多孔性织物热定型过程中流热质耦合机理及其应用研究

Heat setting of printing and deying is a technique to eliminate internal stress and high elastic deformation of fabric to maintain its dimensional stability by drying the fabric with hot air. Heat setting machine is one of the most important equipment in printing and deying process. Fabric's heat setting quality and efficiency constrains with the intrinsic structural parameters and heat setting process parameters. In this project, mathematicall model will be estalbished to analysis the warp and weft fabric density, fiber material and diameter, as well as temperature, humidity, fabric moisture on the coupled fabric heat and mass transfer mechanism; . Based on this, finite element model for analysis the temperature field and flow field distribution under multi-nozzle mode will also be established, and the fabric movement under air flow would be analyzed with a lumped parameter model. With these models, optimized nozzle structural parameters and distribution model would be presented and the suspension stability of the fabric will be improved. Finally, multi-parameter analysis model for the fluid-heat-mass coupling characteristic was present, and some experimental setups are manufactured to validate the rationality and effectiveness of theoretical modesl. In this project, the influence of the fabric intrinsic parameters on the heat setting process was presented firstly, and the theory is used to guidance the design and layout of stenter key parts. The research results will be benefit for the versatility and low-energy design of heat setting machine.

印染热定型是指采用热气流对多孔性织物进行烘干，消除织物内应力和高弹形变后，达到维持织物尺寸稳定目的的工艺。热定型机是印染过程中的重要装备，也是印染所有环节中能耗与废气排放最严重的设备。定型质量和效率受织物本征结构参数及热定型工艺参数共同制约。课题将建模分析织物经纬纱密度、纤维材质与直径等本征结构参数，以及温度、湿度、织物含湿量等条件对热质传递的影响机理；在此基础上，建立多喷嘴模式下织物所处温度场和流场的有限元分析模型，并对织物在气流作用下运动规律采用集总参数模型进行分析，实现以定型质量最优为目的的喷嘴结构参数与喷嘴空间布局模型优化；最后建立多孔性织物密闭空间内热定型过程的气-热-质多参数耦合特性分析模型，结合相关试验研究来验证数学模型的合理性及有效性。课题首次提出织物本征参数对热定型性规律的影响研究，并应用其指导定型机构的设计与布局，研究成果将奠定定型机通用性和节能性研究的理论基础。

印染热定形工段的能耗占整个印染生产过程总能耗的1/3 以上，而废气排放量占印染废气排放总量的1/2以上，掌握热定形相关关键技术，对印染业的节能减排具有重要意义。多数织物一般均为多孔性材料，定形过程中的能量主用于含湿织物的干燥，故就湿薄多孔性织物的气流干燥规律展开研究是实现热定形过程节能减排的基础。项目以计算流体力学、传热传质计算模型以及微波非接触式织物含水量测量及红外温度测量为手段，针对典型的气流冲击干燥过程及热定形风道、喷嘴的优化设计等展开研究。主要研究工作如下：1）针对织物组成成份复杂、含水率测量困难的问题，在实现高表面积/厚度比织物内水量均匀分布的基础上，分析获取了任意组分比例棉/涤织物的微波衰减量和含水率的通用数学表达模型，可实现对任意属性双组分织物含水率的非接触式微波法测量；2）搭建了多孔织物气流冲击干燥试验平台，分析获取了气流速度、角度及织物组织结构对织物干燥效率的影响规律，为热定形风道及喷嘴的结构设计及优化奠定试验基础；3）在分析获取冲击流下非均布式对流传热系数空间分布规律基础上，建立了适用于多孔织物气流干燥过程的流热质多场耦合分析模型，系统论证了喷嘴结构参数、流场与织物特性等对织物干燥过程的影响规律，为热定形风道及喷嘴的结构设计及优化奠定理论基础；4）建立了热定形机多喷嘴风道流场分析模型，系统分析了风道结构参数对喷嘴流场分布特性的影响规律，解析了高幅宽特性下单端入口式风道热质传输不均衡的本质，提出了具有面向提升热通量均匀性的喷嘴空间布局模型；5）围绕印染热定形绿色化及智能化相关的织物密度检测、高效换热器开发、废气净化处理等进行了拓展性研究。项目研究成果为低功耗热定形机的优化设计提供了依据，并成功实现了相关技术的产业化应用及推广。