氣流染色機的功率消耗分析及節能改進

劉江堅

摘要：本文指出氣流染色機中氣流與霧化染液作用后的動能損耗是造成風機功率過大的原因，提出了氣流與染液分離的氣液染色方法。氣液染色方法不僅可以降低電耗，而且還可以根據織物的染色工藝要求，實現靈活的工藝條件控制，并提高染色生產效率和勻染效果以及對敏感色染色的適應性。

關鍵詞：氣流染色機；功率消耗；組合噴嘴；氣液分離；勻染性

中圖分類號：TS193.3 文獻標志碼：A

Research on Power Consumption of Air Flow Dyeing Machine and Its Energy-saving Improvement

Abstract： This paper pointed out that kinetic energy loss of air flow was the main cause of power consumption in air flow dyeing machine. A new dyeing method was put forward based on the separation of air flow and dye liquor to reduce energy consumption. Besides， the new method also had benefits of flexible control on dyeing process conditions and improvement on production efficiency as well as level dyeing.

Key words： air flow dyeing machine； power consumption； hybrid nozzle； gas-liquid separation； level-dyeing property

盡管氣流染色機具有顯著的節水和節汽優勢，但其功率消耗遠大于普通溢流或溢噴染色機，增加了印染企業的用電成本，制約了氣流染色機的推廣應用。本文對氣流染色機的功率消耗進行了分析，發現氣流對霧化染液的作用是風機功率消耗過大的主要原因，并提出了一種全新的噴嘴結構形式，對氣流噴嘴和染液噴嘴采用相對獨立控制，避免相互影響，以此降低氣流能量消耗。經驗證，采用新噴嘴后風機的額定功率可降低50%以上，有效地解決了氣流染色機電耗高的問題。

1 風機功率消耗分析

盡管目前氣流染色機的風機都采用了交流變頻控制，但在實際使用過程中仍然需要消耗大量電能。風機的功率消耗之所以較大，主要在于氣流噴嘴中氣流對霧化染液的作用。此外，空氣粘性系數在不同溫度下發生變化以及蒸汽也會影響到氣流對織物循環的牽引力，增加風機的功率消耗。

1.1 氣流的動能損耗

試驗表明，當染液霧化噴嘴未開啟時，氣流牽引織物循環并不需要太大風量；當染液噴嘴開啟時，氣流牽引織物的速度迅速降低，若要保證織物循環的線速度，就必須加大風量，即提高風機功率。染液經霧化噴嘴霧化后，首先噴入氣流噴嘴夾層里的氣流中，然后隨氣流從環縫隙噴入噴嘴喉部與織物作用。在氣流噴嘴夾層中，霧化染液與氣流實際上為兩相流體，相互作用后，無論是氣流的動能，還是染液狀態都會發生變化。氣流的動能衰減，使得部分霧化染液又重新聚集。因此，只有在足夠大的風量和風壓下，才能夠保證流量較小的染液在氣流噴嘴環縫隙中獲得較均勻噴射。

1.2 空氣粘性系數的影響

空氣的粘性系數隨著溫度的升高而增加，在相同空氣流速下，隨著空氣粘性系數的增加，氣流對牽引織物的摩擦力增大，織物的運行速度加快。這一過程實際上也伴隨著氣流動能消耗的上升，同樣會導致風機運行功率的增加。為了避免高溫時發生風機過載，氣流染色機通常需要配備額定功率較大的風機。

1.3 高溫蒸汽的影響

在高溫（≥98 ℃）條件下，氣流染色機密閉的主缸體內充滿水蒸氣，風機的循環介質實際上是空氣和水蒸氣的混合體，而這種混合體的密度大于空氣，會增加風機功率消耗，這也是相同容量的高溫高壓氣流染色機風機功率比常溫常壓氣流染色機高的原因。

2 氣液分離的噴嘴設計及其優點

氣流染色機因過于強調“霧化染色”，將相當大一部分風量消耗在霧化染液上，因而造成了風機功率過大。事實上，染液首先是在夾套中經由染液霧化噴嘴進行霧化，然后再由氣流帶入環縫隙。在這個過程中，原來經噴嘴霧化的染液又回到了顆粒很大的水幕狀，氣流動能損耗也非常大。有實驗表明，采用微細霧化噴嘴后氣流動能損耗就小很多，風機功率消耗可以大幅降低，這充分說明氣流動能主要是消耗在帶動霧化染液上。鑒于上述情況，氣流染色機可采用氣流和染液分離的噴嘴結構設計，使氣流和染液各自承擔相應作用，降低能量消耗。

2.1 降低織物張力

在循環動程中，織物借助氣流和提布輥的牽引，以繩狀通過染液噴嘴，再經提布輥、氣流噴嘴和擺布裝置落入儲布槽。氣流是牽引織物循環運動的主要動力，提布輥起輔助作用。

采用氣流和染液分離的噴嘴結構設計后，牽引織物循環的作用力實際上可分解為三部分，即氣流主牽引、提布輥牽引和染液噴嘴輔助牽引。這種設計的優點之一在于，織物循環速度相同時，牽引作用力的分解有利于降低織物的局部張力，減輕張力對針織物幅寬的影響。

2.2 改善勻染和減少折痕

將氣流和染液分別作用于織物時，氣流作為牽引織物循環運動的主要動力，能夠對織物纖維表面的染液進行再次均勻分配：一是降低染液邊界層（動力邊界層和擴散邊界層）的厚度，加快染料向纖維表面的擴散速度；二是通過氣流的吹散作用對分布不均勻染液進行重新分配；三是在織物進入儲布槽之前進行織物緯向擴展，以消除織物折痕。endprint

2.3 提高染液循環泵的抗汽蝕性

為保證良好的染液霧化效果，傳統氣流染色機必須采用揚程較高的離心泵，然而由于染色浴比小，染液倒灌高度低，所以染液循環泵易產生汽蝕現象。相比之下，氣液分離后染液噴嘴對循環泵的揚程要求較低，因此可選用比轉數較高的離心泵，從而實現較好的抗汽蝕性，提高染液循環的穩定性。

3 氣液染色工藝條件

新的噴嘴設計使氣流和染液分別作用于織物，形成了氣液染色方法。氣液染色時，織物與染液的交換狀態完全可以根據織物上染特性和染料性能進行有效控制，從而保證交換充分，進而提高織物勻染效果和縮短染色時間。

3.1 染液與織物的交換程度

染色過程中，染液與織物在噴嘴中的交換越充分，越有利于降低染液與織物的交換次數，即縮短染色時間。氣液染色的染液噴嘴有 3 種組合形式，無論采用哪種形式，織物與染液在一個交換周期中，都要經歷提布輥接觸擠壓和氣流的滲透壓力作用，這有利于提高染液在織物中的均勻分布以及加快染料向纖維表面的擴散。

此外，在織物的浸染過程中，染料的移染性是獲得良好勻染效果的重要保證，但一些色牢度較高的染料移染性相對較差，不利于勻染。氣液染色則能夠使染液與織物充分接觸，在短時間內實現染液在織物上的均勻分布，從而令移染性較差的染料同樣可以達到良好的勻染效果。

3.2 染液噴射量的靈活控制

對于同一染色深度，低浴比染浴中染料濃度相對較高，為了保證染料的均勻上染，必須控制織物每次循環過程中染料的上染量。就普通溢流或溢噴染色機而言，即使浴比再低，也要有足夠的染液噴射量，以保證牽引織物正常循環，而氣液染色的染液噴射量完全可以根據具體工藝要求進行調整，更容易實現染料的均勻上染。

3.3 對敏感色染色的適應性

敏感色的混拼染料中每只染料的性能有所差異，對溫度等條件的敏感程度不同，一旦工藝條件波動較大，就容易導致染色效果不理想。新式染液噴嘴設計可為織物與染液提供類似于普通溢噴染色的交換條件，所以染液溫度和染料濃度的變化梯度較小，從而能夠很好地適應敏感色染色。

4 結論

分別采用改進前后的兩款染色機對相同針織物進行染色加工，測試了各自的水、電、汽消耗，結果如表 1 所示。

氣流染色機的功率消耗主要緣于風機功率的消耗，直接原因是氣流作用于霧化染液后氣流動能的損耗。采用氣流和染液分離的噴嘴結構設計，使氣流和染液分別作用于織物，不僅可以消除兩者相互作用的能耗，而且還可以根據織物的染色工藝要求，實現靈活的工藝條件控制，體現出了電耗低和應用效果良好等特點。endprint