中國報告大廳網訊，塗布技術在印刷包裝、新能源電池、食品醫藥包裝、建築裝飾等多個領域應用廣泛，塗布機作為實現該技術的關鍵設備，其性能直接決定了塗布產品的質量與生產效率。在塗布生產中，乾燥系統是核心環節，烘箱作為乾燥系統的主要設備，其乾燥速度、均勻性和安全性是衡量塗布機精密性、可靠性和高效率的關鍵指標。目前，熱風乾燥憑藉成本低、適用於大幅生產等優勢，在塗布乾燥設備中的應用占比超過 90%，是現代塗布工業乾燥的主要方式。然而，熱風乾燥烘箱普遍存在流場內溫度與風速不均勻的問題，這不僅影響產品乾燥均勻性，還會造成能量過度耗散，增加能耗，因此對塗布機烘箱結構進行優化以提升溫度場均勻性至關重要。
基於計算流體力學理論，利用三維建模和流體仿真軟體對塗布機行業烘箱流場進行仿真。仿真依據質量守恆方程、動量守恆方程和能量守恆方程，這些方程詮釋了烘箱內定常流動的不可壓縮黏性流體的運動規律，也是後續結構優化的理論基礎。
所建立的塗布機烘箱模型，熱風由進風口進入，通過勻風板從風嘴吹出至待乾燥基材表面，結構包括外箱體、進風口、風室、風嘴、基材進出口及出風口等，內風室自料帶入口至料帶出口呈一定傾斜角度，內部含有引導熱風流向的導流板結構，烘箱總體尺寸為長度 3990mm× 寬度 1870mm× 高度 1100mm，進風口結構尺寸為長度 396mm× 寬度 1400mm。在邊界條件設置中，網格模型入口為垂直入射速度入口，風速 4m/s，熱風溫度 90℃，出口設置為壓力出口，溫度為室溫。
仿真結果顯示，烘箱內溫度最高的區域位於進風口及風室內熱風主要流動路徑形成的風帶區域，上風室內其他區域溫度較入口降低，經風嘴到達基材表面後溫度進一步降低。沿烘箱長度方向，基材表面溫差較大，進風口正下方及熱風流向方向上的風嘴正下方溫度明顯高於遠離進風口處的風嘴。對風嘴出口正下方對應的基材位置處提取溫度數據，每條數據線提取 30 個數值，計算得出風嘴間平均溫度波動較大，最大差值為 ±4.5℃，且每個風嘴下方基材表面溫度變化波動明顯，最大方差為 1.87(出現在風嘴 4)，最小方差為 0.70(出現在風嘴 7)，各風嘴出口對應基材表面的溫度分布較為不均勻。
《2025-2030年全球及中國塗布機行業市場現狀調研及發展前景分析報告》針對烘箱流場存在的長度方向溫度不均勻且各風嘴處溫度方差較大的問題，從導流板圓角半徑、烘箱進風口位置及導流板數量三方面入手，設計多組對比仿真實驗進行結構優化。
導流板結構包括豎板、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向產生的渦流，增強流場穩定性並減少熱能損耗。設置 100mm、150mm 和 200mm 三組不同圓角半徑參數進行仿真。結果顯示，200mm 圓角半徑的模型在長度方向的溫度均勻性有所提高，儘管其 2-5 號風嘴對應的基材表面溫度值略低於另外兩組模型，但綜合來看，後續選擇 200mm 圓角半徑進行進一步的導流板結構設計。
設置三組不同的進風口位置，以烘箱進風口中心線距離烘箱外壁的尺寸參數為變量，分別為 800mm、1330mm 和 1860mm。結果表明，進風口位置的改變對基材表面溫度分布有明顯影響，進風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 號風嘴的溫度提升更為顯著，但 13-15 號風嘴出口對應基材處溫度有不同程度降低，這是由於烘箱後室在風嘴上方大空間內產生熱風漩渦導致熱量堆積減少。綜合考慮，選擇 1860mm 進風口位置的烘箱模型作為後續優化基礎，並計劃通過優化導流板結構參數與空間布局、縮減烘箱內室等方式進一步提升流場分布特性。
設計不同數量的導流板併合理設置其結構尺寸及空間位置。結果發現，導流板數量增多並不一定能顯著提高風速和溫度的分布情況。在 800mm 進風口位置的模型中，800-2fan 模型因右側導流板的引流作用，流向右側風嘴熱風的溫度升高;而 800-duo 模型由於導流板數量增多導致最右側導流板與烘箱壁面間距過小，流入該區域的熱風較少，右側風嘴溫度低於同進風位置的其他模型。此外，導流板數量過多會使熱風多次轉向形成渦流，造成不必要的能量耗散，因此後續需適當減少導流板數量，並優化其結構參數和空間布局。
以 1860mm 進風口位置的烘箱為模型基礎，針對導流板結構參數及空間布局、數量設置不合理以及烘箱內室空間較大的問題進行優化。
在進風口和烘箱前後端壁面之間分別添加隔板以縮減烘箱內室空間;適當增大導流板的縱向空間布局，並根據所處空間位置調整其圓角半徑、夾角和斜板參數尺寸;減少導流板數量，同時在左側 2 號導流板和右側 1 號導流板上設計透風孔結構(透風孔半徑 10mm、間隔 50mm，兩排透風孔間隔排列，位於 8、9 號風嘴上方及之間區域)。
優化後的模型仿真結果顯示，由於烘箱內室空間縮減使熱風能量更集中，除靠近烘箱前後端頂部和中間兩個導流板下方位置溫度較低外，其餘空間區域溫度較高且分布均勻。與原始模型及其他優化模型相比，優化後的模型(1860-youhua)溫度分布均勻性更好，其中 6 組溫度數據顯著高於原始模型 800，2-4 號風嘴處溫度增幅均在 2℃以上;與模型 1330 和模型 1860 相比，溫度分布均勻性也更優。各風嘴對應基材位置處的平均溫度差從優化前的 ±4.5℃降低至 ±2.5℃，且多組風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。
通過對塗布機行業烘箱的建模與仿真，明確了其存在風嘴間平均溫度差 ±4.5℃、長度方向熱風溫度差值較大及部分風嘴溫度方差較大的問題。通過優化導流板圓角半徑、進風口位置和導流板數量及布局，有效改善了溫度場分布。增大導流板圓角半徑使導流板背面緊鄰兩處風嘴的溫度提升;改變進風口位置對基材表面溫度分布有明顯提升;合理設置導流板數量、結構尺寸及空間位置，可降低基材表面溫度的不均勻性。進一步優化後，風嘴間平均溫度差降至 ±2.5℃，為後續塗布機烘箱的設計及優化提供了借鑑和理論依據。未來還可結合實際需求，對烘箱出風口位置及尺寸、內室形狀等進行優化，以避免過多增加烘箱質量，持續提升塗布機的性能與效率。
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