电加热定形机与远红外线辐射器加热定形机的研究

汪 琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑

（上海热油炉设计开发中心，上海 200042）

热定形机是化纤织物印染过程中的关键设备。由于合成纤维具有热塑性，在染整加工过程中，当织物经过预热和湿热处理后，化纤织物外形会出现难以消除的折皱，影响产品的外观美感和织物的内在质量。为了提高化纤织物的使用性能，需要对其进行热定形工艺加工，来消除合成纤维织物的内应力和折皱，从而可以提高化纤织物的平挺度和免烫性，并达到化纤织物的外形稳定、热收缩小、弹性强的目的。

染整定形机烘箱的清洁环保供热方式有天然气供热、液化气供热、热电厂中压中温蒸汽供热、燃生物质导热油炉供热、电加热、远红外线加热等常用方法［1］。目前位于印染集聚产业加工园区内的大中型印染厂热定形机烘箱加热可采用天然气供热、液化气供热、热电厂蒸汽集中供热等方法；分散在偏远地区的小型印染厂热定形机烘箱加热可以采用燃生物质颗粒燃料导热油炉供热［2］、电加热、乳白石英管加热、远红外线定向辐射器加热等方法。

1 电加热定形机

电能转换为热能可分成4 种方式：电阻加热、感应加热、介质加热和电弧加热。而电阻加热是将电能转换为热能的最主要形式，可分为直接电热与间接电热两种方式。直接电热法是将电流通过被加热物体本身，利用被加热物体本身的电阻发热而达到加热目的；但间接电热法则是采用通过电流发热的电阻，即用一种专门材料制成的电热元件产生热量，利用传热方式（辐射、对流、热传导）将热量传送到被加热物体，目前主要应用于加热或干燥物体。常用的电加热元件有碳化硅板、电阻带、电加热金属管（电热棒）、乳白石英管（红外线灯管）、远红外线定向辐射器、新型远红外线定向强辐射器。

电加热染整定形机以电阻式加热为主，由电加热元件、烘箱、循环风机送风控制系统、温度控制系统等部分组成。通常是在染整定形机各节烘箱内安装电加热管，加热后的空气由循环风机送入风道，再经过风嘴吹到织物上下表面产生对流，利用热传导把热能传递给面料。由于电加热定形机具有模块化的特点，所以设计规划灵活方便，电加热管的标准化和自动化程度好，占用的安装面积较小，可以直接安装在热定形机烘箱内部，另外电加热管安装简便，操作维护方便，电加热装置的可靠性强，因此在热定形机烘箱内织物的加热烘干过程中应用较好。利用夜间谷电进行生产加工可降低生产运行成本。

电加热金属管的结构是将电热丝旋转成螺旋状后，压缩固定在金属护套内的电熔结晶氧化镁中。电加热管的表面壁温不但与金属护套单位表面负荷有关，更与电热丝的单位表面负荷、电热丝的螺旋直径比、节距、电熔结晶氧化镁的充填量等参数密切相关［3］。电加热元件选用优质卡口加热器，安装在热定形机各节烘箱内部，可以制成若干个独立部分，单独安装与固定，便于维修更换。另外，电加热元件采用压板式连接固定在热定形机各节烘箱内，整套电加热装置维修容易、更换方便、结构紧凑。而在热定形机最后一节烘箱的织物出口处应设置一个温度传感器，通过实时监测温度变化来降低排气风扇的马达速度，从而避免过多的冷空气进入热定形机烘箱内部，以达到节能减排的目的。

2 远红外线定向辐射器加热定形机

远红外线加热定形是利用辐射传热烘干的一种方法，即远红外线辐射加热元件产生的电磁波以光速直线传播给被加热干燥的纤维织物，光子能穿透织物表面被吸收转变成化纤织物分子的热振动能，当远红外线的发射频率与被加热定形化纤织物分子运动的固有频率相匹配时，将引起化纤织物分子的强烈共振，在织物内部发生激烈摩擦而产生热能，从而在织物纤维内部使辐射能转变成为热能，在短时间内达到织物内外层同时加热干燥的目的。因为许多织物是由有机高分子化合物和水等组成，对远红外线有强烈的吸收特性，当远红外线辐射加热元件发出的辐射波长与被加热干燥化纤织物的吸收波长相一致时，化纤织物就可以强烈吸收辐射能［4］。目前采用的远红外线定向辐射器是将电流通过电阻丝发热体与辐射发生器后产生很强的远红外线定向辐射电磁波，使得化纤织物内部分子瞬间产生强烈共振，从而产生热能进行加热干燥，使化纤织物内的水分和挥发物迅速排出。

远红外线辐射器是通过不同热源（电、天然气）加热后产生远红外线的器材，可分为旁热式和直热式两种类型，旁热式远红外线辐射器有管状、灯状、板状等结构形式，电加热的旁热式远红外线辐射器是在内部安装有镍铬电阻丝，外面涂覆有远红外线辐射材料，依靠间接加热向外界发射远红外线。电加热的直热式远红外线辐射器的辐射体是采用电阻丝和耐热纤维编织而成，并在辐射面上涂覆有远红外线辐射材料，再经过烧结处理后生成的。远红外线辐射器有许多优点：辐射系数大、电热辐射转换效率高、加热升温时间短、辐射性能稳定、耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长、使用维修方便。

采用远红外线定向辐射器加热染整定形机的关键技术是：选择辐射效率高的远红外线加热元件、传热效率高的反射系统、吸收效率高的光谱匹配设计。远红外线定向辐射器加热染整定形机的关键结构是：把热风对流加热方式改造为远红外线定向辐射加热方式；将远红外线强辐射器合理地安置在布料表面的上方，并使热定形机烘箱内的高温空间距离压缩到布料表面所需要的最小范围内，从而实现以辐射加热为主的加热方式。远红外线定向辐射器加热染整定形机的优点是：投资少、改造速度快、操作方便，升温速度快、热惰性小、无涂层脱落、使用寿命长，省掉了循环风机，降低了热定形机台噪音，节电效果十分明显，因此特别适合小批量、多品种的染整生产加工方式。

将电加热定形机改造为远红外线定向辐射器加热定形机，就是把远红外线强辐射器安装在热定形机烘箱内的槽钢架上，距离织物布面60～80 mm，以提高辐射效率，达到热辐射分布均匀、热响应快，并使得布面染料中的水分子快速蒸发，实现对布面的辐射加热，以达到降低电耗的目的。由于印染企业使用的热定形机要求一种机型具有多种用途，对于不同面料、不同工艺的产品，定形温度要求不同，要求热定形机的车速、温度都能够连续可调，尤其是温度不仅要可以任意调节，同时还要保证热定形机烘箱内定形温度的均匀性，因此必须采取连续自动化温度控制系统。PID 中央处理机与非接触式远红外线测温系统（红外线测温探头安装在热定形机烘箱内的下部）将实时温度信号输入到PID 中央处理机与工艺设定的温度值进行比较及运算，然后输出一个控制电压信号来调节远红外线定向辐射器的功率大小，再通过辐射的功率来调整发射波谱，使其与化纤织物的吸收波谱相匹配，从而达到节能的效果。

3 热定形机排放废气的余热回收利用

热定形机在生产过程中会有热废气排放，废气中含有油烟、颗粒物、毛絮、石蜡，以及各种染料、助剂等一定量的有机废气，同时还具有高温和高湿的特点，故需要采用废气余热回收利用装置与油烟净化装置进行环保处理，具体的生产工艺流程是将热定形机排放的热废气首先经过安全防火阀，再进入毛絮过滤系统，把废气中的纤维杂物拦截下来后，再利用热废气与冷水的热量交换系统，把热废气中的热能转换到清洁冷水里；或者采用热废气与冷空气的热量交换系统，把热废气中的热能转换到干净空气内。然后将清洁热水或者干净热风应用到印染生产与生活供暖中，达到废气的余热回收利用和节能减排的目的［5］。

由于热定形机排放废气中含有蜡质，需要将其除去，故降温之后的废气还需要经过除味装置和除雾装置，即将降温后的废气先引入静电装置内吸附油剂和颗粒物，达到除味的效果；然后再将废气输入到除雾装置内清除白汽。最后废气再经过有机废气处理装置，利用超氧微纳米气泡技术的有机废气处理系统进行处理，微纳米气泡与有机废气接触，在热点处发生机械剪切、热解、自由基氧化、超临界水氧化等物理、化学的协同作用，最终达到分解有机废气的作用，并将有机废气转化为CO2、H2O、N2和其他无害小分子，以及一部分固体颗粒物，从而符合绿色环保的排放要求。

热定形机排放废气的控制是通过安装在入口轨道上的光电传感器来实现的，当检测到轧导轨上针孔无织物时，热定形机会降低循环风机和排风机的转速。目前通过严格控制排风机的转速，可以避免不必要的能源浪费。

4 结论

（1）远红外线照射到织物上能够穿透纤维表面到达纤维内部，使辐射能转变为热能，从而可在短时间内达到织物内外层同时加热烘干的效果，并使化纤织物内的水分和挥发物迅速排出。一般远红外线辐射器的加热性能要优于电加热金属管（电热棒），远红外线定向辐射器（直热式）的加热性能又要好于乳白石英管辐射器（旁热式），所以采用远红外线定向辐射器加热的定形机可使升温时间大幅度缩短，温差波动幅度减小，并且热定形机烘箱内部环境温度更加均匀，同时还可以降低装机电热功率，从而节约电力、避免能源浪费。

（2）远红外线定向辐射器加热定形机的运行成本要低于乳白石英管辐射器加热定形机，乳白石英管辐射器加热定形机的运行成本又要低于电加热定形机。但是远红外线定向辐射器的售价最高，乳白石英管辐射器居中，电加热金属管最便宜，所以远红外线定向辐射器加热定形机的售价一般要高于电加热定形机，乳白石英管辐射器加热定形机居中。

（3）可以在印染厂房屋顶上大面积安装太阳能光伏电板，利用太阳能为印染企业节省一部分用电量和电费，而且利用太阳能光伏发电不仅是对清洁能源的推广使用，也是印染企业实践绿色生产制造，助力“碳中和”绿色环保及节能减排的生产方式。