電加熱定形機(jī)與遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器加熱定形機(jī)的研究

汪 琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中心，上海 200042）

熱定形機(jī)是化纖織物印染過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備。由于合成纖維具有熱塑性，在染整加工過(guò)程中，當(dāng)織物經(jīng)過(guò)預(yù)熱和濕熱處理后，化纖織物外形會(huì)出現(xiàn)難以消除的折皺，影響產(chǎn)品的外觀(guān)美感和織物的內(nèi)在質(zhì)量。為了提高化纖織物的使用性能，需要對(duì)其進(jìn)行熱定形工藝加工，來(lái)消除合成纖維織物的內(nèi)應(yīng)力和折皺，從而可以提高化纖織物的平挺度和免燙性，并達(dá)到化纖織物的外形穩(wěn)定、熱收縮小、彈性強(qiáng)的目的。

染整定形機(jī)烘箱的清潔環(huán)保供熱方式有天然氣供熱、液化氣供熱、熱電廠(chǎng)中壓中溫蒸汽供熱、燃生物質(zhì)導(dǎo)熱油爐供熱、電加熱、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)加熱等常用方法［1］。目前位于印染集聚產(chǎn)業(yè)加工園區(qū)內(nèi)的大中型印染廠(chǎng)熱定形機(jī)烘箱加熱可采用天然氣供熱、液化氣供熱、熱電廠(chǎng)蒸汽集中供熱等方法；分散在偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型印染廠(chǎng)熱定形機(jī)烘箱加熱可以采用燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐供熱［2］、電加熱、乳白石英管加熱、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱等方法。

1 電加熱定形機(jī)

電能轉(zhuǎn)換為熱能可分成4 種方式：電阻加熱、感應(yīng)加熱、介質(zhì)加熱和電弧加熱。而電阻加熱是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的最主要形式，可分為直接電熱與間接電熱兩種方式。直接電熱法是將電流通過(guò)被加熱物體本身，利用被加熱物體本身的電阻發(fā)熱而達(dá)到加熱目的；但間接電熱法則是采用通過(guò)電流發(fā)熱的電阻，即用一種專(zhuān)門(mén)材料制成的電熱元件產(chǎn)生熱量，利用傳熱方式（輻射、對(duì)流、熱傳導(dǎo)）將熱量傳送到被加熱物體，目前主要應(yīng)用于加熱或干燥物體。常用的電加熱元件有碳化硅板、電阻帶、電加熱金屬管（電熱棒）、乳白石英管（紅外線(xiàn)燈管）、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器、新型遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向強(qiáng)輻射器。

電加熱染整定形機(jī)以電阻式加熱為主，由電加熱元件、烘箱、循環(huán)風(fēng)機(jī)送風(fēng)控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等部分組成。通常是在染整定形機(jī)各節(jié)烘箱內(nèi)安裝電加熱管，加熱后的空氣由循環(huán)風(fēng)機(jī)送入風(fēng)道，再經(jīng)過(guò)風(fēng)嘴吹到織物上下表面產(chǎn)生對(duì)流，利用熱傳導(dǎo)把熱能傳遞給面料。由于電加熱定形機(jī)具有模塊化的特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)規(guī)劃靈活方便，電加熱管的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化程度好，占用的安裝面積較小，可以直接安裝在熱定形機(jī)烘箱內(nèi)部，另外電加熱管安裝簡(jiǎn)便，操作維護(hù)方便，電加熱裝置的可靠性強(qiáng)，因此在熱定形機(jī)烘箱內(nèi)織物的加熱烘干過(guò)程中應(yīng)用較好。利用夜間谷電進(jìn)行生產(chǎn)加工可降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。

電加熱金屬管的結(jié)構(gòu)是將電熱絲旋轉(zhuǎn)成螺旋狀后，壓縮固定在金屬護(hù)套內(nèi)的電熔結(jié)晶氧化鎂中。電加熱管的表面壁溫不但與金屬護(hù)套單位表面負(fù)荷有關(guān)，更與電熱絲的單位表面負(fù)荷、電熱絲的螺旋直徑比、節(jié)距、電熔結(jié)晶氧化鎂的充填量等參數(shù)密切相關(guān)［3］。電加熱元件選用優(yōu)質(zhì)卡口加熱器，安裝在熱定形機(jī)各節(jié)烘箱內(nèi)部，可以制成若干個(gè)獨(dú)立部分，單獨(dú)安裝與固定，便于維修更換。另外，電加熱元件采用壓板式連接固定在熱定形機(jī)各節(jié)烘箱內(nèi)，整套電加熱裝置維修容易、更換方便、結(jié)構(gòu)緊湊。而在熱定形機(jī)最后一節(jié)烘箱的織物出口處應(yīng)設(shè)置一個(gè)溫度傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化來(lái)降低排氣風(fēng)扇的馬達(dá)速度，從而避免過(guò)多的冷空氣進(jìn)入熱定形機(jī)烘箱內(nèi)部，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱定形機(jī)

遠(yuǎn)紅外線(xiàn)加熱定形是利用輻射傳熱烘干的一種方法，即遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射加熱元件產(chǎn)生的電磁波以光速直線(xiàn)傳播給被加熱干燥的纖維織物，光子能穿透織物表面被吸收轉(zhuǎn)變成化纖織物分子的熱振動(dòng)能，當(dāng)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)的發(fā)射頻率與被加熱定形化纖織物分子運(yùn)動(dòng)的固有頻率相匹配時(shí)，將引起化纖織物分子的強(qiáng)烈共振，在織物內(nèi)部發(fā)生激烈摩擦而產(chǎn)生熱能，從而在織物纖維內(nèi)部使輻射能轉(zhuǎn)變成為熱能，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到織物內(nèi)外層同時(shí)加熱干燥的目的。因?yàn)樵S多織物是由有機(jī)高分子化合物和水等組成，對(duì)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)有強(qiáng)烈的吸收特性，當(dāng)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射加熱元件發(fā)出的輻射波長(zhǎng)與被加熱干燥化纖織物的吸收波長(zhǎng)相一致時(shí)，化纖織物就可以強(qiáng)烈吸收輻射能［4］。目前采用的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器是將電流通過(guò)電阻絲發(fā)熱體與輻射發(fā)生器后產(chǎn)生很強(qiáng)的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射電磁波，使得化纖織物內(nèi)部分子瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈共振，從而產(chǎn)生熱能進(jìn)行加熱干燥，使化纖織物內(nèi)的水分和揮發(fā)物迅速排出。

遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器是通過(guò)不同熱源（電、天然氣）加熱后產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線(xiàn)的器材，可分為旁熱式和直熱式兩種類(lèi)型，旁熱式遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器有管狀、燈狀、板狀等結(jié)構(gòu)形式，電加熱的旁熱式遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器是在內(nèi)部安裝有鎳鉻電阻絲，外面涂覆有遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射材料，依靠間接加熱向外界發(fā)射遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。電加熱的直熱式遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器的輻射體是采用電阻絲和耐熱纖維編織而成，并在輻射面上涂覆有遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射材料，再經(jīng)過(guò)燒結(jié)處理后生成的。遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器有許多優(yōu)點(diǎn)：輻射系數(shù)大、電熱輻射轉(zhuǎn)換效率高、加熱升溫時(shí)間短、輻射性能穩(wěn)定、耐磨損、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、使用維修方便。

采用遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱染整定形機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是：選擇輻射效率高的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)加熱元件、傳熱效率高的反射系統(tǒng)、吸收效率高的光譜匹配設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱染整定形機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是：把熱風(fēng)對(duì)流加熱方式改造為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射加熱方式；將遠(yuǎn)紅外線(xiàn)強(qiáng)輻射器合理地安置在布料表面的上方，并使熱定形機(jī)烘箱內(nèi)的高溫空間距離壓縮到布料表面所需要的最小范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)以輻射加熱為主的加熱方式。遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱染整定形機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：投資少、改造速度快、操作方便，升溫速度快、熱惰性小、無(wú)涂層脫落、使用壽命長(zhǎng)，省掉了循環(huán)風(fēng)機(jī)，降低了熱定形機(jī)臺(tái)噪音，節(jié)電效果十分明顯，因此特別適合小批量、多品種的染整生產(chǎn)加工方式。

將電加熱定形機(jī)改造為遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱定形機(jī)，就是把遠(yuǎn)紅外線(xiàn)強(qiáng)輻射器安裝在熱定形機(jī)烘箱內(nèi)的槽鋼架上，距離織物布面60～80 mm，以提高輻射效率，達(dá)到熱輻射分布均勻、熱響應(yīng)快，并使得布面染料中的水分子快速蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)布面的輻射加熱，以達(dá)到降低電耗的目的。由于印染企業(yè)使用的熱定形機(jī)要求一種機(jī)型具有多種用途，對(duì)于不同面料、不同工藝的產(chǎn)品，定形溫度要求不同，要求熱定形機(jī)的車(chē)速、溫度都能夠連續(xù)可調(diào)，尤其是溫度不僅要可以任意調(diào)節(jié)，同時(shí)還要保證熱定形機(jī)烘箱內(nèi)定形溫度的均勻性，因此必須采取連續(xù)自動(dòng)化溫度控制系統(tǒng)。PID 中央處理機(jī)與非接觸式遠(yuǎn)紅外線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)（紅外線(xiàn)測(cè)溫探頭安裝在熱定形機(jī)烘箱內(nèi)的下部）將實(shí)時(shí)溫度信號(hào)輸入到PID 中央處理機(jī)與工藝設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較及運(yùn)算，然后輸出一個(gè)控制電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器的功率大小，再通過(guò)輻射的功率來(lái)調(diào)整發(fā)射波譜，使其與化纖織物的吸收波譜相匹配，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

3 熱定形機(jī)排放廢氣的余熱回收利用

熱定形機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有熱廢氣排放，廢氣中含有油煙、顆粒物、毛絮、石蠟，以及各種染料、助劑等一定量的有機(jī)廢氣，同時(shí)還具有高溫和高濕的特點(diǎn)，故需要采用廢氣余熱回收利用裝置與油煙凈化裝置進(jìn)行環(huán)保處理，具體的生產(chǎn)工藝流程是將熱定形機(jī)排放的熱廢氣首先經(jīng)過(guò)安全防火閥，再進(jìn)入毛絮過(guò)濾系統(tǒng)，把廢氣中的纖維雜物攔截下來(lái)后，再利用熱廢氣與冷水的熱量交換系統(tǒng)，把熱廢氣中的熱能轉(zhuǎn)換到清潔冷水里；或者采用熱廢氣與冷空氣的熱量交換系統(tǒng)，把熱廢氣中的熱能轉(zhuǎn)換到干凈空氣內(nèi)。然后將清潔熱水或者干凈熱風(fēng)應(yīng)用到印染生產(chǎn)與生活供暖中，達(dá)到廢氣的余熱回收利用和節(jié)能減排的目的［5］。

由于熱定形機(jī)排放廢氣中含有蠟質(zhì)，需要將其除去，故降溫之后的廢氣還需要經(jīng)過(guò)除味裝置和除霧裝置，即將降溫后的廢氣先引入靜電裝置內(nèi)吸附油劑和顆粒物，達(dá)到除味的效果；然后再將廢氣輸入到除霧裝置內(nèi)清除白汽。最后廢氣再經(jīng)過(guò)有機(jī)廢氣處理裝置，利用超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，微納米氣泡與有機(jī)廢氣接觸，在熱點(diǎn)處發(fā)生機(jī)械剪切、熱解、自由基氧化、超臨界水氧化等物理、化學(xué)的協(xié)同作用，最終達(dá)到分解有機(jī)廢氣的作用，并將有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2和其他無(wú)害小分子，以及一部分固體顆粒物，從而符合綠色環(huán)保的排放要求。

熱定形機(jī)排放廢氣的控制是通過(guò)安裝在入口軌道上的光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢測(cè)到軋導(dǎo)軌上針孔無(wú)織物時(shí)，熱定形機(jī)會(huì)降低循環(huán)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。目前通過(guò)嚴(yán)格控制排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以避免不必要的能源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

（1）遠(yuǎn)紅外線(xiàn)照射到織物上能夠穿透纖維表面到達(dá)纖維內(nèi)部，使輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到織物內(nèi)外層同時(shí)加熱烘干的效果，并使化纖織物內(nèi)的水分和揮發(fā)物迅速排出。一般遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器的加熱性能要優(yōu)于電加熱金屬管（電熱棒），遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器（直熱式）的加熱性能又要好于乳白石英管輻射器（旁熱式），所以采用遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱的定形機(jī)可使升溫時(shí)間大幅度縮短，溫差波動(dòng)幅度減小，并且熱定形機(jī)烘箱內(nèi)部環(huán)境溫度更加均勻，同時(shí)還可以降低裝機(jī)電熱功率，從而節(jié)約電力、避免能源浪費(fèi)。

（2）遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱定形機(jī)的運(yùn)行成本要低于乳白石英管輻射器加熱定形機(jī)，乳白石英管輻射器加熱定形機(jī)的運(yùn)行成本又要低于電加熱定形機(jī)。但是遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器的售價(jià)最高，乳白石英管輻射器居中，電加熱金屬管最便宜，所以遠(yuǎn)紅外線(xiàn)定向輻射器加熱定形機(jī)的售價(jià)一般要高于電加熱定形機(jī)，乳白石英管輻射器加熱定形機(jī)居中。

（3）可以在印染廠(chǎng)房屋頂上大面積安裝太陽(yáng)能光伏電板，利用太陽(yáng)能為印染企業(yè)節(jié)省一部分用電量和電費(fèi)，而且利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電不僅是對(duì)清潔能源的推廣使用，也是印染企業(yè)實(shí)踐綠色生產(chǎn)制造，助力“碳中和”綠色環(huán)保及節(jié)能減排的生產(chǎn)方式。