第三节 小浴比染色机
染色机是实现染色工艺过程的手段，其染色条件、控制功能以及高效节能功效，已成为现代染色技术的重要标志。间歇式染色机近年来发展较快，设备与染色工艺的结合也越来越密切。在设备的结构性能上，除了对部分影响染色工艺的参数，进行深入研究并找出规律，提出新的要求和控制方法外，还涉及与节能减排相关的其他影响因素。其中如何满足小浴比染色工艺条件，一直是染色设备研发人员的主要攻关目标之一。本节就目前的小浴比染色机主要技术特征作一简单介绍。
一、小浴比溢喷染色机
目前溢喷染色机的主要节水特点就是采用小浴比染色，以及小浴比工艺条件的控制方式。如何实现小浴比条件下的染色过程，对工艺和设备都有较高的要求。被染织物如何在较小的浴比条件下达到均匀上染，并且不产生折痕或擦伤，需要染色机具有良好的染液循环系统，以保证染液温度和浓度变化的均匀性。被染织物与染液的交换方式，是获得织物单次循环匀染度的关键。此外，采用小列管形式热交换器，强化染液循环传热系数，不仅可以提高传热效率，而且还可满足小浴比染液循环。
小浴比溢喷染色机的结构特点主要体现在以下几方面。
1.主缸体的结构形式 浴比的大小除了与循环管路系统有关外，与主缸体的结构形式也有很大关系。高温高压溢喷染色机的主缸形式有罐式（俗称“O”形缸）和管式（俗称“J”形缸）两种，主要是考虑到高温高压条件下，必须采用圆筒受压元件。常温常压溢喷染色机目前主要以短矩形为主，储布槽与高温高压罐式相似。但是也有的采用圆环形，可以承受一点微压，用于略高于沸点的前处理工艺。管式主缸内储布槽中的织物基本上是浸没或半浸没在染液中，并依靠染液带动向前运行。所以管式主缸没有足够的染液是无法带动织物运行的，浴比都是在1∶12以上。相比之下，罐式主缸储布槽中的织物，可以在衬有聚四氟乙烯棒或板的圆弧段上滑行向前移动。也有采用转鼓形式，利用重力的偏心作用，使转鼓带动织物转向前部。显然，目前只有罐式主缸体的结构形式，能以最少的储液量来达到降小浴比的目的。
2.织物循环方式 在传统的溢喷染色机中，被染织物主要是依靠喷嘴产生的染液喷射力以及提布辊的提升力带动而循环的。而在小浴比溢喷染色机中，总体循环染液量减小了，供喷嘴的染液量也相对减少。此外，染液浓度相对较高，为了保证织物的均匀上染，必须控制织物单次循环中染料的上染量。在这种条件下，牵引织物循环的染液喷射力就受到了一定限制，必须将提布辊作为主牵引力，以保证织物的循环速度。但是，相对染液喷射力作为牵引织物循环的主要动力，提布辊牵引织物循环没有那么柔和或缓和，需要考虑对织物表面的保护。
为了增加对织物的摩擦力，减少相对滑动，目前绝大部分溢喷染色机的提布辊表面，一般都是采用夹持耐磨橡胶条。但是，以这种方式提高对织物的牵引力，往往容易造成织物表面损伤。因此，以提布辊作为牵引织物循环的主要动力源，应该考虑如何提高对织物产生的握持力，而不是表面摩擦力。20世纪80年代，国外曾有一家著名的染色机制造商，对提布辊的结构形式进行了大量实验，并确定了一种最佳形式。采用交叉斜肋条形式，织物在提布辊的包角段是以空间折角形式接触，可大大提高提布辊对织物的握持力。这种提布辊结构形式，在小浴比染色机中仍然值得借鉴。
3.染液循环系统 溢喷染色机的染液循环不仅承担着牵引被染织物循环的功能，同时还携带染料和热能与被染染织物进行交换，为染料上染织物纤维提供条件。因此，染液循环必须能够与被染织物进行均匀接触，以保证被染织物的温度和染料上染浓度处于均匀分配状态。溢喷染色机都是通过主循环泵对染液进行强制循环，以提高染液与被染织物的交换程度，并缩短染液的温度和浓度平衡时间。由于小浴比染色的液位较低，在温度接近水的沸点时，主循环泵容易产生“汽蚀”（一种物理现象），影响染液循环的流量和扬程，严重时会出现染液断流。而一些染料在该温度下往往又是上染最快的阶段，容易出现上染不均匀现象。此外，若没有特殊的管路结构措施，染液回流到主循环泵进口处可能很慢，在常温下主泵就有可能产生“汽蚀”，严重影响到染液上染的均匀性。
因此，小浴比溢喷染色机采用了抗“汽蚀”性较强的离心泵，并设置快速回液系统。对高温高压染色机，还应增加一个气垫加压以提高水的沸点。但是，常温常压染色机不能进行气垫加压，否则会引起安全事故。从这一点来看，小浴比溢喷染色机设计成高温高压形式，对提高主循环泵的抗“汽蚀”性，具有很重要的作用。
4.被染织物与染液交换状态 溢喷染色属于浸染过程，需要被染织物与染液在一定的时间里完成一定的交换次数，以保证染料对织物的均匀上染和所需的染色深度。小浴比溢喷染色的织物与染液交换，主要是在喷嘴和导布管中进行，两者的交换状态与完成织物的匀染度所需的交换次数有着密切的关系。显然交换的程度越激烈，越有利于织物的均匀上染；同时达到匀染度所需的交换次数也相应减少。但是，对一些娇嫩的织物来说，强烈的染液与织物交换可能会对织物造成损伤。因此，被染织物与染液的具体交换状况，与染色机的喷嘴形式和被染织物组织结构有关。基于这一要求，目前小浴比溢喷染色机的喷嘴，大多采用缓流形式，类似于早期的“溢流+喷射”结构。
5.高效换热装置 列管式热交换器是目前溢流和喷射染色机采用较多的一种形式，具有传热效率高、温度控制简单等特点。为了满足小浴比染色机的小浴比循环特性，改变过去仅通过增大换热面积来提高换热效率的方式，而采用小列管以强化换热系数来提高换热效率。对于同等染液循环流量来说，通过过流截面较小的列管（换热管）比过流截面较大列管的流速快。染液流速提高可强化换热能力，提高换热效率。为了保证冷热流体在换热过程获得充分的热传递时间，让蒸汽尽可能释放出潜热，提高热利用率，目前有染色机将热交换器设计成细长型（即增加长径比）。这样既不会增加染液循环空间，同时又可提高换热效率。
此外，列管式热交换器在管路系统中的安装方式有立式和卧式之分，立式安装占用空间小，结构紧凑；而卧式则相反，但效率略高于立式的。从目前的主机结构来看，立式安装似乎更有利于设备管路的结构布置，所以也是采用最多的一种形式。
从节能方面来考虑，目前还有染色机利用间接降温时冷却水所携带的热能，在热交换系统与染液循环系统之间设置一套管路系统，再配置一定的控制功能。可在工艺保温完毕进行降温时，启动这套系统进行同步降温，让从热交换器中完成换热的间接冷却水进入主循环对织物进行热浴水洗。实际上就是完成工艺保温后，将冷却和水洗放在同一个步骤中进行。这样不仅可以提高水洗效率，减少水洗时间和水量消耗，同时还可以避免高温织物突然遇冷而产生的各种疵病。
图3-1为香港立信公司最新推出的TEC系列型高温染色机，具有显著的高效节能效果。其独特的喷嘴和导布管结构设计，较好地解决了目前罐式染色机加工高密度针织物存在的折痕问题。染液循环管路采用优化设计，进一步降低了循环染液。图3-2为德国第斯（Thies）Imaster H2O超小浴比溢喷染色机，集中体现了罐式染色机的许多优点，自由染液与储布槽内织物分离，仅存放在储布槽与筒体之间。没有设置主回液管，染液循环管路采用优化设计，可实现较低的染色浴比。提布辊设置在主缸体内，降低了织物的提升高度，大大减小了织物在提升过程中的张力。储布槽后部设置了一个可自动调节通道高度的弧板，以满足轻薄和厚重织物的不同堆积状况，避免了压布或翻布的现象。该机的同步染色控制系统，对程序的每个步骤可提供相应的喷嘴压力，保证提布辊速度和喷嘴压力牵引织物速度的同步，可自动优化织物的循环状态。
图3-1 TEC系列型高温染色机
图3-2 Imaster H2O溢喷染色机
二、小浴比筒子染色机
小浴比筒子染色机在满足染色工艺的条件下，主要是对染液循环系统空间尽可能缩小来降小浴比。从早期的全充满、半充满发展到目前的小浴比，经历了工艺条件和设备结构同步发展的过程。小浴比筒子染色机在节能方面，主要体现在设备主结构和辅助功能的优化设计。
1.设备主结构特征 筒子染色机主结构对整机性能起到至关重要的作用，尤其是大容量的出现，对染液循环系统以及染液与纱线的交换状态，提出了更高的控制要求。设备的主结构包括染液换向装置、热交换器、纱线染笼以及主缸体形式等，除了各自承担的局部功能外，在整体上也形成了一定的协调关系。
（1）将换热器与主循环泵设计为一体并直接联于换向装置，省去了相当一部分主循环管路，以达到减少自由循环染液储存量的目的。这样即使不采用染液单向循环也可以降小浴比，并且具有较好的工艺操作性。这是目前国内大部分筒子染色机所采用的结构形式。
（2）近年来出现的染液单向循环形式，浴比可以降至全部筒子纱完全不浸没在染液中的程度。由于不需要进行染液换向，所以干脆取消换向装置。对染液的单向循环，可根据染色过程的不同阶段，进行流量实时控制。染液单向循环对筒子纱之间的接口以及顶锁的密封有较高要求，并且装卸纱时一旦不慎损坏密封，不易及时发现。密封失效会导致染液循环短路，最终有可能使整缸纱线产生质量问题。因此，目前这种形式主要适于一些管理比较规范的印染企业。
（3）对于容量不大（500kg以下）的筒子染色机，采用小螺旋管的盘管式换热器，并设置在主缸体下部封头内，在获得较高的换热效率的同时，可减少储液空间。小螺旋管具有强化传热的效果，并且占用空间不大。主循环泵采用多级轴流泵（增加扬程），可通过正、反转进行换向。不需要换向器，省去了所有的主循环管路。
（4）采用（卧式）管式筒体，每根筒子纱柱都有各自的管式筒体，通过一定的方式并联起来，形成不同容量的并联组合。这种形式的主循环系统容积大概是目前筒子染色机中最小的，因此浴比很小（据介绍最小浴比可达1∶3）。这种形式的筒子染色机需要配置一些自动装卸的辅助设备，否则，装卸的劳动强度大。这样一来，设备的总体投入成本提高了，国内真正用得起的厂家并不多。但从节能减排、提高生产效率（可采用自动装卸纱）方面来讲，是值得推广应用的。
（5）染笼纱杆采用非等同心圆分布，可在容积相等的条件下增加容纱量，减少筒子纱柱之间的空间，降小浴比。这实际上是染笼纱杆的优化排列。随着小浴比单向循环形式的出现，对染笼的制造要求也越来越高，特别是密封结构。
2.辅助功能 主结构是为满足染色工艺或者设备性能参数（浴比和比流量）而设计的，同时在节能减排方面也起到了一定作用。然而，一些辅助功能在节能减排方面更加凸显，如高效换热、水洗受控、压力脱水以及余热回用的辅助功能，与主结构一样，已经成为设备节能的主要特征。
（1）高效换热。目前比较先进的筒子染色机都是采用外置管壳式换热器，其主要目的是为了提高换热效率。从传热学来讲，高温流体（如蒸汽）走壳程，而低温流体（被加热的染液）走管程，并且将换热器设置在主循环管路中，加快管程中低温流体的流速，可以有效提高换热效率，减少蒸汽消耗。当然，这种结构形式会提高设备的制造成本，使用者一次性设备成本投入可能较高，但能够获得长久经济效益。
小浴比筒子染色机所采用的管壳式换热器，也有采用小通径换热列管，以提高主循环染液在列管中的流速。加快换热列管中染液流速可强化换热系数，提高换热效率。还有换热器在壳程外表面（与大气接触散热）增加一个与管程相通的夹层，利用壳程外表面的换热面积来加热染液，减少热量的损失。
（2）水洗受控。水洗不仅关系到织物染色后的色牢度，而且还是小浴比染色机节水的关键。传统的溢流水洗方式，是通过溢流稀释残留染液来达到水洗要求的。小浴比染色机采用传统的稀释水洗方式，水洗时间很长，水洗的效果也相对较差。若采用连续式水洗，将水洗过程分阶段，分别以水流速度、温度变化的不同组合进行控制，那么就能够以最少的耗水和最短的时间达到最佳的水洗效果。这就是水洗过程的受控，也是目前小浴比染色机节水的主要控制技术之一。
（3）压力脱水。压力脱水是利用压缩空气多次挤压（或称为压榨）筒子纱，将所含的部分液体分离出去，以达到减少能耗的目的。首先，在染色完毕并排放主体废液后，纱线中还含带或吸附大量残余染液，要通过后续的水洗进行去除。通常是采用溢流式水洗，大量的残余染液浓度比较高，需要多次进行稀释，耗水耗时间。其次，水洗完毕排液后出纱，吸附大量水的纱线增加了脱水的能耗。然而，在这些后续工序之前增加一道压力脱水过程，可以排除大量残余染液或水，提高水洗效果（增加水洗梯度），降低消耗。目前，比较先进的筒子染色机配置了这项功能，但因密封的原因还没有达到最佳效果。
图3-3 Allwin高温筒子纱染色机
（4）余热回用。染色的加热过程中，提高换热效率、减少热能消耗，是实现节能减排的一项有效措施。然而，前处理、染色保温后的降温，往往需要先排掉热废液，或者进行间接降温。这一过程总要将一部分热量排掉。为此，通过设备的辅助装置，充分利用废液（包括间接换热的冷凝水）中的余热，已经成为目前先进染色机节能措施之一。例如，热交换器的同步降温，就是将保温后的降温冷水与废液的余热交换后用于水洗，而降温后废液还省去了排入污水处理池之前的降温处理过程。可谓一举两得。
图3-3为香港立信的Allwin高温筒子纱染色机，集中体现了机械结构的优化设计，将主泵、换向和热交换器设计为一体。染液的主循环管路空间缩小，进一步减小浴比。可采用染液单向循环进行染色，浴比最低可达1∶4。