第二节 气流的产生与作用

无论是气流雾化染色，还是气压渗透染色，在染色过程中，气流都是通过高压循环风机产生空气动压能，再转变成气流的静压能，在气流喷嘴中形成高速气流牵引织物运行。除此之外，气流雾化染色的染液是通过染液喷嘴的细化，喷入气流中形成气液两相流体与织物进行交换，完成染料对织物的上染。空气与水液体均属于流体，但在流动过程中的变化状态有很大不同。因此，有必要对气流的一些基本特性进行了解，以达到控制气流的目的。

一、气流的形成与特点

气流是由高压风机产生的，并通过一套风管系统进行封闭循环。循环气流的风压与风速存在一定的关系，并且随着空气温度的变化而发生变化，对织物的循环状态会产生一定的影响。

1．高速气流的形成 首先是通过高压风机将机械能转换为空气压力能（包括动压能和静压能两部分），然后经过主风管将空气的动压能转换为空气的静压能，再分配到每个气流喷嘴中。根据拉法尔原理设计的气流喷嘴，气流经喉部环缝隙而加快流速，并形成具有较高动压能的环形气流，以牵引织物沿流动方向运行。当气流通过导布管后，气流突然四周扩散，动压能急剧衰减，布速减慢落入储布槽。在实际使用过程中，主缸内腔、风机、风管和气流喷嘴组成了一个封闭系统，无论是在常温下还是在高温下，均可形成相对稳定的气流循环，以满足织物的循环周期。

2．风压与风速的关系 通过循环风机作用产生了气流，在一定的风机转速下，气流的压力与速度（或者风压与风量）具有一定的对应关系。当过流截面一定时，风速与风量成正比，即风量大，风速也大。而风压与风量的变化相反，即风压增大而风量变小，这符合伯努利能量守恒规律。在实际气流输送过程中，当高度差不大时，可忽略重力势能的影响，克服管网系统阻力主要还是依靠静压能。根据伯努利方程，气流静压能与动压能是可以相互转换的，但总压是不变的，即符合能量守恒规律。

当风量一定时，改变气流过流截面积，就会改变风速，即过流截面积小，则风速大；而风速大，则风压就小。所以利用拉法尔管原理，采用渐缩管和渐扩管可以产生高速气流牵引织物运行。对于气流雾化式染色来说，气流在牵引织物运行的过程中，同时还为被染织物与染液提供交换条件。

3．气流随温度变化的规律 与所有流体一样，空气在流动的过程中也会产生内部之间的相对摩擦阻力。根据牛顿流体运动规律，这种阻力是通过黏度系数来表述，即动力黏度系数或运动黏度系数。试验表明，流体的黏度系数随温度变化而变。对液体水来说，其黏度系数随温度的升高而变小，而空气则相反。由于存在这种变化规律，所以水和气流的黏度系数随温度变化，会改变牵引织物的运行速度，而两者正好相反。在实际运行过程中，我们会发现虽然在常温下织物的运行速度一定，但在高温条件下，溢喷染色机的织物运行速度会减慢下来，而气流染色机的织物运行速度则会升上去。

二、染液在气流中的状态

气流雾化染色中的染液是通过一套独立循环系统，经喷雾喷嘴形成雾化的液滴，再喷射到气流与染液混合室内；然后形成带液气流（实际上是气流夹带着细化染液）经气流喷嘴喷出，与被染织物接触，完成染料对织物纤维的上染。与传统的溢喷染色不同，带有染液的气流对被染织物纤维表面具有较大的渗透力，更有利于减薄被染织物纤维表面染液扩散或动力边界层的厚度，使得新鲜染液容易向纤维表面扩散。由于雾化后的染液弥散在气流中，与织物纤维的接触表面较大，所以更容易达到匀染效果；同时气流对织物有一种扩展效果，也扩大了染液与织物的接触面积，可保证上染速率较快的织物获得均匀上染。对于气压渗透式染色而言，虽然染液是独立与织物进行交换的，但已经吸附染液的织物经过气流喷嘴时，气流会对织物纤维表面的染液产生一定的渗透作用。实际上也是对纤维表面染液再次分配，进一步提高了染液在织物上分布的均匀性。

1．染液的雾化 在气流雾化染色过程中，染液经过一套喷雾喷嘴，形成雾状染液并喷洒在气流中。弥散在气流中的染液，随气流一起通过拉法尔管喉部环缝隙喷入，与被染织物进行交换。染液的雾化程度与流体压力和雾化喷嘴口径的大小有关。流体压力取决于染液循环泵的扬程，一般较高。而雾化喷嘴口径相对较小，以便染液的雾化。在压力不变的条件下，喷雾喷嘴口径越小，则染液的雾化颗粒越小，反之则大；当喷雾喷嘴口径一定时，流体压力越大，则染液的雾化颗粒越小，反之则大。显然，染液雾化的颗粒越小，在气流中分散的均匀性就越好，同时雾化染液对气流所造成能量消耗越小，也就意味着风机的消耗功率减小。但是在实际应用中，过小的染液喷嘴通道往往容易造成杂物的堵塞，影响染液喷射量。

对于气压渗透式染色，染液不存在雾化问题。但是，因染液量较少，需要考虑与织物进行交换时的均匀性问题，尤其是在环状方向的分配。如何使较少的染液环状方向不产生偏流，是气压渗透式染色喷嘴的技术核心。

2．染液在气流中的分布 在气流染色过程中，染液只有在气流喷嘴（即拉法尔管）和导布管中才会与气流相遇，其余时间都是按照各自的循环系统进行循环。经染液喷嘴雾化的染液进入气流后，弥散在强烈的紊流气流中，具有较好的均匀性。无论是受热面积，还是与被染织物纤维的接触面，都比颗粒大的液滴更为均匀。这为气流染色过程中染料向织物纤维提供了较好的上染条件。弥散在气流中的染液随着气流进入拉法尔管内与织物进行接触，其作用的剧烈程度比较高。可以减薄织物纤维表面的动力和扩散边界层厚度，快速打破纤维内部扩散与纤维外部的动平衡，加快染料对纤维的上染速度。由于呈细化的染液在气流的强烈作用下，对织物纤维的接触面以及均匀程度都优于传统的溢喷染液，所以气流染色的上染条件特别适于上染速率较快的超细纤维织物。

3．气流对染液渗透作用 在气流喷嘴中，气流中无论是否夹带染液，对织物纤维表面上的染液都会产生一定渗透作用。这对加快染料通过动力或扩散边界层，以及减薄边界层的厚度，无疑都是有利的。气流雾化式染色过程中，染液是随同气流一起与织物进行交换的，而气流对已接触到纤维表面的染液同时还起到渗透作用。气压渗透式染色的气流与染液虽然是分开作用的，但当织物进入气流喷嘴后，气流在牵引织物运行和扩展的同时，还对纤维表面的染液可产生较大的渗透作用，加速染料通过纤维表面染液的动力和扩散边界层。从实际应用中得知，无论是哪种形式的气流染色，对织物的匀染性均优于普通溢喷染色，这与气流对织物纤维上染液的渗透作用有关。

三、气流对织物的作用

在气流染色过程中，织物的循环主要依靠气流牵引，提布辊仅起到辅助作用。气流中实际上夹带有弥散在其中的细化染液，而织物在被气流牵引的过程中，伴随着染液与织物的交换。织物从储布槽中被提升，经过提布辊进入喷嘴和导布管，经摆布装置，有序地落入储布槽后部，通常将织物这一运动过程称为动程。织物经历周期性的动程，一方面是完成织物与染液在喷嘴中的交换，不断向纤维表面提供新鲜染料；另一方面，织物在储布槽中的相对静止位置，通过动程不断改变织物之间的相互位置，以避免产生永久性折痕。因此，气流染色中的织物循环是保证匀染和不产生折痕的重要过程。了解和掌握织物在动程中经过喷嘴时的受力和运动状态，可以有效地控制织物的上染过程和运行状态，以达到织物的匀染和保证布面质量的目的。

图2-3 气液混合体喷射分解示意图

1．织物在喷嘴中的受力分析 气流喷嘴的结构实际上是采用了拉法尔原理，即渐缩、直段和渐扩三部分。在直段部分（也称为喉部，气流压强低，流速快）有一环缝隙，气流由缝隙喷出，并形成一定圆锥夹角。若沿轴线剖开，将缝隙喷出的气流F分解为两个方向的作用力，即对织物产生纵向作用的F₁和产生横向作用的F₂，如图2-3所示。横向作用是对织物的渗透力，用以打破纤维表面扩散和动力边界层的动平衡，不断提供新鲜染液，以保证纤维的染料供给；而纵向作用则为织物的牵引力，控制织物循环速度的快慢。当织物离开喷嘴后进入导布管，主要是气流的纵向作用，对织物也有一定横向紊流作用。织物离开导布管时，高速气流迅速衰减，对织物的作用减小，织物也会随气流的四周扩散，产生一定扩展作用，使束状织物在纬向扩开。这种作用对织物减少折痕的产生有一定效果。

2．织物的运动状况 织物在气流染色动程中都是呈束状（也称为绳状）运行，其中在喷嘴和导布管中受气流作用最为剧烈。与传统溢喷染色机染液喷嘴所不同的是，织物在气流喷嘴中总能够充分扩展。所以，在很大的织物克重范围内，仅用一种通径的喷嘴即可满足染色要求。此外，提布辊的线速度与气流的牵引速度，通过一定速度差调节，使提布辊面的线速度低于气流的牵引织物速度，对织物产生一个气流振动作用。可以消除织物在储布槽堆积所产生折痕，并对织物有一个机械揉搓作用。因此，气流染色机加工出来的织物很少出现折痕现象，并且具有较好的手感。

3．气流对织物的扩展 无论是气流雾化染色还是气压渗透染色，气流在导布管中对织物总会产生一定的扩展作用。当织物离开导布管后，气流压力突然释放，织物也会在一定程度上向四周扩展，并且速度迅速减缓。气流的这一变化过程，不仅会对织物产生一个拉伸和回缩作用，有利于织物的手感，而且还会改变织物的束状状态，消除纵向折痕。对于一些特别容易产生折痕的轻薄针织物，可以采用圆筒状（不剖幅）加工。织物离开导布管时，气流可将圆筒状织物吹鼓一定程度，扩开拉平织物折痕。但是，应注意在织物段接缝处应留有10～15cm缺口，避免过度气鼓，影响织物运行。

筒状纬编针织物开幅后，套结纱线趋于恢复原状态，容易造成卷边。染色过程中若不打开，就会得色浅。在传统的染整工艺中，预定形之前要剖幅，然后再缝筒放在溢喷染色机中加工，增加了工艺流程。而采用气流染色时，气流对织物的卷边具有一定的扩展作用，纬编针织物可开幅染色，尤其是含有氨纶的纬编针织物，具有明显的加工优势。

四、气流变化对织物的影响

在实际染色过程中，气流的状态会受到温度变化的影响，并且根据织物品种或克重可进行气流大小的调节。气流状态的变化对织物会引起织物循环速度、织物的经向张力、织物纬向扩展状态以及织物表面等变化。织物的经向张力变化对弹力织物会产生影响，织物纬向扩展不佳会使纵向折痕不易消除，风量过大会使一些针织物表面起毛、起球。气流主要是在风量和状态变化过程中对织物产生作用，归纳起来主要是以下两方面的影响：

1．织物的运行状态 气流染色机的气流循环是在一个密闭容器中进行的，空气温度和水蒸气密度的变化，都会对气流循环产生影响。空气的黏性与水的黏性相反，随着温度的升高而增大。气流染色机在高温（高于常温）状态下，水蒸气密度会增加，风机循环的实际介质是空气加水蒸气，要比常温下的介质（严格地讲也是空气加水蒸气，只不过水蒸气的密度较小）密度大。所以，气流在牵引织物循环的过程中，增加了对织物的牵引力，加快了织物的运行速度。这种织物运行速度的变化，对织物匀染性是有利的，但也同时增加了风机功率的消耗。如果织物是处于保温阶段，染料在织物上已经基本上达到了均匀分布，对循环周期的要求没有上染阶段的高，而过快的织物循环对一些容易起毛或擦伤的织物，会造成织物的损伤。因此，气流在温度的变化过程中，对织物运行状态的影响，需通过合理的风量变化来加以调整。

2．织物表面形态 气流染色过程中织物的线速度，主要是通过循环风量大小来控制的。一方面要考虑织物循环周期所需的线速度，另一方面还要保持与提布辊线速度的协调。一般是通过循环风机变频调节与提布辊线速度的相互协调来控制。织物线速度的控制首先是满足织物匀染的要求（主要是织物与染液的交换周期），其次是不产生织物折痕或擦伤。从保证匀染性和减少织物折痕的角度来考虑，提高被染织物与染液的交换频率，也就是缩短织物的循环周期，是一种有效控制手段。但是，织物循环速度过快，往往容易使设备与织物接触面对织物表面产生擦伤或极光印。所以就需要根据不同织物的临界速度点，确定织物循环的相应频率。

对于风量和风压的调节控制，在空气温度和风机转速一定的条件下，通过截止阀开度大小控制，阀门开度变小，风量减小，而风压增加，反之则减小。虽然风压是克服管网系统阻力的主要动力源，但过大的风压会对织物表面造成损伤。因此，早期气流染色机采用阀门控制风量，存在的最大问题就是风量与风压的相反变化，不仅容易造成织物表面起毛、针织物套结圈吹出等疵病，还对弹力针织物的弹力产生影响。后来风机采用变频控制，可以在保证风机效率不变的情况下，风量和风压可同时变大或变小，适用织物的品种更广泛。