中國報告大廳網(wǎng)訊，涂布技術(shù)在印刷包裝、新能源電池、食品醫(yī)藥包裝、建筑裝飾等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涂布機作為實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接決定了涂布產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。在涂布生產(chǎn)中，干燥系統(tǒng)是核心環(huán)節(jié)，烘箱作為干燥系統(tǒng)的主要設(shè)備，其干燥速度、均勻性和安全性是衡量涂布機精密性、可靠性和高效率的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，熱風(fēng)干燥憑借成本低、適用于大幅生產(chǎn)等優(yōu)勢，在涂布干燥設(shè)備中的應(yīng)用占比超過 90%，是現(xiàn)代涂布工業(yè)干燥的主要方式。然而，熱風(fēng)干燥烘箱普遍存在流場內(nèi)溫度與風(fēng)速不均勻的問題，這不僅影響產(chǎn)品干燥均勻性，還會造成能量過度耗散，增加能耗，因此對涂布機烘箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以提升溫度場均勻性至關(guān)重要。

  一、涂布機烘箱建模與溫度場仿真分析

  基于計算流體力學(xué)理論，利用三維建模和流體仿真軟件對涂布機行業(yè)烘箱流場進(jìn)行仿真。仿真依據(jù)質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，這些方程詮釋了烘箱內(nèi)定常流動的不可壓縮黏性流體的運動規(guī)律，也是后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論基礎(chǔ)。

  所建立的涂布機烘箱模型，熱風(fēng)由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，通過勻風(fēng)板從風(fēng)嘴吹出至待干燥基材表面，結(jié)構(gòu)包括外箱體、進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)室、風(fēng)嘴、基材進(jìn)出口及出風(fēng)口等，內(nèi)風(fēng)室自料帶入口至料帶出口呈一定傾斜角度，內(nèi)部含有引導(dǎo)熱風(fēng)流向的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，烘箱總體尺寸為長度 3990mm× 寬度 1870mm× 高度 1100mm，進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸為長度 396mm× 寬度 1400mm。在邊界條件設(shè)置中，網(wǎng)格模型入口為垂直入射速度入口，風(fēng)速 4m/s，熱風(fēng)溫度 90℃，出口設(shè)置為壓力出口，溫度為室溫。

  仿真結(jié)果顯示，烘箱內(nèi)溫度最高的區(qū)域位于進(jìn)風(fēng)口及風(fēng)室內(nèi)熱風(fēng)主要流動路徑形成的風(fēng)帶區(qū)域，上風(fēng)室內(nèi)其他區(qū)域溫度較入口降低，經(jīng)風(fēng)嘴到達(dá)基材表面后溫度進(jìn)一步降低。沿烘箱長度方向，基材表面溫差較大，進(jìn)風(fēng)口正下方及熱風(fēng)流向方向上的風(fēng)嘴正下方溫度明顯高于遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)嘴。對風(fēng)嘴出口正下方對應(yīng)的基材位置處提取溫度數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)線提取 30 個數(shù)值，計算得出風(fēng)嘴間平均溫度波動較大，最大差值為 ±4.5℃，且每個風(fēng)嘴下方基材表面溫度變化波動明顯，最大方差為 1.87(出現(xiàn)在風(fēng)嘴 4)，最小方差為 0.70(出現(xiàn)在風(fēng)嘴 7)，各風(fēng)嘴出口對應(yīng)基材表面的溫度分布較為不均勻。

  二、涂布機烘箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案與結(jié)果分析

  《2025-2030年全球及中國涂布機行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》針對烘箱流場存在的長度方向溫度不均勻且各風(fēng)嘴處溫度方差較大的問題，從導(dǎo)流板圓角半徑、烘箱進(jìn)風(fēng)口位置及導(dǎo)流板數(shù)量三方面入手，設(shè)計多組對比仿真實驗進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

  (一)導(dǎo)流板圓角半徑優(yōu)化

  導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)包括豎板、斜板、夾角和圓角半徑，其中圓角半徑的存在可減少流體快速轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的渦流，增強流場穩(wěn)定性并減少熱能損耗。設(shè)置 100mm、150mm 和 200mm 三組不同圓角半徑參數(shù)進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，200mm 圓角半徑的模型在長度方向的溫度均勻性有所提高，盡管其 2-5 號風(fēng)嘴對應(yīng)的基材表面溫度值略低于另外兩組模型，但綜合來看，后續(xù)選擇 200mm 圓角半徑進(jìn)行進(jìn)一步的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)設(shè)計。

  (二)烘箱進(jìn)風(fēng)口位置優(yōu)化

  設(shè)置三組不同的進(jìn)風(fēng)口位置，以烘箱進(jìn)風(fēng)口中心線距離烘箱外壁的尺寸參數(shù)為變量，分別為 800mm、1330mm 和 1860mm。結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)口位置的改變對基材表面溫度分布有明顯影響，進(jìn)風(fēng)口位置越接近中間位置，烘箱前室的溫度提升效果越好。其中，1860mm 位置的模型在 1-5 號風(fēng)嘴的溫度提升更為顯著，但 13-15 號風(fēng)嘴出口對應(yīng)基材處溫度有不同程度降低，這是由于烘箱后室在風(fēng)嘴上方大空間內(nèi)產(chǎn)生熱風(fēng)漩渦導(dǎo)致熱量堆積減少。綜合考慮，選擇 1860mm 進(jìn)風(fēng)口位置的烘箱模型作為后續(xù)優(yōu)化基礎(chǔ)，并計劃通過優(yōu)化導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)與空間布局、縮減烘箱內(nèi)室等方式進(jìn)一步提升流場分布特性。

  (三)導(dǎo)流板數(shù)量優(yōu)化

  設(shè)計不同數(shù)量的導(dǎo)流板并合理設(shè)置其結(jié)構(gòu)尺寸及空間位置。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板數(shù)量增多并不一定能顯著提高風(fēng)速和溫度的分布情況。在 800mm 進(jìn)風(fēng)口位置的模型中，800-2fan 模型因右側(cè)導(dǎo)流板的引流作用，流向右側(cè)風(fēng)嘴熱風(fēng)的溫度升高;而 800-duo 模型由于導(dǎo)流板數(shù)量增多導(dǎo)致最右側(cè)導(dǎo)流板與烘箱壁面間距過小，流入該區(qū)域的熱風(fēng)較少，右側(cè)風(fēng)嘴溫度低于同進(jìn)風(fēng)位置的其他模型。此外，導(dǎo)流板數(shù)量過多會使熱風(fēng)多次轉(zhuǎn)向形成渦流，造成不必要的能量耗散，因此后續(xù)需適當(dāng)減少導(dǎo)流板數(shù)量，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間布局。

  三、涂布機烘箱進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計與結(jié)果

  以 1860mm 進(jìn)風(fēng)口位置的烘箱為模型基礎(chǔ)，針對導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)及空間布局、數(shù)量設(shè)置不合理以及烘箱內(nèi)室空間較大的問題進(jìn)行優(yōu)化。

  在進(jìn)風(fēng)口和烘箱前后端壁面之間分別添加隔板以縮減烘箱內(nèi)室空間;適當(dāng)增大導(dǎo)流板的縱向空間布局，并根據(jù)所處空間位置調(diào)整其圓角半徑、夾角和斜板參數(shù)尺寸;減少導(dǎo)流板數(shù)量，同時在左側(cè) 2 號導(dǎo)流板和右側(cè) 1 號導(dǎo)流板上設(shè)計透風(fēng)孔結(jié)構(gòu)(透風(fēng)孔半徑 10mm、間隔 50mm，兩排透風(fēng)孔間隔排列，位于 8、9 號風(fēng)嘴上方及之間區(qū)域)。

  優(yōu)化后的模型仿真結(jié)果顯示，由于烘箱內(nèi)室空間縮減使熱風(fēng)能量更集中，除靠近烘箱前后端頂部和中間兩個導(dǎo)流板下方位置溫度較低外，其余空間區(qū)域溫度較高且分布均勻。與原始模型及其他優(yōu)化模型相比，優(yōu)化后的模型(1860-youhua)溫度分布均勻性更好，其中 6 組溫度數(shù)據(jù)顯著高于原始模型 800，2-4 號風(fēng)嘴處溫度增幅均在 2℃以上;與模型 1330 和模型 1860 相比，溫度分布均勻性也更優(yōu)。各風(fēng)嘴對應(yīng)基材位置處的平均溫度差從優(yōu)化前的 ±4.5℃降低至 ±2.5℃，且多組風(fēng)嘴溫度方差明顯降低，整體提升了基材表面的溫度分布均勻程度。

  總結(jié)

  通過對涂布機行業(yè)烘箱的建模與仿真，明確了其存在風(fēng)嘴間平均溫度差 ±4.5℃、長度方向熱風(fēng)溫度差值較大及部分風(fēng)嘴溫度方差較大的問題。通過優(yōu)化導(dǎo)流板圓角半徑、進(jìn)風(fēng)口位置和導(dǎo)流板數(shù)量及布局，有效改善了溫度場分布。增大導(dǎo)流板圓角半徑使導(dǎo)流板背面緊鄰兩處風(fēng)嘴的溫度提升;改變進(jìn)風(fēng)口位置對基材表面溫度分布有明顯提升;合理設(shè)置導(dǎo)流板數(shù)量、結(jié)構(gòu)尺寸及空間位置，可降低基材表面溫度的不均勻性。進(jìn)一步優(yōu)化后，風(fēng)嘴間平均溫度差降至 ±2.5℃，為后續(xù)涂布機烘箱的設(shè)計及優(yōu)化提供了借鑒和理論依據(jù)。未來還可結(jié)合實際需求，對烘箱出風(fēng)口位置及尺寸、內(nèi)室形狀等進(jìn)行優(yōu)化，以避免過多增加烘箱質(zhì)量，持續(xù)提升涂布機的性能與效率。

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