第三節 染液循環系統

氣流染色機的染液循環系統是為染料對織物纖維上染而設置的，并且染料的上染溫度以及濃度分布，需要通過染液循環進行平衡和均勻分配，以達到染料向織物纖維均勻上染的目的。然而，在升溫或加料過程中，實際染液的溫度和濃度變化，在短時間內會出現分布不均勻的現象。織物各點的溫度和濃度差，一旦過大或者保留時間過長，就有可能在染料上染最快的階段出現上染不均勻；若在固色之前還沒有通過移染達到勻染，那么最終就會產生色差或色花。因此，染液循環對織物的勻染性具有很重要的作用，而染色循環系統就是實現染液循環的控制部分。

該系統包括染液噴嘴、染液循環主泵、染液分配管路和主回液管等部分。它為染液與被染物進行交換提供條件，并可保證染液溫度和濃度分配的均勻性。

一、染液噴嘴

氣流染色機染液噴嘴的作用是為織物和染液提供交換的條件。與噴射染色所不同是，它不起牽引織物運行的作用。因此，它的結構形式與織物和染液的交換方式有關。采用霧化原理的染液噴嘴，要求能夠產生染液的霧化效果，主要是靠噴嘴的結構和主循環泵的揚程來保證。通常各染色機制造商將這部分內容視為核心技術。采用氣壓滲透原理的噴嘴，其結構比較簡單，它相當于一個軟噴射噴嘴，設置在提布輥之前。織物在進入氣流噴嘴（在提布輥之后）前，先經過染液噴嘴吸附染液，然后再經過氣流噴嘴的氣壓滲透作用，完成織物與染液的交換過程。噴嘴的形式有以下幾種。

1.染液霧化噴嘴

（1）染液霧化噴嘴的特性。主要是噴水量、噴霧細度、噴射角度以及水苗射程，與噴嘴孔徑、結構和噴水水壓有關。噴水量表示單只噴嘴每秒噴水的質量，取決于噴水的水壓和孔徑。孔徑越大，水壓越高，則噴水量就越大。噴霧細度是噴嘴噴出水滴的大小，與孔徑和水壓有關。孔徑越小，水壓越高，則水滴越細小。水苗射程是指噴嘴噴出的水苗在水平方向的直線距離，而水苗向四周擴散的角度表示噴射角度。壓力越大，射程越遠，一般在400～800mm。壓力越大，孔徑越大，則噴射角度越大，一般在40°～85°之間。噴射角與水苗射程的關系如圖3-13所示。

（2）染液霧化噴嘴的形式。霧化噴嘴的結構形式對所產生染液霧化效果十分重要。

①離心式噴嘴。如圖3-14所示，水在一定的壓力下，經輸水道從切線方向進入回旋腔做螺旋運動，形成旋轉水流；再由噴孔噴灑出來，擴散成圓錐形霧狀水滴。經霧化后的水滴直徑很小（水滴直徑一般在0.05～0.5mm），不僅與氣流的接觸面積大，而且還具有較好的熱濕交換效果。

圖3-13 噴射角與水苗射程

圖3-14 離心式噴嘴

1—輸水道 2—噴嘴內腔 3—噴嘴

②雙螺旋離心噴嘴。一定壓力的水沿軸向流入噴嘴，經雙螺旋體分別以180°的切線速度方向沿漸縮通道進入噴嘴內腔，借助壓力和離心力的作用，使水由噴嘴口噴出時形成以出水孔為頂點的圓錐形水幕。由于進入噴嘴內腔的水，可按照一定切線方向的漸縮通道加速運動，減少了水在內腔中產生的渦流阻力和摩擦阻力損失，從而使噴嘴在較低水壓條件下，也能夠獲得較好的霧化效果。此外，縮小內腔可減少不必要的能量損失，并且還可減小噴嘴體積。顯然，雙螺旋離心噴嘴具有結構緊湊、噴水量大，水壓低以及霧化效果好等特點。

（3）染液霧化噴嘴的工作狀態。采用霧化原理的染液噴嘴，首先是在一個夾套容腔內通過霧化噴嘴將染液噴出，并形成一定的染液細化顆粒彌散在氣流中，然后隨同氣流一起通過環縫隙噴向織物。噴出的環狀氣液兩相流形成兩個分力，一個與織物運行方向相同，也是牽引織物循環的主要動力源；另一個分力與織物運行方向垂直，加速染料向纖維邊界層的擴散速度。在一定的壓力下，霧化噴嘴口徑的大小影響到霧化染液顆粒的大小；噴嘴口徑小，霧化的染液顆粒就小。但過小的噴嘴口徑容易被雜物堵塞，尤其是碎短絨。所以，循環染液過濾對染液霧化噴嘴很重要。

由于經霧化噴嘴噴出的霧化染液，還要通過氣流攜帶從氣流噴嘴噴出，這一過程需要消耗大量的氣流動能，所以必須選用較大的風機功率。為此，有人將染液霧化噴嘴口徑縮小，進一步細化染液顆粒，以此來減小氣流能量的損失，最終達到減小風機功率的目的。但是，霧化噴嘴更容易堵塞。

2．染液環噴嘴 采用氣壓滲透原理的噴嘴，實際上也是環向對織物進行噴射染液，但是染液的過流面積相對較小，對織物僅起到提供交換染液的作用。與織物交換后自由染液在進入氣流噴嘴之前，通過一個快速通道直接回流到主回液管。這種染液噴嘴與普通溢噴染色機噴嘴有些相似，但不承擔牽引織物循環的作用。所以染液量的大小是根據染色條件來確定的，在低浴比條件下，可控制織物循環一周的帶液量。與染液霧化噴嘴相比，該噴嘴的過液量較大，可以進行較大水量的水洗，并且與織物交換后的污水大部分可在進入氣流噴嘴之前與織物分離。因此，具有較好的水洗功能。

二、染液主循環泵

在氣流染色機中，染液雖然不作為牽引織物循環的動力源，但染液與織物的交換，以及染色系統的溫度和濃度平衡，都需要通過染液的循環來實現的。而染液主要是通過主循環泵進行強制循環，并且具有較高的循環頻率。氣流染色機由于浴比很低，即使主循環泵設置在染液的最底部，但還是沒有達到離心泵的倒灌高度。因此，在接近水的沸點時，容易產生汽蝕現象，影響染液的循環狀態。要解決這個問題，必須充分了解離心泵汽蝕產生的原因，并采取一定的措施，以保證在低浴比條件下順利實現染色過程。

1．主循環泵的揚程和流量 氣流染色機的浴比較低（最高為1∶4），染液約1.5min循環一圈，故流量也比較低。但是為了保證染液霧化噴嘴能夠達到足夠的霧化效果，主泵的揚程較高。在具體染色過程中，根據不同的染色工藝要求，主泵一般通過變頻控制，可滿足不同的流量和揚程要求。考慮到染液流量的變化對揚程的影響，主循環泵流量—揚程特性曲線應平緩一些，即流量的增減對揚程的變化要小。在不同的流量下，應保持較高的染液噴嘴壓力，以保證染液的霧化效果。

2．主循環泵的抗汽蝕性及預防措施 氣流染色機的染液循環泵長期工作在低液位下，有時會出現噪聲和振動，并且伴隨有流量、揚程和效率的降低，嚴重時染液甚至出現斷流。這就是汽蝕現象，也是離心泵的一種物理固有特性。掌握離心泵的汽蝕規律及影響因素，采取積極有效的預防措施，保證染色機的主循環泵能夠始終工作在一個正常狀態下，對氣流染色機的主循環泵來說是極為重要的。

（1）離心泵的汽蝕規律。離心泵在某一工作狀態下，泵的葉片入口處的液體壓力等于或低于該溫度下液體的汽化壓力，蒸汽及溶解在液體中的氣體從液體中大量逸出，形成許多蒸汽和氣體混合的小氣泡隨液體流到高壓區。由于氣泡內是汽化壓力，而氣泡周圍大于汽化壓力，產生壓差，在其作用下，氣泡受壓破裂而重新凝結。在這一過程中，液體質點從四周向氣泡中心加速運動，并在凝結的一瞬間發生質點的相互撞擊，產生很高的局部壓力。這時主循環泵就發生了汽蝕，產生的大量氣泡就會影響液體的正常循環，出現液體流量不穩定，產生振動和噪聲；并且泵的流量、揚程和效率會顯著下降。離心泵在運轉中出現汽蝕時，其特性曲線會出現急劇下降的情況。因此，主循環泵發生汽蝕不僅使其性能下降，產生噪聲和振動，而且使流量和揚程不穩定，影響染液的正常循環。

（2）預防汽蝕的措施。根據離心泵產生汽蝕的客觀規律，人們進行了大量的研究發現，泵在運轉中產生汽蝕與否是由泵本身的汽蝕性能和吸入裝置的特性共同決定的。其中裝置是外界影響因素，而主要的影響因素在泵本身。因此要解決泵的汽蝕問題，主要是提高泵本身的抗汽蝕性能，然后再合理地選擇吸入裝置。對于氣流染色機主循環泵來說，在染液循環管路的結構設計中，應該減少主泵進水管的阻力損失，增大管徑并且盡可能短。除此之外，在設備控制上必須考慮設置85℃氣墊加壓的功能，提高水的沸點。這對低浴比的氣流染色機顯得尤為重要。

三、染液分配管路

在氣流染色過程中，織物的每個循環周期中與織物交換的染液占整個循環染液的比例不到50%，而其余循環染液通過一個旁通直接回到主回液管與交換后的染液混合，參與下一個循環，并進行比例分配。正是通過這套循環系統，才能保證整個染色系統溫度的均勻性。在水洗過程中，必須關閉旁通，讓更多的循環水通過噴嘴對織物進行強烈沖刷，以提高水洗效率。

主循環管路中的噴嘴供液與旁通回流，構成了染料對織物每次循環的上染率控制系統。總體染液的循環量是保證染色過程中溫度和濃度變化均勻性所必需的，而分配到噴嘴的染液流量大小，則用來控制織物單次循環的上染率。它取決于被染織物的纖維特性和染料性能，以及染色要求。對上染率高的織物，必須控制每個循環的上染率，多余的染液則通過旁通支路直接回流到主回液管。目前比較先進的氣流染色機，染液主循環對噴嘴的染液分配可以實現比例控制，能夠根據染料對織物的不同染色特性，提供滿足勻染所需的上染率。

1．染液主循環 氣流染色機主循環泵進口與主回液管相連，出口與熱交換器相連，之后通向噴嘴或支路，使主缸內染液形成一個連續封閉的循環系統。它主要包括主循環泵、噴嘴供液管路、回流調節支路、主回液管以及過濾裝置等。主循環泵是染液強制循環的動力源，為了保證染液噴嘴能夠對染液產生較好霧化效果，通常所選擇的揚程較高，流量相對較小。對于不同克重織物或品種，可通過主循環泵電機變頻控制揚程和流量。這樣不僅可以保證主循環泵始終能夠工作在較高效率的區域，同時還可以達到節電的目的。

對于多管（無論是罐式還是管式）氣流染色機來說，染液循環是一個很關鍵部分，各管織物與染液的交換狀況直接影響到染色效果。無論染液循環管路結構如何設計，都必須滿足一個要求，就是保證各管染液分布狀態的均勻性，即染液的流速、溫度和濃度如何達到均勻分配，使每管染液與織物的交換概率相等。因此，各染液噴嘴支路均為并聯，總分配管能夠將染液的動能轉化為靜壓能，使每個染液噴嘴支路能夠獲得相等的流量。

2．染液旁通循環 在氣流染色機的染液循環系統中，染液旁通循環系統具有獨特的作用。由于與織物進行交換的染液濃度較高，為了保證織物均勻上染，必須控制織物每個循環的染料上染量，所以對與織物交換的染液量也要進行控制。而在整個染色系統（包括所有的織物和染液）中，必須處在一個平衡狀態中，才能夠滿足整個被染織物的均勻上染。這就需要對總體循環染液進行均勻分配，讓一部分染液通過染液旁通循環系統保持循環，從而保證總體染液在任何時候，不論染液噴嘴需要量為多少，都不會影響到染液的總循環頻率。在染料上染速率較快的溫度變化階段，總體染液保持較快的循環速度，可以減少染液溫度和濃度分布的差異，有利于整個織物的勻染。染液旁通循環通常只有在水洗過程中才停止使用，以增大噴嘴的噴液量和缸內噴淋液量，提高水洗效率。

3．染液回流 為了不影響染色浴比，通常都是通過回流部分主缸染液進行化料，溶解后再通過加料泵輸入染液主循環系統中。回流口一般設置在主泵出口，而染料溶液進口設置在主泵進口處，并裝有止回閥。為安全起見，主缸內溫度超過85℃時，加料桶回流管的閥門應處于關閉自鎖狀態。氣流染色機因浴比較低，為了避免濃度較高的溶液直接與織物接觸，一般還增設了一個與主回液管相連的循環支路，加料桶的染液可先與主體染液進行充分混合均勻，然后再隨循環染液進入噴嘴與織物進行接觸。對于一些敏感色（如咖啡、翠綠等）必須采用這種加料方式。

4．噴淋水洗 由于氣流染色的浴比很低，儲布槽內的織物沒有浸在液體中，因此，水洗時為了主缸內各部分得到充分沖洗，在主缸內設置了噴淋水洗裝置，并由獨立管路提供洗液。該裝置在染色過程中是處于關閉狀態，只有水洗時才開啟。但考慮到染色過程有時需要保持缸壁的濕潤，及時清除附在缸內壁的染料、助劑和織物纖維絨毛，故也有時設置間歇式的開啟。在正常的水洗過程主要是對織物的水洗，而主缸內部僅需要短時間沖洗即可。所以噴淋也只在水洗的開始幾分鐘進行，剩余的絕大部分時間主要是加大噴嘴的水洗量。

噴淋水洗裝置主要是在主缸內各部位（尤其是一些染液不容易達到的地方）設置旋轉噴淋頭，以較大的噴淋洗液沖刷缸體內壁。

四、主回液管

主回液管對各染槽支路的回流平衡，保持各染槽染液的均勻循環具有非常重要的作用。主回液管要有足夠大的容積，保證各支管染液的均勻回流。氣流染色機的儲布槽中不儲存自由染液，主要集中在主回液管中。這樣在染液的溫度變化（如升溫）和濃度變化（如加料）過程中，容易出現溫度和濃度分布不均勻現象，影響被染織物各點的染料均勻上染。為此，氣流染色機除了噴嘴染液循環外，更多的是通過一個旁路進行循環，甚至目前有的還增加了一套主回液管循環系統，對主回液管內染液進行強制對流循環，以此有效地縮小各點的溫度和濃度差。

氣流染色機的主回液管并不像傳統溢噴染色機，其染液儲存沒有充滿，而是約占總容積的三分之二。這樣做的目的，一是減少浴比的需要，二是染液回流產生的損失小，具有較好的水流特性。對于不同纖維的吸水量，主要是反應在織物纖維的含液量上的多少，而主回液管中的儲液量基本保持不變。這也就是浴比的變化主要是織物纖維吸水量的變化，并不影響主回液管中儲液量的原因。