多用途方法：挥发干燥的能量效率与应用

挥发干燥^[29]的能量效率不是很高，但它是一种多用途干燥方法。干燥时单位时间传递到纸面的热能，一部分被溶剂挥发所消耗，一部分被纸张升温所消耗，因此，以下公式成立：

其中，UA（t₁- t₂）为单位时间热能的传递；k（p_s- p_a）AΔH为质量转移所需的热能；∑_i为纸温升高损失的热能。

油墨溶剂挥发时，纸张水分也同时挥发，因此消耗热能。现以热固化胶印为例，分析油墨溶剂挥发、纸温升高所需的热能。

印刷时水分挥发所需的热能，可由若干假设测算，在相应条件下加以验证。热固化油墨印刷中，以下条件适用：

—热风温度200℃（t₁）；

—室内温度25℃（t₂）；

—纸张定量90g/m²；

—c_paper=1.3kJ/（kg·℃）；

—纸张水分减少4%；

—纸温升高80℃；

—纸张从干燥箱带走的空气量100g/m²；

—印刷速度8m/s（v）；

—纸幅宽度1m（b）；

—油墨的覆盖程度0.2；

—油墨的溶剂比例0.3；

—油墨/辅助油墨用量1g/m²；

—ΔH=1000kJ/kg。

干燥时热能消耗如下：

纸温升高：

水分挥发：

溶剂挥发：

干燥箱热风损失：

合计消耗热能37kJ/m²。

根据统计数据，热固化干燥要求的运行时的功率（running-time power），约为250kW，把上述能耗换算为功率，为37kJ/m²× 1m×8m/s=296kW，即上述假设基本正确。

热风升温、加速时消耗能量^[30]，干燥时的能量消耗如图3-27所示。每个阶段的输入能量，等于输出能量与损耗能量之和，前一阶段输出的能量，等于后一阶段输入的能量：

图3-27 干燥时的能量消耗

阶段1：热风升温、加速

E_1in=E_1out+E_1loss(www.xing528.com)

阶段2：热能传递到纸面

E_1out=E_2out+E_2loss

阶段3：纸面质量转移（=挥发）

E_2out=E_3out+E_3loss

因此，溶剂挥发消耗的能量为：

等于热风升温加速消耗的热能，减去各阶段损失的热能。溶剂挥发阶段损失的热能等于纸温升高水分挥发消耗的热能。

印刷干燥总的效率为：

热固化干燥的干燥箱^[31]由2～4段组成。干燥箱的“段”自成独立模块，干燥变量可单独调节，如图3-28所示。印刷油墨含30%～40%矿物油溶剂，印刷时需通过干燥去除，残留在纸张的溶剂，实际不到溶剂量的10%。干燥的热风温度为200～300℃时，纸张温度被提高到100～150℃。

热能传递受若干变量影响，其中几何变量在干燥箱的设计定型后，印刷过程中是不能调节的。如纸幅单位长度的风嘴数量、风嘴与纸面距离，还有热风的流速等。

影响印刷干燥的变量主要有热风温度、流速，实际上仅有热风的温度可以调节。热固化干燥的干燥箱温度，经常是按以下要求调节：

第一“段”干燥箱的温度，按热风流速调节；

第二“段”干燥箱温度，按纸幅离开干燥箱时，要求达到的温度调节；

其余各“段”干燥箱温度，按故定的温差阶梯调节；

干燥箱各“段”的温差阶梯，一般约为30℃。干燥箱内热风温度，是每“段”干燥箱唯一可调节变量。不同纸种的印刷干燥，温度范围由经验得知。若每“段”干燥箱的可调节变量只有热风温度，就有必要测量纸面温度，把它作为控制变量：纸张温度升高，表明传递的热能增多，进而促进溶剂挥发。但为节省能耗，印刷干燥选择的温度，应是一个“足以”实现质量转移，且由经验验证过的温度，如图3-29所示。热风温度高会增加热能传递，而质量转移/热能传递比，在一定温度范围内会达到峰值。充分干燥的干燥比（ratio for drying），由测定印刷品（prin-ted image）的溶剂残留确定，可在（质量转移/热能传递比）峰值左边，与之对应的热风温度，是降低溶剂残留、减少其对印刷质量影响的最佳热风温度。

图3-28 热固化印刷的干燥箱纸张由左往右通过干燥箱

图3-29 溶剂残留与热风温度

当然，溶剂残留并非衡量干燥效果的唯一标准，其他的衡量标准包括：印品的光泽度、表面不均匀性、表面是否龟裂、对后序整饰加工的影响等，其中，后者包含干燥不充分、纸张黏连，程度较轻是纸张摩擦力增大使装订机无法按张进纸。

热固化油墨的印刷中，印刷干燥后纸幅要经过冷却，温热、过软的墨层会蹭脏折页装置。纸幅在单位时间内需经冷却消除的热能等于：

其中，t_amb为室内温度，v为纸幅速度，b为纸幅宽度，g为纸张定量。

纸与冷却辊表面接触后，热能由纸幅传递给冷却辊，再由冷却辊的辊壁传递给冷却水系统。

出版凹印油墨的溶剂，多数是有机芳香族物质如甲苯、二甲苯等，或者为芳香族、脂肪族溶剂混合物，溶剂的比例为40%～80%。有机溶剂有易于挥发、不与纸张反应的优点，水性溶剂的功能应用虽然日渐广泛，但对纸张性能产生不利影响。印刷的干燥系统，每个色组都单独配置风机干燥。

印刷机上影响干燥的控制选项有：

①热风温度。黑色墨一般用70～90℃热风干燥，其他墨用35～40℃空气干燥，即无需热风干燥。基于前文分析，在挥发的能量平衡中，提高热风的温度，p_s-p_α项增大。

②热风的溶剂浓度。热风保持一定的溶剂浓度，会降低热风运动黏度，热能传递更有效率，可减小挥发所需的工作压力（p_s-p_α）。

③循环热风的流速。循环热风的流速，决定风嘴的热风流速。提高热风流速，热能的传递系数变大。

如图3-30所示，凹印色组的干燥空气是从色组下部抽取，抽取的空气在色组下部与循环热风混合。循环热风被引导至色组上部，部分热风（约1/3）进入溶剂回收系统，其余（约2/3）经过换热器后，由风机送至风嘴（约1/4）。回流热风与油墨挥发溶剂一起返回到循环热风。

图3-30 凹版印刷机的干燥单元