汪 琦,張慧芬,俞紅嘯,汪育佑
(上海熱油爐設(shè)計(jì)開發(fā)中心,上海 200042)
熱定型是印染后整理工藝中的一道重要工序,化纖織物浸軋助劑后,經(jīng)過拉幅、烘燥、定型,以實(shí)現(xiàn)印染產(chǎn)品質(zhì)量的品質(zhì)要求。導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)是采用導(dǎo)熱油作為傳輸熱能的中間載體,通過循環(huán)油泵將導(dǎo)熱油送入導(dǎo)熱油爐中,使導(dǎo)熱油被加熱到印染生產(chǎn)所需要的工作溫度后,輸送給熱定型機(jī)進(jìn)行定型,導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫差有20~30 ℃,釋放出顯熱后的低溫導(dǎo)熱油再流回導(dǎo)熱油爐中重新被加熱,周而復(fù)始,從而達(dá)到導(dǎo)熱油爐向熱定型機(jī)供熱的目的。
導(dǎo)熱油爐有氣相爐和液相爐兩種類型。氣相爐主要是以聯(lián)苯混合物(聯(lián)苯26.5%和聯(lián)苯醚73.5%)為介質(zhì),靠氣相爐的蒸汽壓力向外輸送,所以氣相爐是一種自然循環(huán)的道生爐[1]。液相爐中的導(dǎo)熱油靠循環(huán)油泵的壓頭打入循環(huán)供熱系統(tǒng),以滿足印染定型生產(chǎn)工藝的需要,因此液相爐是一種強(qiáng)制循環(huán)的導(dǎo)熱油爐;另外,由于液相爐的導(dǎo)熱油循環(huán)管道口徑較小,循環(huán)系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油會(huì)出現(xiàn)加熱時(shí)膨脹、受冷時(shí)收縮的體積變化,為了緩沖循環(huán)供熱系統(tǒng)中導(dǎo)熱油體積的增減,需要設(shè)置高位膨脹槽。
印染行業(yè)中的導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)主要是由導(dǎo)熱油爐、循環(huán)油泵、高位膨脹槽、低位儲(chǔ)油槽、油氣分離器、過濾器、熱定型機(jī)、熱風(fēng)拉幅機(jī)、焙烘機(jī)等設(shè)備通過管道連接形成的一個(gè)封閉循環(huán)回路[2]。根據(jù)循環(huán)油泵的安裝位置進(jìn)行分類,供熱循環(huán)系統(tǒng)可分為注入式系統(tǒng)流程與抽吸式系統(tǒng)流程;根據(jù)導(dǎo)熱油爐是液相爐還是氣相爐進(jìn)行分類,供熱循環(huán)系統(tǒng)可分為液相加熱系統(tǒng)與氣相加熱系統(tǒng);根據(jù)高位膨脹槽是否采用惰性氣體(氮?dú)猓┟芊獗Wo(hù)裝置、高位膨脹槽是否承受壓力進(jìn)行分類,供熱循環(huán)系統(tǒng)可分為敞開式(常壓)循環(huán)系統(tǒng)與封閉式(承壓)循環(huán)系統(tǒng)。
供給熱定型機(jī)內(nèi)的熱風(fēng)加熱化纖織物的機(jī)理是強(qiáng)制對流放熱,化纖織物中的水分子攝取熱空氣分子的熱量(蒸發(fā)潛熱)而蒸發(fā),故熱定型機(jī)是染整工序中單機(jī)耗能最大的設(shè)備。在印染生產(chǎn)過程中,熱定型機(jī)內(nèi)存在一定量的蒸汽,其量視單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分及吸入的新鮮空氣而定,因此,為了保持熱定型機(jī)內(nèi)合適的濕度,必須加入大量的新鮮空氣。所以綜合來看,熱定型機(jī)的熱能利用效率并不高,在化纖織物加工定型時(shí)耗用的有效熱能僅為總供熱量的30%左右,而散熱損失則高達(dá)70%左右(其中廢氣排放損失熱量達(dá)55%左右,設(shè)備及壁面散熱量達(dá)11%左右,其他熱量損失為4%左右),因此,印染熱定型機(jī)應(yīng)采用導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能減排和余熱回收利用[3]。
導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)可分為注入式系統(tǒng)流程和抽吸式系統(tǒng)流程兩種方式,而印染行業(yè)的大部分導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)采用注入式系統(tǒng)流程,即采用循環(huán)油泵將導(dǎo)熱油送入導(dǎo)熱油爐中,極少部分循環(huán)供熱系統(tǒng)采用抽吸式系統(tǒng)流程,即采用循環(huán)油泵將導(dǎo)熱油爐中的導(dǎo)熱油抽出后再送入熱定型機(jī)。注入式系統(tǒng)流程可使循環(huán)油泵在較低工作溫度下運(yùn)轉(zhuǎn),并且熱定型機(jī)使用的導(dǎo)熱油壓力較低,而抽吸式系統(tǒng)流程則正好相反,但導(dǎo)熱油爐中的導(dǎo)熱油入口壓力較低、爐管內(nèi)壓力較小,并且導(dǎo)熱油爐爐管在高溫下產(chǎn)生的結(jié)焦雜質(zhì)和積垢異物不容易進(jìn)入熱定型機(jī)。
圖1是注入式系統(tǒng)的工藝流程圖。
圖1 注入式循環(huán)供熱系統(tǒng)的工藝流程圖
注入式系統(tǒng)流程要求循環(huán)油泵安裝在導(dǎo)熱油爐的入油口處,也就是導(dǎo)熱油爐的進(jìn)油口與循環(huán)油泵的出油口緊密相連,所以導(dǎo)熱油爐的爐本體工作壓力較高,通常是整個(gè)循環(huán)供熱系統(tǒng)工作壓力最高的區(qū)域,而循環(huán)供熱系統(tǒng)的熱定型機(jī)內(nèi)的導(dǎo)熱油工作壓力就比較低。因?yàn)檠h(huán)供熱系統(tǒng)中的管路回油是經(jīng)過循環(huán)油泵吸入加壓后,才被送進(jìn)導(dǎo)熱油爐的本體中加熱升溫的,所以,循環(huán)油泵的工作溫度較低。另外,油氣分離器布置在整個(gè)循環(huán)管路中壓力最低的區(qū)域,并且通過循環(huán)系統(tǒng)中的膨脹管與高位膨脹槽連通,而高位膨脹槽的作用除了吸收導(dǎo)熱油受熱后的膨脹量、補(bǔ)充循環(huán)供熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱油用量之外,還起到穩(wěn)定循環(huán)供熱系統(tǒng)壓力的作用[4]。要將過濾器緊密連接在循環(huán)油泵的入油口處,以便濾去導(dǎo)熱油在高溫加熱作用下形成的熱縮合物質(zhì)和膠質(zhì)殘?jiān)?。如果循環(huán)供熱系統(tǒng)要求配備氮?dú)饷芊獗Wo(hù)裝置,則要求氮?dú)饷芊夤夼c高位膨脹槽互相連通。
抽吸式系統(tǒng)流程要求循環(huán)油泵安裝在導(dǎo)熱油爐的出油口處,故導(dǎo)熱油爐本體被布置在整個(gè)循環(huán)供熱系統(tǒng)壓力最低的區(qū)域,所以油氣分離就會(huì)在導(dǎo)熱油爐本體中進(jìn)行,而且循環(huán)供熱系統(tǒng)的脫水排汽多數(shù)集中在導(dǎo)熱油爐本體內(nèi)。循環(huán)系統(tǒng)的膨脹管將導(dǎo)熱油爐本體與高位膨脹槽底部直接連通起來,使得循環(huán)系統(tǒng)的膨脹管處在供熱系統(tǒng)中導(dǎo)熱油爐溫度最高的區(qū)段上,因此,抽吸式系統(tǒng)的高位膨脹槽內(nèi)導(dǎo)熱油溫度要比注入式系統(tǒng)高很多。另外,由于循環(huán)油泵的進(jìn)油口與導(dǎo)熱油爐的出油口相連接,所以循環(huán)油泵的工作溫度較高。為了更好地過濾導(dǎo)熱油內(nèi)的結(jié)焦雜質(zhì)和積垢異物,過濾器應(yīng)該連接在循環(huán)油泵的入油口處,故過濾器的工作溫度也比較高。因此,印染行業(yè)的大部分工藝流程采用注入式系統(tǒng),只有極少部分工藝流程采用抽吸式系統(tǒng)。
印染行業(yè)的熱定型機(jī)和焙烘機(jī)采用不同燃料與不同熱源的供熱方式,比較分析其能耗成本,結(jié)果見表1。
表1 熱定型機(jī)和焙烘機(jī)的能耗成本比較
由表1可以看出,采用燃煤導(dǎo)熱油爐供熱或者燃燒廢舊木料導(dǎo)熱油爐供熱,熱定型機(jī)與焙烘機(jī)的能耗成本最低,但從環(huán)境生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本等方面綜合考慮[5],應(yīng)該采用的供熱方式為:燃燒生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐供熱、燃燒生物質(zhì)顆粒導(dǎo)熱油爐供熱、燃燒水煤漿導(dǎo)熱油爐供熱、天然氣直接式熱風(fēng)爐供熱、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱,可使熱定型機(jī)與焙烘機(jī)的能耗成本相對比較合理。
液相供熱系統(tǒng)有通過一臺導(dǎo)熱油爐向一臺熱定型機(jī)供熱的簡單液相循環(huán)系統(tǒng),也有通過一臺導(dǎo)熱油爐向多臺熱定型機(jī)供熱的復(fù)雜液相循環(huán)供熱系統(tǒng)。通常情況下單臺熱定型機(jī)的液相循環(huán)加熱系統(tǒng)應(yīng)用廣泛、操作容易、使用方便,但是采用多臺熱定型機(jī)的液相循環(huán)加熱系統(tǒng)可以進(jìn)行集中供熱,從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)約成本的目的。
2.1.1 單臺熱定型機(jī)的液相供熱系統(tǒng)
簡單液相循環(huán)系統(tǒng)采用被加熱的導(dǎo)熱油通過循環(huán)油泵流入熱定型機(jī),釋放出熱能后再循環(huán)返回導(dǎo)熱油爐,此時(shí)的導(dǎo)熱油爐出口油溫應(yīng)與熱定型機(jī)的使用溫度直接掛鉤,并根據(jù)熱定型機(jī)的需要設(shè)定工作溫度,從而通過調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油的供給量控制熱定型機(jī)的工作溫度[6]。當(dāng)流向熱定型機(jī)的導(dǎo)熱油流量需要被限制時(shí),只要打開旁通管路上的流量調(diào)節(jié)閥門,使一部分導(dǎo)熱油直接流回導(dǎo)熱油爐,流向?qū)嵊蜖t的導(dǎo)熱油一次主循環(huán)流量要比熱定型機(jī)所設(shè)定的二次循環(huán)流量稍大。
與熱定型機(jī)的導(dǎo)熱油供給流量相對應(yīng),如果導(dǎo)熱油爐的一次主循環(huán)流量減少,則爐管內(nèi)的導(dǎo)熱油流速會(huì)下降,局部爐管壁溫度會(huì)上升,導(dǎo)熱油就會(huì)出現(xiàn)劣化變質(zhì),甚至還可能出現(xiàn)爐管內(nèi)的導(dǎo)熱油結(jié)焦積垢,從而引起爐管堵塞[7]。因此,導(dǎo)熱油爐制造廠家應(yīng)當(dāng)在導(dǎo)熱油爐的出廠資料中給印染廠家提供以下數(shù)據(jù):導(dǎo)熱油爐最高液膜溫度、導(dǎo)熱油最低循環(huán)流量和最小限制流速的計(jì)算結(jié)果,并且應(yīng)在導(dǎo)熱油爐結(jié)構(gòu)中帶有自動(dòng)熄火裝置,從而在出現(xiàn)最低循環(huán)流量時(shí),可以使燃燒裝置自動(dòng)停止運(yùn)行,防止?fàn)t管的空燒現(xiàn)象。
2.1.2 多臺熱定型機(jī)的液相加熱系統(tǒng)
多臺熱定型機(jī)的使用溫度可以相同,也可以不同,而導(dǎo)熱油爐的額定供熱負(fù)荷應(yīng)根據(jù)每臺熱定型機(jī)需求的熱負(fù)荷利用率以及使用頻率來進(jìn)行設(shè)計(jì)。多臺熱定型機(jī)全部采用同時(shí)供應(yīng)熱負(fù)荷,還是按照時(shí)間的先后順序給每臺熱定型機(jī)輪流供應(yīng)熱負(fù)荷,每個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)人員必須進(jìn)行詳細(xì)的考慮和計(jì)算分析,保證選購的導(dǎo)熱油爐輸出熱負(fù)荷與印染生產(chǎn)過程的多臺熱定型機(jī)的輸入熱負(fù)荷能夠匹配,從而避免導(dǎo)熱油爐選配的型號過大或過小[8]。
在設(shè)計(jì)開發(fā)多臺熱定型機(jī)的液相供熱系統(tǒng)時(shí),如果每臺熱定型機(jī)的工作溫度都等于或稍低于導(dǎo)熱油爐的出口油溫,就需要縮小每臺熱定型機(jī)的出口、入口導(dǎo)熱油溫差,可以采用并聯(lián)管路[9],即設(shè)置多個(gè)分支回路(二次循環(huán)回路),并加大每個(gè)分支回路的二次循環(huán)油泵的循環(huán)油量。此時(shí)應(yīng)檢測二次循環(huán)油泵的出口油溫,同時(shí)為了保證每臺熱定型機(jī)的導(dǎo)熱油溫度(印染生產(chǎn)工藝溫度)不發(fā)生變化,需要從主循環(huán)管路(一次循環(huán)回路)內(nèi)吸取一部分高溫導(dǎo)熱油,同時(shí)再以同等體量的低溫導(dǎo)熱油由二次循環(huán)回路配管內(nèi)返回一次循環(huán)主管路。設(shè)計(jì)開發(fā)分支回路系統(tǒng)時(shí),需要在每臺熱定型機(jī)的進(jìn)出口端安裝接受大容量循環(huán)的大口徑配管,在導(dǎo)熱油爐的進(jìn)出口端安裝較小口徑的配管,以大幅度降低導(dǎo)熱油爐的設(shè)備制造費(fèi)用及維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。
聯(lián)苯混合物是由26.5%的聯(lián)苯(C6H5—C6H5)和73.5%的二苯醚(C6H5—O—C6H5)所組成的低熔點(diǎn)混合物,簡稱二苯混合物。聯(lián)苯混合物在常壓下的沸點(diǎn)為258 ℃,凝固點(diǎn)為12.3 ℃,臨界溫度為528 ℃,臨界壓力為4.02 MPa(絕),在液態(tài)時(shí)為無色,具有天竺葵花的氣味,與水幾乎不混溶。聯(lián)苯混合物具有足夠的熱穩(wěn)定性,能在385 ℃下長期操作,在400 ℃下短期操作,且具有較低的蒸汽壓力。聯(lián)苯混合物在250 ℃的飽和蒸汽壓力為0.098 MPa(絕)左右,在350 ℃的飽和蒸汽壓力只有0.52 MPa(絕)。另外,聯(lián)苯混合物的熱穩(wěn)定性比礦物型導(dǎo)熱油好很多,但稍有毒性,滲透性強(qiáng),對密封性要求非常高。所以,在低于385 ℃的高溫下,采用聯(lián)苯混合物飽和蒸汽加熱是一種有效且經(jīng)濟(jì)合理的氣相加熱方法。
氣相供熱系統(tǒng)是將聯(lián)苯爐加熱產(chǎn)生的聯(lián)苯混合物飽和蒸汽輸送給熱定型機(jī),放出潛熱后蒸汽冷凝,熱定型機(jī)得到均勻加熱的氣相供熱系統(tǒng)。冷凝后聯(lián)苯混合物液體通過液位差返回聯(lián)苯加熱爐,或者經(jīng)過閃蒸罐以及回流泵返回聯(lián)苯爐,所以氣相供熱系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)供熱系統(tǒng)。由于氣相供熱系統(tǒng)存在配管口徑尺寸較大、需要設(shè)置冷凝液返回裝置等,除了在一些特殊的印染生產(chǎn)工藝場合使用外,絕大部分印染生產(chǎn)加工企業(yè)還是采用液相循環(huán)供熱系統(tǒng)[10]。另外,氣相供熱系統(tǒng)在運(yùn)行停止時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài),使得外界的氣體很容易混進(jìn)去,而與聯(lián)苯混合物的分子質(zhì)量相比,混入的其他氣體分子質(zhì)量很小,容易在整個(gè)氣相供熱系統(tǒng)的上部區(qū)域蓄積起來,所以,在整個(gè)循環(huán)供熱系統(tǒng)開車運(yùn)行時(shí),必須設(shè)法去除這部分混入氣體,以保證氣相供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行[11]。
2.2.1 自然循環(huán)方式
自然循環(huán)方式是最簡單的氣相供熱系統(tǒng),將在聯(lián)苯爐內(nèi)加熱后的聯(lián)苯混合物飽和蒸汽供應(yīng)給熱定型機(jī),放熱冷凝后,通過液位差返回到聯(lián)苯加熱爐。自然循環(huán)方式的缺點(diǎn)是熱定型機(jī)必須要安裝在整個(gè)氣相供熱系統(tǒng)的最高處,但由于液壓差引起的壓力平衡,有可能會(huì)出現(xiàn)聯(lián)苯爐內(nèi)的液相聯(lián)苯混合物逆流進(jìn)入熱定型機(jī)的情況。因此有必要在液相回路管上設(shè)置與聯(lián)苯加熱爐氣相部位壓力均衡的均壓管。另外由于自然循環(huán)方式不要求使用循環(huán)泵,從而聯(lián)苯混合物在超過其沸點(diǎn)的條件下運(yùn)行時(shí)也不會(huì)引起循環(huán)泵空蝕,還可以在穩(wěn)定狀態(tài)下安全運(yùn)行。但自然循環(huán)方式的缺點(diǎn)是很難做到向多臺熱定型機(jī)同時(shí)供給熱量。
2.2.2 強(qiáng)制循環(huán)方式
強(qiáng)制循環(huán)方式是對聯(lián)苯混合物進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)的加熱系統(tǒng)。聯(lián)苯混合物在聯(lián)苯爐中被加熱后,通過閃蒸罐產(chǎn)生蒸汽被輸送給熱定型機(jī)釋放潛熱,聯(lián)苯混合物冷凝后變成液體流向冷凝液回流泵的入口側(cè),并從回流泵的出口側(cè)流出,然后進(jìn)入循環(huán)泵,經(jīng)過循環(huán)泵加壓后被輸送回聯(lián)苯爐進(jìn)行加熱[1]。另外,強(qiáng)制循環(huán)加熱系統(tǒng)內(nèi)的聯(lián)苯混合物存貯量較少,從升溫到產(chǎn)生蒸汽所需要的時(shí)間較短,而且在強(qiáng)制循環(huán)時(shí),聯(lián)苯爐內(nèi)的聯(lián)苯混合物不會(huì)發(fā)生局部過熱,從而可以抑制聯(lián)苯混合物的劣化變質(zhì)。
在強(qiáng)制循環(huán)方式的氣相供熱系統(tǒng)中,當(dāng)超過沸點(diǎn)的聯(lián)苯混合物在循環(huán)泵內(nèi)循環(huán)時(shí)很容易發(fā)生循環(huán)泵空蝕。因此在設(shè)計(jì)強(qiáng)制循環(huán)氣相供熱系統(tǒng)時(shí),對閃蒸罐的高度設(shè)置、泵凈壓頭的計(jì)算要求特別準(zhǔn)確;另外還要慎重考慮運(yùn)行負(fù)荷的變動(dòng)容量、變動(dòng)速度等影響因素,并以此來決定閃蒸罐的形狀與大小。如果閃蒸罐的容量設(shè)計(jì)過小,而熱定型機(jī)的負(fù)荷變動(dòng)過大,閃蒸罐內(nèi)的聯(lián)苯混合物蒸汽生成速度會(huì)比較劇烈,蒸汽起泡會(huì)使液面的測定變得非常困難,并且閃蒸罐中的滯留液在短時(shí)間內(nèi)就有可能會(huì)蒸發(fā)完,此時(shí)如果循環(huán)泵的入口壓力不足,將會(huì)發(fā)生循環(huán)泵空蝕。所以,在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)需要采用自動(dòng)控制方法,通過檢測閃蒸罐內(nèi)的蒸汽壓力來控制調(diào)節(jié)聯(lián)苯爐的燃料燃燒量,并通過調(diào)節(jié)回流冷凝液的流量,使閃蒸罐的液面能夠保持在一定區(qū)域。
導(dǎo)熱油爐是印染行業(yè)用于熱定型、熱風(fēng)拉幅、焙烘的一種特殊供熱設(shè)備,一般大中型印染廠家均有多臺熱定型機(jī)、拉幅機(jī)、焙烘機(jī)等設(shè)備,其中用熱的總?cè)萘繛?.00×107~2.52×107kJ/h(240 萬~600 萬kcal/h),如果供熱系統(tǒng)采用分散的單臺導(dǎo)熱油爐供熱給單臺熱定型機(jī),需要使用多臺小型導(dǎo)熱油爐,這樣不但會(huì)增加設(shè)備投資的總費(fèi)用,而且使用操作、油爐維修及設(shè)備管理等方面還會(huì)帶來諸多不便,若采用單臺大型導(dǎo)熱油爐集中供熱給多臺熱定型機(jī),則可以極大地改善上述情況[12]。在采用導(dǎo)熱油液相集中供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案時(shí),很多印染廠家都比較擔(dān)心兩個(gè)問題:(1)熱定型機(jī)與焙烘機(jī)的溫度控制;(2)循環(huán)供熱系統(tǒng)的阻力降。
2.3.1 熱定型機(jī)與焙烘機(jī)的溫度控制
由于熱定型機(jī)、熱風(fēng)拉幅機(jī)、焙烘機(jī)等設(shè)備的用熱負(fù)荷與用熱溫度都不相同,所以,在導(dǎo)熱油的總管進(jìn)入各臺熱定型機(jī)的導(dǎo)熱油分支管上需要安裝一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥,然后通過調(diào)節(jié)各個(gè)分支管內(nèi)的導(dǎo)熱油流量來調(diào)節(jié)各臺熱定型機(jī)的用熱負(fù)荷與溫度。與蒸汽供熱系統(tǒng)相比較,導(dǎo)熱油液相供熱系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性更好,因此熱定型機(jī)、焙烘機(jī)烘房內(nèi)各處的溫度均勻性也會(huì)好得多,從而印染產(chǎn)品的染色效果好,不會(huì)發(fā)生變色現(xiàn)象,這樣印染產(chǎn)品的次品率就會(huì)比較低。
本文通過一個(gè)實(shí)例的傳熱計(jì)算來分析導(dǎo)熱油液相供熱系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性。導(dǎo)熱油爐進(jìn)出口的油溫差按照下式計(jì)算:
Q=V×ρ×Cp×(t2-t1)
式中,Q為導(dǎo)熱油爐的供熱負(fù)荷,kcal/h;V為導(dǎo)熱油的流量,m3/h;ρ為導(dǎo)熱油的密度,kg/m3;Cp為導(dǎo)熱油的比熱,kcal/(kg·℃);t2為導(dǎo)熱油爐的出口油溫,℃;t1為導(dǎo)熱油爐的進(jìn)口油溫,℃。使用2.10×107kJ/h(500 萬kcal/h)導(dǎo)熱油爐,以WD-300 型高溫導(dǎo)熱油為例進(jìn)行傳熱計(jì)算,在油溫為300 ℃時(shí),ρ=840 kg/m3,Cp=0.66 kcal/(kg·℃),V=300 m3/h,將數(shù)據(jù)代入上式中可得:
500×104=300×840×0.66×(t2-t1)
油溫差Δt=t2-t1≈30 ℃
即導(dǎo)熱油溫差為1 ℃時(shí),導(dǎo)熱油供熱負(fù)荷變化為7.00×105kJ/h(16.6 萬kcal/h);反之,當(dāng)熱定型機(jī)的用熱量變化為7.00×105kJ/h時(shí),熱定型機(jī)的導(dǎo)熱油溫度變化僅為1 ℃。所以,導(dǎo)熱油爐供熱負(fù)荷越大,導(dǎo)熱油溫度的敏感性也就越“遲鈍”。而在印染生產(chǎn)過程中,熱定型機(jī)烘箱內(nèi)的熱風(fēng)溫度相對導(dǎo)熱油還會(huì)有一個(gè)“滯后”現(xiàn)象,通常是導(dǎo)熱油溫差要變化2~3 ℃,熱定型機(jī)烘箱內(nèi)的熱風(fēng)溫度才會(huì)變化1 ℃。因此,采用導(dǎo)熱油液相集中供熱系統(tǒng)能使熱定型機(jī)烘箱內(nèi)的熱風(fēng)溫度控制在一個(gè)比較高的精度范圍內(nèi)。
有些印染廠家焙烘機(jī)等設(shè)備的焙烘溫度精度要求較高,特別是在焙烘有些染色布(例如軍綠滌棉布)時(shí),焙烘溫度變動(dòng)要求控制在±1 ℃范圍內(nèi),否則會(huì)影響軍綠滌棉布的色差,并影響成品的合格率。在這種情況下應(yīng)該考慮在焙烘機(jī)的導(dǎo)熱油分支管上加裝一個(gè)電動(dòng)節(jié)流閥來進(jìn)行精確的流量調(diào)節(jié),從而可以確保焙烘溫度的精度控制要求。
2.3.2 循環(huán)供熱系統(tǒng)的阻力降
紡織印染行業(yè)采用導(dǎo)熱油液相集中供熱方式時(shí),由于導(dǎo)熱油管道長度增加,供熱管路壓力降隨之增大。以2.10×107kJ/h導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)為例,熱油循環(huán)泵的揚(yáng)程為80 m 油柱,導(dǎo)熱油爐壓力降為30 m 油柱,因此,導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)管線、熱定型機(jī)與焙烘機(jī)等設(shè)備尚有50 m 油柱的余量。根據(jù)很多印染廠家的使用經(jīng)驗(yàn),通常只要具有35 m油柱的揚(yáng)程就能夠滿足使用要求。
導(dǎo)熱油液相循環(huán)供熱管路的阻力降與管道直徑成反比,如果管道變粗,則供熱管路的阻力會(huì)相應(yīng)減小,因此2.10×107kJ/h導(dǎo)熱油爐的總管道直徑增加至250 mm,則供熱管路的阻力可相應(yīng)減少1/4。由于熱定型機(jī)與焙烘機(jī)等設(shè)備散熱器內(nèi)的多根管子是采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接的,故管道內(nèi)導(dǎo)熱油的流速較低,并且供熱管路的阻力降與管道內(nèi)導(dǎo)熱油流速的平方成正比,即管道內(nèi)導(dǎo)熱油流速越低,其管路內(nèi)阻力降越小。所以,熱定型機(jī)與焙烘機(jī)等設(shè)備散熱器內(nèi)的導(dǎo)熱油阻力很小。
導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)可以分為敞開式循環(huán)系統(tǒng)和封閉式循環(huán)系統(tǒng)。敞開式循環(huán)系統(tǒng)是指與大氣環(huán)境相通的導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng),該循環(huán)供熱系統(tǒng)中至少應(yīng)該有一處放空管的排放口與大氣環(huán)境直接相通。封閉式循環(huán)系統(tǒng)是指與大氣環(huán)境隔絕的導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng),該循環(huán)供熱系統(tǒng)或是采用惰性氣體(例如氮?dú)猓└采w保護(hù),或是采用液封裝置與大氣環(huán)境隔離保護(hù)。
導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱油內(nèi)含有一定量的氣體:(1)新注入的導(dǎo)熱油中殘存的水分加熱后氣化形成的水蒸氣;(2)供熱系統(tǒng)內(nèi)殘留的空氣;(3)導(dǎo)熱油加熱后揮發(fā)析出的輕組分和揮發(fā)性組分。這些氣體在循環(huán)供熱系統(tǒng)運(yùn)行過程中將會(huì)產(chǎn)生“氣阻”,使循環(huán)泵內(nèi)出現(xiàn)抽真空,并造成循環(huán)泵壓力不穩(wěn)、流量下降甚至中斷。因此,導(dǎo)熱油爐和循環(huán)供熱系統(tǒng)在開車啟動(dòng)時(shí)以及經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后均需要進(jìn)行排氣,以保證導(dǎo)熱油爐和循環(huán)供熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行[13]。
根據(jù)高位膨脹槽是否承受壓力可以分為敞開式膨脹槽(常壓)和封閉式膨脹槽(承壓),而印染生產(chǎn)過程中廣泛使用敞開式循環(huán)系統(tǒng),也就是通過油氣分離裝置把導(dǎo)熱油中的氣體分離出來,并且再通過膨脹管將這些氣體排放到高位膨脹槽(常壓),然后再從敞開式膨脹槽的放空管排放到大氣環(huán)境中[14]。所以,敞開式循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備造價(jià)低、運(yùn)行簡單、操作容易、使用方便。
由于導(dǎo)熱油的抗氧化性、熱穩(wěn)定性及工作溫度決定了其在操作條件下發(fā)生氧化變質(zhì)可能性的大小和氧化反應(yīng)的速度。因此,在印染生產(chǎn)過程中無論選擇何種型號的導(dǎo)熱油,在循環(huán)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行操作條件下,利用導(dǎo)熱油自身具有的氧化安定性來抵抗氧化反應(yīng)作用非常有限,尤其是在導(dǎo)熱油工作溫度較高且與空氣直接接觸的敞開式高位膨脹槽內(nèi),實(shí)際效果更加有限。所以,導(dǎo)熱油的最高允許使用溫度為320 ℃。如果導(dǎo)熱油的工作溫度在操作條件下非常高,則容易導(dǎo)致高位膨脹槽內(nèi)的導(dǎo)熱油發(fā)生氧化反應(yīng),故應(yīng)該采用封閉式循環(huán)系統(tǒng)[15]。
與敞開式循環(huán)系統(tǒng)相比,封閉式循環(huán)系統(tǒng)減小了直接向外部大氣環(huán)境排放導(dǎo)熱油輕組分和揮發(fā)性組分的排放量,從而提高了導(dǎo)熱油爐和循環(huán)供熱系統(tǒng)的安全性,還能夠有效降低導(dǎo)熱油爐及其循環(huán)供熱系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)熱油氧化變質(zhì)的可能性,同時(shí)還可以延長導(dǎo)熱油的使用壽命。所以,為了防止循環(huán)供熱系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)熱油出現(xiàn)氧化變質(zhì),可以采用封閉式循環(huán)系統(tǒng),以阻止空氣進(jìn)入封閉式膨脹槽,即采用惰性氣體密封保護(hù)高位膨脹槽(承壓),且需要設(shè)置惰性氣體的定壓裝置,以保證封閉式膨脹槽內(nèi)惰性氣體工作壓力的穩(wěn)定。如果封閉式膨脹槽內(nèi)惰性氣體的最高壓力不超過0.01 MPa,也可以采用液封裝置限制其超壓。
利用導(dǎo)熱油加熱,并采用導(dǎo)熱油二次循環(huán)供熱系統(tǒng),可使焙烘房內(nèi)溫差控制在±1 ℃,從而減少染色布的色差。產(chǎn)生染色布色差的因素是多方面的,但充分利用導(dǎo)熱油液相循環(huán)供熱系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性,使烘房內(nèi)的溫度始終保持一個(gè)相對恒定值,并縮小烘房內(nèi)的瞬時(shí)溫差和各點(diǎn)位置溫差,就可以大幅度減少染色布的前后色差和左中右色差。由于某些分散染料分子在高溫條件下的顯色敏感性特別高,如果烘房內(nèi)的溫度變化超過2~3 ℃,在不同溫度下的染色布顯色后就會(huì)明顯不一樣,色差造成的降等次布也會(huì)增加。而采用導(dǎo)熱油爐加熱的最大優(yōu)點(diǎn)是可以保證焙烘房內(nèi)溫差在±1 ℃,為減少染色布的色差,提高染色布的產(chǎn)品質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。
熱定型機(jī)采用導(dǎo)熱油液相循環(huán)供熱系統(tǒng)加熱,可保證烘箱內(nèi)的溫差在±1 ℃,解決烘箱溫度升不高及烘箱內(nèi)各點(diǎn)位置溫差太大,只能生產(chǎn)低檔產(chǎn)品的問題,同時(shí)還可以提高車速20%左右。若按照煤與電的差價(jià)進(jìn)行計(jì)算,一年內(nèi)就可以回收設(shè)備的投資成本。
熱風(fēng)拉幅機(jī)烘房內(nèi)的溫度可以根據(jù)不同織物、不同印染工藝的要求,通過自動(dòng)閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油的流量來達(dá)到所需要的烘房溫度,在保證印染產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,一般可以提高車速15%~20%,故可以大幅度提高熱能利用率,并且260 ℃左右的導(dǎo)熱油通過散熱器熱交換后僅下降10 ℃左右,然后通過導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)再次返回導(dǎo)熱油爐進(jìn)行重新加熱,反復(fù)循環(huán)、反復(fù)利用,節(jié)能效果非常顯著,一年內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)幾十萬元[16]。
(1)在設(shè)計(jì)開發(fā)印染行業(yè)的導(dǎo)熱油循環(huán)供熱系統(tǒng)時(shí),首先按照導(dǎo)熱油是氣相還是液相判定采用氣相供熱系統(tǒng)還是液相供熱系統(tǒng),其次按照循環(huán)泵和導(dǎo)熱油爐安裝位置的前后順序,選定注入式流程或抽吸式流程,最后按照高位膨脹槽內(nèi)是否采用惰性氣體(例如氮?dú)猓┟芊獗Wo(hù)裝置,確定采用敞開式循環(huán)系統(tǒng)或封閉式循環(huán)系統(tǒng)。同時(shí),設(shè)計(jì)開發(fā)人員應(yīng)根據(jù)選擇的熱定型機(jī)型號、臺數(shù),導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)型式、燃料燃燒方式,導(dǎo)熱油的類型、工作溫度,高位膨脹槽內(nèi)導(dǎo)熱油溢出現(xiàn)象是否會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)境污染、操作人員安全問題,盡量避免導(dǎo)熱油出現(xiàn)氧化變質(zhì),盡可能延長導(dǎo)熱油的使用壽命,并滿足節(jié)約成本等方面的要求等,安全、規(guī)范、合理地選擇氣相供熱系統(tǒng)或液相供熱系統(tǒng)、注入式流程或抽吸式流程、敞開式循環(huán)系統(tǒng)或封閉式循環(huán)系統(tǒng)。
(2)一般大中型印染廠家會(huì)有多條生產(chǎn)線,其中熱定型機(jī)、熱風(fēng)拉幅機(jī)、焙烘機(jī)等設(shè)備少則3~4臺、多則7~8臺,可采用導(dǎo)熱油液相集中供熱系統(tǒng)及二次循環(huán)供熱系統(tǒng),并采用智能控制熱定型機(jī)進(jìn)油閥門的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器,既達(dá)到導(dǎo)熱油流量調(diào)節(jié)與分配的目的,又能快速開啟、關(guān)閉閥門,從而實(shí)現(xiàn)烘房內(nèi)溫差控制在±1 ℃。同時(shí)通過人工智能控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱定型機(jī)溫度設(shè)定、自動(dòng)跟蹤、顯示、打印、報(bào)警、產(chǎn)量米長累計(jì)等功能,實(shí)現(xiàn)熱定型機(jī)烘箱內(nèi)溫度的計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié),從而達(dá)到顯著的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能環(huán)保效果。