的重合性，说明基于干燥曲线的方法可以达到“等温吸附线”法的可信度，从而可以大大简化纸张干燥过程蒸发热的测试过程。
实施例2
纸张干燥生产线环境：测试对象是一个年产8万吨的高强瓦楞原纸的前干燥过程。该造纸机车速500m/min，幅宽4m，生产定量100g/m2带表面施胶的高强瓦楞原纸。干燥过程采用双排多烘缸干燥系统，分为前干燥和后干燥两个部分，前干燥包含48个烘缸，后干燥包含14个烘缸，烘缸直径1.5m，带扰流棒和固定虹吸管。前干燥是干燥的主体部分，也是这次测试的对象，其蒸汽-冷凝水系统采用分段降压式。通风系统采用半封闭气罩，没有袋通风，气罩排风温度50℃。具体生产线环境干燥工艺流程详见附图5。
采用携式纸张定量测试仪(美国NDC infrared Engineering公司的 NDC8110-F/104，这种小型单面传感器可以伸入烘缸之间狭窄缝隙中，紧贴在湿纸幅表面对其定量进行在线测量，不影响正常生产。)来获得获得μ随N(烘缸编号)变化的测试数据(附图6中测试值)。而后，通过做图方法，在以烘缸编号N为横坐标和以纸张干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出记录的测试数据点(N，μ)，采用Exponential模型、Gaussian模型、Fourier模型对测试数据进行拟合，拟合曲线详见附图6，模型结构与模型参数结果见表2。可见，实施例2中，Gaussian模型和Fourier模型拟合结果比较接近，且都优于 Exponential模型拟合结果(相关系数R2越接近1，说明拟合性越好)，因此后续蒸发热的估算采用Gaussian模型，即μ＝1.19·exp{-[(N+15)/32.2]2}。
表2干燥曲线数据拟合结果
Figure RE-RE-GDA0002275411270000141
通过求导，得到(dμ/dN)|N＝N0＝0.0317s-1，再由式SHCw＝△Hlatent·(dμ/dN)|N＝N0·(1/(dμ/dN))得到蒸发热随纸张干基湿含量变化曲线，与“等温吸附线”法获得的曲线比较，详见附图7所示，可见二者具有较高的重合性，说明基于干燥曲线的方法可以达到“等温吸附线”法的可信度，从而可以大大简化纸张干燥过程蒸发热的测试过程。
在生产中通过便携式纸张定量测试仪获得纸张在不同位置的湿含量t，再结合获得蒸发热随纸张干基湿含量变化曲线就可以评估该阶段烘缸所需要提供的最小热量，从而做到经济供热，避免能量的过度浪费，已达到节能的效果。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)针对某个待测定的纸张干燥过程，测试记录含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在不同干燥时间下的重量Wt和纸张干燥至恒重后的绝干质量W0，纸张在干燥时间t时的干基湿含量μ则由式μ＝(Wt-W0)/W0计算获得；
2)在以时间t为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出步骤1)中记录的测试数据点(t，μ)，然后利用μ与t的关系模型对测试数据点进行曲线拟合，再由拟合曲线获得模型参数的具体数值，建立μ与t函数关系μ＝f(t)；
3)根据步骤2)中获得的函数关系μ＝f(t)，由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dt)|t＝t0·(1/(dμ/dt))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线；
其中SHCw表示蒸发热，kJ/kg；△Hlatent表示水的汽化潜热，kJ/kg；(dμ/dt)|t＝t0表示干燥初期μ对t的一阶导数值，dμ/dt表示μ对t的一阶导数。
2.根据权利要求1所述的快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤1)中所述的待测定的纸张干燥过程，由含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在干燥烘箱中进行，并通过秒表记录干燥时间t，用天平称量干燥时间为t时湿纸张质量Wt；步骤1)中所述的待测定的纸张干燥过程，由含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在水分测定仪中进行，水分测定仪可以自动记录干燥时间t和此时的湿纸张质量Wt。
3.根据权利要求1所述的快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的关系模型可以选自Gaussian模型、Exponential模型、Fourier模型中的一种。
4.根据权利要求3所述的快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的Exponential模型可以用式μ＝a·exp(b·t)表示，Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(t-b)/c]2}表示，Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·t)+d·sin(c·t)表示，其中a、b、c、d是模型参数。
5.根据权利要求3所述的快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与t的关系模型为Gaussian模型，可以用式μ＝a·exp{-[(t-b)/c]2}表示，其中a、b、c是模型参数。
6.一种纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)含有游离水、毛细管水和结合水的湿纸张在生产线的干燥部是以一定速度向前运行过程中，通过便携式纸张定量测试仪测定编号为N的烘缸处的单位面积湿纸张的质量WN，通过纸张干燥至恒重获得单位面积纸张的绝干质量W0，纸张在烘缸N处的干基湿含量μ则由式μ＝(WN-W0)/W0计算获得；
2)在以烘缸编号N为横坐标和以纸张的干基湿含量μ为纵坐标的二维坐标系中绘制出步骤1)中记录的测试数据点(N，μ)，然后利用μ与N的关系模型对测试数据点进行曲线拟合，再由拟合曲线获得模型参数的具体数值，建立μ与N函数关系μ＝f(N)；
3)根据步骤2)中获得的函数关系μ＝f(N)，由SHCw＝△Hlatent·(dμ/dN)|N＝N0·(1/(dμ/dN))计算得到蒸发热SHCw随纸张干基湿含量μ的变化曲线；
其中SHCw表示蒸发热，kJ/kg；△Hlatent表示水的汽化潜热，kJ/kg；(dμ/dN)|N＝N0表示干燥初期μ对N的一阶导数值，dμ/dN表示μ对N的一阶导数。
7.根据权利要求6所述的纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型可以选自Exponential模型、Gaussian模型、Fourier模型中的一种。
8.根据权利要求7所述的纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的Exponential模型可以用式μ＝a·exp(b·N)表示，Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·N)+d·sin(c·N)表示，其中a、b、c、d是模型参数。
9.根据权利要求7所述的纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型可以选自Gaussian模型可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，或Fourier模型可以用式μ＝a+b·cos(c·N)+d·sin(c·N)表示，其中a、b、c、d是模型参数。
10.根据权利要求7所述的纸张生产线上快速测量纸张干燥过程蒸发热的方法，其特征在于：步骤2)中，对测试数据点进行曲线拟合的μ与N的关系模型为Gaussian模型，可以用式μ＝a·exp{-[(N-b)/c]2}表示，其中a、b、c是模型参数。
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王建民 等: "《MATLAB与测绘数据处理》", 31 March 2015 *
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