紡織空調除塵技術研究與應用的最新進展

黃翔 褚俊杰

（西安工程大學，陜西西安，710048）

今年是《棉紡織技術》雜志辦刊50 周年，回顧國內(nèi)外紡織空調除塵技術的研究與應用發(fā)展，基本上是與雜志同時成長，特別是改革開放近40 多年來國內(nèi)在紡織空調除塵技術領域所取得的科技成果尤為顯著。

筆者曾撰寫了4 篇文章［1-4］，系統(tǒng)地介紹了當時國內(nèi)外紡織空調除塵技術的發(fā)展動態(tài)。近年來，紡織空調除塵技術又有了一些新的研究與應用進展，現(xiàn)將有關情況介紹如下。

1 紡織空調節(jié)能技術

1.1 噴霧加濕

傳統(tǒng)紡織空調系統(tǒng)是采用機器露點送風，但有些車間加濕要求高，即使送風空氣為飽和狀態(tài)，到達車間后的相對濕度也不滿足要求，因此要在傳統(tǒng)空調系統(tǒng)上提出新的單獨加濕方案。目前常用的加濕方式有高壓噴霧加濕系統(tǒng)、噴霧加濕風機、濕風道送風系統(tǒng)［5］。

高壓噴霧加濕是采用工業(yè)柱塞水泵將三級凈化過濾的潔凈水加壓至7 MPa，通過高壓銅管傳送到噴嘴，高壓水從噴嘴特制的噴孔旋轉噴出，經(jīng)霧化后以3 μm～15 μm 霧滴噴射到車間中，與空氣進行熱濕交換，使車間相對濕度增大，并達到降低車間空氣溫度的目的，整個過程實現(xiàn)等焓加濕，同時壓力水的噴射作用形成大量的空氣負離子，使人感到舒適。

噴霧加濕風機是在送風的同時，向送風中噴霧從而加濕空氣的一種改進型風機，如圖1 所示。噴霧加濕風機的工作原理是：采用在電機和風機葉片之間設置高效霧化噴頭，直接向風機葉輪根部噴霧，多個噴嘴噴出的水霧交錯重疊后在葉輪根部噴向葉輪，一部分沿著高速旋轉的葉片運動，被葉片打擊粉碎形成細小的顆?！F。經(jīng)風機葉輪二次切割形成更為細小的霧滴，在空氣的強力攪和下混合成通風霧氣，被加濕風機輸送出來，形成高效加濕過程。噴霧加濕風機可分為固定式和移動式，固定式直接安裝到空調送風機上，移動式可隨意更改加濕位置。

圖1 噴霧加濕風機結構

濕風道送風系統(tǒng)的原理是車間空氣經(jīng)過回風過濾器，通過回風窗和室外空氣匯合后經(jīng)噴霧軸流風機的噴霧，通過整流格柵均勻地送到濕風道內(nèi)。空氣在濕風道內(nèi)運動，使水和空氣有充裕的時間進行熱濕交換，進行蒸發(fā)冷卻，然后通過特殊的送風口送至車間。系統(tǒng)主要由回風段、加熱段、噴霧軸流風機、濕風道、托水盤、送風口等組成。

1.2 大小環(huán)境分區(qū)空調

以紡織廠織造車間為例，大小環(huán)境分區(qū)空調的設計指導思想是由局部送風來滿足織造區(qū)域的工藝要求，而整個車間則按照舒適性空調的要求進行全面送風，如圖2 所示。在紡織廠中，存在同一車間不同的工作區(qū)空氣參數(shù)要求。如織機工作區(qū)域要求較高的相對濕度（不小于75%），而工作區(qū)之外的人員操作區(qū)相對濕度要求不大于65%。此種情況下需要采用分區(qū)空調送風或雙露點送風，即把濕度大、溫度低的空氣直接送至織機的送經(jīng)部位。大環(huán)境是指車間內(nèi)人員工作區(qū)域的相對濕度較低，而小環(huán)境是指織機工作區(qū)域的相對濕度較高。大小環(huán)境分區(qū)空調需要由送風管道混入不同比例的二次回風，分別送入人員和織機工作區(qū)域，從而保證大小環(huán)境不同的溫濕度要求。趙楠楠等人［6］在探討噴氣織機大小環(huán)境分區(qū)空調系統(tǒng)時，分析了常用大小環(huán)境空調系統(tǒng)主要形式特點及其適用性。根據(jù)噴氣織機大小環(huán)境分區(qū)空調系統(tǒng)的運行經(jīng)驗，提出了新風旁通式的設計理念，以提高新風利用效果。

圖2 大小環(huán)境送風示意圖

1.3 間接蒸發(fā)冷卻

紡織車間發(fā)熱量大、空氣含塵量大，從而使得空調系統(tǒng)能耗巨大，與此同時傳統(tǒng)的空氣處理方式難以解決紡織企業(yè)改善工人工作環(huán)境和降低能耗的矛盾。紡織空調全年運行中，在過渡季節(jié)可以利用直接蒸發(fā)冷卻制冷，但在夏季高溫季節(jié)，僅僅依靠噴水室對空氣進行處理滿足不了溫濕度需求。因此，可以在噴水室前增加間接蒸發(fā)冷卻器，室外空氣在間接蒸發(fā)冷卻器中首先進行等濕冷卻被預冷處理，然后再進入噴水室，這樣降低了機械制冷系統(tǒng)的制冷負荷，達到節(jié)能降耗的目的。在西北地區(qū)采用間接蒸發(fā)冷卻技術，無需機械制冷；在非干燥地區(qū)的轉杯紡、絡筒、織機等相對濕度要求較高的車間，可采用間接蒸發(fā)冷卻技術，結合噴水室的空調形式，將空氣處理到規(guī)定的溫濕度，直至達到規(guī)定的送風參數(shù)。室外的空氣首先進入間接蒸發(fā)冷卻器進行等濕冷卻，然后進入噴水室進行熱濕處理，可以取代或減少機械制冷，節(jié)約大量能源。宋祥龍等人［7］針對山東某紡織細紗車間能耗高的難題，采用立管式間接蒸發(fā)冷卻器（如圖3所示）、流體動力式噴水室及送風機等，對車間原有空調系統(tǒng)進行節(jié)能改造，取得了良好的節(jié)能效果。周義德等人［8］探討細紗車間采用間接蒸發(fā)冷卻技術的降溫冷卻及節(jié)能效果，分析對比了工藝回風直接回用、車間工藝排風進行間接蒸發(fā)冷卻處理后回用、深井水空調使用后的排水直接進行噴淋3種方案，結果表明3種方案中采用空調回水直接在二次側噴淋降溫效果更佳，節(jié)約制冷量可達59.6%。

圖3 立管式間接蒸發(fā)冷卻器

1.4 熱轉移回收技術

熱能轉移技術是通過風量平衡的手段，把部分車間的余熱，通過通風方法轉移至需要供熱的車間。通常有細紗電機散熱排風集中處理后送至產(chǎn)熱量較小的車間和細紗車間部分空氣通過專用通道流通至產(chǎn)熱量較小的車間兩種方法。

細紗電機散熱排風處理后送至產(chǎn)熱量較小的車間。電機散熱排風回細紗空調室過濾后，由電機散熱排風機單獨設置的通道送至產(chǎn)熱量較小車間的空調室，然后由該空調室的送風機送至車間。采用熱能轉移技術，應做好全廠各車間的風量平衡。圖4 為某車間使用該方法進行熱能轉移技術的風量平衡圖，以細紗車間的電機散熱排風排入相鄰的前紡車間為例（風量單位為m3/h）。

圖4 某車間熱能轉移風量平衡示意圖

細紗車間部分空氣通過專用通道直接流向產(chǎn)熱量較小的車間。在兩個車間的隔墻下方開設條形窗，并安裝調節(jié)閥。冬季時減少細紗車間的回風量，增加新風量，保證細紗車間相對隔壁車間為正壓狀態(tài)。隔壁車間回風量大于送風量，使細紗車間的熱空氣自動滲入絡筒或并粗車間。利用車間熱轉移回收技術，除西北、東北等寒冷地區(qū)之外的紡紗廠，冬季不設供熱系統(tǒng)，車間溫濕度即可滿足工藝要求。

1.5 過飽和送風

過飽和送風是指在風機前加裝前置式高壓噴頭，使水霧化經(jīng)風機葉輪二次切割后增強霧化效果，并適當增加擋水板后的霧滴，產(chǎn)生帶水送風，水滴在風口處直到工作區(qū)范圍內(nèi)吸收氣化潛熱迅速蒸發(fā)，從而可降低工作區(qū)的溫度。鑒于紡織廠織造、絡筒、轉杯紡等高濕車間的特點，采用過飽和送風空調系統(tǒng)，可獲得較好的實用效果。

采用過飽和送風，將經(jīng)過處理后的過飽和空氣直接送入，使得紡織車間在垂直方向有著明顯的溫濕度梯度分布，保證車間下部相對濕度大、溫度較低。同時空氣中攜帶的液滴在被送入車間后迅速蒸發(fā)，發(fā)生蒸發(fā)冷卻過程，進一步降低車間溫度，增大車間相對濕度。采用過飽和送風，由于空氣從地面直接送入，不需要考慮滴水和保溫問題，從而復雜問題簡單化處理。

1.6 多風機系統(tǒng)

多風機送風系統(tǒng)是在每個送風口增加一個送風機，如圖5 所示。多風機送風系統(tǒng)最顯著的特點在于處理好的空氣直接進入主風道后，再由送風機送入支風道［9-10］。紡織廠空調多風機送風系統(tǒng)優(yōu)點在于每一個送風系統(tǒng)都由多個風機構成，根據(jù)車間不同功能特性分別進行個性化送風。紡織廠空調多風機送風系統(tǒng)解決了不同區(qū)域不同空間空調參數(shù)需求不同的難題，同時保障了空調系統(tǒng)的送風風量。

王聰民等人［11］探討了新型紡織車間多風機送風系統(tǒng)運行設計優(yōu)化方法。針對新型紡織車間需要多臺風機并聯(lián)送風的問題，依據(jù)軸流風機并聯(lián)運行特性規(guī)律，結合常用的多風機并聯(lián)運行系統(tǒng)形式和特點，分析影響并聯(lián)風機性能的主要因素，提出并聯(lián)風機設計選型時風機型號、規(guī)格、臺數(shù)、運行速度、公用回路阻力等參數(shù)的基本要求。

1.7 采用新型材料與翼型的風機

近年來在紡織空調系統(tǒng)中，新型風機的應用也有新的進展。其中，陜西金翼通風科技有限公司提出第四代翼型風機（如圖6 所示），采用航空技術的最新成果高性能翼型，風機葉片采用硬鋁合金鑄造或用復合材料在模具中成形，具有質量輕、強度高、耐腐蝕等特點，與國內(nèi)外品牌空調風機相比較，以萬風量耗功計算，綜合節(jié)電率達10%～25%，節(jié)能效果顯著，且便于風機改造工程。山東金信空調設備集團有限公司將碳纖維復合技術應用于紡織風機領域，結果表明其綜合性能大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)軸流風機。

圖6 翼型風機

1.8 新一代靶式噴嘴

近年來西安工程大學與陜西金翼通風科技有限公司合作開發(fā)了最新一代的靶式噴淋系統(tǒng)——獨臂靶式噴嘴［12］，如圖7 所示。這種新一代靶式噴嘴解決了紡紗、織造車間加濕難、能耗高等問題，噴嘴高霧化、加濕快、無盲區(qū)、易清理、不易結垢，比傳統(tǒng)噴嘴節(jié)能20%～31%，同工況下機器露點可以降低1 ℃～2 ℃，被國家工業(yè)和信息化部、水利部在《國家鼓勵的工業(yè)節(jié)水工藝、技術和裝備目錄（2016）》作為第38 項技術提名。

圖7 獨臂靶式噴嘴

2 紡織空調除塵技術

2.1 除塵機組

除塵設備是紡織除塵系統(tǒng)的關鍵設備，隨著紡織車間整體智能化水平的不斷提高，紡織除塵設備設計選型應采用機組化、機電一體化、自動化程度高、濾塵效果好、阻力低、占地面積小的除塵機組。目前紡織空調除塵機組主要有蜂窩除塵機組、復合圓籠除塵機組等［13］。

蜂窩除塵機組是由眾多長毛絨濾料制成的圓筒形小塵籠，按每排6 個布置成“方陣”形似蜂窩，含塵氣體經(jīng)過小塵籠時，粉塵被阻留在塵籠內(nèi)表面，過濾后空氣得以凈化。6 個小吸嘴由機械吸臂驅動，按程序吸除每排塵籠中的粉塵，以保證濾塵器正常工作，集塵風機通過小吸嘴吸塵并送入布袋粉塵分離壓緊器進行氣塵分離與粉塵壓實收集，收集后的空氣直接返回濾塵器內(nèi)。

復合圓籠除塵機組又稱鼓式、多筒式除塵機組，采用大小塵籠多層套裝布置，塵籠層間為空氣進出通道。塵籠上覆有濾料，可同側或相對側布置，有多個吸臂及其吸嘴伸入塵籠中間的通道中做旋轉或往復運動，將濾料上的粉塵吸去送入布袋粉塵分離壓緊器進行氣塵分離與粉塵壓實收集，分離后的空氣直接返回濾塵器內(nèi)。

除塵機組內(nèi)的附屬設備主要有布袋集塵器等，布袋集塵器是用棉緞紋布或錦綸布制成的兩個大布袋，將含塵氣體中過濾的纖維雜塵予以集中或進一步壓緊后排出。布袋集塵器常與圓盤回風過濾器配套，也可與除塵機組的第一級或第二級過濾段配套使用。

紡織車間除塵系統(tǒng)的智能化，近年來也在紡織空調除塵領域得到廣泛應用。其中，由安徽華茂紡織股份有限公司與上海艾金空氣設備有限公司等聯(lián)合完成的“高質高效環(huán)錠紡紗先進技術及裝備與智能化技術的開發(fā)與應用”項目獲得2018年度中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科學技術一等獎，這也是近年來紡織空調除塵領域的亮點。

2.2 過濾材料

濾料直接影響過濾后空氣的含塵量及日常運行的動力消耗，應根據(jù)不同使用場合和要求，選擇不同種類、規(guī)格的濾料，使濾塵系統(tǒng)取得良好的效果。

回風過濾和機組第一級預過濾用濾料大多采用防火功能的不銹鋼絲網(wǎng)，對回風過濾有更高要求時，可采用輕型的長毛絨濾料。第二級濾料是決定濾后空氣含塵量和整個系統(tǒng)良好與否的關鍵。JM 系列長毛絨濾料，由于其獨特的濾塵和吸塵機理，作為除塵機組中的過濾材料，在過濾效率和阻力等各項經(jīng)濟指標中都有優(yōu)勢，已逐漸成為紡織濾塵的首選產(chǎn)品，如圖8 所示。

圖8 長毛絨濾料

布袋除塵器用濾料應綜合考慮集塵器安全位置、使用場所、排放濃度要求而定。布袋外置過濾后直接排放的集塵器，以收集纖維為主的可采用錦綸篩絹濾料，以收集纖維性粉塵為主的可采用斜紋或平紋針織絨濾料，除塵機組內(nèi)部使用的集塵布袋可選用錦綸篩絹。

3 紡織空調自控技術

紡織空調是一種典型的工藝性空調，不同區(qū)域不同空間需求不同以及系統(tǒng)惡劣的運行環(huán)境，使得其高效控制始終是個關鍵性難題。因此將紡織空調技術與現(xiàn)代自控技術進行有機結合，更加準確、高效地對紡織車間進行溫濕度控制，最終達到節(jié)能降碳的目的［14］。

目前國內(nèi)的紡織空調系統(tǒng)，采用自控技術可以將相對濕度控制在±5%，溫度控制在±1 ℃左右。韓曉磊等人［15］深入分析了紡織空調實際運行特點，基于“濕度優(yōu)先”（首先針對相對濕度調節(jié)）和“增小減大”（低于標準時增大電耗小的設備頻率，高于標準時減小電耗大的設備頻率調節(jié)）的原則，提出新的控制邏輯，實測結果表明其具有較好的節(jié)能效果。周聽雨［16］針對西安市某紡織廠空調系統(tǒng)進行了研究，總結現(xiàn)有紡織空調系統(tǒng)中自控系統(tǒng)的不足，提出一種簡化控制思路，即在精度、速率和系統(tǒng)能耗上找到平衡點，通過設備實際負載情況預測室內(nèi)實際狀態(tài)。張軍鵬等人［17］探討了分季節(jié)PLC 步進算法節(jié)能自控系統(tǒng)分夏季、過渡季和冬季3 個調節(jié)模式，使用該算法對車間溫度和相對濕度進行獨立控制，較好地解決了溫度和相對濕度之間耦合難于控制的問題。

4 紡織空調冷熱源技術

4.1 人工冷源

冷水機組的制冷水溫度分為低溫冷水（7 ℃～9 ℃）、中溫冷水（12 ℃～14 ℃）和高溫冷水（16 ℃～18 ℃）。中、高溫冷水的制取，可以是不同的制冷劑蒸發(fā)溫度，也可以是低溫冷水與高溫水的混合。低溫冷水水溫比空氣的露點溫度低，用在需要低溫除濕的場所，或者使用場所對送風溫度和送風量有要求的場所；而中、高溫冷水機組的水溫不足以對空氣產(chǎn)生除濕效果，因此適合用在紡織廠等高顯熱、幾乎無散濕或者要經(jīng)過加濕之類的場所。有試驗研究表明，高溫制冷機組工作的壓縮比明顯降低，有利于提高機組的制熱性能系統(tǒng)COP。近年來越來越多的中溫和高溫冷水機組應用于紡織空調領域，取得了良好的節(jié)能效果。

4.2 自然冷源

紡織空調中使用最廣的是深井水。地下含水層水流不受氣溫的影響，地表下水溫約相當于當?shù)厝昶骄鶜鉁?；北方水溫較低，但資源不豐富。隨著深度的增加，水溫逐漸上升。深井水夏季可用于初步降溫，冬季可用于采暖給濕，不少地區(qū)還采取冬灌冷水存儲夏用。華東沿海地區(qū)，水溫更低，可達10 ℃左右，地下水流速很慢，有利蓄冷。同理夏灌冬用井水溫度也可提高。如有地熱資源的地方也可利用于空調加熱。

利用蒸發(fā)冷卻制取高溫冷水的自然冷源利用技術也受到人們的廣泛關注。間接蒸發(fā)冷卻冷水機組以不飽和空氣中蘊含的干空氣能作為驅動勢，在空氣和水直接接觸進行熱質交換過程之前，預先對空氣進行等濕降溫從而制取冷水。目前機組出水溫度已能達到亞濕球溫度［18］（即低于環(huán)境空氣的濕球溫度而高于露點溫度），其最終產(chǎn)生的冷水的極限溫度為環(huán)境空氣的露點溫度。由間接蒸發(fā)冷水機組、干式風機盤管和間接蒸發(fā)冷卻新風機組構成的溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)，已廣泛應用于我國西北地區(qū)的醫(yī)院、體育館、機場航站樓、展覽大廳、商場、辦公樓等民用公共建筑，取得了良好的節(jié)能效果。西安工程大學黃翔教授蒸發(fā)冷卻科研團隊在蒸發(fā)冷卻通風空調技術方向已深耕了20 多年，取得了一系列理論與應用成果，為蒸發(fā)冷卻技術在紡織行業(yè)的應用奠定了堅實的基礎［19］。相信這種間接蒸發(fā)冷卻冷水機組在紡織廠這種高顯熱、幾乎無散濕的場所，也有廣闊的應用空間，值得相關學者與工程師深入探索。

5 結語

近年來紡織空調除塵在節(jié)能技術、除塵技術、自控技術、新型冷熱源技術等方面均有新的研究與應用進展，具體表現(xiàn)為更節(jié)能、更智能、更高效。

（1）節(jié)能方面。新的紡織空調節(jié)能技術不斷涌現(xiàn)，大小環(huán)境分區(qū)空調、間接蒸發(fā)冷卻技術、熱轉移回收技術、過飽和送風技術、多風機技術、采用新翼型和新材料的風機等在紡織領域得到越來越多的應用。中溫、高溫冷水機組應用于紡織空調領域，取得了良好的節(jié)能效果。

（2）智能方面。當前紡織行業(yè)正加速向創(chuàng)新驅動的科技產(chǎn)業(yè)邁進，5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、人工智能、邊緣計算等各項新技術已經(jīng)滲透到整個紡織行業(yè)。紡織空調的智能化，紡織除塵系統(tǒng)的智能化越來越受到重視。

（3）高效方面。長毛絨濾料等新型過濾材料的設計開發(fā)與生產(chǎn)工藝已日趨成熟，并逐漸成為紡織濾塵的首選產(chǎn)品，使得紡織濾塵系統(tǒng)取得良好的凈化效果。