织物湿度均匀控制以研究气流冲击参数对织物干燥特性的影响

摘要

本文介绍了一种确保织物内部初始水分均匀分布的实验方案，并在气流冲击条件下研究热空气热力学参数（速度、温度和方向）以及织物厚度对织物干燥特性（如温度变化）的影响。

摘要

冲击干燥由于其较高的传热和传质系数，现已成为一种广泛应用且高效的织物干燥方法。以往关于织物干燥的研究忽略了水分均匀性和扩散系数对干燥过程的贡献；然而，最近的研究表明，这些因素对干燥特性具有显著影响。本报告概述了一种逐步操作流程，通过控制织物表面水分分布的均匀性，来研究冲击气流参数对织物干燥特性的影响。实验采用配备角度可调喷嘴的热风鼓风装置，以产生不同速度和温度的气流，同时利用红外热成像仪记录并分析干燥过程。此外，采用均匀浸轧设备以确保织物水分分布的均匀性。通过改变气流的温度、速度和方向，在不同初始条件下研究冲击干燥过程，并进一步评估该实验方案的适用性与可行性。

引言

冲击干燥是一种非常高效的干燥方法，因其具有较高的传热和传质系数以及较短的干燥时间。由于其在化工、食品¹、纺织、染色²、造纸^3,4等领域的广泛应用，已受到广泛关注。目前，冲击干燥因其强化的传输特性而被广泛使用，尤其适用于热定型过程中纺织品的干燥⁵。

织物通过喷嘴阵列进行冲击干燥以实现热定型。喷嘴布局会影响干燥温度的均匀性，进而显著影响织物性能、干燥效率以及织物表面状态。因此，有必要了解织物表面的温度分布，以优化喷嘴阵列的设计。尽管迄今为止已有关于织物干燥过程中传热传湿性能的大量研究，但针对该领域的研究仍然较少。部分研究主要关注在特定热源条件下纺织品的自然蒸发过程，未涉及冲击干燥过程^6,7。另有一些研究聚焦于热空气干燥条件下纺织品的传热传湿特性，但在这些研究中，纺织品的水分和温度被假定为均匀分布^8,9,10,11。此外，仅有少数研究尝试获取冲击干燥条件下纺织品在传热传湿过程中随时间变化的温度分布情况。

Etemoglu 等人²开发了一种实验装置，用于获取织物温度随时间的变化以及总干燥时间，但该装置仅限于单点温度测量。此类研究也忽略了织物初始含湿量的分布情况。Wang 等人¹²试图通过在织物表面多个位置粘贴热电偶来获得织物的温度分布，但其方法无法准确获取表面温度分布。在含湿量均匀分布的织物上，获得气流冲击区域的温度分布对于工业印染生产具有重要意义，并将为多喷嘴条件下被干燥物体的分布与布置策略提供更优指导¹³。以下实验步骤详细描述了在冲击干燥过程中研究织物传热传湿特性的方法。该方法可精确控制织物初始含湿量，使其均匀分布，并通过实验装置获取织物各点的表面温度。

实验装置包括热风鼓风单元、红外热成像单元、均匀浸轧系统以及其他辅助设备。热风鼓风单元可根据实验要求，提供温度和速度可控、方向可调的热风。红外热成像单元用于记录每次冲击干燥过程中的温度变化历程；因此，借助配套的后期处理工具，可提取所记录视频中每个像素点的温度数据。均匀浸轧系统用于控制织物各点水分含量的均匀分布。最终，研究在织物水分均匀控制条件下，气流冲击参数对织物干燥特性的影响。该过程可依照下述标准操作流程以可重复的方式进行。

方案

1. 实验装置设置

注：见图1。

1. 热风鼓风机单元
   1. 确保热风鼓风机通过耐高温硅胶管道连接至喷嘴，且该管道使用石棉材料进行隔热。逐渐调节喷嘴至所需倾斜角度，以控制气流方向。本研究中，倾斜角α在60°至90°之间变化。
   2. 开启鼓风机风扇和电阻丝。
      注意：风扇和电阻丝的开启顺序不可颠倒。
   3. 通过鼓风机控制器逐步调节流经电阻丝的电流，设定热风鼓风机的出口温度，并使用数字温度传感器测量气流温度。本研究中，热风温度T在70 °C至130 °C之间变化。
   4. 在室温（RT）下，使用手持式多功能风速计测量喷嘴出口处的气流速度。本研究中，热风速度V_a在8–20 m/s之间变化。为准确测量风速，探头应垂直于气流方向。
   5. 通过变频器逐步调节鼓风机风扇的转速，以获得所需气流速度。使用高热阻隔板覆盖喷嘴，以分散热流，避免对人员或设备造成热损伤。
2. 红外热成像单元
   1. 将红外热像仪固定在喷嘴正上方约1 m处的支架上。使用网线将红外热像仪连接至计算机。开启红外热像仪电源，并在计算机上打开其操作软件。选择以太网连接模式，使计算机自动为红外热像仪分配IP地址，从而实现实时读取目标温度。
   2. 使用针板夹具将一段标准织物样品固定在喷嘴上方，并调节喷嘴与样品之间的距离至设定值。本研究中采用30 mm，为喷嘴直径的3倍。
   3. 通过计算机调节相机焦距并设置基本参数。打开"参数"对话框，将温度单位设为°C，发射率设为0.95，环境相对湿度设为50%，环境温度设为25 °C，测量对象与相机之间的距离设为1.5 m。此设置可确保测温结果准确。
   4. 待测试织物样品制备完成后，将其固定在与标准织物样品相同的位置，然后通过计算机以视频形式记录织物的温度变化。
3. 均匀轧车系统
   1. 确保均匀轧车通过管道与空气压缩机连接。开启空气压缩机，并将其最大输出压力设为0.8 MPa。
   2. 手动调节压力调节阀，控制进入夹紧气缸的气压（气缸连接至轧车的上辊），以调节织物中的残余水分。确保辊筒两侧压力相等，从而使织物各区域的含湿量分布均匀。
   3. 开启轧车，确认辊筒可自由转动后，将充分吸湿的饱和织物样品放置于均匀轧车的上辊上，使待测织物经由轧辊组挤压，从而控制织物内部水分分布的均匀性。
   4. 关闭轧车电源。
4. 重量与厚度测量单元
   1. 将电子天平置于水平台面上并归零。放置标准砝码进行校准，以确保样品称重准确。
   2. 裁取一块长31 cm、宽10 cm的矩形织物样品。开启厚度测试仪（见材料表），并将其连接至计算机。将织物样品放置于FTT测试平台。打开FTT操作软件，在操作界面点击"开始"，由FTT自动测试织物厚度，并在操作界面上记录结果。
5. 干燥箱单元
   1. 开启干燥箱，确认干燥室内无样品。将干燥箱设定为高温（本研究中为120 °C）运行30 min，以蒸发内壁吸附的水分。
   2. 将干燥箱预热至设定温度（本研究中为45 °C），以便直接用于织物样品的干燥。

2. 检测样本及制造工艺

1. 使用剪刀和三角尺从与矩形织物样品相同的织物上裁剪出 250 mm × 250 mm 的方形织物，用于制备测试试样（织物面积 = 6.25 × 10⁴ mm²）。将织物试样放入干燥箱中，以蒸发其从环境中吸收的残留水分，从而获得其净重。
2. 从干燥箱中取出一块织物试样，使用电子天平测量样品的初始重量 W₀。
3. 将织物试样浸入水中 5 分钟，确保织物吸湿至饱和状态。将饱和后的织物试样平铺在均匀轧车的上辊上，以获得所需的均匀初始含水量。
4. 开启轧车，并通过压力调节器设定初始压力。当平铺的试样通过轧辊组后，关闭轧车并从设备中取出试样。
5. 使用电子天平测量湿织物试样的重量 W₁。织物的残留水分可计算为 C = (W₁−W₀)/W₀，织物的面积平均含水量可计算为 W_a = (W₁−W₀)/A。
6. 若未达到目标含水量 C_d，应先用毛巾或纸巾将轧辊擦干，然后重复步骤 2.4–2.5，直至设定 C_d 为止。
7. 如有需要，从用于制备测试试样的同种织物上裁取一条样品，测量并记录其厚度。

3. 数据采集、后处理与分析

1. 与步骤1.1相同，将空气吹风机的出口温度和风速设定至所需值，并用高热阻板覆盖喷嘴。待测试织物样品制备完成后（第2节），将其固定在针板夹具上以进行连续测试，并开启红外热像仪，开始记录样品温度。
2. 移除覆盖板，使热空气可直接冲击测试样品的下表面。在干燥过程中，通过计算机观察织物干燥温度的变化。当干燥温度上升至稳定值并持续约30秒时，表明样品已达到目标干燥状态，此时停止记录。将样品从夹具上取下，并再次用高热阻板覆盖喷嘴。
3. 如有需要，使用红外热像仪配套的后处理工具设定目标分析区域（用于数据绘图、保存等），从而获取该测试织物特定位置的干燥特征（通常为温度随时间变化的情况）。
4. 如有需要，将视频定位至不同干燥阶段的片段，并将视频帧保存为彩色图像。随后，可根据以下步骤¹⁴采用图像处理方法计算热空气干燥区域的面积：首先，采用加权平均法将彩色图像转为灰度图像；然后，使用OSTU方法对所得灰度图像进行二值化处理，设定阈值为图像中温度接近热空气温度时对应的灰度值。由此，可在二值化图像上计算出干燥区域的面积。
5. 重复步骤3.1–3.4，通过调节气流速度、温度、方向以及织物材料、物理参数等，记录每种织物样品的干燥特性。
6. 观察在不同空气温度、风速、气流方向及织物厚度条件下的所有差异。

结果

所提供的数据 图2 在喷嘴出口处风速和温度分别为 20.0 m/s 和 120 °C，分别。由此可以看出 图2A,B,C,D 在气流冲击干燥条件下，温度从中心向边缘逐渐降低，形成一系列同心圆。同时，在直接冲击区域的边缘，温度急剧下降。利用红外热成像仪配备的专用后处理工具，可绘制任意路径上的温度分布。 图2E 显示在典型干燥过程的不同阶段，织物水平中心线上的温度变化。这是由于织物在水平方向具有较高的扩散系数或热阻，即使将干燥时间延长至50 s，如图所示，冲击区域边缘附近的温度上升仍远低于稳态时的温度（参见 图2C；干燥过程在约 20 s 时达到稳态。

讨论

本部分提供了一些必要的提示，以确保获得可靠的定量结果。首先，织物样品必须保持完全干燥，以确保初始重量准确。这可以通过干燥过程实现（例如，使用合适的干燥箱）。如果可能，保持恒定的环境湿度将有利于实验。

其次，织物样品必须经过良好处理，以确保织物各区域的湿度均匀。这可以通过使用均匀轧车或类似工艺进行手动处理来实现。操作均匀轧车的关键是确保供给上辊两侧夹紧气缸的气压相等，从而避免对织物产生压力差异。

必须确保红外热像仪的适当校准，以获得准确的温度。同时，温度记录过程需在移除高热阻板前几秒手动启动，因此用户还需估算应跳过多少帧。此操作可能因人而异，故在进行实际测量前，建议先进行多次试测练习。

该技术的一个局限性在于，织物样品在开放环境中干燥，无法设定所需的周围温度和湿度，因此实验结果不能直接反映热定型实际工作条件下的干燥过程。该试验装置有待在后续工作中进一步改进。

本报告所述方法提供了在冲击干燥过程中研究织物传热与传湿特性的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
空气吹风机	Zhejiang jiaxing hanglin electromechanical equipment co., Ltd.	HLJT-3380-TX10A-0.55	风量：900 m3/s；
风速计	KIMO	MP210	测量范围：0–40 m/s；精度：±0.1 m/s
干燥箱	上海上仪仪器设备有限公司	DHG 101-0A	精度：1 °C；控温范围：10–300 °C
电子天平	杭州万特衡器有限公司	WT1002	精度：1 °C；量程：100 g
织物风格测试仪	SDL Atlas	M293
织物手感测试仪	SDLATLAS Ltd		织物厚度测试仪
高热阻板	百强		阻燃性，耐热性大于 200 °C
耐高温硅胶管路	Kamoer	18#	温度范围：-60–200 °C
红外热像仪	杭州美生红外 光电科技有限公司	R60-1009	测温范围：-20–410 °C；最大测温误差：±2 °C
浸轧机	亚博纺织机械有限公司		辊压压力：0.03–0.8 MPa；压力稳定；调节方便
个人计算机	联想集团	L460
温度传感器	Taiwan TES electronic industry co., Ltd.	1311A	分辨率：1 °C；测温范围：-50–1350 °C