滌綸織物熱定型降耗優(yōu)化算法

顧敏明， 戴文戰(zhàn)

(1. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江工商大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院， 浙江 杭州 310019)

織物在印染加工中，由于受到物理、化學(xué)的反復(fù)作用，容易造成褶皺、變形以及其他性能下降的問題。熱定型可以使纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，織物的手感、滑移、顏色、幅寬、強(qiáng)力、外觀等得到改善，進(jìn)而達(dá)到織物所要求的服用性能[1]。它是印染行業(yè)后整理的一道重要工序，熱定型工段的能耗占整個(gè)印染生產(chǎn)能耗的1/2左右[2]。對(duì)定型機(jī)熱定型過程進(jìn)行深入研究，優(yōu)選工藝參數(shù)，有助于降低能耗，提升品質(zhì)。

熱定型過程復(fù)雜，工藝參數(shù)對(duì)織物定型品質(zhì)影響較大，國(guó)內(nèi)外專家開展了大量研究[3-4]，主要集中在探討各種熱定型條件下不同織物的定型效果，研究揭示了熱定型條件對(duì)織物結(jié)構(gòu)和形態(tài)、纖維染色以及纖維強(qiáng)度等方面的影響，并且得到了定性或定量的結(jié)論，這些成果對(duì)定型機(jī)熱定型工藝參數(shù)的設(shè)定具有指導(dǎo)作用。然而，這些研究大都是實(shí)驗(yàn)性研究，并沒有建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，對(duì)于織物干燥過程，不少學(xué)者建立了模型[5-7]，而對(duì)定型機(jī)上連續(xù)熱定型過程開展的分析與建模相對(duì)較少。文獻(xiàn)[8]利用牛頓換熱公式對(duì)熱定型的過程進(jìn)行了分析，建立了板式換熱器的模型，文獻(xiàn)[9]在上述基礎(chǔ)上，利用多維度慣性權(quán)重衰減混沌化粒子群算法對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化，得到了相關(guān)的參數(shù)。由于所建立的過程模型復(fù)雜，因此涉及變量較多，不同織物的對(duì)象模型差異較大，生產(chǎn)新織物的熱定型過程需要重新建模，優(yōu)化策略復(fù)雜，該方法難以為實(shí)際工程人員所掌握，在一定程度上限制了其應(yīng)用。此外，實(shí)際應(yīng)用中，由于織物溫度測(cè)量困難，工程上用烘房的溫度來代替織物的溫度，造成一定的差異[10]。目前對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)定仍然主要依賴工程師經(jīng)驗(yàn)，由于缺乏有效的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致在熱定型過程中，溫度參數(shù)設(shè)置不合理，定型時(shí)間很難準(zhǔn)確控制，能源浪費(fèi)較多，亟待改進(jìn)。

針對(duì)上述問題，本文從分析熱定型生產(chǎn)過程出發(fā)，探討各工藝參數(shù)對(duì)織物溫度的影響，建立了織物溫度估算模型，得到了織物的實(shí)時(shí)溫度。在此基礎(chǔ)上，提出能耗最小的優(yōu)化目標(biāo)，并利用PSO優(yōu)化算法對(duì)各級(jí)烘房溫度設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化，最終形成一種在保證產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)約束的條件下，有效降低能耗的方法。

1 熱定型過程分析與建模

1.1 熱定型過程分析

熱定型過程中待加工織物由進(jìn)布架送入，經(jīng)過平幅進(jìn)布、紅外對(duì)中、軋車、圓盤整緯、下超喂、機(jī)械整緯、螺紋擴(kuò)幅、上超喂、剝邊、探邊、上針、漿邊、拉幅熱定形、冷風(fēng)冷卻、脫針、切吸邊、冷水輥冷卻、落布等工序，最終完成熱定型。一般，定型機(jī)配置5～10節(jié)烘房，織物在熱定型過程中，織物依次經(jīng)過各節(jié)烘房，期間織物溫度不斷升高，直至達(dá)到熱定型所需溫度，即“熱定型溫度”，并保持穩(wěn)定，直至離開烘房。對(duì)于干態(tài)織物熱定型，該過程大致可用圖1描述。

圖1 織物熱定型過程溫度變化示意圖Fig.1 Temperature variation of fabric during heat setting

定義織物從進(jìn)入定型機(jī)加熱直至達(dá)到熱定型溫度的這段時(shí)間為織物“加熱時(shí)間”；定義織物達(dá)到熱定型溫度直至離開定型機(jī)的時(shí)間為織物“熱定型時(shí)間”?？椢镌诙ㄐ蜋C(jī)烘房?jī)?nèi)的總時(shí)間是織物加熱時(shí)間和熱定型時(shí)間的加和。熱定型對(duì)織物的要求是使織物在“熱定型溫度”持續(xù)“熱定型時(shí)間”。

熱定型過程中，烘房熱量交換的過程如圖2所示。首先，烘房?jī)?nèi)循環(huán)的空氣和來自環(huán)境的冷空氣經(jīng)過換熱器產(chǎn)生熱空氣，然后該熱空氣經(jīng)由軸流風(fēng)機(jī)引導(dǎo)至定型機(jī)的噴嘴，通過噴嘴產(chǎn)生熱風(fēng)沖擊射流噴射到織物對(duì)其進(jìn)行加熱和熱定型，在沖擊射流作用下，織物溫度按一定的規(guī)律發(fā)生變化。

圖2 定型機(jī)烘房熱量交換過程示意圖Fig.2 Schematic of heat exchanging in drying chamber

織物很薄，其在厚度方向上不存在斷面溫度差，即可認(rèn)為織物內(nèi)部和表面的溫度場(chǎng)一致，在同一瞬間的溫度都相等。為獲取織物在運(yùn)動(dòng)方向上同一水平位置溫度分布和風(fēng)壓分布情況，本文利用Fluent軟件對(duì)烘房溫度、壓力進(jìn)行數(shù)值模擬。為體現(xiàn)全面性，選取20余種不同烘房溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件進(jìn)行仿真。限于篇幅，本文只取一種情況加以說明，定型機(jī)烘層的溫度分布和風(fēng)壓分布如圖3、4所示。

圖3 定型機(jī)烘房溫度分布圖Fig.3 Temperature distributing of drying chamber

圖4 定型機(jī)烘房壓力分布圖Fig.4 Pressure distributing of drying chamber

圖3中烘房設(shè)定溫度為190 ℃，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 rad/min。可看出，整個(gè)烘箱的溫度相差不超過10 ℃，織物所處的位置溫度分布相差不超過1 ℃，因此，沿運(yùn)動(dòng)方向上同一時(shí)刻織物各點(diǎn)溫度能保證基本一致。由圖4可看出，織物所處位置的壓力基本均勻，相差不超過30 Pa，空氣壓力比較穩(wěn)定。二者結(jié)果表明，待定型的織物在運(yùn)動(dòng)方向上同一水平位置各點(diǎn)的溫度、壓力穩(wěn)定。

1.2 熱定型過程建模

由仿真分析可知，在烘房噴嘴下方作業(yè)區(qū)域噴射的熱空氣溫度、風(fēng)壓是均勻的。為建立干態(tài)織物熱定型數(shù)學(xué)模型，本文進(jìn)一步作了如下假設(shè)：1)假設(shè)噴嘴噴射的熱空氣是干燥的；2)假設(shè)待加工的織物基本干燥，在熱定型過程中水分蒸發(fā)可以忽略不計(jì)；3)在一次定型過程中，熱風(fēng)速度一經(jīng)設(shè)定，中途不再更改。

在加熱和熱定型過程中，取1個(gè)微元ΔS面積的織物，由于能量守恒，則單位時(shí)間內(nèi)ΔS面積織物內(nèi)部能量的增量等于熱空氣通過對(duì)流換熱傳遞給織物的熱量,對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(1)

式中：ΔS為選取織物的換熱面積；Φ(t)為在熱風(fēng)射流單位時(shí)間內(nèi)的換熱量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；T(t)為單元織物t時(shí)刻后的溫度；Tair(t)為t時(shí)刻熱風(fēng)射流的溫度；ρp為織物的密度；cp為織物的定比壓熱容；t為織物加熱過程時(shí)間；δ為織物厚度。

對(duì)式(1)進(jìn)行變形，得到

(2)

令x=Tair(t)-T(t)，則式(2)變?yōu)?/p>

(3)

式(3)是一階齊次微分方程，其通解為

(4)

c為常數(shù)，設(shè)置初始條件，取t=0，T=T(0)，T(0)等于環(huán)境溫度，那么

x0=Tair(0)-T(0)

(5)

因此有

(6)

織物的溫度可寫為

(7)

在熱定型過程中，烘房?jī)?nèi)的熱空氣溫度在設(shè)定值不發(fā)生改變的情況下，溫度變化比較小，因此，可認(rèn)為烘房熱空氣的初始溫度近似與t時(shí)刻溫度相等，即Tair(t)=Tair(0)，從而得到

(8)

定型過程中，織物本身的參數(shù)不變，即式(8)中ρp，cp，δ均是常數(shù)，因此，織物的實(shí)時(shí)溫度主要跟換熱系數(shù)h以及過程時(shí)間有關(guān)。考慮到影響換熱系數(shù)h的因素眾多，噴嘴的形狀和排布、噴射距離、噴射速度以及織物特性等多個(gè)因素均對(duì)其有影響，很難用理論的方式求得準(zhǔn)確的值。本文通過在不同條件下進(jìn)行熱定型實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MatLab的Curve Fitting Tool進(jìn)行曲線擬合的方式來求取換熱系數(shù)h。

1.3 模型的驗(yàn)證

選取滌綸織物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，織物面密度為230 g/m2，幅寬為180 cm，定型機(jī)型號(hào)為韓國(guó)理和Glotech Platinum，10節(jié)烘房，烘房長(zhǎng)度為3 m。本文選取了3組實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖5～7所示。圖中，實(shí)線是模型輸出，點(diǎn)是利用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量的實(shí)際織物溫度。圖5、6中烘房溫度設(shè)定值分別為180、190 ℃，圖7中前5節(jié)烘房的設(shè)定值為180 ℃，后5節(jié)烘房的溫度設(shè)定值為190 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文模型可較好地匹配實(shí)際數(shù)據(jù)。

圖5 180 ℃設(shè)定溫度下織物實(shí)際溫度和估算溫度Fig.5 Estimated and actual fabric temperature when drying chamber temperature was set at 180 ℃

圖6 190 ℃設(shè)定溫度下織物實(shí)際溫度和估算溫度Fig.6 Estimated and actual fabric temperature when drying chambers temperature was set at 190 ℃

圖7 變?cè)O(shè)定溫度下織物實(shí)際溫度和估算溫度Fig.7 Estimated and actual fabric temperature under variable setting values of drying chamber

2 溫度設(shè)定值優(yōu)化

在熱定型過程中，定型機(jī)中的熱量損耗主要分為幾部分[11]，在不考慮蒸發(fā)的情況下，織物消耗的能量占7.1%,保溫層熱量損耗占6.5%,傳動(dòng)鏈條、布鋏等機(jī)構(gòu)占8.4%，空氣加熱占77.7%。顯然，空氣加熱占用了最多的能量，這部分能量損耗可表示為

Qair=cairmair(ΔTair)=cairρa(bǔ)irVair(ΔTair)

(9)

式中：Qair為加熱空氣所耗費(fèi)的能量；cair為熱空氣的比熱容；mair為熱空氣的質(zhì)量；Vair為熱空氣的體積；ΔTair為空氣經(jīng)換熱器加熱后溫度的增加值；ρa(bǔ)ir為熱空氣的密度。

在一次定型加工過程中，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定，所以空氣的體積流量保持不變，因此，熱定型過程的能量消耗值主要取決于空氣溫度增加值。由于環(huán)境溫度不變，所以能耗大小實(shí)際取決于溫度設(shè)定值。

為展開優(yōu)化，本文采用1.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，滌綸織物的熱定型溫度為195 ℃，熱定型時(shí)間為35 s，受限于其他織物特性，車速設(shè)定值不能大于25 m/min。經(jīng)計(jì)算，為保證熱定形時(shí)間，后5節(jié)烘房設(shè)定值設(shè)為195 ℃，因此，本文僅需對(duì)前5節(jié)烘房的設(shè)定值展開優(yōu)化。

對(duì)式(8)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方式確定模型中各系數(shù)的值，得到經(jīng)過各節(jié)烘房后織物溫度的表達(dá)式：

yi=Xi-exp[-1.08×7.2](Xi-yi-1)

(10)

式中：Xi為各節(jié)烘房的設(shè)定溫度；yi是在到達(dá)第i節(jié)烘房末尾時(shí)織物的溫度；i=1,2,3,4,5。當(dāng)i=1時(shí)，y0代表第0節(jié)烘房末尾的溫度，即環(huán)境溫度，取y0=30。數(shù)值7.2是在25 m/min的速度條件下，穿過1節(jié)烘房所用的時(shí)間。數(shù)值-1.08 =-h/ρpcpδ，它是換熱系數(shù)和織物特性的一些系數(shù)的比值。

由分析可知，能耗大小取決于溫度值設(shè)定值，為降低能耗，選取優(yōu)化目標(biāo)為各級(jí)烘箱溫度設(shè)定值和最小，如式(11)所示：

(11)

按工藝條件，設(shè)定約束條件為

0

(12)

|195-y5|<2.5

(13)

式(13)表示織物到達(dá)第5節(jié)烘房末尾時(shí)，溫度要達(dá)到熱定型溫度要求。

針對(duì)上述優(yōu)化目標(biāo)，本文引入了粒子群算法，為防止陷入局部?jī)?yōu)化的陷阱，更快地得到優(yōu)化值，本文根據(jù)已知對(duì)象模型和工藝特點(diǎn)，在約束條件式(12)的基礎(chǔ)上對(duì)參數(shù)初始化的范圍進(jìn)行了調(diào)整，各級(jí)烘房溫度設(shè)定值的初始化范圍，優(yōu)化結(jié)果和最終設(shè)定值如表1所示。

將烘房?jī)?yōu)化后的溫度設(shè)定值與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8、9所示。圖8示出進(jìn)入定型機(jī)烘房后不同時(shí)刻的織物實(shí)際溫度的情況，其中實(shí)線是優(yōu)化后的值，虛線為未優(yōu)化的值。二者均能在經(jīng)過5節(jié)烘房達(dá)到熱定型溫度，表明2種策略均能滿足定型溫度和定型時(shí)間的要求。圖9示出織物在各節(jié)烘房熱空氣溫度的設(shè)定值，顯然，實(shí)線所代表的優(yōu)化后的設(shè)定值加和要比優(yōu)化前小，節(jié)能效果明顯。

表1各級(jí)烘房設(shè)定溫度值初始化范圍及優(yōu)化結(jié)果
Tab.1Initializationrangeandoptimizationresultsoftemperaturesetvalueofeachdryingchamber

烘房序號(hào)初始化范圍優(yōu)化結(jié)果設(shè)定值X130～20030.19930X2100～190173.061173X3150～200190.379190X4170～200195.014195X5180～200196.19196

圖8 織物溫度對(duì)比圖Fig.8 Comparison of fabric temperature

圖9 定型機(jī)溫度設(shè)定值對(duì)比圖Fig.9 Comparison of temperature set value

3 結(jié) 論

1)針對(duì)熱定型工序的耗能問題，本文提出了一種滌綸織物熱定型降耗的優(yōu)化方法。以織物在定型機(jī)烘房加工過程的熱力學(xué)特性為基礎(chǔ)，建立了織物的實(shí)時(shí)溫度估算模型，可較好地匹配織物的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。

2)運(yùn)用粒子群算法，以能量最小為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行了烘房溫度設(shè)定值的優(yōu)化，在滿足工藝約束的條件下，優(yōu)化后的溫度設(shè)定值可有效地降低能耗。

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