第二節 氣流循環系統
氣流染色機的氣流循環系統是牽引織物循環的主要動力源，同時攜帶細化染液為染料向織物纖維上染提供交換條件。由于空氣具有可壓縮性，其密度及黏度在不同溫度下會發生變化，所以在整個染色過程中，實際上對織物的作用也是不穩定的。特別是細化染液在紊流的氣流中也會發生變化，對氣流產生一定影響。如何將這些變化和影響控制在所需的染色條件下，也是氣流染色多年來一直研究的課題。如果從理論上研究，它涉及空氣動力學、熱力學等學科，其復雜程度遠遠超過一般研究部門的能力。因此，更多的是建立在試驗的基礎上，并結合工藝特點來研發的。這里僅從應用的角度來討論和分析氣流循環系統的工作狀態，并對循環風機的一些技術參數和特性曲線作簡單介紹。
氣流循環系統主要包括循環風機、氣流噴嘴和氣流循環管路?？椢锏倪\行和擴展狀態，以及染液通過氣流對織物的作用，都與該循環系統密切相關。
一、循環風機
氣流循環的風機一般采用高壓離心式風機。牽引織物循環需要足夠大的風量，而一定風量必須依靠相應的風壓來克服循環系統的沿程和局部損失?？紤]到牽引不同克重及品種的織物所需的作用力有差異，所以氣流染色機的風機額定功率一般選擇都比較大。在具體使用中，可通過風機的交流變頻控制，提供相應風量。這樣既可以不同克重織物滿足所需的風量，同時又可以達到節能的目的。風機的幾個特性參數是風量（流量）、風壓（壓力）、轉速、功率和效率，通過風機特性曲線可以反映出這些特性參數相互關系。除此之外，與風機密切相關的管網，也有一個表述風量和風壓變化關系曲線，稱為管網特性曲線。在實際氣流循環過程中，風機的特性曲線與管網特性曲線的交點，才是風機實際風量和風壓的工況點。
1．風量和風壓 風量也稱作流量，表示氣體單位時間流過某一橫截面的體積或質量；風壓也稱作壓力，有靜壓和動壓之分。對于氣流染色機的循環風機的風量和風壓，究竟應該取得一個什么樣的值，目前還沒有一個具有說服力的理由。但有一點可以肯定，同一臺氣流循環的風機，當轉速一定時，在常溫下和高溫下的風量和風壓是不同的。其原因是隨著空氣溫度的提高，其密度變小，動力黏度增大。我們知道，氣流牽引織物運動，是空氣的黏度對織物的作用而形成的。也就是說，空氣黏度的增加必然要加大對織物的牽引力，織物的線速度要加快。在實際應用中，這一現象是很明顯的。當常溫下的風機轉速設定后，在高溫下織物的線速度會加快，電機的電流也增大，即意味著電機功率的增加。當然，這里也不能排除在高溫下因密閉容器（指主缸）蒸汽壓的加大，空氣中還混有大量水蒸氣，也會加大風壓和功率的消耗。從織物勻染性的角度來考慮，織物在高溫下往往染料的上染速率加快，如果織物的線速度增加就會提高與染液的交換頻率，有利于織物的勻染。但在高溫下進行保溫時，有時并不需要太快的交換頻率。對于針織物或彈力織物，織物線速度過快會產生較大的張力，使織物變形或彈力纖維失去彈性（特別是在高溫下）。因此，風機的風量和風壓應該設計成在溫度變化過程可調節的，最好是一種動態控制。
由于風機的靜壓是克服管網阻力的必要因素，而氣流經過噴嘴環縫形成高速氣流時，會產生很大阻力損失（即壓降），所以氣流染色機都是采用高壓風機［壓力在14.715KPa（1500mmH2O）以上］。在實際應用中，織物循環主要是依靠足夠風量，而風壓一般僅起到克服管網（這里主要是噴嘴環縫隙）阻力，保證風量輸送的作用。但是，風量和風壓不能絕對分開，風壓不夠，表現出來的風量也不足。
2．風機特性曲線 風機工作在一定的吸氣狀態和轉速條件下，其理論全壓與理論流量之間的關系通常可用理論全壓特性曲線表示。風機葉片出口角度的大小，對風機的特性影響很大。一般可分為三種形式：后向葉片，葉片出口角度小于90°；徑向葉片，葉片出口角度等于90°；前向葉片，葉片出口角度大于90°?？紤]到氣流染色機風機的超載能力，一般選擇后向葉片。由于風機在實際工作中存在各種損失，如水力損失、容積損失、輪盤摩擦損失和軸承損失等，所以將效率考慮進去得到的是實際全壓特性曲線。圖3-3為風機的風壓（P）—風量（Q）、功率（N）—風量（Q）和效率（η）—風量（Q）實際特性曲線。
在氣流染色機中，與風機相連的有進口管（包括過濾器）、出口氣流管以及氣流噴嘴等，這些連接部分可視為管網，與風機構成一個封閉的氣流循環系統。根據伯努利方程，風機的全壓應等于管網的總阻力加上風機出口的動壓損失。圖3-4表示氣流管網輸送風量時所消耗的風壓能（P）與所輸送的風量（Q）之間的關系，是一個二次拋物線，稱作管網特性曲線。
3．風機工況與工作區域 風機與管網連接在一起工作時，流經管網的流量等于風機流量，管網（氣流管路）的總阻力與風機出口動壓損失之和等于風機所產生的全壓。采用同一比例繪制的風機特性曲線與管網特性曲線的交點即為風機的工況點，如圖3-5所示。圖中曲線P為風機的全壓特性曲線，OB為管網特性曲線，兩者的交點M即為工況點。該點反映出風機的流量、全壓、效率和功率等主要性能參數。
圖3-3 風機實際特性曲線
圖3-4 管網特性曲線
圖3-5 風機工況
在實際工作中，根據不同織物克重或品種，總是要通過改變氣流噴嘴的氣流速度來改變織物的運行速度。但這種風速或風量的改變實際上就是改變了管網阻力，而風機的工況點也隨之改變。當管網阻力增大（如曲線OC所示）時，風機的流量將減??；當管網阻力減小（如曲線OD所示）時，風機的流量將增大。因此，為了保證風機能夠正常和合理的運轉，通常要控制風機的工況在整個工作期間不超出合理區域。該工作區域取決于風機工作的穩定性和經濟性。
要滿足穩定性，首先是壓力特性曲線不能有駝峰，其次是風機必須工作在壓力最高點的右側。滿足這種條件的風機特性曲線與管網特性曲線的交點只有一個，并且應該位于壓力特性曲線最高點的右邊。如圖3-6（a）所示，當工況點移到K點或超過K點向左移動時，風機的特性曲線與管網特性曲線將會出現兩個以上的交點。顯然在這種條件下的風機運行不穩定，會發生喘振現象。當風機的特性曲線形狀如圖3-6（b）所示，工況也應位于K點的右邊。如果工況移到K點或K點的左邊部分時，曲線上雖然只有一個交點，但工況點將交替在第一象限和第二象限內變動，也會發生喘振現象。因此，風機只有工作在風壓最高點的右側才是穩定的。
風機最高效率點的工況稱作額定工況，此時的流量、壓力分別稱作額定流量和額定壓力。一般情況下，總是希望風機工作在效率最高點。然而實際工作中，并不一定正好就在這一點，所以效率都會有所降低。為了滿足經濟性，風機的實際工況點應控制在（0.85～0.90）ηmax的范圍內。這一范圍也稱作經濟工作區域，如圖3-7所示。
圖3-6 風機的穩定工作區域
圖3-7 風機的經濟工作區域
4.風機的調節 氣流染色機的風機在使用中，需要經常改變風機和管網中的風量，以滿足不同織物克重和品種所需的運行速度。一般可采用兩種調節方式，即改變管網特性曲線和改變風機的壓力特性曲線，如圖3-8所示。現討論這兩種調節方式的工況變化情況。
圖3-8 風機的調節
（1）改變管網特性曲線的調節。該調節方法是在出氣管或進氣管路中設置調節閥門，改變開啟程度，以減小或增大管網的阻力來改變風機流量。調節過程中，風機壓力特性曲線沒有改變，但管網特性曲線在改變，所以工況點的位置被改變了。調節閥門關小時，管網阻力增加，則流量減少。顯然，在管網的節流狀態下，風機壓力的一部分用于克服管網阻力，另一部分則用于克服閥門的阻力。一般情況下，風機節流后的功率有所下降。
（2）改變風機壓力特性曲線的調節。從理論上來講，改變風機壓力特性曲線的調節可以采用：改變風機轉速、改變風機進口處導流器葉片角度以及改變葉輪寬度和葉片角度。在這些調節過程中，管網特性曲線不改變，只有風機的壓力特性曲線發生改變，因而也改變了工況點的位置。但在實際應用中，風機結構一定時，一般都是采用風機轉速調節。其原因是風機在管網阻力與流量平方成正比的管網中工作時，風機轉速降低，其效率仍保持不變，但風機功率卻因流量和壓力的降低而顯著下降。風機轉速變化與流量、壓力和功率存在以下變化關系式：
因此，從空氣動力學來考慮，改變風機轉速的調節方法是最合理的，也是最經濟的。目前氣流染色機的風機都是采用交流變頻控制，但沒有實現動態控制，許多情況下是在做無用的功率消耗，比同一容量溢噴染色機要偏大很多。這也是制約氣流染色機應用推廣的一個方面。如何解決好這一矛盾，還有待于設備制造商的深入研究和開發。
5．風機功率的消耗 采用氣流霧化形式的氣流染色機風機功率的消耗較大，主要是在染液霧化室內氣流帶動霧化染液需要消耗很大一部分能量。染液霧化顆粒的大小對氣流消耗的影響很大，染液霧化顆粒小，消耗的氣流能量也小，反之就大。根據這一特點，有氣流染色機制造商采用小孔徑染液霧化噴嘴，使染液的霧化顆粒減小，從而降低了氣流的能耗，減小了風機功率。但染液霧化噴嘴因孔徑較小，更容易被纖維短絨或雜物堵塞，需經常拆卸染液霧化噴嘴清理，給實際操作帶來了不便。
相比之下，采用氣壓滲透式原理的氣流染色機，氣流噴嘴受染液的影響很小。氣流在牽引織物循環的過程中，除了對織物所吸附的染液產生一定的滲透力外，沒有對染液產生消耗。因此，可以消耗較低的風機功率。
氣流染色機的風機功率消耗，除了與設備的工作原理有關外，還與空氣在溫度變化過程中的黏度系數變化有密切關系。高溫下空氣黏度系數的增大，加大了對牽引織物循環的黏著力，減少了空氣與織物的相對滑動速度。不僅使織物的運行線速度加快，同時還增加了風機的功率消耗。此外，在高溫密閉容器（這里指主缸）內，存在一定的水蒸氣，實際上風機中的循環介質是空氣和水蒸氣的混合體，顯然密度比常溫下空氣的密度低，從而增加了風機的風壓和功率。這就是同樣功率的風機，在同一頻率下運行，高溫時電機拖動電流要高于常溫時電機拖動電流的原因。因此，同樣容量的氣流染色機風機功率，高溫型的要比常溫型功率選取得要大一些。
二、氣流噴嘴
氣流噴嘴是夾帶細化染液的氣流牽引織物，并進行染液與織物交換的地方。氣流首先在夾套中與細化染液相遇，呈霧化狀染液彌散在氣流中，然后再通過噴嘴環形縫隙噴入中間管形通道與織物相接觸。氣流噴嘴采用了拉法爾（Laval）噴管原理，將氣流的速度提高到超音速，使氣、液兩相流形成分散狀或環狀流型，在牽引織物循環的同時進行織物與染液的均勻交換，提供了織物獲得均勻上染的條件。為了對氣流噴嘴有一個全面的認識和了解，下面對氣流噴嘴的工作原理和結構形式進行介紹。
1．拉法爾噴管原理 氣體通過噴管因發生壓力降低和容積膨脹而能獲得高速氣流，而拉法爾噴管是用于產生高速氣流的一種噴嘴結構形式。氣流在拉法爾噴管中的變化規律是氣流噴嘴設計和使用的依據。根據質量守恒規律，通過連續性方程式可以得出噴管截面的變化率與氣體比容變化率和流速變化率的關系：
式中：
——噴管截面變化率；
根據能量守恒定律，由絕熱穩定流動能量方程式可以導出噴管中的流速變化與壓力變化的關系，其微分關系式如：
wdw=-vdp（3-3）
上式表明，流速與壓力相反，即在絕熱流動過程中，若壓力降低，則流速必然增加；反之，則降低。
此外，要獲得高速氣流，噴管的形狀（即軸向截面變化規律）必須符合氣體本身的膨脹規律。將絕熱過程方程式與連續式方程以及式（3-2）聯系起來，可以得到噴管截面的變化關系式：
式中：M——馬赫數，是物體的速度與音速之比，用來描述氣體特性的重要參數。M＜1，表示氣體為亞音速；M=1，為音速；M＞1，則為超音速。
圖3-9 噴管內參數變化示意圖
由式（3-4）得知，要增加氣流速度，沿途截面的增減變化，取決于（M2-1）的正負號。當進口的初速度小于音速（M＜1），若要增大流速，就必須使
為負值，即噴管截面應縮小；當流速增加到等于音速（M=1）時，則
=0，此時噴管截面最小。若要流速繼續增加，超過音速（M＞1），則
應為正值，此時噴管截面應增大。由此可見，減縮噴管最高只能得到音速氣流。要獲得超音速氣流，噴管必須制成漸縮漸擴形。這種形式噴管稱作拉法爾噴管。氣流在拉法爾噴管內流速（w）、壓力（p）、比容（v）在沿途截面的變化規律如3-9所示。
流體經過噴嘴時因過流截面的變化，流速、壓力和比容都會發生變化，但質量和能量的總量是守恒的。拉法爾噴管對氣流的加速作用，壓差是使氣流加速的內在動力，幾何形狀是使氣流加速的外部條件，而氣流的焓值變化（即焓降）為氣流加速提供了能量。
2．氣流噴嘴的結構形式 根據拉法爾噴管原理，氣流噴嘴的軸向截面是采用漸縮、喉部和漸擴三段，氣流通過環縫隙噴出，與織物運行方向形成一定角度。高速氣流可分解為與織物運行方向相同和垂直兩個分力，與織物運行方向相同的分力牽引織物循環，與織物垂直的分力對織物纖維產生滲透力，加快染液向纖維內部的擴散。氣流噴嘴結構設計在充分滿足染液的霧化效果的同時，還要保證織物與霧化染液的充分接觸，并且對織物的表面能夠起到保護作用。比較成功的氣流染色機對氣流噴嘴結構都有專利保護。
圖3-10 氣流噴嘴氣、混合過程
1—織物 2—氣液混合室 3—染液霧化噴嘴
由于織物經過氣流噴嘴的線速度較快，并且會發生較大的速度變化，因此為了保證織物表面不受損傷（如擦傷、極光等），通常內壁表面的粗糙度要求非常高，甚至在其中某一段采用了聚四氟乙烯材料。一些氣流染色機對這部分的加工質量無法達到要求，容易出現織物表面質量問題。與傳統溢噴染色機噴嘴不同的是，氣流噴嘴通徑的規格一般沒有那么多，目前最多只有兩種規格。織物克重在較大范圍內可以采用同一通徑進行加工，輕薄織物在氣流噴嘴中總會被氣流吹展開，充滿氣流噴嘴橫截面。所以不用擔心繩狀織物跑偏的問題。對于克重在800g/m2以上的織物（如毛巾類），考慮到織物呈束狀時的直徑較大，無法通過氣流噴嘴通道，可換成相應的大通徑噴嘴。氣流噴嘴的環形縫隙一般制造商在出廠之前都已調整好，不是特別情況下（如維修、更換）最好不要動。總之，氣流染色機的氣流噴嘴對使用廠家來說更為方便。
3．氣、液兩相流的流型 氣流與染液在氣流噴嘴中，實際上是氣、液兩相流在一定條件下混合噴射過程。如圖3-10所示。為了保證染液與織物的均勻交換，必須通過高速氣流產生分散流或環狀流型。氣、液兩相流在噴嘴中以分散流的流型較為理想，染液的細化顆粒能夠均勻地分布在氣流中。但是需要很高的氣流速度（至少60m/min），而氣流經過環縫隙會產生很大壓降損失，并且作用在織物上也要消耗很大一部分能量。環狀流型是染液沿氣流噴嘴內壁以圓環狀流動，而氣流則沿氣流噴嘴中心流動。產生這種流型的氣流速度相對較低。在實際應用中，氣流霧化式染色機氣流噴嘴的氣、液兩相流，一般是介于這兩者之間的流型。
圖3-11 自由射流示意圖
4．導布管的氣流噴出 氣流從噴嘴噴出后經導布管噴出，分散在主缸內空間。從導布管噴出的氣流速度很高，射入周圍空間相對靜止空氣時，氣流幾乎不受限制地向四周自由擴散。氣體離開噴管進入空間的射流稱之為自由射流，如圖3-11所示。導布管出口斷面上的速度是均勻的，其速度稱作自由射流的核心速度。自由射流具有卷吸作用，可將周圍空氣逐漸卷入射流中，不斷擴大射流橫斷面和增加流量，使核心速度逐漸縮小，以致最后消失。射流與周圍空氣的靜壓相等。射流最外邊界的軸向速度為零，射流邊界延長線相交的夾角稱為擴散角。在該擴散角的范圍內，因氣流動量的橫向傳遞，對繩狀織物具有一定的擴散和解捻作用，可消除織物的經向折痕。
氣流染色機導布管出來的氣流還要經過一個擴散擺布斗，實際上受到部分限制，但出擺布斗后就基本上就類似于自由射流?？椢镌谧杂缮淞鞯淖饔孟?，會產生一定的擴展，尤其是筒狀針織物會被吹鼓起來。這對消除織物的折痕有利，但是過分的吹鼓會影響到織物的運行和堆積。所以，一般要將筒狀針織物的接縫處，留出10～15cm的缺口，可排除一些空氣。
三、氣流循環管路
氣流染色機的風管是為風機與氣流噴嘴的連接而設置的，構成一個管網系統。為了滿足各管氣流噴嘴的靜壓強分配相等條件，主風管直徑通常設計得比較大。風管的截面形狀、縮擴變化以及轉角處等都會產生沿程和局部阻力損失，風機的風量及風壓應該在這一部分的效率損失最小。風機進口風管是設置在主缸體內，具有足夠大的過流和過濾面積，目的是減少進氣阻力。
1．氣流總分配管 該管與風機出口連接，將具有一定全壓額定氣流均勻分配給各氣流噴嘴。從流體力學理論上講，只要風管的局部和沿程的阻力損失正好等于風機所提供的壓力能，即可使風管沿途各點的靜壓相等，各氣流噴嘴可獲得相同的風量。然而，在實際應用中，由于管網制作的誤差以及織物運行狀態的變化，氣流總分配管的頭尾會出現風量差異。從流體動力學角度來考慮，最好采用變截面形式，在氣流輸送方向逐步變徑。但這種設計難度較大，必須通過實驗作出氣流分布云圖，找到最佳變截面的長徑比。因此，一般采用較大管徑，并在風機出口增加一段擴壓管（即縮放管），以便將風機出口的氣流動壓能轉換為靜壓能，使整個分配區域的靜壓基本相等。這里簡單討論一下氣流在總分配管中的分布規律。
氣流染色機的氣流總分配管一般設計成等截面，對于兩管以上的氣流總分配管與氣流支管的設置如圖3-12所示。根據伯努利方程式可得：
圖3-12 氣流總分配管與氣流支管的設置
式中：pq1、pqn——第一管噴嘴進氣口和第n管噴嘴進氣口處的靜壓力,Pa；
w1、wn——第一段風管和第n段風管中空氣流速,m/s；
pl——第1管噴嘴進氣口和第n管噴嘴進氣口之間的阻力損失總和（包括沿程阻力損失和局部阻力損失）。
移項整理后得：
在等截面的氣流總分配管中，因各噴嘴分配口間的氣流速度是依次降低的，即w1＞w2＞……＞wn，所以分配管中的靜壓力由始端到末端是逐漸增大（由動壓力轉化為靜壓力）。但是，分配管中所存在的阻力也要消耗一部分壓力，使靜壓力向分配管末端逐漸減小。因此，靜壓力在總分配管中的變化（逐漸增大還是減小），就由總分配管中氣流速度的降低和阻力大小這兩項來決定。如果氣流在總分配管的速度降低所增加的靜壓力完全用于克服風管的阻力上，則各氣流噴嘴即可獲得相等的噴風速度。如果氣流在總分配管的速度降低所增加的靜壓力大于風管的阻力損失，則靜壓力和送風量沿著風管全長逐漸增大，氣流噴嘴的噴風速度也依次增大。如果氣流在總分配管的速度降低所增加的靜壓力小于風管的阻力損失，那么靜壓力和送風量沿著風管全長逐漸減小，到風管末端時又會增大。
2．氣流支管 該管是用來連接總管與各氣流噴嘴，一般設有可調節開度大小的氣動蝶閥。正由于氣流總分配管有可能出現風量分配不勻，所以可通過支管上的氣動蝶閥（可比例調節），對個別氣流噴嘴的風量調節。在進布過程中，可以先關閉沒有進布的氣流噴嘴，以便氣流集中供給在進布的氣流噴嘴。此外，如果某一管暫時不用，可以關閉該噴嘴，避免氣流短路。
3．進氣管道 該管一般設置主缸內部，并在其內設置過濾網。風機的進氣管道應保證形成的阻力最小，能夠均勻吸收主缸內空氣。為此，進氣過濾筒的直徑設計得比較大，目的是為在增大過濾面積的同時減小進氣阻力。過濾筒與風機通過漸縮管過渡連接。