涂布機烘箱溫度場特性分析與結構優化

摘 要： 本研究利用三維建模和流體仿真軟件對涂布機烘箱流場進行仿真，發現烘箱流場存在長度方向上溫度不均勻且各風嘴處溫度方差較大的問題。針對以上問題，從導流板圓角半徑、烘箱進風口位置及導流板數量方面入手，對烘箱結構進行優化并設計多組對比仿真實驗。結果表明，增大導流板圓角半徑會使導流板背面緊鄰兩處風嘴的溫度有所提升，烘箱進風口位置的改變對基材表面溫度分布有明顯提升，增加導流板數量并合理設置其結構尺寸及空間位置使得熱風在烘箱風室中部位置滯留，可以降低基材表面溫度的不均勻性。并依據以上結論對烘箱模型進一步優化，將各風嘴處平均溫度差由±4. 5 ℃降低至±2. 5 ℃，為后續烘箱設計及優化提供借鑒和理論依據。

關鍵詞：涂布機烘箱；仿真分析；溫度場特性分析；結構優化

中圖分類號：TS735 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 020

涂布技術在印刷包裝、新能源電池、食品醫藥包裝、建筑裝飾等領域有著廣泛應用。涂布設備作為實現先進涂布技術的一種精密高效的生產設備，其性能決定了涂布產品質量和涂布生產效率。涂布生產過程中，為了使被涂布的圖層在短時間內干燥結膜，增強涂層與基材之間的黏結力，必須依靠干燥系統[1-2]。烘箱作為涂布機完成干燥工藝的主要設備，干燥的速度、均勻性和安全性，是衡量一臺涂布設備精密性、可靠性和高效率的關鍵指標。工業上應用的干燥方式有紫外干燥、紅外干燥、微波干燥和熱風干燥等，前3種干燥方式由于能耗大、工作維護成本較高，在涂布工業領域并沒有得到廣泛應用，熱風干燥憑借其成本低、適用于大幅生產等特點，在涂布干燥設備中應用占90%以上，是現代涂布工業干燥的主要方式。熱風干燥烘箱在涂布機組中是多段組合，位于機組頂部呈拱形，這種結構可以縮減整機長度節度、節約占地面積 （圖1（a））。單個烘箱通常由上下2部分組成，上烘箱體包括了進風口、風室和風嘴，風室和風嘴均有一定的傾斜角度，下烘箱體安裝有與風嘴組平行的導輥用來運輸帶材（圖1（b））。

熱風干燥本質上是傳熱傳質的過程，利用高速流動的熱空氣將熱量傳遞至基材涂層表面，借助溫差將熱量向涂層內部傳遞，涂層表面的溶劑受熱蒸發使得涂層上下產生溶劑濃度差，下層溶劑分子會向上層移動并蒸發，從而達到干燥的目的。熱風的溫度與氣流速度影響了干燥過程傳熱傳質系數，決定了涂層干燥的速率，烘箱腔內溫度場和速度場的均勻性則影響了產品整體的干燥均勻性。合適的熱風溫度和氣流速度與烘箱內均勻的流場是實現高質量涂布產品高效率生產的必要條件。

熱風干燥烘箱普遍存在流場內溫度與風速不均勻的問題，不僅影響了產品干燥的均勻性，還會使能量過度耗散，降低了能源利用率，增加能耗。因此，許多學者針對烘箱腔內流場不均勻問題對烘箱結構進行了優化。Liu 等[3]、王永周等[4]、包松鑫[5]、Wei 等[6]對導風罩、進風口、勻風板及導流板等方面進行優化設計，使優化模型的流場氣流更加均勻，風速也有所提升。Yi等[7]研究了連續生產產品的熱空氣對流烘箱的熱傳遞效率，并通過改變溫度、氣流速度和風嘴結構提升了生產線工作速度，從而減少物料在烘箱內的循環時間以提高生產效率。宋建輝等[8]分別設計了含有勻風板、導流板、隔板結構的 5 種涂布懸浮烘箱模型，利用模擬仿真得到了最優的烘箱結構。還有學者針對烘箱內室空間結構設計合適的勻風孔板，提高開孔率以達到均勻風速的目的。Seo 等[9]、宋樹權等[10]、Mondal等[11]設計比較了多種不同開孔率的勻風網對腔內流場和溫度場的影響情況，得出開孔率越大，結構應力集中越小的結論，并通過仿真實驗確定了勻風孔板的最佳參數，提高了烘箱內流場的均勻性。由此可見，通過采用給原烘箱添加導流板、勻風板和改善烘箱進風口位置等方法，均在一定程度上可以提高腔內流場的均勻性。

另 一 方 面，也 有 學 者 對 烘 箱 單 個 風 嘴 的 結 構進 行 優 化 使 基 材 表 面 流 場 的 均 勻 性 得 以 提 升 。Jeong等[12]采用流體力學方法研究了烘箱風嘴的寬度、風嘴高度、送風高度和狹縫寬度等變量對硬性基材表 面 壓 力 的 影 響 。 Xing 等[13]、 李 舉 平 等[14]、 翟 銀花[15]、張喆等[16]設計了新型風嘴結構，以適應不同烘箱的風場情況均勻出風速度。袁文華等[17]對干燥烘箱的風嘴內部進行了數值模擬，通過提取極片表面流場速度數據，分析了速度場均勻性，并根據結果設置回風孔對風嘴進行了結構優化，改善了極片表面速度場分布均勻性。Labtaini 等[18]建立了沖噴射系統的二維仿真模型，從速度和壓力方面預測噴嘴尺寸對系統清洗性能的影響。結果表明，壓力隨噴嘴高度增加而增加，隨噴嘴直徑增加而降低，速度與噴嘴直徑成正比。Ergur 等[19]在噴嘴與板間距較小的情況下，分析了幾種不同幾何形狀噴嘴的合成射流的傳熱特性和流體運動特性。Farzad等[20]對出口角度為20?和 45?的狹縫射流再附著 （SJR） 噴嘴的干燥特性進行實驗研究，分析發現，相比基于等表面峰值壓力標準的傳統狹縫射流 （SJ） 噴嘴，SJR+20°噴嘴可將干燥時間縮短 57%，達到 2% 的干基含水量水平。孫玉香等[21]構建了有較好擬合度的風嘴結構在多參數影響下的流場特性回歸模型，能夠對風嘴區域流場進行可靠分析和預測。

綜上所述，烘箱風嘴的優化大多是調整風嘴尺寸，使其與烘箱整體空間分布更加適配以提高流場內部風速的均勻性；或設計風嘴的吹風角度使熱風在基材表面的分布更加均勻穩定。這些優化方法大多針對的是改善烘箱內速度場的均勻性，而對溫度場的影響較小。溫度作為干燥中的重要工藝參數之一，可控制涂層干燥過程中的傳熱傳質系數，直接影響生產速度和產品質量，而烘箱大面積空腔結構的存在以及能量耗散現象使其流體區域具有近進風口處溫度高，遠進風口處溫度低的特點，影響了涂布產品經過烘箱時的干燥質量，容易出現涂層干燥不均勻的現象，導致了廢品率的提升，也造成了能源浪費。因此，優化烘箱結構以提高溫度場均勻性變得尤為重要。

本研究以計算流體力學為理論依據，綜合了烘箱導流板、烘箱入風口位置和導流板數量的結構優化方法，先通過控制變量法設計結構進行仿真分析，再選擇優化效果較好的結構進行綜合分析，最終確定了新的入風口位置并設計了一款導流板結構，以期提高烘箱內部與基材表面的溫度場均勻性。

1 涂布機烘箱建模與溫度場仿真分析

1. 1 理論方程

烘箱流場的仿真分析原理是利用計算流體力學的方法，依據流體力學的三大理論方程，即質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程對離散后的烘箱流體微元模型進行迭代計算，最終輸出圖像和數據結果來反映烘箱流場狀態。

1. 1. 1 質量守恒方程

質量守恒方程又名連續性方程，是流體運動力學的一個基本方程，反映流體流動和其質量分布的關系，是質量守恒定律在流體力學中的數學表達，其微分形式見式（1）。

本研究流場仿真狀態為機械穩定運行時的定常流動的不可壓縮氣體，因此，式中ρ為常數，式（1）可簡化為式（2）。

1. 1. 2 動量守恒方程

任何流體流動的問題均遵循動量守恒定律，動量守恒定律實質上為牛頓第二定律。動量守恒方程又被稱為納維-斯托克斯 （Navier-Stokes） 方程，簡稱 N-S方 程 ， 對 于 不 可 壓 縮 的 黏 性 流 體 ， 其 表 達 式 見式（3）～式（5）。

1. 1. 3 能量守恒方程

能量守恒方程又稱伯努利方程，是有熱量交換的流體流動問題必須遵循的基本定律，對本研究烘箱流場中的不可壓縮黏性流體來說，其表達式見式（6）～式（7）。

以上方程是計算流體力學的理論基礎，詮釋了本研究烘箱內定常流動的不可壓縮黏性流體的運動規律，也是后續進行結構優化的理論依據。

1. 2 模型建立與邊界條件設置

圖2為涂布機烘箱結構示意圖，熱風由進風口進入，通過勻風板從風嘴吹出至待干燥基材表面，結構包括外箱體、進風口、風室、風嘴、基材進出口及出風口等，其中內風室自料帶入口至料帶出口呈一定的傾斜角度，且其內部含有引導熱風流向的導流板結構，烘箱總體尺寸為長度3 990 mm×寬度1 870 mm×高度1 100 mm，進風口結構尺寸為長度396 mm×寬度1 400 mm。

圖3為風嘴結構細節圖。風嘴從熱風入口至狹縫出口呈空間減縮的形式，風嘴入口處設置分布有均勻圓孔的勻風板結構，能夠對即將進入風嘴內腔的氣流進行調整。

圖4為烘箱流體域與網格模型。導出流體域并進行網格劃分，設置網格模型入口為垂直入射速度入口，風速 4 m/s，熱風溫度 90 ℃，出口設置為壓力出口，溫度為室溫，進行流體計算。

1. 3 溫度場仿真結果分析

仿真計算完成后提取烘箱中心截面與基材表面溫度云圖進行溫度場分析。烘箱內部的溫度分布云圖，如圖5（a）所示。烘箱內溫度最高的區域位于進風口及風室內熱風主要流動路徑形成的風帶區域，上風室內其他區域的溫度較入口有所降低，再經風嘴到達基材表面后溫度進一步降低。對基材表面溫度分布云圖（圖 5（b）） 分析發現，沿烘箱長度方向溫差較大，這是由于烘箱入口偏于烘箱一側，導致熱風在基材表面長度方向上分布不均勻。綜合來看，在進風口正下方及熱風流向的方向上，風嘴正下方溫度明顯比遠離進風口處風嘴高。

選擇風嘴出口正下方對應的基材位置處進行溫度數據的提取，數據提取位置如圖6所示，每條數據線提取 30 個數值，分別計算各組溫度數據的最大值、平均值、最小值及方差進行后續分析。

表 1 為基材表面提取的溫度數據及其計算結果。將表 1 數據繪制成折線圖，如圖 7 所示。綜合圖 7 中的折線變化趨勢和表 1 中數據可知，基材表面的平均溫度與其在烘箱內部所處的位置密切相關，位于烘箱進風口下方的風嘴吹出的熱風到達基材表面時具有更高的溫度，靠近烘箱前后端位置處，由于湍流耗散的影響，基材表面溫度逐漸降低，這使得風嘴間平均溫度的波動較大，最大差值為±4.5 ℃。結合圖 7（b）中的方差數據可知，每個風嘴下方基材表面溫度的變化波動均比較明顯，其中最大的方差數值為 1.87，出現在風嘴 4，最小的方差為 0.70，出現在風嘴 7，各風嘴出口對應基材表面的溫度分布較為不均勻。

2 烘箱結構優化設計

依據原模型基材處溫度有兩端風嘴處溫度低且遠入風口處多個風嘴溫度隨距入風口距離的增大而減小的分布規律，提出了以下設計方案進行控制變量法研究：優化導流板半徑，使熱風進入風室后可以更平滑地改變流動方向減少湍流耗散的熱量損失；改變入風口位置并搭配上述勻風板，改善存在的近入風口處溫度高、遠入風口處溫度低的問題；設計導流板數量的對比實驗得到溫度均勻性與導流板數量之間的關系，選出最優的設計方案。

2. 1 烘箱模型優化設計方案

2. 1. 1 導流板圓角半徑

圖 8為烘箱導流板結構示意圖。由圖 8可知，導流板共有 4個結構尺寸，分別為豎板 L1、斜板 L2、夾角 α、圓角半徑 R。導流板合適的斜板長度可以確保干燥過程中熱風有足夠的停留時間和適當的流速以充分加熱物料。導流板的夾角會對熱風的切向和軸向速度產生影響，適當的角度可以平衡熱風的上升、下降和水平流動速度，可以引導氣流更加平滑地轉向。導流板圓角的存在減少了因流體快速轉向而產生的渦流，增強流場的穩定性并減少熱能損耗。

針對此烘箱存在的溫度不均勻問題，該方案將探究導流板圓角半徑R對烘箱內部流場分布的影響，共設置 3 組參數 100、150 和 200 mm，為方便后續結果分析與數據折線圖繪制，將 3 組模型分別記為 100、150、200。導流板的夾角和斜板長度根據其在烘箱內所處空間位置進行設計。

2. 1. 2 進風口位置

圖9為烘箱俯視進風口位置示意圖，設烘箱進風口中心線距離烘箱外壁的尺寸參數為自變量 Q，Q的初始值為800 mm；以Q等于烘箱整體尺寸1/3長度即1 330 mm為第2種進風口位置的烘箱模型；以前2種模型進風口中心線間的距離為間距ΔH，確定第3種烘箱的進風口位置，共計3種不同進風口位置的烘箱模型。

由于烘箱進風口位置的改變，針對第 2 種和第 3種模型分別設計2個不同方向的導流板，導流板橫向布局整體設計思想如圖 10 所示，其中 O 為總體風嘴個數，O1、O2、O3分別表示導流板引流情況下烘箱內室3部分氣流各自覆蓋的風嘴個數。

3種不同進風口位置烘箱模型的各個導流板的結構參數如表2所示。為方便后續結果分析與數據折線圖繪制，將3組模型分別記為800、1330、1860，考慮到模型800的入風口與風室右側壁面距離較小，因此僅對模型800設計了左側導流板。導流板間隔為圖10所示的導流板距入風口兩側和導流板之間的具體距離。

2. 1. 3 導流板數量

由于烘箱長度方向尺寸較大，因此，提出進風口采用多個導流板的設計方案。導流板縱向空間布局如圖11所示。

各導流板具體結構參數如表3所示，其中當導流板朝向左側時，L側 表示導流板距離進風口左側壁面的距離，當導流板朝向右側時，L側 表示導流板距離進風口右側壁面的距離。為方便后續結果分析與數據折線圖繪制，將各組模型做以簡稱，如表 3 的“名稱”列所示。

2. 2 優化結果分析

2. 2. 1 導流板圓角半徑結果

圖12所示為不同導流板圓角半徑的烘箱溫度場云圖，圖13為其對應的基材表面溫度數據折線圖。對比圖 5、圖 12和圖 13可以發現，3組模型中模型 200烘箱風室最前端溫度最高，相較于其他2個模型長度方向的溫度均勻性有所提高，但其2～5號風嘴對應的基材表面溫度值略低于另外2組模型，這是因為烘箱內室中溫度較高，從風嘴噴出到基材表面的熱量就會減少，從而導致風嘴相對應的基材表面處的溫度值降低。由此可見，烘箱內室的大空間會造成熱風能量堆積，影響了基材表面的溫度分布。綜合來看，后續使用200 mm的圓角半徑進行進一步導流板的結構設計。

2. 2. 2 進風口位置結果

圖14為不同進風口位置的烘箱溫度分布云圖。對比圖5和圖14發現，隨著Q的增加，烘箱內室中熱風溫度均勻程度相比原烘箱有所提升。但烘箱后室由于在風嘴上方大空間內產生了熱風漩渦，存在熱量堆積，調整后的模型1330和模型1860的烘箱后室溫度相比原烘箱溫度有所降低。圖15為不同進風口位置烘箱的基材表面溫度折線圖。由圖15可知，2種調整后的模型進風口位置的改變均大幅提高了 1～5 號風嘴的溫度，其中模型1860提高的更為顯著。但是調整后的模型后風室存在更大的空間致使熱量較多耗散于烘箱風室中，流入風嘴的熱風熱量減小，導致模型1860和模型1330的13～15號風嘴出口對應基材處溫度均有不同程度的降低，且模型1860降低得更多一些。

結果表明，烘箱進風口位置的改變對基材表面溫度的分布有顯著影響，進風口位置越接近中間位置，烘箱前室的溫度提升效果越好。綜合來看，后續選擇模型 1860 的進風口烘箱結構，同時考慮風室存在的大空間熱量耗散，從優化導流板結構參數與空間布局、縮減烘箱內室方面優化烘箱模型，從而提升烘箱流場分布特性。

2. 2. 3 導流板數量結果

圖 16 所示為不同導流板數量的烘箱溫度分布云圖。對比圖 16（a）與圖 16（b）發現，在 800-2fan 右側導流板的引流作用下，流向右側風嘴熱風的溫度升高；分析圖 16（b）與圖 16（c）可知，導流板數量增多使得最右側導流板與烘箱壁面間距過小，流入該區域的熱風較少，因此，800-duo 導流板的右側風嘴溫度低于同進風位置的其他模型；對比圖 16（c）～圖 16（e）分析可知，導流板上端與烘箱進風口端面之間的距離會影響熱風的流動狀態；圖 16（e）所示的導流板縱向布局間距 L 上之間的差距大于圖 16（c）和圖 16（d）對應的模型，熱風流經導流板后有更高的溫度。由圖 17 可知，導流板數量的增多沒有明顯提升基材表面溫度的分布狀態，因為導流板結構尺寸和空間布局的不合適，烘箱后風室甚至出現了溫度降低的情況，分析原因為多個導流板的引流致使熱風流向烘箱內室高度的中間位置，造成了能量的大量浪費。

綜合分析，導流板數量增多并不一定顯著提高風速和溫度的分布情況，后續應適當減少導流板的數量，對其結構設計要考慮減少將熱風引導至烘箱風室的中部位置，要適當增加導流板之間的橫向間距便于熱風流入，對于豎板尺寸和導流板上端距烘箱進風口端面的距離要盡可能縮短以減小能量消耗。

總結以上設計方案，結果表明，200 mm 圓角半徑的導流板設計和1 860 mm進風口位置設計這2種方案較原烘箱模型的溫度場均勻性有了一定提高，但導流板數量的增多并沒有與溫度升高成正比關系，反而使烘箱內溫度整體降低，這是由于導流板數量過多使熱風進行了多次轉向形成渦流，形成了不必要的能量耗散，后續需要進一步對導流板數量及其結構參數和空間布局進行完善。

2. 3 進一步優化設計

烘箱內部結構存在的主要問題是導流板結構參數及空間布局、導流板數量的合理設置以及烘箱內室空間較大。本研究進一步以 1 860 mm 進風口位置的烘箱為模型基礎，針對烘箱結構存在的3個問題對其優化設計，以提高烘箱溫度及其均勻性。

2. 3. 1 方案設計

針對烘箱內室空間較大的問題，在進風口和烘箱前后端壁面之間分別加一個隔板以縮減烘箱內室的空間。烘箱前后風室的2個隔板如圖18所示。導流板與進風口側邊的橫向間距過小會導致進風量過小，阻礙熱風流動，所以在設計導流板的結構尺寸時，應該適當增大導流板的縱向空間布局 （L 上），并根據導流板所處空間位置的不同適當調整其圓角半徑、夾角和斜板的參數尺寸。由前面的分析可知，過多的導流板數量并不一定會對流場分布產生有效影響，所以應適當減少導流板的數量，優化后的導流板結構參數及空間布局尺寸如表4所示。

考慮到先前設計的導流板其正下方風嘴處溫度分布情況不佳，尤其是基材溫度值低于局部其他風嘴處，分別在左側 2號導流板和右側 1號導流板上設計透風孔結構，透風孔半徑 10 mm、間隔 50 mm，兩排透風孔間隔排列，透風孔位置位于 8、9 號風嘴上方及之間區域，2個導流板結構如圖19（a）所示，優化的烘箱模型如圖19（b）所示。

2. 3. 2 優化后結果分析

計算完成后提取模型溫度場云圖，同時依照上述相同的數據提取方法，在同樣位置處提取基材表面的溫度值和風嘴出口的速度值，并分別繪制成折線圖進行分析，為方便繪圖及后續分析，將優化模型記為1860-youhua。

圖20（a）為烘箱優化模型的溫度分布云圖，圖20（b）為不同進風口位置烘箱模型的基材表面溫度平均值對比折線圖。對比圖5和圖20可知，由于烘箱內室空間的縮減使熱風能量更集中，除靠近烘箱前后端頂部和中間2個導流板下方位置溫度較低，其余空間區域均呈現較高溫度且較為均勻。

結合溫度數據折線圖分析，并將優化模型 1860-youhua 與其他模型溫度值進行比較計算，匯總結果，如表 5所示。分析表 5可知，模型 1860-youhua有 6組溫度數據顯著高于原始模型 800，其中以 2～4 號風嘴處增加的尤為顯著，溫度值增幅均在2 ℃以上，另外有7組數據與原始模型相比上下浮動不大，僅8、9號風嘴的溫度數值相比原始模型有降低。與模型 1330和模型 1860 的溫度數據對比發現，優化模型 1860-youhua 的 溫 度 分 布 均 勻 性 更 好。總 體 來 說，模 型1860-youhua 溫度分布情況明顯優于原始模型及另外2組優化模型。

將模型 1860-youhua 各風嘴出口對應位置處的基材表面溫度最大值、平均值、最小值及方差數據和原模型作對比如圖 21所示。由圖 21可知，烘箱優化前后 10～15號風嘴的溫度最大值基本一致，1860-youhua的1～7號風嘴溫度分布整體優于原始模型，1～4號風嘴提升最為明顯，8、9號風嘴受導流板的影響，低于原始模型最大值。對于溫度最小值，1860-youhua 的 1～7號風嘴溫度最小值優于原始模型，13～15號風嘴溫度最小值低于原始模型，中間2個模型的溫度則呈現波動狀態。對于溫度平均值，對比原始模型的平均溫度折線，優化后模型的平均溫度波動較小，最大差值為±2.5 ℃。觀察圖21（b）所示的各風嘴對應基材表面的溫度方差對比折線圖可知，1860-youhua有10組方差小于原始模型，1組差別不大，1、14和15號風嘴處的方差明顯高于原始模型。綜合圖21和表5對于溫度平均值的對比分析，1860-youhua各風嘴對應基材位置處的整體溫度分布情況明顯優于原始模型。

3 結 論

本研究基于計算流體力學對拱形結構的涂布機烘箱溫度場特性進行研究。從進風口位置、導流板數量與導流板圓角半徑3方面對烘箱進行結構優化。

3. 1 通過對涂布機烘箱的建模與仿真，將溫度場云圖定性分析和特定位置處數據的定量分析相結合，得到烘箱內部及基材處的溫度分布情況。研究發現風嘴間平均溫度差在±4.5 ℃，烘箱長度方向上存在熱風溫度差值較大的問題且部分風嘴溫度方差較大。

3. 2 增大導流板圓角半徑會使導流板背面緊鄰2處風嘴的溫度有所提升；烘箱進風口位置的改變對基材表面溫度分布有明顯提升；增加導流板數量并合理設置其結構尺寸及空間位置使得熱風在烘箱風室中部位置滯留，可降低基材表面溫度數值分布。

3. 3 本研究進一步從優化導流板數量、結構尺寸與布局、縮減烘箱內室空間等方面設計烘箱結構并進行分析改進，最終優化模型的風嘴間平均溫度差降低至±2.5 ℃，多組風嘴溫度方差明顯降低，整體上提升了基材表面的溫度分布的均勻程度。

本研究對于烘箱的結構優化從進風口和導流板兩方面入手，烘箱出風口位置及尺寸的影響暫未進行深度研究，另外烘箱內隔板的設計會增加烘箱質量，后續研究可結合實際需求優化烘箱內室形狀，以避免過多增加烘箱的質量。

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（責任編輯：宋佳翼）