黃少清

（佛山金銀河智能裝備股份有限公司，廣東 佛山 528000）

漂浮干燥在涂布機(jī)干燥系統(tǒng)中最佳化應(yīng)用

黃少清

（佛山金銀河智能裝備股份有限公司，廣東 佛山 528000）

飄浮風(fēng)嘴是涂布機(jī)漂浮干燥系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)組件，本文著重介紹飄浮風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)及功效和在干燥系統(tǒng)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高干燥系統(tǒng)的干燥效率和提升涂布機(jī)的生產(chǎn)效率。

涂布機(jī)；漂浮干燥；漂浮風(fēng)嘴；干燥速率

隨著高速涂布技術(shù)的發(fā)展，漂浮干燥技術(shù)在光學(xué)膜涂布、紙張涂布、鋰離子電池極片涂布等各種涂布機(jī)中廣泛應(yīng)用，如何最佳化應(yīng)用漂浮干燥技術(shù)，對(duì)于提高干燥速度和質(zhì)量，降低動(dòng)力消耗和提高涂布機(jī)的生產(chǎn)效率有著十分重要的意義。

1 涂布干燥流程

圖1 涂布干燥流程

圖1是某型涂布機(jī)的涂布干燥流程圖，涂布機(jī)由放卷、涂布、干燥、收卷等單元設(shè)備組成，其中，干燥部分是涂布機(jī)的核心部分，干燥效率的高低直接決定了涂布機(jī)的產(chǎn)能。

2 干燥技術(shù)的發(fā)展

隨著先進(jìn)的高速擠壓涂布技術(shù)在20世紀(jì)70年代應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，沖擊干燥技術(shù)在涂布機(jī)中廣泛應(yīng)用，到20世紀(jì)80年代，在沖擊干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出更高干燥效率的漂浮干燥技術(shù)，并在涂布機(jī)的干燥系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

3 漂浮器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1流程圖中顯示的干燥設(shè)備是在干燥片幅雙面安排有漂浮風(fēng)嘴，干燥熱空氣從兩側(cè)風(fēng)嘴吹出，將片幅托起，片幅在干燥過程呈漂浮狀態(tài)。漂浮干燥過程中，濕片幅上下兩個(gè)表面同時(shí)受沖擊干燥氣流加熱，雙面同時(shí)加熱效果疊加，因此有極高的傳熱效率，因此能獲得極高的干燥效率。漂浮風(fēng)嘴在漂浮干燥中有兩個(gè)重要功能：第一，漂浮功能，噴射氣流將被干燥的片幅漂浮起來；第二，干燥功能，噴射氣流對(duì)濕涂層進(jìn)行干燥。漂浮風(fēng)嘴的干燥原理和沖擊干燥原理相似，漂浮干燥技術(shù)是在沖擊干燥的基礎(chǔ)發(fā)展起來的高效干燥技術(shù)，在20世紀(jì)80年代后相繼發(fā)表了不少漂浮風(fēng)嘴的專利，有多種形式的漂浮風(fēng)嘴，其中最為典型的是噴射風(fēng)嘴和附壁（coada）風(fēng)嘴。

3.1 常規(guī)噴射風(fēng)嘴

噴射風(fēng)嘴是應(yīng)用噴射氣流原理發(fā)展起來的漂浮風(fēng)嘴，圖2是其的結(jié)構(gòu)及工作原理圖。

圖2 噴射原理風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

噴嘴有兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖3的左圖和右圖所示，在噴嘴頂部開成對(duì)的條縫，在噴嘴的截面視圖，以一定的角度噴出氣流，相互形成三角形。干燥空氣在條縫噴出的形成三角形氣墊托起片幅，如果片幅重，片幅就下沉到三角上并穿過三角的頂部，這樣形成一個(gè)較寬的支持區(qū)域，在達(dá)到某平衡點(diǎn)，片幅就漂浮起來，漂浮的狀態(tài)和噴射氣流的風(fēng)速、片幅的張力、片幅的重量有關(guān)。從噴射風(fēng)嘴噴射出來的氣體排入大氣，由腔體收縮處的低壓造成了氣流的次生流，大量的次生流動(dòng)中空氣的低速分子和大氣中的低速或靜止空氣的分子碰橦。常規(guī)風(fēng)嘴的定義可以用圖2的明確邊界的定義；噴射空氣超出那個(gè)邊界外泄到周圍大氣，就不再受約束，同時(shí)也不能免于外部的影響。

如圖2所示，傳統(tǒng)的風(fēng)嘴中空氣排入大氣，出口的速度V和靜壓室內(nèi)的壓力P1和大氣壓力PA的壓差ΔP的平方根成正比，所能獲得的最大速度可用如下公式表示：

式中，C是特定介質(zhì)和環(huán)境的常數(shù)。

3.2 附壁原理（coada）漂浮風(fēng)嘴

圖4是利用氣體附壁效應(yīng)射流（coada）風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)及工作原理圖。圖4中1是靜壓室，充滿了加壓的空氣，將氣體從氣室1和帶有圓角折彎的射流版2形成的相同尺寸的長孔3和4源源不斷流出，在折彎的圓角的射流板下面沒有空氣流動(dòng)，但是有氣體沒有如常規(guī)風(fēng)嘴那樣沿著直線路徑投射出去，從孔3和4開孔流出的氣體貼附著帶圓角射流板2流動(dòng)，在中心線部位和對(duì)稱的氣流相遇，合成一個(gè)中心主噴射流如圖4中的8所示，因此稱之為附壁風(fēng)嘴。中心的主噴射氣流的干燥作用沖擊干燥的風(fēng)嘴噴射氣流類似。

圖3 附壁射流風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)和工作原理圖

附壁（coanda）風(fēng)嘴有很強(qiáng)的從周圍大氣中夾帶空氣的能力，而不像常規(guī)風(fēng)嘴直接向大氣中排放出氣，coanda風(fēng)嘴在它的一側(cè)有一保護(hù)層，能使空氣投射得更遠(yuǎn)而沒有明顯的速度和動(dòng)量損失。沿風(fēng)嘴壁6最大的氣流5的速度

式中，C是特定介質(zhì)和環(huán)境的常數(shù)。

4 漂浮干燥中的干燥機(jī)理和傳熱效率

正如前面所述，漂浮風(fēng)嘴是在沖擊干燥的機(jī)理上發(fā)展起來，因此漂浮干燥的機(jī)理可以利用沖擊干燥的機(jī)理進(jìn)行分析。

4.1 干燥物體表面的靜止空氣邊界層與沖擊干燥原理

在干燥物體表面，由于空氣摩擦力的作用,在其表面附有一層靜止的空氣邊界層，在干燥過程中，在片幅上濕涂層的表面存在平面狀的靜止空氣邊界層，靜止空氣邊界層對(duì)熱風(fēng)干燥過程起到阻礙熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的作用，邊界層厚度越厚，對(duì)干燥阻力越大。應(yīng)用噴射氣流原理，將干燥空氣的氣流沖擊干燥物表面，減薄靜止空氣邊界層的厚度，減少干燥阻力，提高干燥速度。

4.2 圓形噴嘴噴射氣流流場(chǎng)模型

圖5是圓形風(fēng)嘴的流場(chǎng)示意圖。

圖4 園型噴嘴流場(chǎng)

符號(hào)說明：b-圓形噴嘴的直徑，H-到平板的距離，離Z-噴嘴的距離，-噴嘴出口氣流速度，-離噴嘴距離Z處的氣流中心速度。

4.3 噴射氣流的流型

只有達(dá)到穩(wěn)定湍流的沖擊氣流，才能達(dá)到減薄靜止空氣邊界層厚度效果。 因此噴射設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍10～20m/s。

4.3 噴射氣流的速度衰減

軸對(duì)稱湍流噴射沖擊區(qū)，在離噴嘴距離Z小于4.6b的范圍內(nèi)，噴射氣流中心速度的衰竭很少，當(dāng)距離增大時(shí)，衰竭逐漸增加。為了確保沖擊氣流有效減薄靜止空氣邊界層，被干燥目標(biāo)應(yīng)離風(fēng)嘴距離小于4.6b。這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果對(duì)漂浮干燥器設(shè)計(jì)上下風(fēng)嘴的距離有重要參考意義。

4.4 邊界層的厚度

對(duì)于噴射氣流沖擊平板處的邊界層厚度，達(dá)恩（Daane）等人經(jīng)過研究提出可表達(dá)為雷諾數(shù)的函數(shù)：

式中，Δ—從平板到射流中心距離x處的邊界層厚度，x—沿平板表面到射流中心線距離，Ρ—空氣的密度，v—空氣的速度，μ—空氣的粘度。由此可見，為了有效減薄邊界層厚度，提高傳熱速度，必須確保漂浮干燥風(fēng)嘴的噴射有足夠高風(fēng)速。

4.5 空氣沖擊平板傳熱速度

佛里德曼（Freidman）和米勒（Mueler）等人對(duì)空氣沖擊干燥進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，提出了如下的傳熱速度的計(jì)算方法：

式中：h—傳熱速度（千卡/小時(shí)?℃?m2），—系數(shù)，與送風(fēng)板到傳熱面的距離，送風(fēng)面積比有關(guān)，見圖5。

圖5 沖擊氣流的值

4.6 開孔比對(duì)傳熱速度的影響

達(dá)恩等詳細(xì)地研究了多噴嘴系統(tǒng)送風(fēng)面積比對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響，如圖6所示。

當(dāng)送風(fēng)面積比較小時(shí)，平均傳熱系數(shù)隨開孔比的增大很快增大，研究結(jié)果表明，當(dāng)開孔比小于0.005時(shí)，值小于6時(shí)，每個(gè)氣孔是獨(dú)立的，不受相鄰氣嘴的影響。當(dāng)開孔比繼續(xù)增大時(shí)，傳熱系數(shù)的增加逐漸減少。當(dāng)開孔比在0.02時(shí)，平均傳熱系數(shù)達(dá)到最大值，然后就減少。這是因?yàn)殚_孔比增大到此范圍時(shí)，每個(gè)噴嘴的傳熱部分相互重疊，每個(gè)噴嘴的氣流受到相鄰噴嘴氣流的干擾，其結(jié)果是降低傳熱系數(shù)。因此在漂浮干燥器設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)開孔比進(jìn)行優(yōu)化。

5 漂浮干燥系統(tǒng)的優(yōu)化

5.1 漂浮風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)的選擇

現(xiàn)在有多種形式的漂浮風(fēng)嘴可供選擇，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)所干燥的片幅的寬度尺寸，漂浮的厚薄輕重等要素進(jìn)行選擇，前述的附壁（coada）風(fēng)嘴，由于在壁表面上形成的主噴射氣流可以噴射比較遠(yuǎn)的距離，因此上下風(fēng)嘴間的距離范圍可以設(shè)計(jì)得比較大，便于穿片和清洗風(fēng)嘴，可以用于干燥寬幅（寬度可達(dá)2米以上）的柔性輕薄片材。常規(guī)的噴射風(fēng)嘴，為了維持足夠的托力確保片幅漂浮，上下風(fēng)嘴的距離必須控制在較小的范圍，因此使用于窄幅（尺寸小于1m）厚重材料。

5.2 風(fēng)嘴的排列方式和密度

圖6 多圓形噴嘴傳熱系統(tǒng)

在干燥器內(nèi)片幅兩側(cè)分別排列風(fēng)嘴，不同結(jié)構(gòu)的噴嘴排列的方式不同，常規(guī)噴射風(fēng)嘴排列采取上下風(fēng)嘴交叉排列的方式如圖1所示。附壁（coada）風(fēng)嘴采取面對(duì)面的排列方式如圖7，干燥漂浮在上下風(fēng)嘴氣流作用下形成正弦曲線進(jìn)行干燥，這種片路可以有利于防止薄型膜在干燥過程打折和起皺。

圖7 附壁（coada）風(fēng)嘴干燥器

過大的風(fēng)嘴密度雖然有利于增大氣浮效果，但是會(huì)造成噴射氣流的相互干擾影響傳熱效果，過小的排列密度，會(huì)影響漂浮效果，風(fēng)嘴排列的密度（單位長度風(fēng)嘴的數(shù)量）可應(yīng)用前述沖擊干燥中開孔比對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響的原理進(jìn)行優(yōu)化。

5.3 噴射氣流的風(fēng)速和風(fēng)量

依據(jù)沖擊干燥的原理，要求噴射氣流有較高風(fēng)速以減薄涂層表面的靜止空氣的界面層，減低傳熱阻力，提高傳熱速度。噴射氣流風(fēng)速會(huì)影響漂浮效果，為確保漂浮效果，風(fēng)嘴的噴射風(fēng)速不能過低。過高的噴射風(fēng)速會(huì)增大能量消耗。同時(shí)，如式（9）所述，漂浮風(fēng)嘴噴出的干燥風(fēng)量G直接影響傳熱速度h。因此在設(shè)計(jì)漂浮干燥器的干燥風(fēng)量，可以參照沖擊干燥設(shè)計(jì)方法，需要經(jīng)過全面平衡，選擇設(shè)計(jì)最佳化的數(shù)值。

[1]趙伯元譯.現(xiàn)代涂布干燥技術(shù).輕工業(yè)出版社.

[2]TAPPI 44(1)73 (1961).

[3]Ind Eng Chem 51(8) 967(1959).

[4]Ind Eng Chem Fondm 16(1)21(1977).

TB486.3

A

1671-0711（2017）06（下）-0034-03