凹印机干燥过程的传热学分析与流体仿真_李铮.pdf

收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）。第 卷 第 期.北 京 印 刷 学 院 学 报 年 月 凹印机干燥过程的传热学分析与流体仿真李 铮，王仪明，武淑琴（北京印刷学院，北京）摘 要：针对凹印机热风干燥过程中的能量损耗的问题进行传热学和热力学分析，从热风射流冲击平面和油墨溶剂挥发干燥的机理出发，建立数学模型并揭示干燥箱内部的热量需求；利用 软件对凹印机干燥箱内风嘴射流冲击印刷品的过程进行流体仿真，结果表明干燥箱内部的流体运动轨迹呈涡旋状，干燥箱内腔温度分布不均和风嘴结构影响热风射流速度，此结论为干燥系统优化提供一定的依据。关键词：凹印机；干燥箱；传热；流体仿真中图分类号：文献标识码：文章编号：（）印刷业“绿色化、数字化、智能化、融合化”发展是大势所趋，而印刷机的干燥系统能耗大、效率低，不利于节能减排。凹版印刷色彩复制质量好、适用范围广、印刷效率高，市场占有量约。干燥系统是凹印机耗能最多的环节，约占总能耗的五到六成，但干燥效率低、能量损失大。如果干燥系统高耗能、低效率的问题得不到解决，既不符合当今节能环保的发展理念，也会成为我国印刷行业发展的阻碍。凹印机干燥系统机组式凹印机的色组间干燥装置通过热风向印刷品传递热量从而使溶剂挥发完成油墨干燥，同时能将 气体带出。干燥箱的设计应满足动能和热能的高效交换，确保油墨完全干燥。凹印机干燥系统结构如图 所示，包括热交换器、支架、风机、干燥箱、加热器等零部件。新鲜空气进入进风口 后，由热交换器 加热后与从回风口 中进入循环风混合，再由风机 加速；然后由干燥箱进风口 进入干燥箱，完成干燥后的废气一部分经排风口 排放到空气中，另一部分成为循环风进行二次利用。热风干燥的传热学分析.传热方式传热学是研究有温差存在的情况下热量传递图 凹印机干燥系统结构图规律的科学。热能的传递有热传导、热对流与热辐射三种基本方式。热传导是物体各部分不发生相对位移时，依靠微观粒子的热运动而产生的热能传递。热辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。热对流是指流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程，热对流必然伴随着热传导。热风干燥属于对流传热，流程短且边界层薄，干燥速度快且消耗热量相对较少，热风快速流过印刷品表面也可减少溶剂残留。凹印机干燥系统的传热方式如图 所示。换热器通过对流传热的方式将空气变为热风，同时向周围辐射热量；热风与承印物、油墨表面以及干燥装置箱体和管道间的传热方式为对流传热；热量以热传导的方式从承印物和表面油墨传递至油墨内DOI:10.19461/ki.1004-8626.2023.03.007部，使溶剂挥发，完成油墨干燥。图 凹印机干燥系统传热方式.热风射流冲击干燥箱的风嘴对印刷品喷出热风的过程属于对流传热中的射流冲击，这种干燥方式在印刷、纺织等领域得到了广泛应用。射流冲击中，气体在压差的作用下通过一个圆形或窄缝形喷嘴垂直（或成一定的倾角）喷射到被干燥的表面上，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果。图 狭缝喷嘴对壁板冲击射流示意图以窄缝风嘴为例，风嘴射流流场可分为自由射流区、滞流区和壁面射流区，如图 所示。在自由射流区的气体喷射速率增加并向周围扩散；滞流区内流动方向改变，压力梯度变化大，传热强度高。壁面射流区内流体向四周壁面散开，垂直速度将为。.热风射流冲击传热模型凹印机干燥箱内多喷嘴射流冲击的平均表面传热系数实验关联式为：.|.|（）式中，为狭缝喷嘴阵列的冲击射流努塞尔系数；为对应温度下空气的普朗特数；为风嘴射流冲击的雷诺数；为喷嘴相对面积；为喷嘴间距；为喷嘴狭缝宽；（）为喷嘴与承印物的相对距离；为风嘴到承印物的距离；上式实验验证范围为：.|一般来说，增加流体速度将有助于减少边界层的厚度，使对流传热系数 增大，其计算公式为：（）式中，为流体的导热系数，（）；为特征长度，。风嘴射流冲击传热热流量：（）（）式中，为射流冲击传热系数，（）；为换热面积，；为热风温度，；为环境温度，。油墨干燥的热力学分析.油墨干燥原理凹版印刷中，油墨被转移至承印物上后需要通过干燥装置使油墨中的溶剂快速挥发，同时纸面空隙吸收部分油墨，完成油墨干燥。凹印常用溶剂型油墨，其干燥原理是油墨中的溶剂不断挥发，树脂分子间作用力加大逐渐转变为凝胶状态，在承印物表面结膜干燥，形成有光泽且耐摩擦的墨膜。图 油墨干燥曲线热风干燥油墨是一个传热传质同步的过程，传热为溶剂蒸发提供能量；溶剂通过传质向干燥空气逸出，可分为三个阶段：（）干燥速率增加：热风与印刷品间存在温差，热量将从热风向印刷品传递。表面油墨中的溶剂分子获得能量，从而汽化向热风中挥发。（）干燥速率恒定：表面油墨的温度升高且溶剂挥发，使得油墨内外存在温度差和浓度差，从而北 京 印 刷 学 院 学 报 年发生传热传质，内部溶剂分子向表面扩散，最终挥发。（）干燥速率降低：随着热风与印刷品的温度差和浓度差缩小，两者间传热传质的速度下降，油墨的升温速度减缓，溶剂的挥发速度降低，油墨干燥基本完成。.油墨干燥的热力学模型就挥发干燥而言，传递到印刷品上的热能一部分用于使溶剂挥发，另一部分用于使承印物升温。设单位面积印刷品上，热风风嘴传递的热能为，溶剂蒸发所需的能量为：（）式中，为溶剂的蒸发焓（蒸发潜热），；为单位面积承印物上的油墨含量，；为油墨的覆盖比例；为墨层厚度，；为油墨的溶剂比例。单位面积印刷品温度升高消耗的热能 为：（）理想状态下，全部用于单位面积印刷品的溶剂质量转移和印刷品温度升高，三者间的能量平衡式为：（）印刷品温度升高消耗的热能 又可细分为、。为承印物温度升高消耗的热能，由下式确定：（）式中，为承印物的比热容，（）；为纸张定量，；为纸张温度升高值。加热油墨消耗的热量 由下式确定：（）式中，为油墨的比热容，（）；为油墨温度升高值。干燥箱热风损失 由下式得到：（）（）式中，为纸张从干燥箱中带走的空气量，；纸张中水分挥发消耗的热量 为：（）式中，为干燥后纸张含水量减少的百分比；为水的蒸发焓，。热风干燥油墨过程的能量平衡式为：（）理论上，只要热风射流冲击传递的热量与油墨干燥需要的热量相等即可实现干燥；但目前凹印机干燥系统的热损耗达到 左右，所以实际热风风嘴传递的热量应大于.倍油墨干燥所需热量的理论值。实际中，对于单位面积的印刷品，风嘴射流冲击传热量与油墨干燥所需热量的需求式为：（）.（）（）式中，为印刷品通过干燥箱的时间，；为印刷品在干燥箱里的长度，；为印刷速度，。凹印机干燥系统的流体仿真.凹印机干燥箱模型热风作为干燥介质属于流体，因此热风射流冲击印刷品不仅涉及传热学也涉及流体力学。现以某长、宽、高 的凹印机干燥箱为例进行流体仿真。如图 所示，活动干燥箱和固定干燥箱两部分组成一个近似的封闭空间，活动干燥箱下方为进风口，上方为出风口，内部有 个风嘴，风嘴、的夹角为，其余风嘴夹角为。图 干燥箱模型.仿真结果分析将三维模型导入 进行网格划分，为减小计算量，将干燥箱模型进行简化，保留活动干燥箱、固定干燥箱和承印物。将网格质量大于.的模型导入 完成流体仿真参数设置，选用 湍流模型和 耦合算法，然后进行迭代计算直至残差曲第 期李 铮，王仪明，武淑琴：凹印机干燥过程的传热学分析与流体仿真线收敛。热风在干燥箱的迹线如图 所示。活动干燥箱内腔存在气流涡旋；进风口附近未设计回风管，使得这个位置附近的热风只能从内腔两侧回风，造成了这一部分的热风滞留，可在钢板上增加冲孔改善回风。图 热风迹线图图 速度场矢量图进风口热风速度 时，干燥箱速度矢量如图 所示。从速度云图可以看出，干燥箱内腔中热风气流除了在刚进入干燥箱内腔时速度略高以外，整体保持稳定；风嘴处的速度高于干燥箱其他位置，单个风嘴的风速均匀分布。夹角为 的风嘴、的风速高于中部夹角为 的其他风嘴；由此可见，在出风口面积不变的情况下，风嘴夹角的结构设计对射流冲击的速度有很大影响。在干燥箱内部均匀地取五个位置的切片，当热风温度为 时，干燥箱温度场切片云图如图 所示。热风进入干燥箱内腔后流线轨迹呈涡旋状，图 温度场切片图与右侧壁面发生碰撞后造成能量损失使得热风温度逐渐下降，从而造成干燥箱内腔的温度不均匀，靠近右侧壁面的风嘴热风高于左侧壁面，可加装导流板进行改善。压力切片云图如图 所示，沿气流涡旋轨迹，干燥箱内腔温度高的位置压力也略高于温度低的位置；但总体来说干燥箱内腔的压力差距不大，风嘴处的压力分布也基本是均匀的。图 压力场切片图 结语分析凹印机干燥系统的各个环节的传热方式，重点论述了射流冲击的特点并建立了窄缝风嘴热风射流冲击的传热学模型；揭示了溶剂型油墨的干燥原理和干燥过程三个阶段的特点；从热力学角度探究了溶剂蒸发干燥油墨所需要的能量并建立相应的热量需求式；通过 进行流体仿真，模北 京 印 刷 学 院 学 报 年拟干燥箱内热风射流冲击印刷品的过程，得到凹印机干燥箱内部的速度场、温度场、压力场等情况；发现干燥箱内腔存在涡旋且风嘴出风温度不均的问题，得到风嘴结构设计影响射流冲击速度进而影响对流传热系数和干燥效率的结论，为干燥箱优化提供一些参考。参考文献：陈虹印刷设备概论北京：中国轻工业出版社，陶文铨传热学北京：高等教育出版社，武秋敏，武吉梅印刷设备（“十三五”普通高等教育印刷专业规划教材）北京：中国轻工业出版社，：，：费世亮凹版印刷热风干燥机理研究与干燥箱机构设计汕头：汕头大学，：，（）：刘琳琳，由磊，孙正成，等凹印机热风干燥箱射流场数值计算与分析包装工程，（）：刘澎，向晨，侯和平，等凹版印刷机烘干系统的热力学分析包装工程，（）：武吉梅，徐宗磊，陈允春，等凹版印刷机干燥箱流体动态分析及参数优化振动与冲击，（）：张海燕，商允振，贺艳玲凹版印刷机干燥系统的研究轻工机械，（）：徐凤霞，唐德强，张春达，等凹版印刷机干燥系统数学模型研究齐齐哈尔大学学报（自然科学版），（）：金琳，李艳，王仪明，等基于传热介质的蒸汽加热凹印机能耗测试方法研究包装工程，（）：张羽玲，马海山，武秋敏，等 凹版印刷机干燥箱数值模拟与改进包装工程，（）：，（，）：，：；（责任编辑：周宇）第 期李 铮，王仪明，武淑琴：凹印机干燥过程的传热学分析与流体仿真