紡織行業定形機的發展及熱平衡測試方法

張中娟

（中國紡織經濟研究中心，北京 100020）

定形機是紡織染整行業最常用的設備之一，也是染整生產過程中熱能消耗較大的設備之一，約占染整布耗熱量的1/4～1/3。2020 年，規模以上印染企業印染布產量為525.03 億m，定形機耗熱量超過1 000萬t 標準煤。隨著人們對紡織服裝的質量要求越來越高，定形機的使用會越來越普及，所消耗的熱能也將越來越高。為了促進定形機生產企業設計熱能效率更高的定形機，同時推動定形機使用企業采取相應措施，降低生產中的熱損耗，加強對定形機的管理和節能改造，本文從定形機的發展階段與設備種類、使用現狀、耗熱情況等方面入手，對定形機熱平衡測試方法進行詳細的介紹。

1 定形機的發展階段與種類

1.1 定形機的發展階段

20 世紀90 年代以來，我國紡織印染行業快速發展，促進了定形機的快速增長。定形機應用的發展可以分成3 個階段：第1 階段是20 世紀70 年代到90 年代，高檔定形機從德國、瑞士、日本等發達國家引進，國內以生產拉幅機為主。第2 階段是20 世紀90 年代到2008 年，隨著我國印染行業的發展，對高檔定形機的需求大幅度增加，進口定形機的渠道進一步拓寬，韓國和中國臺灣生產的定形機進口快速增長；與此同時，國內的定形機研制和生產取得了長足的進步，逐步得到市場的認可和接受。第3 階段為2008 年至今，由于金融形勢的影響，進口定形機的趨勢減緩，相比之下，國產定形機得到了快速發展，逐步占據市場。據中國紡織機械協會統計，我國生產中高檔定形機的企業在30 家以上，2016 年國產中高檔定形機量達到1 500 臺以上，2015 年達到1 200 臺以上，2016 年的產量較2015 年增長24%，基本能滿足國內的需要，還有部分出口。未來定形機將向智能化、節能化及多功能化方向發展。

1.2 定形機的種類

我國紡織染整行業是從20 世紀70 年代后才廣泛使用定形機。目前，定形機已發展成為多種類多型號的生產設備大家族。

1.2.1 以熱源分類

各種熱源定形機有如下特點：

（1）蒸汽定形機：蒸汽定形機是以中高壓蒸汽為熱源，經過定形耗熱后，蒸汽以汽水混合形式排出定形機。蒸汽定形機比較適用于定形溫度較低（定形溫度小于等于200 ℃）的織物，定形溫度受輸入蒸汽壓力和溫度變化的影響。在紡織染整工業園中，企業使用蒸汽定形機較多。

（2）導熱油定形機：導熱油定形機是以加熱的導熱油作為熱源。導熱油定形機的烘箱溫度較為穩定，可以根據生產的實際需要調節溫度，可用于高溫定形（定形溫度大于等于200 ℃）。

（3）氣體燃料定形機：是以天然氣、液化氣等氣體燃料為能源的定形機。天然氣或液化氣等氣體燃料輸入到定形機內，在定形機中燃燒，直接或間接加熱織物。與前面兩種定形機相比較，氣體燃料的能源利用效率最高。

（4）電定形機：電定形機是以電為能源，通過電發熱絲或電紅外線管進行加熱。電定形機設定溫度穩定，定形溫度容易控制，定形過程產生的廢氣量較少。但因耗電量較大，開機或關機時對電路的影響太大，目前正在運行的電定形機數量較少。

1.2.2 以定形機的烘箱數量分類

定形機的烘箱數不同，不僅導致定形機的長度不同，還會影響到熱能的利用、工藝的多樣性以及生產效率。定形機的烘箱數越多，可使用的工藝越多，生產效率越高。常見的定形機烘箱數有4、6、8 和10節等。隨著技術的發展，8 箱以下的定形機已經淘汰。目前已出現烘箱多于10節的定形機。

1.2.3 以織物幅寬分類

定形機的寬度決定了定形織物的寬度。可根據定形織物的寬度對定形機進行分類。定形機可分成超寬型定形機、寬幅型定形機或窄幅型定形機。

定形機還可以根據進布方式、出布方式、整緯方式、調幅方式等功能的不同分成不同的類型。

2 定形機的生產工藝流程

纖維在一定的溫度（一般是在該纖維的玻璃化溫度以上）下受到張力作用，可達到尺寸穩定的效果。定形機是根據纖維的這種特性而發展的設備。定形機可以用于織物印染后的整理，也可以用于印染前的處理和功能性整理。

2.1 印染前的處理

含有氨綸的彈力織物在染色時，為了避免在染色過程中織物應力變化引起的皺紋或折痕，需要在染色前將彈力織物進行一次定形。彈力織物染色前的定形所需要的溫度較高，但是定形的時間很短。在實際生產中采用的方法是加快織物的走速。

隨著旅游業在全球范圍內的不斷發展，人們對于旅游的文化本質認識越來越深刻，盡管對于旅游文化定義眾說紛紜，但是對于“文化是旅游的本質”這一命題國內外學者的認識是相當一致的。

2.2 印花前的處理

為了保證印花的質量，織物在印花前，尤其是針織布，需要進行定形，以保證織物的幅寬準確、單位面積質量均勻、布面以及紋理平整，從而保證印花的質量。

2.3 印染后的整理

初期定形機都是用于印染后的整理。織物在染色過程中受到各種拉力產生應力釋放，導致織物幅寬和單位面積質量變化較大，不穩定。染色后對織物進行定形處理的目的是穩定織物的幅寬，使織物的單位面積質量均勻，增加織物的表面平整度。

2.4 功能性整理

隨著人們生活水平的提高，對服裝的要求也越來越高。服裝的功能性整理是提高服裝質量和檔次的重要方法。服裝的功能性來自于織物的功能性。利用定形增加功能性是常用的生產工藝。在染色后的定形過程中，適當地加入相關助劑或者化學品就可以賦予織物某些功能，例如免燙、阻燃、防油、防污和防水等。

3 定形機的使用現狀

目前定形機使用狀況有以下幾個特點：

（1）隨著印染企業入園比例的增加，導熱油定形機的數量越來越少，蒸汽定形機所占的比例最大，約占定形機總數的30%以上，氣體燃料定形機所占的比例較低，不到10%。

（2）擁有8 節烘箱的定形機數量最多，約占定形機總數的90%。

（3）定形機從簡單的高溫焙烘設備逐步發展成為多功能、多技術的組合設備，例如增加智能整緯設備、尾氣余熱回收設備、尾部自動切布設備等。

4 定形機熱平衡測試方法

根據定形機的發展階段、設備特點、耗熱情況等，對定形機熱平衡測試方法進行研究。在進行熱平衡測試方法研究中，邊界以外的熱量或者耗熱不予考慮。

4.1 熱平衡的計算

定形機輸入熱量包括各種熱源（如導熱油、蒸汽等）帶入的熱量、在定形機內燃燒產生的熱量（如天然氣、液化氣等在定形機中燃燒）以及高于基準溫度的新鮮空氣和織物帶入的熱量。在實際生產中，對于某一類型的定形機，其主要輸入熱量是該定形機的熱源能源，如蒸汽定形機的主要輸入熱量是蒸汽。在大多數情況下，織物和新鮮空氣的溫度是低于基準溫度的。因此，織物和新鮮空氣基本上不帶入熱量。

定形機輸出熱量可分為帶出熱量和損失熱量。帶出熱量有織物帶出熱量、定形機附件帶出熱量以及定形機尾氣帶出熱量。損失熱量包括機箱的散熱損失和定形機尾氣排放熱量損失。與輸入熱量相比較，輸出熱量的不確定因素較多，測量和計算較為復雜。需要說明的是，有的定形機安裝在地面上，有的定形機是懸空安裝，前者無法測量和計算定形機底面的散熱損失，而后者可以測量和計算其散熱損失。

有效熱包括織物吸收的熱量、織物含水吸收的熱量以及新鮮空氣加熱的熱量。嚴格來說，還應該包括定形過程中部分助劑發生化學反應所吸收的熱量，由于這部分熱量很難測到，而且相比之下，熱量較小，可以忽略不計。

將定形機作為一個系統，其熱平衡示意圖如圖1所示。

圖1 中，輸入熱量是指輸入定形機作為熱源的蒸汽、導熱油的熱量，也包括以天然氣為燃料燃燒后產生的熱量；一般情況下將環境溫度設為基準溫度。織物和新鮮空氣進入定形機時基本上是環境溫度，所帶入的熱量可以忽略；散熱熱量損失包括定形機整個散熱損失，以烘箱散熱損失為主；尾氣排放帶出熱量是指從定形機直接出來時檢測的熱量，不考慮熱量回收等因素。根據熱力學第一定律和定形機實際情況，定形機熱平衡可用下式表示：

式中，Q織物帶出熱量為產品、工質和定形機尾氣等帶出的熱量，kJ；Q出口風量帶出熱量為定形機周邊散失和定形機廢氣排放的熱量，kJ；Q尾氣排放帶出熱量為用于加熱織物、新鮮空氣和水分的熱量，kJ；Q散熱熱量損失為定形機散熱導致的熱損失，kJ；Q輸入熱量為輸入定形機的熱量之和，kJ。

4.2 計量和測量儀器的要求

計量和測量儀器的要求分成兩個部分：（1）企業、車間或工序的計量應按照相關標準來選擇和配備；（2）在實際工作中，定形機熱平衡測試一般都是在生產現場測試。因此，要根據生產現場的實際情況配置相關計量器具，以保證數據的準確和有效。

4.3 測試條件

（1）測試應是在穩定的生產過程中進行。定形機升溫到設定溫度要超過20 min 以上。（2）定形機烘箱散熱點的設定應符合相關標準和技術規范。（3）在一般情況下，可以將車間內環境溫度作為基準溫度。但是要注意車間內環境溫度的變化。若要將測試數據進行不同車間或不同時間段的對比，必須設定基準溫度，且基準溫度應低于車間環境溫度。在這種情況下，織物、織物的含水以及新鮮空氣帶入的熱量就必須給予重視，不能忽略。（4）測試小組的成員應熟悉定形機運行，具備較好的能源知識以及熟悉各種測試方法。

4.4 測試流程

（1）測試前的準備。做好測試工作計劃和測試方案，確定各種測試點以及測試方法，準備好相關的記錄表。（2）測試。在現場按計劃進行測定，做好記錄，尤其是出現異常情況時。（3）數據整理和分析。將現場測試所獲得的數據進行整理，并進行分析。（4）編寫測試報告。

5 案例

定形機以導熱油為熱源。對其中一批全棉針織布定形過程進行了熱平衡測試。現場檢測的有關數據見表1。表1 中的數據以1 t 產品進行計算。由表1可以看出，尾氣排放帶出的熱量最大。需要解釋的是，尾氣排放帶出的熱量不能全部看成是損失的熱量，其中相當一部分是用于織物和循環空氣加熱的熱量。而織物和新鮮空氣吸收的熱量屬于有效熱量。要提高定形過程的能效，降低定形時的能耗，減少尾氣排放帶出的熱量是關鍵。基本方法是控制尾氣排放量和回收利用尾氣的余熱。在本文中，重點討論了定形機的熱平衡。由于篇幅關系，將另文對定形過程熱效率進行分析和討論。

表1 全棉針織布定形過程現場檢測數據以及計算結果