工业烘干机设计与使用维护

工业烘干机设计与使用维护廖明1．烘干机的发展现状烘干机是将洗涤后的湿织物进行干燥处理的洗涤设备，为了与其他行业的工业物料烘干机进行区别，洗涤行业内也泛称为干衣机，分为家用型与工业型两大类。相对于其他类别的洗涤机械，烘干机的结构简单，价格较低，国内的烘干机技术一直处于平稳维持状态，没有明显的发展变化。但是，由于烘干机也是洗衣房的能耗大户，随着近年来能源的日趋紧张，针对提高烘干效能的新技术在欧美、日本等先进国家等到了大力的发展，新型的节能高效烘干机（如轴向进风循环型，自调节转速型，智能烘干控制型等）得到了快速推广和普及，这也是此类设备今后发展的必然趋势。2．烘干机工作原理2．1烘干原理正常空气湿度条件下，我们把织物挂晒在户外，由于空气与织物之间存在着湿度的差异，当空气压差产生的气流经过织物表面时，形成了两者之间的不平衡交流和扩散，将织物上附着的水分不断的汽化带走，直至两者之间的湿度达到相对的平衡，织物也就变“干”了。把它延伸成烘干机的工作机理是：当热空气经过织物表面时，空气与织物之间存在着热推动力（温差T1－T2），空气将以对流方式将热量传递给织物，织物接受热量用来汽化水分，而由于水分的汽化，使织物表面薄层空气与气流主体之间形成推动力（含湿量差X1－X2），蒸汽就传递到物料表面并被主气流带走，织物的含湿量也不断下降，当织物的含湿量达到气流主体的平衡含湿量时，烘干结束。因此烘干机热风必须具备两个条件才能烘干织物：一是具有足够高的温度；二是具有足够低的湿含量。烘干与熨烫对织物干燥处理的原理相同，将织物干燥需要外部热能作用使水分蒸发并使纤维分子链重新排列定型。其干燥可大致分为二个阶段：一是等速（或称高速）烘干干燥期，多余的附着在织物表面的水分被不断蒸发，干燥速度恒定，此阶段的能耗和速度与织物的类别无关；二是降速烘干干燥期，此时热量主要对织物内部的水分进行蒸发，纤维内部的温度开始升高，干燥速度开始下降，能耗升高，它与织物的类别和性能密切相关。烘干过程是去除织物上的非结合水和结合水的过程，所谓非结合水就是机械脱干没有完全去除的织物表面的湿润和孔隙水，他与织物的结合力较弱，烘干时容易去除，一般在高速阶段完成。此时的烘干速度取决于表面的汽化速度，因此提高气速，气温和降低气流湿度都有利于提高烘干速度。许多贯通式烘干机就是利用这一原理，在此阶段使用变频排风控制提高风速，使得布草可以快速烘干至可供熨烫的湿度，提高前处理烘干的速度。结合水是织物纤维管壁及毛细管中所含的水分，这种水分主要属于物化结合方式，难于去除，一般在降速阶段完成。降速阶段烘干速度与织物的类别有关，由于织物内部的水汽传质速率降低，烘干的一部分热量用于汽化水分所需的潜能，还有一部分热量要用来加热织物，因此它也是能耗较高的阶段，其改善烘干速度的关键不再是改善介质（热风）条件，而是提高织物内部湿份扩散的速度，这也是烘干机必须留出足够的烘干空间（不小于1：20的容积载荷比）来保证其有效工作的主要原因。高速阶段与降速阶段的分界点就是临界含湿量（如图1所示），应尽可能地降低物料的临界含湿点以提高烘干速度。图1织物干燥特性曲线2．2烘干机工作原理利用以上原理，工业烘干机通过一些功能结构的设计，提供了用于交换的干燥气流及需要的气流速度和温度，并通过机械翻动增加气流与织物的接触面积和几率，使得织物干燥速度大大提高。普通排风型烘干机主要由加热区，工作区和排风区组成（见图2所示），通过加热装置将空气加热，传动装置带动装载织物的内胆旋转，由风机引导热空气形成热气流，在具有一定空间的内胆工作区内与湿的织物进行充分接触交换，并把织物上置换出的湿气排出，从而实现织物的烘干。烘干机的性能参数可以根据质量和能量守恒原理进行计算和优化，其工作过程中进、出设备的质量和能量应相同（如图3所示）。水分的物料衡算：∑W进入＝∑W排出即：W0ε2＋G0H2＝W0ε1＋G0H1---(1)热风的热量衡算：∑Q加入＝∑Q消耗即W0hL2＋G0hc2＝W0hL1＋G0hc1----(2)1，热源区2，工作区3，排风区图2，普通排风型烘干机结构剖示图图3，烘干机物料和热量衡算原理图3．烘干机设计要点3，1结构设计普通型工业烘干机结构简单，通用性强且易于理解，因此，本文将重点介绍一些新结构和新技术的发展趋势和设计要点。3．1．1结构形式工业烘干机按照加热形式分为蒸汽型，电加热型和燃气加热型三种；按照排放形式分为排风型和排（冷凝）水型；按照进风形式分为径向进风型和轴向进风型；按照功能分为普通型和贯通或倾斜自动卸料型，等等。当前普及型烘干机中主要两种，一种是滚轮支撑轴向进气排风型（如朝日，Electrolux，Primus，ADC都相继开发有此类烘干机）；一种是普通悬臂支撑径向进气排风型（如图4所示）。前者气流从烘干机的后部进入，并回收部分排出的热风循环加热，烘干速度快，能耗低；后者结构更简单，成本低，市场普及率最高。图4，两种典型的烘干机机构原理示意图。随着自动洗涤系统和节能技术的发展，高效烘干机也不断涌现，如凯尼基莎，依莱克斯，稻本，朝日的烘干机具有大容积载荷比和大透风率，烘干转速和排风速度自动控制，烘干湿度智能控制，热风循环，自动出料，强制冷风门等先进功能，有些可以在15～25分钟之内烘干织物，代表了当今烘干机的最高技术水平。图5，稻本和凯尼基莎贯通型自动烘干机3．1．2主要功能系统烘干机一般由加热系统，排风系统，传动系统，控制系统，内胆，框架，面板，门等主要功能系统和部件组成。（1）加热系统烘干机的加热系统分为蒸汽加热，电加热和燃气加热三种基本形式，虽然加热源不同，但他们的共同特点是利用热源加热空气，使热空气与织物进行充分接触而去除织物上的水分。由于热值的差别，他们的烘干加热效率各不相同（见表1所示）。燃气的燃烧热值高，烘干速度快且经济实惠，非常适合于在烘干机上应用，适合于在天然气资源较丰富的地区推广。国外（特别是美洲市场）的工业烘干机大部分都是采用燃气加热型就是基于这个道理。表1普通25公斤级烘干机不同加热方式的热能消耗对比类别排风量烘干时间烘干热能耗量标准热值消耗市值单位升/秒分钟BTU/hr元/车蒸气加热型26550(5.5bar)70kg/hr1802508.8电加热型2654528kwhr9500014.7燃气加热型265403.2m³/hr1200004.3蒸汽型烘干机一般使用板管热交换器，电热型烘干机一般采用翘片电热管，通过在管外的板片或翘片增加热交换面积和气体的瑞流，提高了热传导系数，而燃气型主要通过喷管燃烧直接加热空气，交换效率高，热空气更加干燥（如图6所示）。加热器是烘干机的主要部件，其设计、制造质量的好坏直接关系到烘干机的工作效率，它也是烘干机的主要故障和安全控制点。由于要承受一定的压力和冲击，蒸汽型应注意控制盘管接头的焊接质量和管材本身的质量；电热型要注意电加热管的加工质量和安全性能；燃气型要注意燃烧系统点火、回火和温度的控制。A蒸汽型B电热型C燃气型图6烘干机三种加热器结构示意图（2）排风系统排风是引导烘干机气流与织物进行热量和湿度交换的有效手段，其设计形式也决定了烘干机的工作效率的高低。首先要确定排风形式，包括：气流的走向，气流的循环与否，采用吸气还是吹气等（见图4，图5所示）；其次要确定排风的参数，如排风量，风压值等。由于牵涉到较复杂的热交换运算，烘干机的排风量并不与其额定容量成线形关系，而是与其具体的结构设计形式（如热交换器面积，排风走向和容积载荷比等）有关，排风量过大，热量损失大，排风过小，烘干速度慢。图7是国际上流行的一种典型的后进风型烘干机气流走向示意图，气流直接从后部中心进入，从前段排出，与织物接触充分，烘干效率较高。图8是朝日（ASAHI）烘干机，采用后端轴向进气与前端径向进气相结合的复合进气形式，织物接触热气流的几率更大，烘干速度更快。图9为典型的轴向气流循环风型烘干机示意图，加热器置于烘干机的后部，轴向热风从后部进入，穿透织物进行热交换，排出的热风通过导流板分流，部分热风被直接排出，部分热风被重新导入加热器循环加热后又进入内胆进行烘干，减少了热量损失，比普通烘干机提高热效率30％～40％。图7，烘干机的轴向气流示意图图8，朝日复合气流高速烘干机图9，循环风型烘干机气流走向示意图（3）传动系统烘干机的传动形式各种各样，大致可以分为：后轴驱动型和外圆驱动型二大类别，与驱动方式相对应的内胆结构也分为普通悬臂后轴式和无悬臂贯通刚性法兰式。后轴驱动型是指烘干机的旋转驱动力是由电机通过悬臂后轴及轴法兰带动内胆转动（见图10所示）。根据设备的大小可分为单电机型和双电机型二种；具体的传动形式可分为皮带轮传动，链轮传动和减速机传动三种基本形式。这类传动系统结构简单，成本低，被大量采用。A，悬臂结构B，传动系统图10.普通悬臂后轴驱动型传动结构图外园驱动型是指依靠施加在内胆外园的摩擦力驱动内胆进行旋转的驱动形式，相应的内胆结构形式为无悬臂法兰式，并同时通过外圆与驱动轮的直径差达到机械减速的目的。这种结构往往运用在高性能的烘干机上，主要有平皮带驱动型和摩擦轮驱动型两种（如图11所示），前者用于小型轴向气流型烘干机（如投币型），后者用于中、大型贯通型烘干机，由于后者采用刚性法兰代替内胆的冲压前后端盖并起支撑传动作用，其设计、制造控制的要点是保证内胆的刚性和圆度。A．皮带型：1内胆，2传动皮带，3前支撑轮B.摩擦轮型：1内胆，2摩擦轮，3电机图11外圆驱动型烘干机传动结构示意图（4）控制系统现代烘干机技术的发展主要集中在两个方面：一是降低能耗，提高能量利用率；二是实现智能控制，提高工作效率。随着用户使用需求的提高，原来普遍在烘干机上实行的简单定温和定时控制已不能满足需要，因此，智能烘干控制技术近年在国外得到了快速的发展，它通过有效的控制技术实现了织物烘干程度的自动检测控制，避免了对织物的损伤并减少了许多人为控制错误和低效劳动，使工作质量和工作效率得到较大的提高。早期的烘干机通过测量进、排风温度差值的变化实现烘干自动控制，温度差越小表明织物越接近烘干，但这种方法控制精度低，且容易导致对织物的损伤。也有一些烘干机在支撑系统中加装称重系统，通过测量烘干载荷的重量变化感知织物上的残余水分变化，从而实现烘干自动控制。这种控制方式结构复杂，对不同织物的控制适应精度不高。目前在国外大量发展的是烘干残余湿度模糊控制技术（RMC），它通过在内胆壁设置一个专用推杆和电极传感系统（检测频率达400次/秒），检测烘干过程工作区的残余湿度值，再与环境湿度比较后进行纠错达到精确控制。使用RMC控制系统，可以对任何织物的烘干湿度进行设置和控制，使得不同质地和不同用途的织物达到所需要的烘干程度，既有效保护了织物，提高了工作质量，也减少了工作时间和能耗，代表了当代烘干自动控制的发展方向。更复杂的烘干控制一般运用在大型贯通型自动烘干机中，如：对织物的装载量进行测量并自动控制内胆的正反转速度，使织物得到更合理的烘干；根据装载量和织物烘干特性在不同的阶段自动调节排风速度，使非结合水快速排除达到高能效；采用自动补风调温使得温度控制更均衡，避免温度的上下波动太大和阀门的频繁动作产生的能源浪费；采用附加的排风热能交换回收系统降低能耗，等等。图12，RMC烘干智能控制示意图（5）内胆，框架，面板等（略）3．2性能指标3．2．1使用性能烘干机对织物烘干的性能指标主要体现在两个方面：一是柔软程度，二是烘干程度。工业烘干机的对烘干柔软程度控制是通过目视检查和用手感知，但在新出台的《家用滚筒干衣机性能测试方法GBT20292-2006》中新增加了“干燥均匀度”的检测指标，使织物的烘干状态得到了具体量化，可以逐步推广到工业产品中。织物的烘干程度通过烘干后的含水率进行检测，烘干含水率应控制在＜20％（注：按照QB/T2330-97）。也可以通过额定载荷的实际烘干时间进行判断，一般烘干机在正常使用条件下，应在60分钟以内烘干织物，高效烘干机可以达到30分钟快速烘干。烘干含水率：G=1-％－100×----(4)式中：W――－额定干燥织物质量W0―――