第三节 染液循环系统

气流染色机的染液循环系统是为染料对织物纤维上染而设置的，并且染料的上染温度以及浓度分布，需要通过染液循环进行平衡和均匀分配，以达到染料向织物纤维均匀上染的目的。然而，在升温或加料过程中，实际染液的温度和浓度变化，在短时间内会出现分布不均匀的现象。织物各点的温度和浓度差，一旦过大或者保留时间过长，就有可能在染料上染最快的阶段出现上染不均匀；若在固色之前还没有通过移染达到匀染，那么最终就会产生色差或色花。因此，染液循环对织物的匀染性具有很重要的作用，而染色循环系统就是实现染液循环的控制部分。

该系统包括染液喷嘴、染液循环主泵、染液分配管路和主回液管等部分。它为染液与被染物进行交换提供条件，并可保证染液温度和浓度分配的均匀性。

一、染液喷嘴

气流染色机染液喷嘴的作用是为织物和染液提供交换的条件。与喷射染色所不同是，它不起牵引织物运行的作用。因此，它的结构形式与织物和染液的交换方式有关。采用雾化原理的染液喷嘴，要求能够产生染液的雾化效果，主要是靠喷嘴的结构和主循环泵的扬程来保证。通常各染色机制造商将这部分内容视为核心技术。采用气压渗透原理的喷嘴，其结构比较简单，它相当于一个软喷射喷嘴，设置在提布辊之前。织物在进入气流喷嘴（在提布辊之后）前，先经过染液喷嘴吸附染液，然后再经过气流喷嘴的气压渗透作用，完成织物与染液的交换过程。喷嘴的形式有以下几种。

1.染液雾化喷嘴

（1）染液雾化喷嘴的特性。主要是喷水量、喷雾细度、喷射角度以及水苗射程，与喷嘴孔径、结构和喷水水压有关。喷水量表示单只喷嘴每秒喷水的质量，取决于喷水的水压和孔径。孔径越大，水压越高，则喷水量就越大。喷雾细度是喷嘴喷出水滴的大小，与孔径和水压有关。孔径越小，水压越高，则水滴越细小。水苗射程是指喷嘴喷出的水苗在水平方向的直线距离，而水苗向四周扩散的角度表示喷射角度。压力越大，射程越远，一般在400～800mm。压力越大，孔径越大，则喷射角度越大，一般在40°～85°之间。喷射角与水苗射程的关系如图3-13所示。

（2）染液雾化喷嘴的形式。雾化喷嘴的结构形式对所产生染液雾化效果十分重要。

①离心式喷嘴。如图3-14所示，水在一定的压力下，经输水道从切线方向进入回旋腔做螺旋运动，形成旋转水流；再由喷孔喷洒出来，扩散成圆锥形雾状水滴。经雾化后的水滴直径很小（水滴直径一般在0.05～0.5mm），不仅与气流的接触面积大，而且还具有较好的热湿交换效果。

图3-13 喷射角与水苗射程

图3-14 离心式喷嘴

1—输水道 2—喷嘴内腔 3—喷嘴

②双螺旋离心喷嘴。一定压力的水沿轴向流入喷嘴，经双螺旋体分别以180°的切线速度方向沿渐缩通道进入喷嘴内腔，借助压力和离心力的作用，使水由喷嘴口喷出时形成以出水孔为顶点的圆锥形水幕。由于进入喷嘴内腔的水，可按照一定切线方向的渐缩通道加速运动，减少了水在内腔中产生的涡流阻力和摩擦阻力损失，从而使喷嘴在较低水压条件下，也能够获得较好的雾化效果。此外，缩小内腔可减少不必要的能量损失，并且还可减小喷嘴体积。显然，双螺旋离心喷嘴具有结构紧凑、喷水量大，水压低以及雾化效果好等特点。

（3）染液雾化喷嘴的工作状态。采用雾化原理的染液喷嘴，首先是在一个夹套容腔内通过雾化喷嘴将染液喷出，并形成一定的染液细化颗粒弥散在气流中，然后随同气流一起通过环缝隙喷向织物。喷出的环状气液两相流形成两个分力，一个与织物运行方向相同，也是牵引织物循环的主要动力源；另一个分力与织物运行方向垂直，加速染料向纤维边界层的扩散速度。在一定的压力下，雾化喷嘴口径的大小影响到雾化染液颗粒的大小；喷嘴口径小，雾化的染液颗粒就小。但过小的喷嘴口径容易被杂物堵塞，尤其是碎短绒。所以，循环染液过滤对染液雾化喷嘴很重要。

由于经雾化喷嘴喷出的雾化染液，还要通过气流携带从气流喷嘴喷出，这一过程需要消耗大量的气流动能，所以必须选用较大的风机功率。为此，有人将染液雾化喷嘴口径缩小，进一步细化染液颗粒，以此来减小气流能量的损失，最终达到减小风机功率的目的。但是，雾化喷嘴更容易堵塞。

2．染液环喷嘴 采用气压渗透原理的喷嘴，实际上也是环向对织物进行喷射染液，但是染液的过流面积相对较小，对织物仅起到提供交换染液的作用。与织物交换后自由染液在进入气流喷嘴之前，通过一个快速通道直接回流到主回液管。这种染液喷嘴与普通溢喷染色机喷嘴有些相似，但不承担牵引织物循环的作用。所以染液量的大小是根据染色条件来确定的，在低浴比条件下，可控制织物循环一周的带液量。与染液雾化喷嘴相比，该喷嘴的过液量较大，可以进行较大水量的水洗，并且与织物交换后的污水大部分可在进入气流喷嘴之前与织物分离。因此，具有较好的水洗功能。

二、染液主循环泵

在气流染色机中，染液虽然不作为牵引织物循环的动力源，但染液与织物的交换，以及染色系统的温度和浓度平衡，都需要通过染液的循环来实现的。而染液主要是通过主循环泵进行强制循环，并且具有较高的循环频率。气流染色机由于浴比很低，即使主循环泵设置在染液的最底部，但还是没有达到离心泵的倒灌高度。因此，在接近水的沸点时，容易产生汽蚀现象，影响染液的循环状态。要解决这个问题，必须充分了解离心泵汽蚀产生的原因，并采取一定的措施，以保证在低浴比条件下顺利实现染色过程。

1．主循环泵的扬程和流量 气流染色机的浴比较低（最高为1∶4），染液约1.5min循环一圈，故流量也比较低。但是为了保证染液雾化喷嘴能够达到足够的雾化效果，主泵的扬程较高。在具体染色过程中，根据不同的染色工艺要求，主泵一般通过变频控制，可满足不同的流量和扬程要求。考虑到染液流量的变化对扬程的影响，主循环泵流量—扬程特性曲线应平缓一些，即流量的增减对扬程的变化要小。在不同的流量下，应保持较高的染液喷嘴压力，以保证染液的雾化效果。

2．主循环泵的抗汽蚀性及预防措施 气流染色机的染液循环泵长期工作在低液位下，有时会出现噪声和振动，并且伴随有流量、扬程和效率的降低，严重时染液甚至出现断流。这就是汽蚀现象，也是离心泵的一种物理固有特性。掌握离心泵的汽蚀规律及影响因素，采取积极有效的预防措施，保证染色机的主循环泵能够始终工作在一个正常状态下，对气流染色机的主循环泵来说是极为重要的。

（1）离心泵的汽蚀规律。离心泵在某一工作状态下，泵的叶片入口处的液体压力等于或低于该温度下液体的汽化压力，蒸汽及溶解在液体中的气体从液体中大量逸出，形成许多蒸汽和气体混合的小气泡随液体流到高压区。由于气泡内是汽化压力，而气泡周围大于汽化压力，产生压差，在其作用下，气泡受压破裂而重新凝结。在这一过程中，液体质点从四周向气泡中心加速运动，并在凝结的一瞬间发生质点的相互撞击，产生很高的局部压力。这时主循环泵就发生了汽蚀，产生的大量气泡就会影响液体的正常循环，出现液体流量不稳定，产生振动和噪声；并且泵的流量、扬程和效率会显著下降。离心泵在运转中出现汽蚀时，其特性曲线会出现急剧下降的情况。因此，主循环泵发生汽蚀不仅使其性能下降，产生噪声和振动，而且使流量和扬程不稳定，影响染液的正常循环。

（2）预防汽蚀的措施。根据离心泵产生汽蚀的客观规律，人们进行了大量的研究发现，泵在运转中产生汽蚀与否是由泵本身的汽蚀性能和吸入装置的特性共同决定的。其中装置是外界影响因素，而主要的影响因素在泵本身。因此要解决泵的汽蚀问题，主要是提高泵本身的抗汽蚀性能，然后再合理地选择吸入装置。对于气流染色机主循环泵来说，在染液循环管路的结构设计中，应该减少主泵进水管的阻力损失，增大管径并且尽可能短。除此之外，在设备控制上必须考虑设置85℃气垫加压的功能，提高水的沸点。这对低浴比的气流染色机显得尤为重要。

三、染液分配管路

在气流染色过程中，织物的每个循环周期中与织物交换的染液占整个循环染液的比例不到50%，而其余循环染液通过一个旁通直接回到主回液管与交换后的染液混合，参与下一个循环，并进行比例分配。正是通过这套循环系统，才能保证整个染色系统温度的均匀性。在水洗过程中，必须关闭旁通，让更多的循环水通过喷嘴对织物进行强烈冲刷，以提高水洗效率。

主循环管路中的喷嘴供液与旁通回流，构成了染料对织物每次循环的上染率控制系统。总体染液的循环量是保证染色过程中温度和浓度变化均匀性所必需的，而分配到喷嘴的染液流量大小，则用来控制织物单次循环的上染率。它取决于被染织物的纤维特性和染料性能，以及染色要求。对上染率高的织物，必须控制每个循环的上染率，多余的染液则通过旁通支路直接回流到主回液管。目前比较先进的气流染色机，染液主循环对喷嘴的染液分配可以实现比例控制，能够根据染料对织物的不同染色特性，提供满足匀染所需的上染率。

1．染液主循环 气流染色机主循环泵进口与主回液管相连，出口与热交换器相连，之后通向喷嘴或支路，使主缸内染液形成一个连续封闭的循环系统。它主要包括主循环泵、喷嘴供液管路、回流调节支路、主回液管以及过滤装置等。主循环泵是染液强制循环的动力源，为了保证染液喷嘴能够对染液产生较好雾化效果，通常所选择的扬程较高，流量相对较小。对于不同克重织物或品种，可通过主循环泵电机变频控制扬程和流量。这样不仅可以保证主循环泵始终能够工作在较高效率的区域，同时还可以达到节电的目的。

对于多管（无论是罐式还是管式）气流染色机来说，染液循环是一个很关键部分，各管织物与染液的交换状况直接影响到染色效果。无论染液循环管路结构如何设计，都必须满足一个要求，就是保证各管染液分布状态的均匀性，即染液的流速、温度和浓度如何达到均匀分配，使每管染液与织物的交换概率相等。因此，各染液喷嘴支路均为并联，总分配管能够将染液的动能转化为静压能，使每个染液喷嘴支路能够获得相等的流量。

2．染液旁通循环 在气流染色机的染液循环系统中，染液旁通循环系统具有独特的作用。由于与织物进行交换的染液浓度较高，为了保证织物均匀上染，必须控制织物每个循环的染料上染量，所以对与织物交换的染液量也要进行控制。而在整个染色系统（包括所有的织物和染液）中，必须处在一个平衡状态中，才能够满足整个被染织物的均匀上染。这就需要对总体循环染液进行均匀分配，让一部分染液通过染液旁通循环系统保持循环，从而保证总体染液在任何时候，不论染液喷嘴需要量为多少，都不会影响到染液的总循环频率。在染料上染速率较快的温度变化阶段，总体染液保持较快的循环速度，可以减少染液温度和浓度分布的差异，有利于整个织物的匀染。染液旁通循环通常只有在水洗过程中才停止使用，以增大喷嘴的喷液量和缸内喷淋液量，提高水洗效率。

3．染液回流 为了不影响染色浴比，通常都是通过回流部分主缸染液进行化料，溶解后再通过加料泵输入染液主循环系统中。回流口一般设置在主泵出口，而染料溶液进口设置在主泵进口处，并装有止回阀。为安全起见，主缸内温度超过85℃时，加料桶回流管的阀门应处于关闭自锁状态。气流染色机因浴比较低，为了避免浓度较高的溶液直接与织物接触，一般还增设了一个与主回液管相连的循环支路，加料桶的染液可先与主体染液进行充分混合均匀，然后再随循环染液进入喷嘴与织物进行接触。对于一些敏感色（如咖啡、翠绿等）必须采用这种加料方式。

4．喷淋水洗 由于气流染色的浴比很低，储布槽内的织物没有浸在液体中，因此，水洗时为了主缸内各部分得到充分冲洗，在主缸内设置了喷淋水洗装置，并由独立管路提供洗液。该装置在染色过程中是处于关闭状态，只有水洗时才开启。但考虑到染色过程有时需要保持缸壁的湿润，及时清除附在缸内壁的染料、助剂和织物纤维绒毛，故也有时设置间歇式的开启。在正常的水洗过程主要是对织物的水洗，而主缸内部仅需要短时间冲洗即可。所以喷淋也只在水洗的开始几分钟进行，剩余的绝大部分时间主要是加大喷嘴的水洗量。

喷淋水洗装置主要是在主缸内各部位（尤其是一些染液不容易达到的地方）设置旋转喷淋头，以较大的喷淋洗液冲刷缸体内壁。

四、主回液管

主回液管对各染槽支路的回流平衡，保持各染槽染液的均匀循环具有非常重要的作用。主回液管要有足够大的容积，保证各支管染液的均匀回流。气流染色机的储布槽中不储存自由染液，主要集中在主回液管中。这样在染液的温度变化（如升温）和浓度变化（如加料）过程中，容易出现温度和浓度分布不均匀现象，影响被染织物各点的染料均匀上染。为此，气流染色机除了喷嘴染液循环外，更多的是通过一个旁路进行循环，甚至目前有的还增加了一套主回液管循环系统，对主回液管内染液进行强制对流循环，以此有效地缩小各点的温度和浓度差。

气流染色机的主回液管并不像传统溢喷染色机，其染液储存没有充满，而是约占总容积的三分之二。这样做的目的，一是减少浴比的需要，二是染液回流产生的损失小，具有较好的水流特性。对于不同纤维的吸水量，主要是反应在织物纤维的含液量上的多少，而主回液管中的储液量基本保持不变。这也就是浴比的变化主要是织物纤维吸水量的变化，并不影响主回液管中储液量的原因。