气流染色机的功率消耗分析及节能改进

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摘要：本文指出气流染色机中气流与雾化染液作用后的动能损耗是造成风机功率过大的原因，提出了气流与染液分离的气液染色方法。气液染色方法不仅可以降低电耗，而且还可以根据织物的染色工艺要求，实现灵活的工艺条件控制，并提高染色生产效率和匀染效果以及对敏感色染色的适应性。

关键词：气流染色机；功率消耗；组合喷嘴；气液分离；匀染性

中图分类号：TS193.3 文献标志码：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

尽管气流染色机具有显著的节水和节汽优势，但其功率消耗远大于普通溢流或溢喷染色机，增加了印染企业的用电成本，制约了气流染色机的推广应用。本文对气流染色机的功率消耗进行了分析，发现气流对雾化染液的作用是风机功率消耗过大的主要原因，并提出了一种全新的喷嘴结构形式，对气流喷嘴和染液喷嘴采用相对独立控制，避免相互影响，以此降低气流能量消耗。经验证，采用新喷嘴后风机的额定功率可降低50%以上，有效地解决了气流染色机电耗高的问题。

1 风机功率消耗分析

尽管目前气流染色机的风机都采用了交流变频控制，但在实际使用过程中仍然需要消耗大量电能。风机的功率消耗之所以较大，主要在于气流喷嘴中气流对雾化染液的作用。此外，空气粘性系数在不同温度下发生变化以及蒸汽也会影响到气流对织物循环的牵引力，增加风机的功率消耗。

1.1 气流的动能损耗

试验表明，当染液雾化喷嘴未开启时，气流牵引织物循环并不需要太大风量；当染液喷嘴开启时，气流牵引织物的速度迅速降低，若要保证织物循环的线速度，就必须加大风量，即提高风机功率。染液经雾化喷嘴雾化后，首先喷入气流喷嘴夹层里的气流中，然后随气流从环缝隙喷入喷嘴喉部与织物作用。在气流喷嘴夹层中，雾化染液与气流实际上为两相流体，相互作用后，无论是气流的动能，还是染液状态都会发生变化。气流的动能衰减，使得部分雾化染液又重新聚集。因此，只有在足够大的风量和风压下，才能够保证流量较小的染液在气流喷嘴环缝隙中获得较均匀喷射。

1.2 空气粘性系数的影响

空气的粘性系数随着温度的升高而增加，在相同空气流速下，随着空气粘性系数的增加，气流对牵引织物的摩擦力增大，织物的运行速度加快。这一过程实际上也伴随着气流动能消耗的上升，同样会导致风机运行功率的增加。为了避免高温时发生风机过载，气流染色机通常需要配备额定功率较大的风机。

1.3 高温蒸汽的影响

在高温（≥98 ℃）条件下，气流染色机密闭的主缸体内充满水蒸气，风机的循环介质实际上是空气和水蒸气的混合体，而这种混合体的密度大于空气，会增加风机功率消耗，这也是相同容量的高温高压气流染色机风机功率比常温常压气流染色机高的原因。

2 气液分离的喷嘴设计及其优点

气流染色机因过于强调“雾化染色”，将相当大一部分风量消耗在雾化染液上，因而造成了风机功率过大。事实上，染液首先是在夹套中经由染液雾化喷嘴进行雾化，然后再由气流带入环缝隙。在这个过程中，原来经喷嘴雾化的染液又回到了颗粒很大的水幕状，气流动能损耗也非常大。有实验表明，采用微细雾化喷嘴后气流动能损耗就小很多，风机功率消耗可以大幅降低，这充分说明气流动能主要是消耗在带动雾化染液上。鉴于上述情况，气流染色机可采用气流和染液分离的喷嘴结构设计，使气流和染液各自承担相应作用，降低能量消耗。

2.1 降低织物张力

在循环动程中，织物借助气流和提布辊的牵引，以绳状通过染液喷嘴，再经提布辊、气流喷嘴和摆布装置落入储布槽。气流是牵引织物循环运动的主要动力，提布辊起辅助作用。

采用气流和染液分离的喷嘴结构设计后，牵引织物循环的作用力实际上可分解为三部分，即气流主牵引、提布辊牵引和染液喷嘴辅助牵引。这种设计的优点之一在于，织物循环速度相同时，牵引作用力的分解有利于降低织物的局部张力，减轻张力对针织物幅宽的影响。

2.2 改善匀染和减少折痕

将气流和染液分别作用于织物时，气流作为牵引织物循环运动的主要动力，能够对织物纤维表面的染液进行再次均匀分配：一是降低染液边界层（动力边界层和扩散边界层）的厚度，加快染料向纤维表面的扩散速度；二是通过气流的吹散作用对分布不均匀染液进行重新分配；三是在织物进入储布槽之前进行织物纬向扩展，以消除织物折痕。

2.3 提高染液循环泵的抗汽蚀性

为保证良好的染液雾化效果，传统气流染色机必须采用扬程较高的离心泵，然而由于染色浴比小，染液倒灌高度低，所以染液循环泵易产生汽蚀现象。相比之下，气液分离后染液喷嘴对循环泵的扬程要求较低，因此可选用比转数较高的离心泵，从而实现较好的抗汽蚀性，提高染液循环的稳定性。

3 气液染色工艺条件

新的喷嘴设计使气流和染液分别作用于织物，形成了气液染色方法。气液染色时，织物与染液的交换状态完全可以根据织物上染特性和染料性能进行有效控制，从而保证交换充分，进而提高织物匀染效果和缩短染色时间。

3.1 染液与织物的交换程度

染色过程中，染液与织物在喷嘴中的交换越充分，越有利于降低染液与织物的交换次数，即缩短染色时间。气液染色的染液喷嘴有 3 种组合形式，无论采用哪种形式，织物与染液在一个交换周期中，都要经历提布辊接触挤压和气流的渗透压力作用，这有利于提高染液在织物中的均匀分布以及加快染料向纤维表面的扩散。

此外，在织物的浸染过程中，染料的移染性是获得良好匀染效果的重要保证，但一些色牢度较高的染料移染性相对较差，不利于匀染。气液染色则能够使染液与织物充分接触，在短时间内实现染液在织物上的均匀分布，从而令移染性较差的染料同样可以达到良好的匀染效果。

3.2 染液喷射量的灵活控制

对于同一染色深度，低浴比染浴中染料浓度相对较高，为了保证染料的均匀上染，必须控制织物每次循环过程中染料的上染量。就普通溢流或溢喷染色机而言，即使浴比再低，也要有足够的染液喷射量，以保证牵引织物正常循环，而气液染色的染液喷射量完全可以根据具体工艺要求进行调整，更容易实现染料的均匀上染。

3.3 对敏感色染色的适应性

敏感色的混拼染料中每只染料的性能有所差异，对温度等条件的敏感程度不同，一旦工艺条件波动较大，就容易导致染色效果不理想。新式染液喷嘴设计可为织物与染液提供类似于普通溢喷染色的交换条件，所以染液温度和染料浓度的变化梯度较小，从而能够很好地适应敏感色染色。

4 结论

分别采用改进前后的两款染色机对相同针织物进行染色加工，测试了各自的水、电、汽消耗，结果如表 1 所示。

气流染色机的功率消耗主要缘于风机功率的消耗，直接原因是气流作用于雾化染液后气流动能的损耗。采用气流和染液分离的喷嘴结构设计，使气流和染液分别作用于织物，不仅可以消除两者相互作用的能耗，而且还可以根据织物的染色工艺要求，实现灵活的工艺条件控制，体现出了电耗低和应用效果良好等特点。