高速凹印機節(jié)能干燥系統(tǒng)的優(yōu)化

武吉梅+由磊+劉琳琳+張羽玲

干燥系統(tǒng)是凹印機最主要的耗能單元，如何提高干燥系統(tǒng)的干燥效率、保證干燥效果、降低能耗是凹印機制造企業(yè)目前關注和研究的重要課題。雖然目前干燥系統(tǒng)能滿足一定印刷速度下承印材料的干燥要求，但高速印刷下往往不能保證印品的干燥效果，特別是其帶來的高耗能、風速分布不均、溶劑殘留等問題都亟待解決。因此，對凹印機的干燥系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，以響應國家節(jié)能減排、綠色印刷的政策號召具有重大意義。

節(jié)能干燥系統(tǒng)工作原理及分類

1.節(jié)能干燥系統(tǒng)工作原理

凹印機的節(jié)能干燥系統(tǒng)主要為對流干燥，就是指熱氣體以對流方式將熱量傳送至承印物表面，承印物表面得到熱量后，再以傳導方式將熱量傳至其內(nèi)部。熱風干燥裝置如圖1所示，新鮮空氣由進風口進入，經(jīng)過熱交換器將新鮮空氣加熱并由風機通過進風管吹入烘箱，在烘箱單元內(nèi)熱空氣由吹嘴吹向承印物表面，烘箱中廢氣的一部分熱量經(jīng)排風管抽出，而廢氣中的另一部分熱量經(jīng)過回風管再回到進風管與新鮮空氣相混合后再次進入熱交換器，使得廢氣中的部分熱量被循環(huán)利用。

對流干燥的節(jié)能方式有多種，歸納起來為兩方面：一是減少能量損失，提高干燥器的熱能利用率，如采取密封、保溫、熱風循環(huán)措施等；二是強化干燥過程，提高干燥速率，提高生產(chǎn)效率。這兩方面的最終效果均可提高干燥裝置的熱效率。在節(jié)能工作中，往往前者的效果最明顯，多為工作的重點和主要工作對象，而后者常被忽視或遺漏，顯然這是不全面的。因此，要全面提高對流干燥技術和用能水平，必須兩者一起抓，才能取得較大的經(jīng)濟效益。

2.節(jié)能干燥系統(tǒng)分類及特點

（1）單出風口節(jié)能干燥系統(tǒng)

圖2所示為單出風口的節(jié)能干燥箱模型，此干燥箱只有一個進風口和一個出風口，熱空氣由進風口進入干燥箱，通過風嘴將熱空氣吹向承印物，最后廢氣通過進風口上面的出風口被抽出，完成干燥工作。其不足在于只有一個出風口，需要較大的壓強，因此對風機的選擇會比較困難。

（2）雙出風口節(jié)能干燥系統(tǒng)

圖3所示為雙出風口節(jié)能干燥箱，其與單出風口節(jié)能干燥箱的工作原理及結(jié)構(gòu)基本相同，只是在干燥箱的下部增加一個出風口，其優(yōu)點是解決了單出風口風機選擇困難的問題，因為增加一個出風口，可以分擔出風口抽出的廢氣的壓強，于是便降低了壓強，對風機也有更多的選擇。

（3）雙面吹風節(jié)能干燥系統(tǒng)

圖4所示為雙面吹風節(jié)能干燥箱，其與單面節(jié)能干燥箱的區(qū)別在于在單面節(jié)能干燥箱的背面增加了一個小型干燥箱，這個干燥箱只有4個像孔板一樣的風嘴，空氣全部由下面的進風口進入，一部分熱空氣由小的進風口通過導流板直接進入上面的小型干燥箱，再由小型干燥箱的風嘴吹向承印物的背面，使承印物能夠雙面干燥。雙面吹風節(jié)能干燥系統(tǒng)的優(yōu)點在于可輔助干燥工作，使墨層干燥得更快、更徹底。

高速凹印機出風口的優(yōu)化

1.單出風口模型仿真分析

（1）建立干燥箱單出風口的三維模型

在保證干燥箱分析要求的前提下，對其進行適當簡化，為了方便分析圖2干燥箱的三維建模，定義干燥箱最下部風嘴為風嘴1，其他風嘴由下至上依次排列。

（2）對干燥箱單出風口模型進行網(wǎng)格劃分

根據(jù)實際情況對其選擇適合的網(wǎng)格單元，主體采用四面體網(wǎng)格劃分方式，在適當位置輔以六面體網(wǎng)格和楔形網(wǎng)格，在熱風風嘴及導流板附近對網(wǎng)格進行局部加密，精確捕捉熱風流動狀態(tài)，干燥箱共劃分網(wǎng)格4256871個，將畫好網(wǎng)格的干燥箱送入Fluent軟件中進行計算。

（3）對干燥箱單出風口模型進行仿真計算

圖5為單出風口干燥箱模型在Fluent軟件中計算后得到的熱風流場跡線圖。從這個三維流動跡線圖可以看出，干燥箱主要靠右側(cè)（即離風口遠處）回風，在兩個風嘴之間形成渦流，渦流以渦旋式向右運動，大部分經(jīng)由右側(cè)回風腔被上出風口抽出，而少部分由左側(cè)回風腔被上出風口抽出。經(jīng)過干燥箱時，由于承印物向上運動，出風口將熱風從干燥箱上部抽走，不利于油墨的干燥。

2.雙出風口模型仿真分析

在保證干燥箱分析要求的前提下，對其進行適當簡化，為了方便分析如圖3干燥箱的三維建模，定義干燥箱最下部風嘴為風嘴1，其他風嘴由下至上依次排列。

對改進后的雙出風口干燥箱模型進行網(wǎng)格劃分，具體劃分過程與單出風口干燥箱模型相同。接著對劃分好網(wǎng)格的雙出風口干燥箱在Fluent軟件中進行計算，得到圖6所示的熱風流場跡線圖。

從圖6可以看出，干燥箱主要靠干燥箱右側(cè)（即離風口遠處）回風，在兩個風嘴之間形成渦流，渦流區(qū)域主要靠右側(cè)回風，大部分熱風從下出風口抽出。由于承印物向上運動，增加下出風口后，有效增加了承印物與熱風接觸的時間，使干燥效果更好，這在高速凹印機上十分有意義。

因此，有下出風口的干燥箱為優(yōu)化后的節(jié)能干燥箱，而且當一個出風口時，需較大負壓才能將內(nèi)腔外部熱風抽出，風機較難選擇，而增加下出風口，將熱風抽出的難度降低，風機選擇方便。因此優(yōu)化改進后的節(jié)能干燥箱能夠為印刷過程中的干燥提供更加有利的幫助。

談到節(jié)能干燥系統(tǒng)中的節(jié)約能源方面，就不得不談到近幾年來出現(xiàn)的熱泵技術。印刷干燥中主要采用高溫空氣能熱泵，其工作原理是：利用逆卡諾循環(huán)原理，通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫熱源，經(jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫熱源，用來干燥。目前，很多印刷企業(yè)已將熱泵技術運用到印刷干燥系統(tǒng)中，這對印刷過程中的節(jié)能是非常有利的。例如，陜西北人印刷機械責任公司利用高溫空氣能熱泵代替以前印刷干燥系統(tǒng)中的翅片換熱器，改變后的干燥過程中的能源消耗只是之前的60%，在減少能源消耗的同時還能夠提供穩(wěn)定的風量，并減少了環(huán)境造成的污染，這是一個很好的技術革新。相信今后，熱泵技術會成為印刷干燥系統(tǒng)中應用發(fā)展的主要技術。endprint