漂浮干燥在涂布機干燥系統中最佳化應用

黃少清

（佛山金銀河智能裝備股份有限公司，廣東 佛山 528000）

漂浮干燥在涂布機干燥系統中最佳化應用

黃少清

（佛山金銀河智能裝備股份有限公司，廣東 佛山 528000）

飄浮風嘴是涂布機漂浮干燥系統中的關鍵技術組件，本文著重介紹飄浮風嘴結構及功效和在干燥系統中的優化設計，以期提高干燥系統的干燥效率和提升涂布機的生產效率。

涂布機；漂浮干燥；漂浮風嘴；干燥速率

隨著高速涂布技術的發展，漂浮干燥技術在光學膜涂布、紙張涂布、鋰離子電池極片涂布等各種涂布機中廣泛應用，如何最佳化應用漂浮干燥技術，對于提高干燥速度和質量，降低動力消耗和提高涂布機的生產效率有著十分重要的意義。

1 涂布干燥流程

圖1 涂布干燥流程

圖1是某型涂布機的涂布干燥流程圖，涂布機由放卷、涂布、干燥、收卷等單元設備組成，其中，干燥部分是涂布機的核心部分，干燥效率的高低直接決定了涂布機的產能。

2 干燥技術的發展

隨著先進的高速擠壓涂布技術在20世紀70年代應用于工業化生產，沖擊干燥技術在涂布機中廣泛應用，到20世紀80年代，在沖擊干燥技術的基礎上，研發出更高干燥效率的漂浮干燥技術，并在涂布機的干燥系統中廣泛應用。

3 漂浮器基本結構和工作原理

圖1流程圖中顯示的干燥設備是在干燥片幅雙面安排有漂浮風嘴，干燥熱空氣從兩側風嘴吹出，將片幅托起，片幅在干燥過程呈漂浮狀態。漂浮干燥過程中，濕片幅上下兩個表面同時受沖擊干燥氣流加熱，雙面同時加熱效果疊加，因此有極高的傳熱效率，因此能獲得極高的干燥效率。漂浮風嘴在漂浮干燥中有兩個重要功能：第一，漂浮功能，噴射氣流將被干燥的片幅漂浮起來；第二，干燥功能，噴射氣流對濕涂層進行干燥。漂浮風嘴的干燥原理和沖擊干燥原理相似，漂浮干燥技術是在沖擊干燥的基礎發展起來的高效干燥技術，在20世紀80年代后相繼發表了不少漂浮風嘴的專利，有多種形式的漂浮風嘴，其中最為典型的是噴射風嘴和附壁（coada）風嘴。

3.1 常規噴射風嘴

噴射風嘴是應用噴射氣流原理發展起來的漂浮風嘴，圖2是其的結構及工作原理圖。

圖2 噴射原理風嘴結構及工作原理示意圖

噴嘴有兩種結構形式，如圖3的左圖和右圖所示，在噴嘴頂部開成對的條縫，在噴嘴的截面視圖，以一定的角度噴出氣流，相互形成三角形。干燥空氣在條縫噴出的形成三角形氣墊托起片幅，如果片幅重，片幅就下沉到三角上并穿過三角的頂部，這樣形成一個較寬的支持區域，在達到某平衡點，片幅就漂浮起來，漂浮的狀態和噴射氣流的風速、片幅的張力、片幅的重量有關。從噴射風嘴噴射出來的氣體排入大氣，由腔體收縮處的低壓造成了氣流的次生流，大量的次生流動中空氣的低速分子和大氣中的低速或靜止空氣的分子碰橦。常規風嘴的定義可以用圖2的明確邊界的定義；噴射空氣超出那個邊界外泄到周圍大氣，就不再受約束，同時也不能免于外部的影響。

如圖2所示，傳統的風嘴中空氣排入大氣，出口的速度V和靜壓室內的壓力P1和大氣壓力PA的壓差ΔP的平方根成正比，所能獲得的最大速度可用如下公式表示：

式中，C是特定介質和環境的常數。

3.2 附壁原理（coada）漂浮風嘴

圖4是利用氣體附壁效應射流（coada）風嘴的結構及工作原理圖。圖4中1是靜壓室，充滿了加壓的空氣，將氣體從氣室1和帶有圓角折彎的射流版2形成的相同尺寸的長孔3和4源源不斷流出，在折彎的圓角的射流板下面沒有空氣流動，但是有氣體沒有如常規風嘴那樣沿著直線路徑投射出去，從孔3和4開孔流出的氣體貼附著帶圓角射流板2流動，在中心線部位和對稱的氣流相遇，合成一個中心主噴射流如圖4中的8所示，因此稱之為附壁風嘴。中心的主噴射氣流的干燥作用沖擊干燥的風嘴噴射氣流類似。

圖3 附壁射流風嘴結構和工作原理圖

附壁（coanda）風嘴有很強的從周圍大氣中夾帶空氣的能力，而不像常規風嘴直接向大氣中排放出氣，coanda風嘴在它的一側有一保護層，能使空氣投射得更遠而沒有明顯的速度和動量損失。沿風嘴壁6最大的氣流5的速度

式中，C是特定介質和環境的常數。

4 漂浮干燥中的干燥機理和傳熱效率

正如前面所述，漂浮風嘴是在沖擊干燥的機理上發展起來，因此漂浮干燥的機理可以利用沖擊干燥的機理進行分析。

4.1 干燥物體表面的靜止空氣邊界層與沖擊干燥原理

在干燥物體表面，由于空氣摩擦力的作用,在其表面附有一層靜止的空氣邊界層，在干燥過程中，在片幅上濕涂層的表面存在平面狀的靜止空氣邊界層，靜止空氣邊界層對熱風干燥過程起到阻礙熱量傳遞和質量傳遞的作用，邊界層厚度越厚，對干燥阻力越大。應用噴射氣流原理，將干燥空氣的氣流沖擊干燥物表面，減薄靜止空氣邊界層的厚度，減少干燥阻力，提高干燥速度。

4.2 圓形噴嘴噴射氣流流場模型

圖5是圓形風嘴的流場示意圖。

圖4 園型噴嘴流場

符號說明：b-圓形噴嘴的直徑，H-到平板的距離，離Z-噴嘴的距離，-噴嘴出口氣流速度，-離噴嘴距離Z處的氣流中心速度。

4.3 噴射氣流的流型

只有達到穩定湍流的沖擊氣流，才能達到減薄靜止空氣邊界層厚度效果。 因此噴射設計風速范圍10～20m/s。

4.3 噴射氣流的速度衰減

軸對稱湍流噴射沖擊區，在離噴嘴距離Z小于4.6b的范圍內，噴射氣流中心速度的衰竭很少，當距離增大時，衰竭逐漸增加。為了確保沖擊氣流有效減薄靜止空氣邊界層，被干燥目標應離風嘴距離小于4.6b。這個實驗研究的結果對漂浮干燥器設計上下風嘴的距離有重要參考意義。

4.4 邊界層的厚度

對于噴射氣流沖擊平板處的邊界層厚度，達恩（Daane）等人經過研究提出可表達為雷諾數的函數：

式中，Δ—從平板到射流中心距離x處的邊界層厚度，x—沿平板表面到射流中心線距離，Ρ—空氣的密度，v—空氣的速度，μ—空氣的粘度。由此可見，為了有效減薄邊界層厚度，提高傳熱速度，必須確保漂浮干燥風嘴的噴射有足夠高風速。

4.5 空氣沖擊平板傳熱速度

佛里德曼（Freidman）和米勒（Mueler）等人對空氣沖擊干燥進行了大量的實驗研究，提出了如下的傳熱速度的計算方法：

式中：h—傳熱速度（千卡/小時?℃?m2），—系數，與送風板到傳熱面的距離，送風面積比有關，見圖5。

圖5 沖擊氣流的值

4.6 開孔比對傳熱速度的影響

達恩等詳細地研究了多噴嘴系統送風面積比對平均傳熱系數的影響，如圖6所示。

當送風面積比較小時，平均傳熱系數隨開孔比的增大很快增大，研究結果表明，當開孔比小于0.005時，值小于6時，每個氣孔是獨立的，不受相鄰氣嘴的影響。當開孔比繼續增大時，傳熱系數的增加逐漸減少。當開孔比在0.02時，平均傳熱系數達到最大值，然后就減少。這是因為開孔比增大到此范圍時，每個噴嘴的傳熱部分相互重疊，每個噴嘴的氣流受到相鄰噴嘴氣流的干擾，其結果是降低傳熱系數。因此在漂浮干燥器設計時，要對開孔比進行優化。

5 漂浮干燥系統的優化

5.1 漂浮風嘴結構的選擇

現在有多種形式的漂浮風嘴可供選擇，設計時要根據所干燥的片幅的寬度尺寸，漂浮的厚薄輕重等要素進行選擇，前述的附壁（coada）風嘴，由于在壁表面上形成的主噴射氣流可以噴射比較遠的距離，因此上下風嘴間的距離范圍可以設計得比較大，便于穿片和清洗風嘴，可以用于干燥寬幅（寬度可達2米以上）的柔性輕薄片材。常規的噴射風嘴，為了維持足夠的托力確保片幅漂浮，上下風嘴的距離必須控制在較小的范圍，因此使用于窄幅（尺寸小于1m）厚重材料。

5.2 風嘴的排列方式和密度

圖6 多圓形噴嘴傳熱系統

在干燥器內片幅兩側分別排列風嘴，不同結構的噴嘴排列的方式不同，常規噴射風嘴排列采取上下風嘴交叉排列的方式如圖1所示。附壁（coada）風嘴采取面對面的排列方式如圖7，干燥漂浮在上下風嘴氣流作用下形成正弦曲線進行干燥，這種片路可以有利于防止薄型膜在干燥過程打折和起皺。

圖7 附壁（coada）風嘴干燥器

過大的風嘴密度雖然有利于增大氣浮效果，但是會造成噴射氣流的相互干擾影響傳熱效果，過小的排列密度，會影響漂浮效果，風嘴排列的密度（單位長度風嘴的數量）可應用前述沖擊干燥中開孔比對平均傳熱系數的影響的原理進行優化。

5.3 噴射氣流的風速和風量

依據沖擊干燥的原理，要求噴射氣流有較高風速以減薄涂層表面的靜止空氣的界面層，減低傳熱阻力，提高傳熱速度。噴射氣流風速會影響漂浮效果，為確保漂浮效果，風嘴的噴射風速不能過低。過高的噴射風速會增大能量消耗。同時，如式（9）所述，漂浮風嘴噴出的干燥風量G直接影響傳熱速度h。因此在設計漂浮干燥器的干燥風量，可以參照沖擊干燥設計方法，需要經過全面平衡，選擇設計最佳化的數值。

[1]趙伯元譯.現代涂布干燥技術.輕工業出版社.

[2]TAPPI 44(1)73 (1961).

[3]Ind Eng Chem 51(8) 967(1959).

[4]Ind Eng Chem Fondm 16(1)21(1977).

TB486.3

A

1671-0711（2017）06（下）-0034-03