涂装生产线及其烘房的优化（5）-影响涂装烘房烘干效果的因素

主讲/胡玉兵

决定烘房内部烘干效果主要因素有烘房内部温度分布、速度分布及烘干材料表面属性。凡是影响到这些因素的结构、外部条件和内部条件等，都会影响烘干。

1、自身结构及材料的影响

涂装烘房自身的结构特征对烘房内的速度和温度分布有着显著的影响。

（1）烘房结构形状

涂装烘房的形状是影响温度场和速度场分布的重要因素。烘房的形状主要包括两个部分：室体和送、出风风道。其设计主要是根据工艺节拍、被烘干工件的大小等决定的，在设计的时候一般很难保证整个烘房室体内的温度和速度的均匀性，容易造成空气流动的死区，还有污染物不易被及时排除，进而影响烘干质量。

（2）烘房内气流进、出口的个数、位置和型式

烘房内气流进、出口的个数、位置和型式直接影响着烘房内的气流分布。经过热风循环系统处理的空气，经进风口进入烘房，与烘房内空气和工件进行热量交换后由出风口排出，必然引起室内空气的流动，形成某种形式的气流流型和速度场。速度场往往是其它场（如温度场、湿度场和浓度场）存在的基础和前提，所以不同恒温精度、洁净度要求的烘房，往往也要求不同形式的气流流型和速度场。影响气流组织的因素很多，如进风口位置及型式、室体内几何形状及体内的各种扰动等。其中以送风口的空气射流及其参数对热风循环的影响最为重要。

烘房热风循环是否合理，不仅直接影响烘房的烘干效果，而且也影响热风循环系统的能耗量。对于烘房设计者来说，希望通过合理地布置送、回风口的位置、分配风量以及选用的风口形式，以便用最小的通风量达到最佳的通风效果，使工作区空气的温度、湿度和速度，更好的满足工艺要求。

（3）烘房各部分材料

烘房各部分的材料对烘房的保温特性以及对热量的辐射分布起着重要的作用。不同的材料对烘房工作时温度分布有很大的影响，因为不同的材料对不同波段的辐射能量的吸收率、反射率等都不同。尤其是保温材料对降低热损耗、提高热能利用率、降低运行成本和改善操作环境有着重要作用。

2、外部烘干条件的影响

在烘干过程中的基本的外部烘干条件为温度、湿度、空气的流速和方向，以及烘干件的物理形态。在烘干过程中，同时发生了两个过程：湿分的汽化及其传递（质交换）；热量的传递（热交换）。

钢桶的烘干，可以归结为钢桶涂膜层内部的质热传递（内部）和相界面上边界层的质热传递（外部）。所以烘干过程的强度就与涂膜层内部的质热传递条件有关。当外部质热传递适应内部质热传递时，烘干强度最大。

向被烘干件钢桶供给热量，可以通过三种方式来实现，即对流、辐射、传导。外部烘干条件在烘干的初级阶段，即在排除非结合表面湿分时特别重要，因为涂膜表面的水分含量和有机可挥发物分子以蒸汽形式通过涂膜表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，故强化传热便可加速烘干。

3、内部烘干条件的影响

在钢桶涂膜表面没有充足的自由水分和有机可挥发物分子时，热量传至涂膜内部后，涂膜就开始升温并在其内部形成温度梯度，使热量从外部传入内部，而湿分从涂膜内部向表面迁移，这种过程的机理因涂膜材料、结构特征而异。主要为扩散和烘干过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现、涂膜干燥到很低的最终湿含量时，内部湿分迁移成为控制因素。一些外部可变量，如空气用量，通常会提高表面蒸发速率，此时则降低了湿分的内部迁移。如被烘干件允许在较高的温度下停留较长的时间就有利此过程的进行。这可使涂膜内部温度较高从而造成蒸汽压梯度使湿分扩散到表面，并会同时使液体湿分迁移。对内部条件控制的干燥过程，其过程的强化手段是有限的，在允许的情况下，减小被烘干件的尺寸，以降低湿分和有机可挥发物分子的扩散阻力是很有效的。

当热空气从钢桶涂膜表面稳定地流过时，由于空气与涂膜之间存在着传热推动力，空气将以对流方式把热量传递给钢桶表面涂膜。涂膜接受这项热量，用来汽化其中的水分及其它漆液挥发物。而由于这些液体的汽化，使在涂膜表面的薄层空气与气流主体之间形成推动力，所以汽体就由涂膜表面传递到气流主体，并不断地被气流带走，而涂膜的湿含量也不断下降。当涂膜的湿含量下降到平衡湿含量时，烘干过程结束。

在上述烘干过程中，除了较短的预热阶段以外，烘干过程很明显地分为两个阶段，即等速烘干阶段和降速烘干阶段。其间的分界点叫临界点，对应的涂膜含湿量称为临界湿含量。

（1）等速烘干阶段内涂膜表面的温度就等于空气的湿球温度。涂膜底层中心的温度则略低于湿球温度，涂膜内部存在着恒定的温差。但是，在辐射-对流或传导-对流等联合供热的烘干过程中，涂膜在等速烘干阶段内的表面温度要略高于湿球温度。

在恒定烘干条件下，等速烘干阶段的传热推动力和涂膜表面的薄层空气与气流主体之间形成推动力是定值，与涂膜的湿含量无关。当涂膜表面的水分和挥发物体受热汽化后，涂膜表面与底层必然出现湿含量差别，称为湿含梯度。无论在等速烘干阶段或者降速烘干阶段，涂膜内部都有湿含梯度存在。湿含梯度是一种推动力，能使涂膜内部的水分和有机可挥发物分子扩散至表面。

在等速烘干阶段内，涂膜内部水分和和有机可挥发物分子扩散至表面，可以使涂膜表面保持着充分的润湿，即表面湿含量大于最大吸湿湿含量，所以烘干速度取决于表面汽化速度。换句话说，等速阶段是受表面汽化控制的阶段。因此，提高速度和温度，降低空气湿度就都有利于提高等速段的烘干速度。

（2）降速烘干阶段在等速阶段末期，如果钢桶涂膜表面的湿含量减小到略小于最大吸湿湿含量时，涂膜表面的蒸汽分压就将小于饱和蒸汽压，因而涂膜表面的薄层空气与气流主体之间形成的推动力就减小，烘干速率即开始下降。降速阶段烘干速率与涂膜的含湿量有关，含湿量越低，烘干速率越小。

不仅如此，降速阶段烘干速率与涂膜厚度很有关系，厚度越厚，烘干速率越小。显然，降速阶段烘干速率与涂膜类别的关系则更大。
此外，当降速段开始以后，由于烘干速率逐渐减小，空气传给涂膜的热量，除作为汽化水分和有机可挥发物分子用之外，尚有一部分将使涂膜的温度升高，直至最后接近于空气的温度。在这期间，钢桶涂膜表面与底层的温度差也逐渐减小，直至最后消失。

在降速阶段初期，涂膜内部水分和有机可挥发物分子仍然扩散至表面，并且在表面汽化。随着涂膜含湿量不断减少，内部水分和有机可挥发物分子扩散至表面的速度也逐渐减小，直到它小于表面汽化速度时，涂膜的汽化即开始从表面深入涂膜内部。这时，水分和有机可挥发物分子在涂膜内部先行汽化，然后以蒸汽的形态扩散至表面。所以降速阶段的烘干速率完全取决于水分和有机可挥发物分子在涂膜内部的扩散速度。因此也把降速段称作内部扩散控制阶段。

在降速阶段，提高烘干速率的关键不再是改善烘干介质的条件，而是如何提高涂膜内部湿分扩散速度的问题。提高涂膜的温度，减小涂膜的厚度都是很有效的办法。在这里钢桶涂膜的温度直接和环境的初始温度相关。

因此，我们要在保证钢桶涂膜正常工艺的情况下，改变烘房结构、内外部条件（温度、湿度、空气的流速和方向以及环境初始温度），进而改变烘干速度，降低烘干能耗。

①温度。提高循环空气温度，加快烘干速度。温度越高，内部扩散过程就越快，也就是说，钢桶表面涂膜中水分含量和有机可挥发物分子在高温下迁移更快，内部烘干也增加。因此，增加空气温度，通过影响内部（降速期）和外部过程（恒速期）而加速烘干。然而，温度过高会引起工件涂膜表面发生不必要的化学和物理反应。这样，温度的控制在烘干过程中就显得尤为重要。

②速度。干燥空气吹过被烘干件表面的速度影响涂膜中水分含量和有机可挥发物分子从表面向干燥空气中迁移的速率，由于空气流速增加，对流质量传递速度提高，从而表面蒸发加快。因此，增加空气流速（或风速）会缩短恒速期。然而由于降速期的烘干通常不受外部条件限制，因此，增加空气流速一般对降速期没有影响。

③湿度。空气中含水量，通过蒸汽压或相对湿度来测量，它会影响外部质量传递的推动力。钢桶表面和干燥空气之间的水分蒸汽压差代表了外部质量传递的推动力，对于被烘干件，空气的相对湿度增加会降低推动力，最终减小恒速期的烘干速率；相反，降低空气相对湿度会加快恒速期的烘干。

④初始温度。初始温度是根据加热空气的初始值而定的，一般和当时的环境温度直接相关。初始温度越高，加热所需的能量就越少；反之，则越多。