纺织行业定形机的发展及热平衡测试方法

张中娟

（中国纺织经济研究中心，北京 100020）

定形机是纺织染整行业最常用的设备之一，也是染整生产过程中热能消耗较大的设备之一，约占染整布耗热量的1/4～1/3。2020 年，规模以上印染企业印染布产量为525.03 亿m，定形机耗热量超过1 000万t 标准煤。随着人们对纺织服装的质量要求越来越高，定形机的使用会越来越普及，所消耗的热能也将越来越高。为了促进定形机生产企业设计热能效率更高的定形机，同时推动定形机使用企业采取相应措施，降低生产中的热损耗，加强对定形机的管理和节能改造，本文从定形机的发展阶段与设备种类、使用现状、耗热情况等方面入手，对定形机热平衡测试方法进行详细的介绍。

1 定形机的发展阶段与种类

1.1 定形机的发展阶段

20 世纪90 年代以来，我国纺织印染行业快速发展，促进了定形机的快速增长。定形机应用的发展可以分成3 个阶段：第1 阶段是20 世纪70 年代到90 年代，高档定形机从德国、瑞士、日本等发达国家引进，国内以生产拉幅机为主。第2 阶段是20 世纪90 年代到2008 年，随着我国印染行业的发展，对高档定形机的需求大幅度增加，进口定形机的渠道进一步拓宽，韩国和中国台湾生产的定形机进口快速增长；与此同时，国内的定形机研制和生产取得了长足的进步，逐步得到市场的认可和接受。第3 阶段为2008 年至今，由于金融形势的影响，进口定形机的趋势减缓，相比之下，国产定形机得到了快速发展，逐步占据市场。据中国纺织机械协会统计，我国生产中高档定形机的企业在30 家以上，2016 年国产中高档定形机量达到1 500 台以上，2015 年达到1 200 台以上，2016 年的产量较2015 年增长24%，基本能满足国内的需要，还有部分出口。未来定形机将向智能化、节能化及多功能化方向发展。

1.2 定形机的种类

我国纺织染整行业是从20 世纪70 年代后才广泛使用定形机。目前，定形机已发展成为多种类多型号的生产设备大家族。

1.2.1 以热源分类

各种热源定形机有如下特点：

（1）蒸汽定形机：蒸汽定形机是以中高压蒸汽为热源，经过定形耗热后，蒸汽以汽水混合形式排出定形机。蒸汽定形机比较适用于定形温度较低（定形温度小于等于200 ℃）的织物，定形温度受输入蒸汽压力和温度变化的影响。在纺织染整工业园中，企业使用蒸汽定形机较多。

（2）导热油定形机：导热油定形机是以加热的导热油作为热源。导热油定形机的烘箱温度较为稳定，可以根据生产的实际需要调节温度，可用于高温定形（定形温度大于等于200 ℃）。

（3）气体燃料定形机：是以天然气、液化气等气体燃料为能源的定形机。天然气或液化气等气体燃料输入到定形机内，在定形机中燃烧，直接或间接加热织物。与前面两种定形机相比较，气体燃料的能源利用效率最高。

（4）电定形机：电定形机是以电为能源，通过电发热丝或电红外线管进行加热。电定形机设定温度稳定，定形温度容易控制，定形过程产生的废气量较少。但因耗电量较大，开机或关机时对电路的影响太大，目前正在运行的电定形机数量较少。

1.2.2 以定形机的烘箱数量分类

定形机的烘箱数不同，不仅导致定形机的长度不同，还会影响到热能的利用、工艺的多样性以及生产效率。定形机的烘箱数越多，可使用的工艺越多，生产效率越高。常见的定形机烘箱数有4、6、8 和10节等。随着技术的发展，8 箱以下的定形机已经淘汰。目前已出现烘箱多于10节的定形机。

1.2.3 以织物幅宽分类

定形机的宽度决定了定形织物的宽度。可根据定形织物的宽度对定形机进行分类。定形机可分成超宽型定形机、宽幅型定形机或窄幅型定形机。

定形机还可以根据进布方式、出布方式、整纬方式、调幅方式等功能的不同分成不同的类型。

2 定形机的生产工艺流程

纤维在一定的温度（一般是在该纤维的玻璃化温度以上）下受到张力作用，可达到尺寸稳定的效果。定形机是根据纤维的这种特性而发展的设备。定形机可以用于织物印染后的整理，也可以用于印染前的处理和功能性整理。

2.1 印染前的处理

含有氨纶的弹力织物在染色时，为了避免在染色过程中织物应力变化引起的皱纹或折痕，需要在染色前将弹力织物进行一次定形。弹力织物染色前的定形所需要的温度较高，但是定形的时间很短。在实际生产中采用的方法是加快织物的走速。

随着旅游业在全球范围内的不断发展，人们对于旅游的文化本质认识越来越深刻，尽管对于旅游文化定义众说纷纭，但是对于“文化是旅游的本质”这一命题国内外学者的认识是相当一致的。

2.2 印花前的处理

为了保证印花的质量，织物在印花前，尤其是针织布，需要进行定形，以保证织物的幅宽准确、单位面积质量均匀、布面以及纹理平整，从而保证印花的质量。

2.3 印染后的整理

初期定形机都是用于印染后的整理。织物在染色过程中受到各种拉力产生应力释放，导致织物幅宽和单位面积质量变化较大，不稳定。染色后对织物进行定形处理的目的是稳定织物的幅宽，使织物的单位面积质量均匀，增加织物的表面平整度。

2.4 功能性整理

随着人们生活水平的提高，对服装的要求也越来越高。服装的功能性整理是提高服装质量和档次的重要方法。服装的功能性来自于织物的功能性。利用定形增加功能性是常用的生产工艺。在染色后的定形过程中，适当地加入相关助剂或者化学品就可以赋予织物某些功能，例如免烫、阻燃、防油、防污和防水等。

3 定形机的使用现状

目前定形机使用状况有以下几个特点：

（1）随着印染企业入园比例的增加，导热油定形机的数量越来越少，蒸汽定形机所占的比例最大，约占定形机总数的30%以上，气体燃料定形机所占的比例较低，不到10%。

（2）拥有8 节烘箱的定形机数量最多，约占定形机总数的90%。

（3）定形机从简单的高温焙烘设备逐步发展成为多功能、多技术的组合设备，例如增加智能整纬设备、尾气余热回收设备、尾部自动切布设备等。

4 定形机热平衡测试方法

根据定形机的发展阶段、设备特点、耗热情况等，对定形机热平衡测试方法进行研究。在进行热平衡测试方法研究中，边界以外的热量或者耗热不予考虑。

4.1 热平衡的计算

定形机输入热量包括各种热源（如导热油、蒸汽等）带入的热量、在定形机内燃烧产生的热量（如天然气、液化气等在定形机中燃烧）以及高于基准温度的新鲜空气和织物带入的热量。在实际生产中，对于某一类型的定形机，其主要输入热量是该定形机的热源能源，如蒸汽定形机的主要输入热量是蒸汽。在大多数情况下，织物和新鲜空气的温度是低于基准温度的。因此，织物和新鲜空气基本上不带入热量。

定形机输出热量可分为带出热量和损失热量。带出热量有织物带出热量、定形机附件带出热量以及定形机尾气带出热量。损失热量包括机箱的散热损失和定形机尾气排放热量损失。与输入热量相比较，输出热量的不确定因素较多，测量和计算较为复杂。需要说明的是，有的定形机安装在地面上，有的定形机是悬空安装，前者无法测量和计算定形机底面的散热损失，而后者可以测量和计算其散热损失。

有效热包括织物吸收的热量、织物含水吸收的热量以及新鲜空气加热的热量。严格来说，还应该包括定形过程中部分助剂发生化学反应所吸收的热量，由于这部分热量很难测到，而且相比之下，热量较小，可以忽略不计。

将定形机作为一个系统，其热平衡示意图如图1所示。

图1 中，输入热量是指输入定形机作为热源的蒸汽、导热油的热量，也包括以天然气为燃料燃烧后产生的热量；一般情况下将环境温度设为基准温度。织物和新鲜空气进入定形机时基本上是环境温度，所带入的热量可以忽略；散热热量损失包括定形机整个散热损失，以烘箱散热损失为主；尾气排放带出热量是指从定形机直接出来时检测的热量，不考虑热量回收等因素。根据热力学第一定律和定形机实际情况，定形机热平衡可用下式表示：

式中，Q织物带出热量为产品、工质和定形机尾气等带出的热量，kJ；Q出口风量带出热量为定形机周边散失和定形机废气排放的热量，kJ；Q尾气排放带出热量为用于加热织物、新鲜空气和水分的热量，kJ；Q散热热量损失为定形机散热导致的热损失，kJ；Q输入热量为输入定形机的热量之和，kJ。

4.2 计量和测量仪器的要求

计量和测量仪器的要求分成两个部分：（1）企业、车间或工序的计量应按照相关标准来选择和配备；（2）在实际工作中，定形机热平衡测试一般都是在生产现场测试。因此，要根据生产现场的实际情况配置相关计量器具，以保证数据的准确和有效。

4.3 测试条件

（1）测试应是在稳定的生产过程中进行。定形机升温到设定温度要超过20 min 以上。（2）定形机烘箱散热点的设定应符合相关标准和技术规范。（3）在一般情况下，可以将车间内环境温度作为基准温度。但是要注意车间内环境温度的变化。若要将测试数据进行不同车间或不同时间段的对比，必须设定基准温度，且基准温度应低于车间环境温度。在这种情况下，织物、织物的含水以及新鲜空气带入的热量就必须给予重视，不能忽略。（4）测试小组的成员应熟悉定形机运行，具备较好的能源知识以及熟悉各种测试方法。

4.4 测试流程

（1）测试前的准备。做好测试工作计划和测试方案，确定各种测试点以及测试方法，准备好相关的记录表。（2）测试。在现场按计划进行测定，做好记录，尤其是出现异常情况时。（3）数据整理和分析。将现场测试所获得的数据进行整理，并进行分析。（4）编写测试报告。

5 案例

定形机以导热油为热源。对其中一批全棉针织布定形过程进行了热平衡测试。现场检测的有关数据见表1。表1 中的数据以1 t 产品进行计算。由表1可以看出，尾气排放带出的热量最大。需要解释的是，尾气排放带出的热量不能全部看成是损失的热量，其中相当一部分是用于织物和循环空气加热的热量。而织物和新鲜空气吸收的热量属于有效热量。要提高定形过程的能效，降低定形时的能耗，减少尾气排放带出的热量是关键。基本方法是控制尾气排放量和回收利用尾气的余热。在本文中，重点讨论了定形机的热平衡。由于篇幅关系，将另文对定形过程热效率进行分析和讨论。

表1 全棉针织布定形过程现场检测数据以及计算结果