第二節 氣流的產生與作用

無論是氣流霧化染色，還是氣壓滲透染色，在染色過程中，氣流都是通過高壓循環風機產生空氣動壓能，再轉變成氣流的靜壓能，在氣流噴嘴中形成高速氣流牽引織物運行。除此之外，氣流霧化染色的染液是通過染液噴嘴的細化，噴入氣流中形成氣液兩相流體與織物進行交換，完成染料對織物的上染。空氣與水液體均屬于流體，但在流動過程中的變化狀態有很大不同。因此，有必要對氣流的一些基本特性進行了解，以達到控制氣流的目的。

一、氣流的形成與特點

氣流是由高壓風機產生的，并通過一套風管系統進行封閉循環。循環氣流的風壓與風速存在一定的關系，并且隨著空氣溫度的變化而發生變化，對織物的循環狀態會產生一定的影響。

1．高速氣流的形成 首先是通過高壓風機將機械能轉換為空氣壓力能（包括動壓能和靜壓能兩部分），然后經過主風管將空氣的動壓能轉換為空氣的靜壓能，再分配到每個氣流噴嘴中。根據拉法爾原理設計的氣流噴嘴，氣流經喉部環縫隙而加快流速，并形成具有較高動壓能的環形氣流，以牽引織物沿流動方向運行。當氣流通過導布管后，氣流突然四周擴散，動壓能急劇衰減，布速減慢落入儲布槽。在實際使用過程中，主缸內腔、風機、風管和氣流噴嘴組成了一個封閉系統，無論是在常溫下還是在高溫下，均可形成相對穩定的氣流循環，以滿足織物的循環周期。

2．風壓與風速的關系 通過循環風機作用產生了氣流，在一定的風機轉速下，氣流的壓力與速度（或者風壓與風量）具有一定的對應關系。當過流截面一定時，風速與風量成正比，即風量大，風速也大。而風壓與風量的變化相反，即風壓增大而風量變小，這符合伯努利能量守恒規律。在實際氣流輸送過程中，當高度差不大時，可忽略重力勢能的影響，克服管網系統阻力主要還是依靠靜壓能。根據伯努利方程，氣流靜壓能與動壓能是可以相互轉換的，但總壓是不變的，即符合能量守恒規律。

當風量一定時，改變氣流過流截面積，就會改變風速，即過流截面積小，則風速大；而風速大，則風壓就小。所以利用拉法爾管原理，采用漸縮管和漸擴管可以產生高速氣流牽引織物運行。對于氣流霧化式染色來說，氣流在牽引織物運行的過程中，同時還為被染織物與染液提供交換條件。

3．氣流隨溫度變化的規律 與所有流體一樣，空氣在流動的過程中也會產生內部之間的相對摩擦阻力。根據牛頓流體運動規律，這種阻力是通過黏度系數來表述，即動力黏度系數或運動黏度系數。試驗表明，流體的黏度系數隨溫度變化而變。對液體水來說，其黏度系數隨溫度的升高而變小，而空氣則相反。由于存在這種變化規律，所以水和氣流的黏度系數隨溫度變化，會改變牽引織物的運行速度，而兩者正好相反。在實際運行過程中，我們會發現雖然在常溫下織物的運行速度一定，但在高溫條件下，溢噴染色機的織物運行速度會減慢下來，而氣流染色機的織物運行速度則會升上去。

二、染液在氣流中的狀態

氣流霧化染色中的染液是通過一套獨立循環系統，經噴霧噴嘴形成霧化的液滴，再噴射到氣流與染液混合室內；然后形成帶液氣流（實際上是氣流夾帶著細化染液）經氣流噴嘴噴出，與被染織物接觸，完成染料對織物纖維的上染。與傳統的溢噴染色不同，帶有染液的氣流對被染織物纖維表面具有較大的滲透力，更有利于減薄被染織物纖維表面染液擴散或動力邊界層的厚度，使得新鮮染液容易向纖維表面擴散。由于霧化后的染液彌散在氣流中，與織物纖維的接觸表面較大，所以更容易達到勻染效果；同時氣流對織物有一種擴展效果，也擴大了染液與織物的接觸面積，可保證上染速率較快的織物獲得均勻上染。對于氣壓滲透式染色而言，雖然染液是獨立與織物進行交換的，但已經吸附染液的織物經過氣流噴嘴時，氣流會對織物纖維表面的染液產生一定的滲透作用。實際上也是對纖維表面染液再次分配，進一步提高了染液在織物上分布的均勻性。

1．染液的霧化 在氣流霧化染色過程中，染液經過一套噴霧噴嘴，形成霧狀染液并噴灑在氣流中。彌散在氣流中的染液，隨氣流一起通過拉法爾管喉部環縫隙噴入，與被染織物進行交換。染液的霧化程度與流體壓力和霧化噴嘴口徑的大小有關。流體壓力取決于染液循環泵的揚程，一般較高。而霧化噴嘴口徑相對較小，以便染液的霧化。在壓力不變的條件下，噴霧噴嘴口徑越小，則染液的霧化顆粒越小，反之則大；當噴霧噴嘴口徑一定時，流體壓力越大，則染液的霧化顆粒越小，反之則大。顯然，染液霧化的顆粒越小，在氣流中分散的均勻性就越好，同時霧化染液對氣流所造成能量消耗越小，也就意味著風機的消耗功率減小。但是在實際應用中，過小的染液噴嘴通道往往容易造成雜物的堵塞，影響染液噴射量。

對于氣壓滲透式染色，染液不存在霧化問題。但是，因染液量較少，需要考慮與織物進行交換時的均勻性問題，尤其是在環狀方向的分配。如何使較少的染液環狀方向不產生偏流，是氣壓滲透式染色噴嘴的技術核心。

2．染液在氣流中的分布 在氣流染色過程中，染液只有在氣流噴嘴（即拉法爾管）和導布管中才會與氣流相遇，其余時間都是按照各自的循環系統進行循環。經染液噴嘴霧化的染液進入氣流后，彌散在強烈的紊流氣流中，具有較好的均勻性。無論是受熱面積，還是與被染織物纖維的接觸面，都比顆粒大的液滴更為均勻。這為氣流染色過程中染料向織物纖維提供了較好的上染條件。彌散在氣流中的染液隨著氣流進入拉法爾管內與織物進行接觸，其作用的劇烈程度比較高。可以減薄織物纖維表面的動力和擴散邊界層厚度，快速打破纖維內部擴散與纖維外部的動平衡，加快染料對纖維的上染速度。由于呈細化的染液在氣流的強烈作用下，對織物纖維的接觸面以及均勻程度都優于傳統的溢噴染液，所以氣流染色的上染條件特別適于上染速率較快的超細纖維織物。

3．氣流對染液滲透作用 在氣流噴嘴中，氣流中無論是否夾帶染液，對織物纖維表面上的染液都會產生一定滲透作用。這對加快染料通過動力或擴散邊界層，以及減薄邊界層的厚度，無疑都是有利的。氣流霧化式染色過程中，染液是隨同氣流一起與織物進行交換的，而氣流對已接觸到纖維表面的染液同時還起到滲透作用。氣壓滲透式染色的氣流與染液雖然是分開作用的，但當織物進入氣流噴嘴后，氣流在牽引織物運行和擴展的同時，還對纖維表面的染液可產生較大的滲透作用，加速染料通過纖維表面染液的動力和擴散邊界層。從實際應用中得知，無論是哪種形式的氣流染色，對織物的勻染性均優于普通溢噴染色，這與氣流對織物纖維上染液的滲透作用有關。

三、氣流對織物的作用

在氣流染色過程中，織物的循環主要依靠氣流牽引，提布輥僅起到輔助作用。氣流中實際上夾帶有彌散在其中的細化染液，而織物在被氣流牽引的過程中，伴隨著染液與織物的交換。織物從儲布槽中被提升，經過提布輥進入噴嘴和導布管，經擺布裝置，有序地落入儲布槽后部，通常將織物這一運動過程稱為動程。織物經歷周期性的動程，一方面是完成織物與染液在噴嘴中的交換，不斷向纖維表面提供新鮮染料；另一方面，織物在儲布槽中的相對靜止位置，通過動程不斷改變織物之間的相互位置，以避免產生永久性折痕。因此，氣流染色中的織物循環是保證勻染和不產生折痕的重要過程。了解和掌握織物在動程中經過噴嘴時的受力和運動狀態，可以有效地控制織物的上染過程和運行狀態，以達到織物的勻染和保證布面質量的目的。

圖2-3 氣液混合體噴射分解示意圖

1．織物在噴嘴中的受力分析 氣流噴嘴的結構實際上是采用了拉法爾原理，即漸縮、直段和漸擴三部分。在直段部分（也稱為喉部，氣流壓強低，流速快）有一環縫隙，氣流由縫隙噴出，并形成一定圓錐夾角。若沿軸線剖開，將縫隙噴出的氣流F分解為兩個方向的作用力，即對織物產生縱向作用的F₁和產生橫向作用的F₂，如圖2-3所示。橫向作用是對織物的滲透力，用以打破纖維表面擴散和動力邊界層的動平衡，不斷提供新鮮染液，以保證纖維的染料供給；而縱向作用則為織物的牽引力，控制織物循環速度的快慢。當織物離開噴嘴后進入導布管，主要是氣流的縱向作用，對織物也有一定橫向紊流作用。織物離開導布管時，高速氣流迅速衰減，對織物的作用減小，織物也會隨氣流的四周擴散，產生一定擴展作用，使束狀織物在緯向擴開。這種作用對織物減少折痕的產生有一定效果。

2．織物的運動狀況 織物在氣流染色動程中都是呈束狀（也稱為繩狀）運行，其中在噴嘴和導布管中受氣流作用最為劇烈。與傳統溢噴染色機染液噴嘴所不同的是，織物在氣流噴嘴中總能夠充分擴展。所以，在很大的織物克重范圍內，僅用一種通徑的噴嘴即可滿足染色要求。此外，提布輥的線速度與氣流的牽引速度，通過一定速度差調節，使提布輥面的線速度低于氣流的牽引織物速度，對織物產生一個氣流振動作用。可以消除織物在儲布槽堆積所產生折痕，并對織物有一個機械揉搓作用。因此，氣流染色機加工出來的織物很少出現折痕現象，并且具有較好的手感。

3．氣流對織物的擴展 無論是氣流霧化染色還是氣壓滲透染色，氣流在導布管中對織物總會產生一定的擴展作用。當織物離開導布管后，氣流壓力突然釋放，織物也會在一定程度上向四周擴展，并且速度迅速減緩。氣流的這一變化過程，不僅會對織物產生一個拉伸和回縮作用，有利于織物的手感，而且還會改變織物的束狀狀態，消除縱向折痕。對于一些特別容易產生折痕的輕薄針織物，可以采用圓筒狀（不剖幅）加工。織物離開導布管時，氣流可將圓筒狀織物吹鼓一定程度，擴開拉平織物折痕。但是，應注意在織物段接縫處應留有10～15cm缺口，避免過度氣鼓，影響織物運行。

筒狀緯編針織物開幅后，套結紗線趨于恢復原狀態，容易造成卷邊。染色過程中若不打開，就會得色淺。在傳統的染整工藝中，預定形之前要剖幅，然后再縫筒放在溢噴染色機中加工，增加了工藝流程。而采用氣流染色時，氣流對織物的卷邊具有一定的擴展作用，緯編針織物可開幅染色，尤其是含有氨綸的緯編針織物，具有明顯的加工優勢。

四、氣流變化對織物的影響

在實際染色過程中，氣流的狀態會受到溫度變化的影響，并且根據織物品種或克重可進行氣流大小的調節。氣流狀態的變化對織物會引起織物循環速度、織物的經向張力、織物緯向擴展狀態以及織物表面等變化。織物的經向張力變化對彈力織物會產生影響，織物緯向擴展不佳會使縱向折痕不易消除，風量過大會使一些針織物表面起毛、起球。氣流主要是在風量和狀態變化過程中對織物產生作用，歸納起來主要是以下兩方面的影響：

1．織物的運行狀態 氣流染色機的氣流循環是在一個密閉容器中進行的，空氣溫度和水蒸氣密度的變化，都會對氣流循環產生影響。空氣的黏性與水的黏性相反，隨著溫度的升高而增大。氣流染色機在高溫（高于常溫）狀態下，水蒸氣密度會增加，風機循環的實際介質是空氣加水蒸氣，要比常溫下的介質（嚴格地講也是空氣加水蒸氣，只不過水蒸氣的密度較小）密度大。所以，氣流在牽引織物循環的過程中，增加了對織物的牽引力，加快了織物的運行速度。這種織物運行速度的變化，對織物勻染性是有利的，但也同時增加了風機功率的消耗。如果織物是處于保溫階段，染料在織物上已經基本上達到了均勻分布，對循環周期的要求沒有上染階段的高，而過快的織物循環對一些容易起毛或擦傷的織物，會造成織物的損傷。因此，氣流在溫度的變化過程中，對織物運行狀態的影響，需通過合理的風量變化來加以調整。

2．織物表面形態 氣流染色過程中織物的線速度，主要是通過循環風量大小來控制的。一方面要考慮織物循環周期所需的線速度，另一方面還要保持與提布輥線速度的協調。一般是通過循環風機變頻調節與提布輥線速度的相互協調來控制。織物線速度的控制首先是滿足織物勻染的要求（主要是織物與染液的交換周期），其次是不產生織物折痕或擦傷。從保證勻染性和減少織物折痕的角度來考慮，提高被染織物與染液的交換頻率，也就是縮短織物的循環周期，是一種有效控制手段。但是，織物循環速度過快，往往容易使設備與織物接觸面對織物表面產生擦傷或極光印。所以就需要根據不同織物的臨界速度點，確定織物循環的相應頻率。

對于風量和風壓的調節控制，在空氣溫度和風機轉速一定的條件下，通過截止閥開度大小控制，閥門開度變小，風量減小，而風壓增加，反之則減小。雖然風壓是克服管網系統阻力的主要動力源，但過大的風壓會對織物表面造成損傷。因此，早期氣流染色機采用閥門控制風量，存在的最大問題就是風量與風壓的相反變化，不僅容易造成織物表面起毛、針織物套結圈吹出等疵病，還對彈力針織物的彈力產生影響。后來風機采用變頻控制，可以在保證風機效率不變的情況下，風量和風壓可同時變大或變小，適用織物的品種更廣泛。