高速凹印机节能干燥系统的优化

武吉梅+由磊+刘琳琳+张羽玲

干燥系统是凹印机最主要的耗能单元，如何提高干燥系统的干燥效率、保证干燥效果、降低能耗是凹印机制造企业目前关注和研究的重要课题。虽然目前干燥系统能满足一定印刷速度下承印材料的干燥要求，但高速印刷下往往不能保证印品的干燥效果，特别是其带来的高耗能、风速分布不均、溶剂残留等问题都亟待解决。因此，对凹印机的干燥系统进行优化改造，以响应国家节能减排、绿色印刷的政策号召具有重大意义。

节能干燥系统工作原理及分类

1.节能干燥系统工作原理

凹印机的节能干燥系统主要为对流干燥，就是指热气体以对流方式将热量传送至承印物表面，承印物表面得到热量后，再以传导方式将热量传至其内部。热风干燥装置如图1所示，新鲜空气由进风口进入，经过热交换器将新鲜空气加热并由风机通过进风管吹入烘箱，在烘箱单元内热空气由吹嘴吹向承印物表面，烘箱中废气的一部分热量经排风管抽出，而废气中的另一部分热量经过回风管再回到进风管与新鲜空气相混合后再次进入热交换器，使得废气中的部分热量被循环利用。

对流干燥的节能方式有多种，归纳起来为两方面：一是减少能量损失，提高干燥器的热能利用率，如采取密封、保温、热风循环措施等；二是强化干燥过程，提高干燥速率，提高生产效率。这两方面的最终效果均可提高干燥装置的热效率。在节能工作中，往往前者的效果最明显，多为工作的重点和主要工作对象，而后者常被忽视或遗漏，显然这是不全面的。因此，要全面提高对流干燥技术和用能水平，必须两者一起抓，才能取得较大的经济效益。

2.节能干燥系统分类及特点

（1）单出风口节能干燥系统

图2所示为单出风口的节能干燥箱模型，此干燥箱只有一个进风口和一个出风口，热空气由进风口进入干燥箱，通过风嘴将热空气吹向承印物，最后废气通过进风口上面的出风口被抽出，完成干燥工作。其不足在于只有一个出风口，需要较大的压强，因此对风机的选择会比较困难。

（2）双出风口节能干燥系统

图3所示为双出风口节能干燥箱，其与单出风口节能干燥箱的工作原理及结构基本相同，只是在干燥箱的下部增加一个出风口，其优点是解决了单出风口风机选择困难的问题，因为增加一个出风口，可以分担出风口抽出的废气的压强，于是便降低了压强，对风机也有更多的选择。

（3）双面吹风节能干燥系统

图4所示为双面吹风节能干燥箱，其与单面节能干燥箱的区别在于在单面节能干燥箱的背面增加了一个小型干燥箱，这个干燥箱只有4个像孔板一样的风嘴，空气全部由下面的进风口进入，一部分热空气由小的进风口通过导流板直接进入上面的小型干燥箱，再由小型干燥箱的风嘴吹向承印物的背面，使承印物能够双面干燥。双面吹风节能干燥系统的优点在于可辅助干燥工作，使墨层干燥得更快、更彻底。

高速凹印机出风口的优化

1.单出风口模型仿真分析

（1）建立干燥箱单出风口的三维模型

在保证干燥箱分析要求的前提下，对其进行适当简化，为了方便分析图2干燥箱的三维建模，定义干燥箱最下部风嘴为风嘴1，其他风嘴由下至上依次排列。

（2）对干燥箱单出风口模型进行网格划分

根据实际情况对其选择适合的网格单元，主体采用四面体网格划分方式，在适当位置辅以六面体网格和楔形网格，在热风风嘴及导流板附近对网格进行局部加密，精确捕捉热风流动状态，干燥箱共划分网格4256871个，将画好网格的干燥箱送入Fluent软件中进行计算。

（3）对干燥箱单出风口模型进行仿真计算

图5为单出风口干燥箱模型在Fluent软件中计算后得到的热风流场迹线图。从这个三维流动迹线图可以看出，干燥箱主要靠右侧（即离风口远处）回风，在两个风嘴之间形成涡流，涡流以涡旋式向右运动，大部分经由右侧回风腔被上出风口抽出，而少部分由左侧回风腔被上出风口抽出。经过干燥箱时，由于承印物向上运动，出风口将热风从干燥箱上部抽走，不利于油墨的干燥。

2.双出风口模型仿真分析

在保证干燥箱分析要求的前提下，对其进行适当简化，为了方便分析如图3干燥箱的三维建模，定义干燥箱最下部风嘴为风嘴1，其他风嘴由下至上依次排列。

对改进后的双出风口干燥箱模型进行网格划分，具体划分过程与单出风口干燥箱模型相同。接着对划分好网格的双出风口干燥箱在Fluent软件中进行计算，得到图6所示的热风流场迹线图。

从图6可以看出，干燥箱主要靠干燥箱右侧（即离风口远处）回风，在两个风嘴之间形成涡流，涡流区域主要靠右侧回风，大部分热风从下出风口抽出。由于承印物向上运动，增加下出风口后，有效增加了承印物与热风接触的时间，使干燥效果更好，这在高速凹印机上十分有意义。

因此，有下出风口的干燥箱为优化后的节能干燥箱，而且当一个出风口时，需较大负压才能将内腔外部热风抽出，风机较难选择，而增加下出风口，将热风抽出的难度降低，风机选择方便。因此优化改进后的节能干燥箱能够为印刷过程中的干燥提供更加有利的帮助。

谈到节能干燥系统中的节约能源方面，就不得不谈到近几年来出现的热泵技术。印刷干燥中主要采用高温空气能热泵，其工作原理是：利用逆卡诺循环原理，通过自然能（空气蓄热）获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来干燥。目前，很多印刷企业已将热泵技术运用到印刷干燥系统中，这对印刷过程中的节能是非常有利的。例如，陕西北人印刷机械责任公司利用高温空气能热泵代替以前印刷干燥系统中的翅片换热器，改变后的干燥过程中的能源消耗只是之前的60%，在减少能源消耗的同时还能够提供稳定的风量，并减少了环境造成的污染，这是一个很好的技术革新。相信今后，热泵技术会成为印刷干燥系统中应用发展的主要技术。endprint