電加熱定形機與遠紅外線輻射器加熱定形機的研究

汪 琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心，上海 200042）

熱定形機是化纖織物印染過程中的關鍵設備。由于合成纖維具有熱塑性，在染整加工過程中，當織物經過預熱和濕熱處理后，化纖織物外形會出現難以消除的折皺，影響產品的外觀美感和織物的內在質量。為了提高化纖織物的使用性能，需要對其進行熱定形工藝加工，來消除合成纖維織物的內應力和折皺，從而可以提高化纖織物的平挺度和免燙性，并達到化纖織物的外形穩定、熱收縮小、彈性強的目的。

染整定形機烘箱的清潔環保供熱方式有天然氣供熱、液化氣供熱、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱、燃生物質導熱油爐供熱、電加熱、遠紅外線加熱等常用方法［1］。目前位于印染集聚產業加工園區內的大中型印染廠熱定形機烘箱加熱可采用天然氣供熱、液化氣供熱、熱電廠蒸汽集中供熱等方法；分散在偏遠地區的小型印染廠熱定形機烘箱加熱可以采用燃生物質顆粒燃料導熱油爐供熱［2］、電加熱、乳白石英管加熱、遠紅外線定向輻射器加熱等方法。

1 電加熱定形機

電能轉換為熱能可分成4 種方式：電阻加熱、感應加熱、介質加熱和電弧加熱。而電阻加熱是將電能轉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被加熱物體本身，利用被加熱物體本身的電阻發熱而達到加熱目的；但間接電熱法則是采用通過電流發熱的電阻，即用一種專門材料制成的電熱元件產生熱量，利用傳熱方式（輻射、對流、熱傳導）將熱量傳送到被加熱物體，目前主要應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（紅外線燈管）、遠紅外線定向輻射器、新型遠紅外線定向強輻射器。

電加熱染整定形機以電阻式加熱為主，由電加熱元件、烘箱、循環風機送風控制系統、溫度控制系統等部分組成。通常是在染整定形機各節烘箱內安裝電加熱管，加熱后的空氣由循環風機送入風道，再經過風嘴吹到織物上下表面產生對流，利用熱傳導把熱能傳遞給面料。由于電加熱定形機具有模塊化的特點，所以設計規劃靈活方便，電加熱管的標準化和自動化程度好，占用的安裝面積較小，可以直接安裝在熱定形機烘箱內部，另外電加熱管安裝簡便，操作維護方便，電加熱裝置的可靠性強，因此在熱定形機烘箱內織物的加熱烘干過程中應用較好。利用夜間谷電進行生產加工可降低生產運行成本。

電加熱金屬管的結構是將電熱絲旋轉成螺旋狀后，壓縮固定在金屬護套內的電熔結晶氧化鎂中。電加熱管的表面壁溫不但與金屬護套單位表面負荷有關，更與電熱絲的單位表面負荷、電熱絲的螺旋直徑比、節距、電熔結晶氧化鎂的充填量等參數密切相關［3］。電加熱元件選用優質卡口加熱器，安裝在熱定形機各節烘箱內部，可以制成若干個獨立部分，單獨安裝與固定，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各節烘箱內，整套電加熱裝置維修容易、更換方便、結構緊湊。而在熱定形機最后一節烘箱的織物出口處應設置一個溫度傳感器，通過實時監測溫度變化來降低排氣風扇的馬達速度，從而避免過多的冷空氣進入熱定形機烘箱內部，以達到節能減排的目的。

2 遠紅外線定向輻射器加熱定形機

遠紅外線加熱定形是利用輻射傳熱烘干的一種方法，即遠紅外線輻射加熱元件產生的電磁波以光速直線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變成化纖織物分子的熱振動能，當遠紅外線的發射頻率與被加熱定形化纖織物分子運動的固有頻率相匹配時，將引起化纖織物分子的強烈共振，在織物內部發生激烈摩擦而產生熱能，從而在織物纖維內部使輻射能轉變成為熱能，在短時間內達到織物內外層同時加熱干燥的目的。因為許多織物是由有機高分子化合物和水等組成，對遠紅外線有強烈的吸收特性，當遠紅外線輻射加熱元件發出的輻射波長與被加熱干燥化纖織物的吸收波長相一致時，化纖織物就可以強烈吸收輻射能［4］。目前采用的遠紅外線定向輻射器是將電流通過電阻絲發熱體與輻射發生器后產生很強的遠紅外線定向輻射電磁波，使得化纖織物內部分子瞬間產生強烈共振，從而產生熱能進行加熱干燥，使化纖織物內的水分和揮發物迅速排出。

遠紅外線輻射器是通過不同熱源（電、天然氣）加熱后產生遠紅外線的器材，可分為旁熱式和直熱式兩種類型，旁熱式遠紅外線輻射器有管狀、燈狀、板狀等結構形式，電加熱的旁熱式遠紅外線輻射器是在內部安裝有鎳鉻電阻絲，外面涂覆有遠紅外線輻射材料，依靠間接加熱向外界發射遠紅外線。電加熱的直熱式遠紅外線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紅外線輻射材料，再經過燒結處理后生成的。遠紅外線輻射器有許多優點：輻射系數大、電熱輻射轉換效率高、加熱升溫時間短、輻射性能穩定、耐磨損、耐腐蝕、使用壽命長、使用維修方便。

采用遠紅外線定向輻射器加熱染整定形機的關鍵技術是：選擇輻射效率高的遠紅外線加熱元件、傳熱效率高的反射系統、吸收效率高的光譜匹配設計。遠紅外線定向輻射器加熱染整定形機的關鍵結構是：把熱風對流加熱方式改造為遠紅外線定向輻射加熱方式；將遠紅外線強輻射器合理地安置在布料表面的上方，并使熱定形機烘箱內的高溫空間距離壓縮到布料表面所需要的最小范圍內，從而實現以輻射加熱為主的加熱方式。遠紅外線定向輻射器加熱染整定形機的優點是：投資少、改造速度快、操作方便，升溫速度快、熱惰性小、無涂層脫落、使用壽命長，省掉了循環風機，降低了熱定形機臺噪音，節電效果十分明顯，因此特別適合小批量、多品種的染整生產加工方式。

將電加熱定形機改造為遠紅外線定向輻射器加熱定形機，就是把遠紅外線強輻射器安裝在熱定形機烘箱內的槽鋼架上，距離織物布面60～80 mm，以提高輻射效率，達到熱輻射分布均勻、熱響應快，并使得布面染料中的水分子快速蒸發，實現對布面的輻射加熱，以達到降低電耗的目的。由于印染企業使用的熱定形機要求一種機型具有多種用途，對于不同面料、不同工藝的產品，定形溫度要求不同，要求熱定形機的車速、溫度都能夠連續可調，尤其是溫度不僅要可以任意調節，同時還要保證熱定形機烘箱內定形溫度的均勻性，因此必須采取連續自動化溫度控制系統。PID 中央處理機與非接觸式遠紅外線測溫系統（紅外線測溫探頭安裝在熱定形機烘箱內的下部）將實時溫度信號輸入到PID 中央處理機與工藝設定的溫度值進行比較及運算，然后輸出一個控制電壓信號來調節遠紅外線定向輻射器的功率大小，再通過輻射的功率來調整發射波譜，使其與化纖織物的吸收波譜相匹配，從而達到節能的效果。

3 熱定形機排放廢氣的余熱回收利用

熱定形機在生產過程中會有熱廢氣排放，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廢氣，同時還具有高溫和高濕的特點，故需要采用廢氣余熱回收利用裝置與油煙凈化裝置進行環保處理，具體的生產工藝流程是將熱定形機排放的熱廢氣首先經過安全防火閥，再進入毛絮過濾系統，把廢氣中的纖維雜物攔截下來后，再利用熱廢氣與冷水的熱量交換系統，把熱廢氣中的熱能轉換到清潔冷水里；或者采用熱廢氣與冷空氣的熱量交換系統，把熱廢氣中的熱能轉換到干凈空氣內。然后將清潔熱水或者干凈熱風應用到印染生產與生活供暖中，達到廢氣的余熱回收利用和節能減排的目的［5］。

由于熱定形機排放廢氣中含有蠟質，需要將其除去，故降溫之后的廢氣還需要經過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吸附油劑和顆粒物，達到除味的效果；然后再將廢氣輸入到除霧裝置內清除白汽。最后廢氣再經過有機廢氣處理裝置，利用超氧微納米氣泡技術的有機廢氣處理系統進行處理，微納米氣泡與有機廢氣接觸，在熱點處發生機械剪切、熱解、自由基氧化、超臨界水氧化等物理、化學的協同作用，最終達到分解有機廢氣的作用，并將有機廢氣轉化為CO2、H2O、N2和其他無害小分子，以及一部分固體顆粒物，從而符合綠色環保的排放要求。

熱定形機排放廢氣的控制是通過安裝在入口軌道上的光電傳感器來實現的，當檢測到軋導軌上針孔無織物時，熱定形機會降低循環風機和排風機的轉速。目前通過嚴格控制排風機的轉速，可以避免不必要的能源浪費。

4 結論

（1）遠紅外線照射到織物上能夠穿透纖維表面到達纖維內部，使輻射能轉變為熱能，從而可在短時間內達到織物內外層同時加熱烘干的效果，并使化纖織物內的水分和揮發物迅速排出。一般遠紅外線輻射器的加熱性能要優于電加熱金屬管（電熱棒），遠紅外線定向輻射器（直熱式）的加熱性能又要好于乳白石英管輻射器（旁熱式），所以采用遠紅外線定向輻射器加熱的定形機可使升溫時間大幅度縮短，溫差波動幅度減小，并且熱定形機烘箱內部環境溫度更加均勻，同時還可以降低裝機電熱功率，從而節約電力、避免能源浪費。

（2）遠紅外線定向輻射器加熱定形機的運行成本要低于乳白石英管輻射器加熱定形機，乳白石英管輻射器加熱定形機的運行成本又要低于電加熱定形機。但是遠紅外線定向輻射器的售價最高，乳白石英管輻射器居中，電加熱金屬管最便宜，所以遠紅外線定向輻射器加熱定形機的售價一般要高于電加熱定形機，乳白石英管輻射器加熱定形機居中。

（3）可以在印染廠房屋頂上大面積安裝太陽能光伏電板，利用太陽能為印染企業節省一部分用電量和電費，而且利用太陽能光伏發電不僅是對清潔能源的推廣使用，也是印染企業實踐綠色生產制造，助力“碳中和”綠色環保及節能減排的生產方式。