第二节 气流循环系统
气流染色机的气流循环系统是牵引织物循环的主要动力源，同时携带细化染液为染料向织物纤维上染提供交换条件。由于空气具有可压缩性，其密度及黏度在不同温度下会发生变化，所以在整个染色过程中，实际上对织物的作用也是不稳定的。特别是细化染液在紊流的气流中也会发生变化，对气流产生一定影响。如何将这些变化和影响控制在所需的染色条件下，也是气流染色多年来一直研究的课题。如果从理论上研究，它涉及空气动力学、热力学等学科，其复杂程度远远超过一般研究部门的能力。因此，更多的是建立在试验的基础上，并结合工艺特点来研发的。这里仅从应用的角度来讨论和分析气流循环系统的工作状态，并对循环风机的一些技术参数和特性曲线作简单介绍。
气流循环系统主要包括循环风机、气流喷嘴和气流循环管路。织物的运行和扩展状态，以及染液通过气流对织物的作用，都与该循环系统密切相关。
一、循环风机
气流循环的风机一般采用高压离心式风机。牵引织物循环需要足够大的风量，而一定风量必须依靠相应的风压来克服循环系统的沿程和局部损失。考虑到牵引不同克重及品种的织物所需的作用力有差异，所以气流染色机的风机额定功率一般选择都比较大。在具体使用中，可通过风机的交流变频控制，提供相应风量。这样既可以不同克重织物满足所需的风量，同时又可以达到节能的目的。风机的几个特性参数是风量（流量）、风压（压力）、转速、功率和效率，通过风机特性曲线可以反映出这些特性参数相互关系。除此之外，与风机密切相关的管网，也有一个表述风量和风压变化关系曲线，称为管网特性曲线。在实际气流循环过程中，风机的特性曲线与管网特性曲线的交点，才是风机实际风量和风压的工况点。
1．风量和风压 风量也称作流量，表示气体单位时间流过某一横截面的体积或质量；风压也称作压力，有静压和动压之分。对于气流染色机的循环风机的风量和风压，究竟应该取得一个什么样的值，目前还没有一个具有说服力的理由。但有一点可以肯定，同一台气流循环的风机，当转速一定时，在常温下和高温下的风量和风压是不同的。其原因是随着空气温度的提高，其密度变小，动力黏度增大。我们知道，气流牵引织物运动，是空气的黏度对织物的作用而形成的。也就是说，空气黏度的增加必然要加大对织物的牵引力，织物的线速度要加快。在实际应用中，这一现象是很明显的。当常温下的风机转速设定后，在高温下织物的线速度会加快，电机的电流也增大，即意味着电机功率的增加。当然，这里也不能排除在高温下因密闭容器（指主缸）蒸汽压的加大，空气中还混有大量水蒸气，也会加大风压和功率的消耗。从织物匀染性的角度来考虑，织物在高温下往往染料的上染速率加快，如果织物的线速度增加就会提高与染液的交换频率，有利于织物的匀染。但在高温下进行保温时，有时并不需要太快的交换频率。对于针织物或弹力织物，织物线速度过快会产生较大的张力，使织物变形或弹力纤维失去弹性（特别是在高温下）。因此，风机的风量和风压应该设计成在温度变化过程可调节的，最好是一种动态控制。
由于风机的静压是克服管网阻力的必要因素，而气流经过喷嘴环缝形成高速气流时，会产生很大阻力损失（即压降），所以气流染色机都是采用高压风机［压力在14.715KPa（1500mmH2O）以上］。在实际应用中，织物循环主要是依靠足够风量，而风压一般仅起到克服管网（这里主要是喷嘴环缝隙）阻力，保证风量输送的作用。但是，风量和风压不能绝对分开，风压不够，表现出来的风量也不足。
2．风机特性曲线 风机工作在一定的吸气状态和转速条件下，其理论全压与理论流量之间的关系通常可用理论全压特性曲线表示。风机叶片出口角度的大小，对风机的特性影响很大。一般可分为三种形式：后向叶片，叶片出口角度小于90°；径向叶片，叶片出口角度等于90°；前向叶片，叶片出口角度大于90°。考虑到气流染色机风机的超载能力，一般选择后向叶片。由于风机在实际工作中存在各种损失，如水力损失、容积损失、轮盘摩擦损失和轴承损失等，所以将效率考虑进去得到的是实际全压特性曲线。图3-3为风机的风压（P）—风量（Q）、功率（N）—风量（Q）和效率（η）—风量（Q）实际特性曲线。
在气流染色机中，与风机相连的有进口管（包括过滤器）、出口气流管以及气流喷嘴等，这些连接部分可视为管网，与风机构成一个封闭的气流循环系统。根据伯努利方程，风机的全压应等于管网的总阻力加上风机出口的动压损失。图3-4表示气流管网输送风量时所消耗的风压能（P）与所输送的风量（Q）之间的关系，是一个二次抛物线，称作管网特性曲线。
3．风机工况与工作区域 风机与管网连接在一起工作时，流经管网的流量等于风机流量，管网（气流管路）的总阻力与风机出口动压损失之和等于风机所产生的全压。采用同一比例绘制的风机特性曲线与管网特性曲线的交点即为风机的工况点，如图3-5所示。图中曲线P为风机的全压特性曲线，OB为管网特性曲线，两者的交点M即为工况点。该点反映出风机的流量、全压、效率和功率等主要性能参数。
图3-3 风机实际特性曲线
图3-4 管网特性曲线
图3-5 风机工况
在实际工作中，根据不同织物克重或品种，总是要通过改变气流喷嘴的气流速度来改变织物的运行速度。但这种风速或风量的改变实际上就是改变了管网阻力，而风机的工况点也随之改变。当管网阻力增大（如曲线OC所示）时，风机的流量将减小；当管网阻力减小（如曲线OD所示）时，风机的流量将增大。因此，为了保证风机能够正常和合理的运转，通常要控制风机的工况在整个工作期间不超出合理区域。该工作区域取决于风机工作的稳定性和经济性。
要满足稳定性，首先是压力特性曲线不能有驼峰，其次是风机必须工作在压力最高点的右侧。满足这种条件的风机特性曲线与管网特性曲线的交点只有一个，并且应该位于压力特性曲线最高点的右边。如图3-6（a）所示，当工况点移到K点或超过K点向左移动时，风机的特性曲线与管网特性曲线将会出现两个以上的交点。显然在这种条件下的风机运行不稳定，会发生喘振现象。当风机的特性曲线形状如图3-6（b）所示，工况也应位于K点的右边。如果工况移到K点或K点的左边部分时，曲线上虽然只有一个交点，但工况点将交替在第一象限和第二象限内变动，也会发生喘振现象。因此，风机只有工作在风压最高点的右侧才是稳定的。
风机最高效率点的工况称作额定工况，此时的流量、压力分别称作额定流量和额定压力。一般情况下，总是希望风机工作在效率最高点。然而实际工作中，并不一定正好就在这一点，所以效率都会有所降低。为了满足经济性，风机的实际工况点应控制在（0.85～0.90）ηmax的范围内。这一范围也称作经济工作区域，如图3-7所示。
图3-6 风机的稳定工作区域
图3-7 风机的经济工作区域
4.风机的调节 气流染色机的风机在使用中，需要经常改变风机和管网中的风量，以满足不同织物克重和品种所需的运行速度。一般可采用两种调节方式，即改变管网特性曲线和改变风机的压力特性曲线，如图3-8所示。现讨论这两种调节方式的工况变化情况。
图3-8 风机的调节
（1）改变管网特性曲线的调节。该调节方法是在出气管或进气管路中设置调节阀门，改变开启程度，以减小或增大管网的阻力来改变风机流量。调节过程中，风机压力特性曲线没有改变，但管网特性曲线在改变，所以工况点的位置被改变了。调节阀门关小时，管网阻力增加，则流量减少。显然，在管网的节流状态下，风机压力的一部分用于克服管网阻力，另一部分则用于克服阀门的阻力。一般情况下，风机节流后的功率有所下降。
（2）改变风机压力特性曲线的调节。从理论上来讲，改变风机压力特性曲线的调节可以采用：改变风机转速、改变风机进口处导流器叶片角度以及改变叶轮宽度和叶片角度。在这些调节过程中，管网特性曲线不改变，只有风机的压力特性曲线发生改变，因而也改变了工况点的位置。但在实际应用中，风机结构一定时，一般都是采用风机转速调节。其原因是风机在管网阻力与流量平方成正比的管网中工作时，风机转速降低，其效率仍保持不变，但风机功率却因流量和压力的降低而显著下降。风机转速变化与流量、压力和功率存在以下变化关系式：
因此，从空气动力学来考虑，改变风机转速的调节方法是最合理的，也是最经济的。目前气流染色机的风机都是采用交流变频控制，但没有实现动态控制，许多情况下是在做无用的功率消耗，比同一容量溢喷染色机要偏大很多。这也是制约气流染色机应用推广的一个方面。如何解决好这一矛盾，还有待于设备制造商的深入研究和开发。
5．风机功率的消耗 采用气流雾化形式的气流染色机风机功率的消耗较大，主要是在染液雾化室内气流带动雾化染液需要消耗很大一部分能量。染液雾化颗粒的大小对气流消耗的影响很大，染液雾化颗粒小，消耗的气流能量也小，反之就大。根据这一特点，有气流染色机制造商采用小孔径染液雾化喷嘴，使染液的雾化颗粒减小，从而降低了气流的能耗，减小了风机功率。但染液雾化喷嘴因孔径较小，更容易被纤维短绒或杂物堵塞，需经常拆卸染液雾化喷嘴清理，给实际操作带来了不便。
相比之下，采用气压渗透式原理的气流染色机，气流喷嘴受染液的影响很小。气流在牵引织物循环的过程中，除了对织物所吸附的染液产生一定的渗透力外，没有对染液产生消耗。因此，可以消耗较低的风机功率。
气流染色机的风机功率消耗，除了与设备的工作原理有关外，还与空气在温度变化过程中的黏度系数变化有密切关系。高温下空气黏度系数的增大，加大了对牵引织物循环的黏着力，减少了空气与织物的相对滑动速度。不仅使织物的运行线速度加快，同时还增加了风机的功率消耗。此外，在高温密闭容器（这里指主缸）内，存在一定的水蒸气，实际上风机中的循环介质是空气和水蒸气的混合体，显然密度比常温下空气的密度低，从而增加了风机的风压和功率。这就是同样功率的风机，在同一频率下运行，高温时电机拖动电流要高于常温时电机拖动电流的原因。因此，同样容量的气流染色机风机功率，高温型的要比常温型功率选取得要大一些。
二、气流喷嘴
气流喷嘴是夹带细化染液的气流牵引织物，并进行染液与织物交换的地方。气流首先在夹套中与细化染液相遇，呈雾化状染液弥散在气流中，然后再通过喷嘴环形缝隙喷入中间管形通道与织物相接触。气流喷嘴采用了拉法尔（Laval）喷管原理，将气流的速度提高到超音速，使气、液两相流形成分散状或环状流型，在牵引织物循环的同时进行织物与染液的均匀交换，提供了织物获得均匀上染的条件。为了对气流喷嘴有一个全面的认识和了解，下面对气流喷嘴的工作原理和结构形式进行介绍。
1．拉法尔喷管原理 气体通过喷管因发生压力降低和容积膨胀而能获得高速气流，而拉法尔喷管是用于产生高速气流的一种喷嘴结构形式。气流在拉法尔喷管中的变化规律是气流喷嘴设计和使用的依据。根据质量守恒规律，通过连续性方程式可以得出喷管截面的变化率与气体比容变化率和流速变化率的关系：
式中：
——喷管截面变化率；
根据能量守恒定律，由绝热稳定流动能量方程式可以导出喷管中的流速变化与压力变化的关系，其微分关系式如：
wdw=-vdp（3-3）
上式表明，流速与压力相反，即在绝热流动过程中，若压力降低，则流速必然增加；反之，则降低。
此外，要获得高速气流，喷管的形状（即轴向截面变化规律）必须符合气体本身的膨胀规律。将绝热过程方程式与连续式方程以及式（3-2）联系起来，可以得到喷管截面的变化关系式：
式中：M——马赫数，是物体的速度与音速之比，用来描述气体特性的重要参数。M＜1，表示气体为亚音速；M=1，为音速；M＞1，则为超音速。
图3-9 喷管内参数变化示意图
由式（3-4）得知，要增加气流速度，沿途截面的增减变化，取决于（M2-1）的正负号。当进口的初速度小于音速（M＜1），若要增大流速，就必须使
为负值，即喷管截面应缩小；当流速增加到等于音速（M=1）时，则
=0，此时喷管截面最小。若要流速继续增加，超过音速（M＞1），则
应为正值，此时喷管截面应增大。由此可见，减缩喷管最高只能得到音速气流。要获得超音速气流，喷管必须制成渐缩渐扩形。这种形式喷管称作拉法尔喷管。气流在拉法尔喷管内流速（w）、压力（p）、比容（v）在沿途截面的变化规律如3-9所示。
流体经过喷嘴时因过流截面的变化，流速、压力和比容都会发生变化，但质量和能量的总量是守恒的。拉法尔喷管对气流的加速作用，压差是使气流加速的内在动力，几何形状是使气流加速的外部条件，而气流的焓值变化（即焓降）为气流加速提供了能量。
2．气流喷嘴的结构形式 根据拉法尔喷管原理，气流喷嘴的轴向截面是采用渐缩、喉部和渐扩三段，气流通过环缝隙喷出，与织物运行方向形成一定角度。高速气流可分解为与织物运行方向相同和垂直两个分力，与织物运行方向相同的分力牵引织物循环，与织物垂直的分力对织物纤维产生渗透力，加快染液向纤维内部的扩散。气流喷嘴结构设计在充分满足染液的雾化效果的同时，还要保证织物与雾化染液的充分接触，并且对织物的表面能够起到保护作用。比较成功的气流染色机对气流喷嘴结构都有专利保护。
图3-10 气流喷嘴气、混合过程
1—织物 2—气液混合室 3—染液雾化喷嘴
由于织物经过气流喷嘴的线速度较快，并且会发生较大的速度变化，因此为了保证织物表面不受损伤（如擦伤、极光等），通常内壁表面的粗糙度要求非常高，甚至在其中某一段采用了聚四氟乙烯材料。一些气流染色机对这部分的加工质量无法达到要求，容易出现织物表面质量问题。与传统溢喷染色机喷嘴不同的是，气流喷嘴通径的规格一般没有那么多，目前最多只有两种规格。织物克重在较大范围内可以采用同一通径进行加工，轻薄织物在气流喷嘴中总会被气流吹展开，充满气流喷嘴横截面。所以不用担心绳状织物跑偏的问题。对于克重在800g/m2以上的织物（如毛巾类），考虑到织物呈束状时的直径较大，无法通过气流喷嘴通道，可换成相应的大通径喷嘴。气流喷嘴的环形缝隙一般制造商在出厂之前都已调整好，不是特别情况下（如维修、更换）最好不要动。总之，气流染色机的气流喷嘴对使用厂家来说更为方便。
3．气、液两相流的流型 气流与染液在气流喷嘴中，实际上是气、液两相流在一定条件下混合喷射过程。如图3-10所示。为了保证染液与织物的均匀交换，必须通过高速气流产生分散流或环状流型。气、液两相流在喷嘴中以分散流的流型较为理想，染液的细化颗粒能够均匀地分布在气流中。但是需要很高的气流速度（至少60m/min），而气流经过环缝隙会产生很大压降损失，并且作用在织物上也要消耗很大一部分能量。环状流型是染液沿气流喷嘴内壁以圆环状流动，而气流则沿气流喷嘴中心流动。产生这种流型的气流速度相对较低。在实际应用中，气流雾化式染色机气流喷嘴的气、液两相流，一般是介于这两者之间的流型。
图3-11 自由射流示意图
4．导布管的气流喷出 气流从喷嘴喷出后经导布管喷出，分散在主缸内空间。从导布管喷出的气流速度很高，射入周围空间相对静止空气时，气流几乎不受限制地向四周自由扩散。气体离开喷管进入空间的射流称之为自由射流，如图3-11所示。导布管出口断面上的速度是均匀的，其速度称作自由射流的核心速度。自由射流具有卷吸作用，可将周围空气逐渐卷入射流中，不断扩大射流横断面和增加流量，使核心速度逐渐缩小，以致最后消失。射流与周围空气的静压相等。射流最外边界的轴向速度为零，射流边界延长线相交的夹角称为扩散角。在该扩散角的范围内，因气流动量的横向传递，对绳状织物具有一定的扩散和解捻作用，可消除织物的经向折痕。
气流染色机导布管出来的气流还要经过一个扩散摆布斗，实际上受到部分限制，但出摆布斗后就基本上就类似于自由射流。织物在自由射流的作用下，会产生一定的扩展，尤其是筒状针织物会被吹鼓起来。这对消除织物的折痕有利，但是过分的吹鼓会影响到织物的运行和堆积。所以，一般要将筒状针织物的接缝处，留出10～15cm的缺口，可排除一些空气。
三、气流循环管路
气流染色机的风管是为风机与气流喷嘴的连接而设置的，构成一个管网系统。为了满足各管气流喷嘴的静压强分配相等条件，主风管直径通常设计得比较大。风管的截面形状、缩扩变化以及转角处等都会产生沿程和局部阻力损失，风机的风量及风压应该在这一部分的效率损失最小。风机进口风管是设置在主缸体内，具有足够大的过流和过滤面积，目的是减少进气阻力。
1．气流总分配管 该管与风机出口连接，将具有一定全压额定气流均匀分配给各气流喷嘴。从流体力学理论上讲，只要风管的局部和沿程的阻力损失正好等于风机所提供的压力能，即可使风管沿途各点的静压相等，各气流喷嘴可获得相同的风量。然而，在实际应用中，由于管网制作的误差以及织物运行状态的变化，气流总分配管的头尾会出现风量差异。从流体动力学角度来考虑，最好采用变截面形式，在气流输送方向逐步变径。但这种设计难度较大，必须通过实验作出气流分布云图，找到最佳变截面的长径比。因此，一般采用较大管径，并在风机出口增加一段扩压管（即缩放管），以便将风机出口的气流动压能转换为静压能，使整个分配区域的静压基本相等。这里简单讨论一下气流在总分配管中的分布规律。
气流染色机的气流总分配管一般设计成等截面，对于两管以上的气流总分配管与气流支管的设置如图3-12所示。根据伯努利方程式可得：
图3-12 气流总分配管与气流支管的设置
式中：pq1、pqn——第一管喷嘴进气口和第n管喷嘴进气口处的静压力,Pa；
w1、wn——第一段风管和第n段风管中空气流速,m/s；
pl——第1管喷嘴进气口和第n管喷嘴进气口之间的阻力损失总和（包括沿程阻力损失和局部阻力损失）。
移项整理后得：
在等截面的气流总分配管中，因各喷嘴分配口间的气流速度是依次降低的，即w1＞w2＞……＞wn，所以分配管中的静压力由始端到末端是逐渐增大（由动压力转化为静压力）。但是，分配管中所存在的阻力也要消耗一部分压力，使静压力向分配管末端逐渐减小。因此，静压力在总分配管中的变化（逐渐增大还是减小），就由总分配管中气流速度的降低和阻力大小这两项来决定。如果气流在总分配管的速度降低所增加的静压力完全用于克服风管的阻力上，则各气流喷嘴即可获得相等的喷风速度。如果气流在总分配管的速度降低所增加的静压力大于风管的阻力损失，则静压力和送风量沿着风管全长逐渐增大，气流喷嘴的喷风速度也依次增大。如果气流在总分配管的速度降低所增加的静压力小于风管的阻力损失，那么静压力和送风量沿着风管全长逐渐减小，到风管末端时又会增大。
2．气流支管 该管是用来连接总管与各气流喷嘴，一般设有可调节开度大小的气动蝶阀。正由于气流总分配管有可能出现风量分配不匀，所以可通过支管上的气动蝶阀（可比例调节），对个别气流喷嘴的风量调节。在进布过程中，可以先关闭没有进布的气流喷嘴，以便气流集中供给在进布的气流喷嘴。此外，如果某一管暂时不用，可以关闭该喷嘴，避免气流短路。
3．进气管道 该管一般设置主缸内部，并在其内设置过滤网。风机的进气管道应保证形成的阻力最小，能够均匀吸收主缸内空气。为此，进气过滤筒的直径设计得比较大，目的是为在增大过滤面积的同时减小进气阻力。过滤筒与风机通过渐缩管过渡连接。