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棉纺工程中气流的应用与分析

王介生

　　空气动力学已被广泛应用于棉纺整个加工过程中，在纤维材料的开松、除杂、输送、分配、凝聚以及加捻成纱等过程中，都受到空气动力的作用，产生了纤维、杂质疵点与气流之间的相互作用，气流已成为影响纺织工艺正常化的重要因素。而且能否保持清洁生产、净化生产环境，也同气流应用有密切关系。由此可见，在棉纺生产过程中，不仅存在着机械作用，而且往往同时伴有空气动力对纤维杂质的作用。所以，要想提高纱线质量，降低纺纱过程中纤维材料的消耗以降低纺纱成本，净化生产环境，就不能不考虑气流在这方面的作用。
本讲座着重从应用角度阐述气流在棉纺工程中的应用特点，并分析应用中的有关问题，旨在提高纺织企业技术人员理论水平，为合理利用气流在开松、混和、除杂、输送过程中的作用提供一些参考。

第一讲　概述

1　棉纺工程中气流的应用^〔1〕

1.1　纤维材料的气力输送
在清梳联合机的各单机之间，纤维材料的运输，都是采用管道中的气流(简称管流)来完成的，这种利用管流输送物料的方法通称为气力输送。也可利用气力输送来分配纤维材料，收集各部分纤维材料和落棉。
1.2　气流配料
从原理上讲，它是分配物料的一类气力输送装置。开棉机和各清棉机之间，多仓混棉机各仓之间，清棉机和各台梳棉机之间，都是采用气流配料器来分配纤维材料的。
1.3　开松、除杂过程中气流的作用
开清棉机、梳棉机对纤维材料进行开松、分梳和除杂时，不仅有机械作用，同时有空气动力的作用，要求在提高开松、除杂效能的同时，提高落棉含杂率以减少可纺纤维的消耗，就需要对打手室气流、车肚气流和刺辊、锡林、道夫周围的气流进行控制，这就需要了解这些气流的流动规律。
1.4　新型纺纱及捻接技术中气流的应用
新型纺纱机分梳辊部分纤维的剥离和杂质的排除，都与分梳辊周围的流场有密切关系。输纤管中流速分布对其中纤维的正常输送和纤维的状态有较大的影响，纺纱杯高速回转所产生的气流，对转杯纺纱中的纤维剥离、输送和凝聚有较大的影响。摩擦纺纱中纤维的凝聚状况同尘笼气流的压强和输纤管及尘笼流速分布有关。涡流纺、喷气纺中纱线的加捻都是利用涡流(旋转流)来进行的。络筒机上空气捻接器也是利用气流进行捻接的，空气变形纱(丝)就是利用喷射气流而制成的。可见在新型纺纱中，气流有相当重要的作用，是影响新型纺纱成纱质量的重要因素。
1.5　清洁生产和除尘技术中气流的应用
棉纺工程中，许多机器上所装设的自动清洁装置都是利用气流来进行的，例如，高速并条机的吸风式清洁装置，细纱机和络筒机上的巡回式吹吸清洁器等。为了减轻棉纺厂工人的劳动强度，改善生产车间的环境卫生，维持正常生产和提高产品质量，不少车间都采用吸落棉装置，即利用气力收集输送各机器落棉。例如，开清棉落棉、梳棉落棉的精梳落棉等；许多车间都装设了除尘装置，对机器的工艺排风进行过滤，降低其含尘浓度，以净化车间内外的空气，进行环境保护，如开清棉、梳棉、工艺排风、细纱断头吸棉排风、新型纺纱工艺排风都经过除尘装置过滤，除尘装置已成为纺纱工艺系统不可缺少的一个组成部分。而除尘技术中，如吸尘罩设计，输尘管道的设计，除尘器的工作原理及除尘风机的设计都与气流有密切关系，气流在除尘技术中得到了广泛的应用。

2　空气的物理性质

2.1　空气的密度
单位体积空气所具有的质量称为空气的密度ρ，设m为空气的质量(kg)，V为空气的体积(m³)，则ρ=m/V(kg/m³)。
根据理想气体状态方程式，空气的压力(压强)p(Pa),密度ρ(kg/m³)和温度T(K)之间的关系为p=ρRT，式中R(J/kg^.K)是气体常数，由此可得：
ρ=p/RT　(1.1)
由此可见，空气密度ρ与压力p成正比，与绝对温度(即热力学温度)T成反比，而空气的R=287 J/kg^.K。
2.2　空气的粘性
当空气运动时，由于质点或微团之间的相对运动，产生了内摩擦力，这一属性称为空气(流体)的粘性。根据牛顿内摩擦力定律，相邻两流层之间的剪切应力τ为：

式中：μ为粘性系数(或动力粘性系数)(Pa^.s)；为法向速度梯度。
在空气流动过程中，常使用μ/ρ，称为运动粘性系数ν，单位为米²/秒(m²/s)。实验表明，空气的粘性系数μ随温度的增高而加大。在标准大气压(101325 Pa)时空气的密度和粘性系数见表1.1。

表1.1　空气的密度和粘性系数^［3］

2.3　空气的压缩性
空气的压缩性虽然很大，但对压力变化及流速都很小时，从而所引起的密度变化也很小的问题，可当作不可压缩流体来处理。根据有关证明，得出气体密度变化Δρ/ρ与马赫数M有关，即^［5］，而马赫数M=v/a，v为气流速度，a为音速。根据上述公式可求得不同M时的Δρ/ρ(%)值见表1.2。M公式中音速a=^［3］，K为绝热指数，将空气的K=1.4,R=287 J/kg^.K代入可得a=20.04≈20,不同T值时的a值见表1.3。当M＜0.15时，可以忽略压缩性的影响，作为不可压缩流体处理。当采用a为331 m/s时，v＜49.65 m/s，可作为不可压缩流体处理。

表1.2　密度变化和M值的关系^［5］

表1.3　干燥空气的音速a^［5］

3.1　静压强的概念
空气的静压强(简称静压)是气体分子间的压强或气体分子对容器壁所施加的压强。静压强的法定单位是帕(Pa)。流体静压强有两个特性^［2］：一是流体静压强的方向必然沿着作用面的内法线方向，二是流体静压强的大小在各个方向上均相等，它与作用面的方向无关，只与该点的位置有关，各点位置不同，压强可能不同，位置一定，则不论哪个方向，压强的大小完全相等。空气无论在静止状态或流动状态下都具有静压强，不过两种状态下静压强的数值不同而已。
压强有两种计算基准^［2］：绝对压强与相对压强。绝对压强是以真空状态下的绝对零压为计算基准的空气压强；相对压强是以当地天气压强(压力)为计算基准的空气压强，其数值表示某一空间的压强高于或低于当地大气压强的数值。绝对压强恒为正值，标记为P，大气压力(压强)标记为P_a，相对压强也称为表压力，标记为p，由图1.1可知：
p=P-P_a(1.2)
当P＞P_a时，p为正值称为正压(表压力)；当P＜P_a时，p为负值称为负压(其绝对值叫做真空压力)，真空压力等于P_a-P，绝对静压标记为P_s,相对静压标记为p_s。

图1.1　压强的图示

3.2　动压和全压
流动空气具有一定的动能，因此，气流中任一点沿流动方向除有静压外，还有动压。动压是气流中任一点处的单位体积流体所具有的动能，其值为，称为该点流体的动压。动压恒为正值且具有方向性，动压是表压强，标记为p_d。
在空气流动状态下，沿着流动方向，空气中任一点既有静压也有动压，其合成压力称为全压(也叫做总压)。绝对全压标记为P_t，相对全压标记为p_t。则静压、动压和全压的相互关系为：
P_t=P_s+p_d(1.3)
±p_t=±p_s+p_d(1.4)
上式中，由于相对静压有正负值，所以，相对全压也有正负值，而且相互对应。在正压状态下，相对全压的绝对值大于相对静压的绝对值；在负压状态下，相对全压的绝对值小于相对静压的绝对值。
3.3　流体的流动状态
流体具有层流和紊流两种流动状态。流体质点间相互不混杂、层次分明、平滑地流动，称为层流(片流)。流体各质点之间相互混杂而无层次地流动，称为紊流 (湍流)。流动状态不同时，流速分布和阻力系数计算公式不同，因此要区分流动状态。由层流状态转变为紊流状态或由紊流状态转变为层流状态，需要经过一个过渡状态。
判别流体流动状态通常用雷诺数Re，用它可以判定流体的流动状态是属于层流还是紊流。
　(1.5)
式中：v为平均流速(m/s)；ν为流体的运动粘性系数(m²/s)；d为管径(m)。
层流和紊流相互转化时的雷诺数，称为临界雷诺数Re_c。由层流转变为紊流时，为上临界雷诺数；由紊流转变为层流时，为下临界雷诺数。前者的数值不稳定，变化范围大；后者的数值基本不变；因此实用上以下临界雷诺数Re_c来判别流动状态是层流还是紊流。例如内径为d的管流，Re_c≈2300，当Re＞2300时，流动为紊流，当Re＜2300时，流动为层流。

4　纤维介质的特性

　　纤维介质包括分散的纤维、纤维束、纤维块或它们组成的集合体，例如纤维层、纤维网、纤维条、粗纱、细纱或加捻前的须条等，还包括纤维间所含有的杂质和疵点。

4.1　纤维介质的表观密度和空隙度^［1］
在纺织工程中，不论纤维介质呈何种集合状态，其纤维间都具有许多不同形状的空隙，总的空隙体积常超过组成纤维的体积，从而使纤维介质具有变形大，能透气等特性。由于空隙多而且相对地较大，所以纤维介质构成复杂的空隙结构，纤维之间存在着空隙，空隙中充满着空气，所以纤维介质是固、气两相的混合体。纤维实体的单位体积的质量叫做纤维密度ρ_f，而包括空隙在内的纤维介质的单位体积的质量叫做纤维介质的表观密度ρ_m，设ρ为空气的密度，ε为空隙度(空隙率)，根据空隙度的定义及有关证明^［1］，空隙度与密度的关系如下：
　(1.6)
由此可求得：
ρ_m=ρ_f(1-ε)+ρε　(1.7)
由于ρ_fρ，相对于ρ_f可以认为ρ≈0，代入上两式可得：
ε≈(ρ_f-ρ_m)/ρ_f=l-ρ_m/ρ_f(1.8)
ρ_m≈ρ_f(1-ε)　(1.9)
1-ε≈ρ_m/ρ_f(1.10)
式中：(1-ε)叫做充满度(充填率)，一般棉纤维的密度ρ_f=1.52 g/cm³，20 ℃时空气的密度ρ=1.205×10^-3g/cm³的条件下，ε与ρ_m的关系曲线如图1.2所示，(1-ε)与ρ_m的关系曲线如图1.3所示，由两图可以看出，当ρ_m=0时，ε≈1,1-ε≈0；当ρ_m=ρ_f=1.52 g/cm³时，ε≈0,1-ε≈1；设棉块的表观密度ρ_m=0.63 g/cm³时，ε≈0.59，1-ε≈0.41。棉纤维介质的一般表观密度和空隙度如表1.4所示。

图1.2　ε与ρ_m关系曲线

图1.3　(1-ε)与ρ_m关系曲线

表1.4　纤维介质的一般空隙度^［1］

　　可以看出，棉卷体积中空气占90%以上，棉条中空气占85%以上，细纱中40%以上是空气，而平布中60%以上是空气。
4.2　纤维介质的空气阻力
物体在空气中运动时，会受到空气阻力。流体的阻力一般分成两种，即压差阻力和摩擦阻力。当物体厚度较大时，流体阻力以压差阻力为主，它比摩擦阻力大得多；当物体沿流动方向薄而长时，流体阻力以摩擦阻力为主。设物体厚度为B，长度为L，则厚长比B/L越小，压差阻力越小，摩擦阻力越大；B/L越大，压差阻力越大，摩擦阻力越小。
流体阻力的一般公式为：
(1.11)

式中：
F_D流体(空气)阻力(N)；
C_D阻力系数(无因次数)，与物体形状及雷诺数(Re)有关；
A物体垂直于流动方向的投影面积(m²)；
ρ空气的密度(kg/m³)；
v空气的流速(m/s)。
纤维介质为多孔性物体，在空气中运动时，气流会穿过孔隙流动，降低了对气流的阻力，而且纤维块形状复杂，因此，它与整块物体的空气阻力是不同的。关键是阻力系数C_D的计算公式不同，对于棉块可近似采用可透性球体的计算公式，或通过开清棉各机器棉块试验，求得各机棉块平均阻力系数C_D=0.1465。
对于单纤维，樋口的实验结果为^［1］：
　(1.12)
对于棉纤维束的实验结果为：
　(1.13)
4.3　纤维介质的终末速度
纤维或杂质在气流中的运动特性，是纤维介质特性之一。纤维或杂质在完全静止的空气中以初速为零的起始条件降落时，这个运动称为自由沉降。自由沉降时的力为重力，运动速度一般很小，雷诺数也较小。当纤维或杂质在静止的空气中垂直下降时，向下的力为表观重力(即重力减去浮力)，向上之力为空气阻力。设纤维或杂质的重力为G_f，浮力为G_fρ/ρ_f，则表观重力为G_f，空气阻力可按公式(1.11)计算，在纤维或杂质的自由沉降运动开始的一个阶段，下降速度v_f逐渐增大，空气阻力F_D也因之逐渐增大。当下降一定距离后，空气阻力与表观重力相等，纤维或杂质等速下降，这时的纤维或杂质的下降速度(v_f)叫做终末速度v_T，可按下式求得。
　(1.14)
单纤维的终末速度在每秒几厘米至20 cm/s之间，例如^［4］棉纤维的线密度为1.96 dtex，长度为25.4 mm，真密度为1.50 g/cm³，其终末速度v_T=6.08 cm/s，雷诺数Re=0.0298，阻力系数C_D=118。棉纤维束的终末速度v_T见表1.5，其他纤维介质的v_T见表1.6。

表1.5　棉纤维束的v_T^［4］

表1.6　其他纤维介质的v_T^［1，4］

王介生(西北纺织工学院)

备注：
3.4 工艺气流的设定
BD-D320抽气式转杯纺纱机可以任意设定工艺气流的大小，这较BD200-SN自排风式转杯纺纱机更易保证工艺气流的稳定性和一致性。我们在实际生产中发现，工艺负压在3200Pa～6000Pa时，均能保持生产的正常进行。我们在BD-D320转杯纺纱机上采用不同的工艺负压纺制号数为 59.5tex的纯棉纱，测定其成纱的强力以及强力不匀率，试验结果见表5所示：
表5：BD-D320工艺负压与成纱强力的关系
负压值 强力CN 强力CV% 负压值 强力CN 强力CV%
3000 549 16.50 5000 634 10.39
3500 570 15.70 5500 646 10.12
4000 601 12.81 6000 650 10.04
4500 623 10.90
从表5可以看出：随着负压气流的加大，成纱的强力、强力不匀率逐渐好转。因为随着负压气流的加大，输棉管道中气流牵伸作用增强，纤维伸直度提高，凝聚更加紧密，因此成纱强力增大，但过高的负压值的设定会增加电耗，增加变频器功率负荷。生产中我们将负压设定为4500Pa，这样不仅满足了成纱质量的需要，而且减少了不必要的电力消耗。