高效節(jié)能烘干室的模擬仿真與設(shè)計(jì)

林濤，劉天力，黃鵬，趙學(xué)政，王升建

（中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司涂裝工程院，天津300113）

高效節(jié)能烘干室的模擬仿真與設(shè)計(jì)

林濤，劉天力，黃鵬，趙學(xué)政，王升建

（中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司涂裝工程院，天津300113）

從節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，對(duì)涂裝車間烘干室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，同時(shí)考慮設(shè)備的耐用性、清潔方便、可維護(hù)等方面，得到新型烘干室結(jié)構(gòu)；用有限元仿真軟件進(jìn)行烘干室內(nèi)流場(chǎng)仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性；根據(jù)按照設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化結(jié)果的烘干室進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，對(duì)比傳統(tǒng)烘干爐，驗(yàn)證了新型烘干室的高效節(jié)能。

烘干室；高效節(jié)能；理論分析；數(shù)值模擬；對(duì)比分析

隨著清潔生產(chǎn)和精益化生產(chǎn)要求的進(jìn)一步提高，汽車涂裝線的設(shè)計(jì)過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程都越來(lái)越注重能耗的減少和污染物排放的降低，因此必須應(yīng)用有關(guān)的先進(jìn)工藝設(shè)備和技術(shù)為汽車生產(chǎn)線服務(wù)。作為汽車生產(chǎn)流程中重要的一環(huán)，涂裝車間的節(jié)能減排具有非常重大的意義。烘干爐作為涂裝生產(chǎn)線的能耗大戶，節(jié)能減排的觀念必須融入到設(shè)計(jì)研究中的每個(gè)環(huán)節(jié)。

烘干爐系統(tǒng)是涂裝生產(chǎn)線的重要設(shè)備之一，其主要作用是對(duì)噴涂后的車身進(jìn)行高溫烘烤，使得附著在車身表面的濕漆膜在高溫條件下交聯(lián)固化，形成性能優(yōu)異的漆膜。烘干爐熱源一般采用天然氣，通過(guò)加熱裝置對(duì)爐體內(nèi)的循環(huán)空氣進(jìn)行加熱，并使其升溫至工藝溫度，該工序最大的特點(diǎn)是工作溫度高，同時(shí)排放廢氣中夾雜著油漆高溫烘烤過(guò)程中的揮發(fā)成分，對(duì)環(huán)境有較大危害，具有能耗高和廢氣污染的雙重特征。

1 烘干室簡(jiǎn)介

烘干爐系統(tǒng)一般包括：烘干室、加熱系統(tǒng)、排廢氣系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。烘干室是烘干爐的主體設(shè)備，工件烘干在烘干室內(nèi)完成，烘干室又分為外部室體和內(nèi)風(fēng)管，內(nèi)風(fēng)管通常按照工作階段分成多個(gè)區(qū)。外部室體的內(nèi)部壁板密封焊，外部一般為波紋板，中間設(shè)有保溫層，保溫壁板考慮減少熱橋。工件在烘干室內(nèi)，根據(jù)油漆烘烤要求需要較高的溫度，因此烘房通道考慮烘烤特性外，還需考慮設(shè)備熱脹冷縮、設(shè)備易于檢修、更換耗材、方便清潔等特性。

為使被涂物工件加熱均勻，在整車涂裝領(lǐng)域，對(duì)流烘干室應(yīng)用非常廣泛。對(duì)流烘干室是利用熱空氣為載熱體，通過(guò)對(duì)流的方式將熱量傳遞給工件涂層，使涂層得到干燥。常規(guī)烘干爐采用工件兩側(cè)送風(fēng)，而工件的底部通常是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，升溫速度較慢的區(qū)域，為了使工件各個(gè)位置都滿足烘烤要求，通常需要提供烘干的環(huán)境溫度。如何突破常規(guī)結(jié)構(gòu)烘干爐的性能瓶頸，降低烘干爐運(yùn)行溫度，更有效地達(dá)到提升烘烤效果又能降低熱量消耗是對(duì)烘干室優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2 高效節(jié)能烘干室的設(shè)計(jì)思路

2.1 室體通道截面仿形設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)烘干室通道為矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底部留有機(jī)械化運(yùn)輸空間，頂部留有回風(fēng)通道空間，如圖1左所示，這種非仿形的設(shè)計(jì)導(dǎo)致烘干室通道容積相對(duì)較大。按12 m長(zhǎng)工藝區(qū)段來(lái)計(jì)算，通道內(nèi)高3 m，內(nèi)寬2.6 m，通道容積為93.6 m3。而烘干室內(nèi)部通道采用車體仿形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，按同樣的工藝區(qū)段長(zhǎng)度計(jì)算，通道容積為70.4 m3。新型烘干室內(nèi)部通道采用仿形設(shè)計(jì)，通道內(nèi)體積僅為傳統(tǒng)烘干室的75%，對(duì)應(yīng)加熱功率也隨之降低，在循環(huán)風(fēng)量不變的情況下，提高了爐內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)次數(shù)，提高加熱復(fù)雜結(jié)構(gòu)的厚板件的能力。

圖1 室體通道仿形設(shè)計(jì)對(duì)比圖

2.2 內(nèi)部風(fēng)管噴嘴按車型排布

（1）由于車體本身并不是連續(xù)的室體，存在車窗等空腔部位，且車體不同部位鋼板厚度不一致。如圖2左所示，傳統(tǒng)的噴嘴布置會(huì)使得整個(gè)通道內(nèi)高溫氣流與車體的均勻?qū)α鲹Q熱，反而會(huì)造成車體溫度不均勻，出現(xiàn)過(guò)烘的情況。采用如圖2右所示的噴嘴布置，將內(nèi)部風(fēng)管噴嘴對(duì)準(zhǔn)不易加熱的車體區(qū)域，加強(qiáng)局部區(qū)域的換熱系數(shù)，增加不易加熱的車體區(qū)域與循環(huán)風(fēng)的換熱量，最終達(dá)到減小車體溫差的效果[1]。

（2）汽車生產(chǎn)的發(fā)展方向?yàn)閭€(gè)性化定制、柔性化生產(chǎn)，為保證不同車型的烘干需求，可采用烘干室通道內(nèi)多設(shè)置噴嘴，針對(duì)不同車型進(jìn)行噴嘴的封堵，保證將噴嘴對(duì)準(zhǔn)不易加熱的車體區(qū)域達(dá)到相應(yīng)的效果。

圖2 內(nèi)部風(fēng)管噴嘴按車型排布對(duì)比圖

2.3 新型車身輸送裝置

（1）傳統(tǒng)烘干室內(nèi)的車體輸送設(shè)備直接安裝于烘爐內(nèi)底部，如圖3左所示，輸送裝置使得在爐內(nèi)通道高度增加，通道總?cè)莘e變大；同時(shí)，輸送裝置在烘干室升溫過(guò)程中需要吸收大量熱量，運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的熱損耗[2]。新型烘干室將車體輸送裝置隱藏于底部腔體中，將電機(jī)與傳動(dòng)裝置置于烘干室外，僅露出需要與車體接觸的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)輸送設(shè)備在爐內(nèi)重量?jī)H為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的20%，同時(shí)有效地降低了爐內(nèi)高度，減小了通道的總?cè)莘e，同樣按12 m長(zhǎng)工藝區(qū)段來(lái)計(jì)算，加熱爐通道總?cè)莘e減少了9.6 m3，占13%。同時(shí)極大的減小了輸送裝置在烘干室升溫過(guò)程吸收和運(yùn)行過(guò)程損耗的熱量。

圖3 車身輸送裝置對(duì)比圖

（2）輸送設(shè)備傳動(dòng)部分隱藏于底部，同時(shí)將動(dòng)力部分置于室體外部的設(shè)計(jì)，不僅減少了能耗，也降低了輸送設(shè)備因受熱產(chǎn)生機(jī)械疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）傳統(tǒng)烘干室的車體輸送需持續(xù)加注高溫潤(rùn)滑油，設(shè)備易積污，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成清潔難度大；新型烘干室的輸送設(shè)備在爐內(nèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且隱藏于底部，不宜積污，清潔也非常方便。

（4）傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在爐外，徹底解決高溫鏈條潤(rùn)滑難題，維修與保養(yǎng)時(shí)較為方便，不需要進(jìn)入室體通道內(nèi)造成維修的困難和對(duì)爐內(nèi)的污染。

2.4 烘干室體底部送風(fēng)

（1）車體在爐道內(nèi)烘烤過(guò)程中，車身底部、車門內(nèi)部等都有烘烤要求。傳統(tǒng)烘干室由于機(jī)械化輸送的限制，無(wú)法做到底部直接送風(fēng)，往往采用室體底部噴嘴斜向車體底部送風(fēng)的方法，或者改變室體底部為傾斜面結(jié)構(gòu)，設(shè)置噴嘴專門進(jìn)行底部斜向送風(fēng)，如圖4左所示。而實(shí)際生產(chǎn)中以上兩種方法效果并不理想。采用新型烘干室結(jié)構(gòu)，由于車體輸送設(shè)備隱藏在室體底部，如圖4右所示，實(shí)現(xiàn)在室體底部設(shè)置送風(fēng)噴嘴，熱風(fēng)直接與車體底部進(jìn)行熱交換，避免車底溫度偏低，影響漆膜質(zhì)量的情況出現(xiàn)。同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了烘干室內(nèi)車體各部位的均勻升溫，無(wú)需為難烘烤部位提高烘干溫度，整體耗熱量降低。

圖4 烘干室體底部送風(fēng)對(duì)比圖

（2）烘干室的底部送風(fēng)同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)通道無(wú)流場(chǎng)死角，減少內(nèi)部死角和積油，提高烘干室內(nèi)部的清潔效率。

3 烘干室的模擬仿真

數(shù)值計(jì)算烘干室內(nèi)部流體介質(zhì)的流動(dòng)和傳熱是相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，計(jì)算設(shè)計(jì)任務(wù)比較繁重，隨著人們對(duì)計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)的不斷深入研究，基于CFD軟件的數(shù)值模擬分析已成為研究復(fù)雜傳熱過(guò)程的主要途徑[3]。采用數(shù)值模擬分析可以模擬不同工況下的流體流動(dòng)狀態(tài)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等，用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)換熱參數(shù)設(shè)計(jì)分析具有求解速度快、可操作性強(qiáng)、可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)改變模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始邊界條件來(lái)模擬不同工況下的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)不同操作工況的求解結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出最佳的參數(shù)。

本次研究通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)烘干室與優(yōu)化后的新型烘干室建立仿真模型，按實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)置流體溫度與速度參數(shù)，對(duì)比研究車體在不同烘干室內(nèi)的溫度變化情況。

3.1 建立幾何模型

對(duì)傳統(tǒng)及新型烘干室建立幾何模型，如圖5、圖6所示。兩模型外部尺寸與內(nèi)部車體尺寸一致，送回風(fēng)管道入口位置與大小一致。新型烘干爐模型相比較傳統(tǒng)烘干室模型采用了室體通道仿形、噴嘴按車型排布、新型車身輸送裝置、室體底部送風(fēng)的優(yōu)化措施，其中車身輸送的優(yōu)化在模型中體現(xiàn)為車身距離室體底部高度的降低。

圖5 傳統(tǒng)烘干室模型圖

圖6 新型烘干室模型圖

為簡(jiǎn)化集合模型，烘干室內(nèi)所有平面均為光滑平面，噴嘴采用圓柱型的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，車身采用與實(shí)際車身主要外形尺寸一致的簡(jiǎn)化模型，不表達(dá)車身復(fù)雜的鈑金與開孔等結(jié)構(gòu)，保留車窗等所有流體流通通道。

3.2 仿真參數(shù)與條件設(shè)置

（1）模擬假設(shè)

在烘干室中的換熱過(guò)程主要是介質(zhì)與車體表面換熱，包含導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的復(fù)雜傳熱過(guò)程，為了簡(jiǎn)化計(jì)算作出如下假設(shè)：烘干室的入口風(fēng)速處于穩(wěn)態(tài)；室體壁面的黑度各處均勻；忽略車身表面漆膜的物理屬性；烘干室內(nèi)的氣體認(rèn)為是不可壓縮流體。

（2）控制方程

在本次烘干室模擬仿真中，連續(xù)相的流動(dòng)與換熱是基于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和計(jì)算湍流的方程進(jìn)行數(shù)值模擬。

（3）初始與邊界條件

入口為速度入口邊界條件，熱風(fēng)循環(huán)量為30 000 m3/h，對(duì)應(yīng)風(fēng)速為8.5 m/s，熱風(fēng)進(jìn)口溫度為140℃。出口條件為壓力出口邊界條件。

烘干室體外部設(shè)置為壁面條件，與外界以穩(wěn)定的對(duì)流換熱系數(shù)散熱；烘干室內(nèi)部設(shè)置為壁面條件；內(nèi)風(fēng)管過(guò)濾器采用多孔介質(zhì)設(shè)置，保證循環(huán)管風(fēng)量為30 000 m3/h時(shí)壓降為200 Pa左右；車身設(shè)置為壁面條件，壁面根據(jù)實(shí)際車身不同部位的厚度與間隙設(shè)置為不同的厚度。不考慮烘干室前后流場(chǎng)的影響，設(shè)置烘干室前后出口為壁面條件。

（4）計(jì)算方法

采用瞬態(tài)模型，模仿升溫區(qū)升溫過(guò)程，設(shè)置熱風(fēng)加熱時(shí)間為5 min，每10 s記錄一次烘干室模擬仿真結(jié)果。

3.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

模擬仿真結(jié)果如圖7、圖8所示，關(guān)注的是車身平均溫度隨時(shí)間的變化曲線，及車身最大溫差隨時(shí)間的變化曲線。從仿真結(jié)果中提取對(duì)應(yīng)的參數(shù)，得到以下兩張溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。

圖7 流場(chǎng)速度矢量圖

圖8 加熱過(guò)程車體溫度分布圖

從圖9可以看出，新型烘干爐相比較傳統(tǒng)烘干爐，車體溫升速度快，在5min內(nèi)車體平均溫度接近120℃，傳統(tǒng)烘干爐在同樣時(shí)間車體平均溫度只達(dá)到110℃；同時(shí)，由圖10可以看出，由于噴嘴的仿形排布與底部噴嘴的作用，新型烘干爐的最大溫差遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)烘干爐。

圖9 車身平均溫度隨時(shí)間的變化圖

圖10 車身最大溫差隨時(shí)間的變化圖

4 新型烘干室運(yùn)行效果

新型烘干室制作安裝完成情況見圖11。

圖11 新型烘干室制作安裝完成圖

目前，根據(jù)理論優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬仿真驗(yàn)證后的烘干室已制作完成并投入實(shí)際生產(chǎn)，烘干爐按工藝分四個(gè)工作區(qū)，烘干爐運(yùn)行情況良好，根據(jù)爐溫曲線如圖12所示，包含空氣溫度及車體關(guān)鍵點(diǎn)的溫度變化曲線，從圖中可以看出，無(wú)論是在升溫區(qū)，還是在保溫區(qū)，新型烘干室內(nèi)車身都存在升溫響應(yīng)迅速，溫差較小的優(yōu)點(diǎn)。

圖12 新型烘干室運(yùn)行爐溫曲線圖

對(duì)新型烘干室對(duì)應(yīng)的烘干爐系統(tǒng)進(jìn)行整體能耗測(cè)量，包括天然氣耗量、用電量、廢氣流量與溫度、室體表面溫度等參數(shù)，相比較傳統(tǒng)烘干室，節(jié)能約20%，符合高效節(jié)能烘干室的設(shè)計(jì)初衷。

5 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能降耗是涂裝設(shè)備設(shè)計(jì)一貫追求的目標(biāo)，傳統(tǒng)烘干室存在空間布局不合理、運(yùn)行成本高、清潔維護(hù)困難等問(wèn)題，本次研究專注于烘干室這個(gè)單一設(shè)備，通過(guò)理論分析、模擬仿真和運(yùn)行驗(yàn)證，最終解決了上述問(wèn)題，得到高效節(jié)能的烘干室，收到了良好的效果，在行業(yè)內(nèi)具有推廣價(jià)值。由于烘干室、車身與輸送設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以及設(shè)備試制的時(shí)間與成本問(wèn)題，在理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬仿真是今后的主要方向。本次研究沒(méi)有考慮烘干室前后流場(chǎng)的影響，且對(duì)車身進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化，模擬仿真的結(jié)果局限于進(jìn)行對(duì)比研究，能夠做到模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程相一致，指導(dǎo)調(diào)試與生產(chǎn)是今后研究的方向。

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社,2006.

[2]王守臣，張秀翠.油漆烘干爐的熱效率及節(jié)能[J].工業(yè)加熱，2000（2）：13-17.

[3]韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

Simulation Emulation and Design of High Efficiency and Energy Saving Oven Room

LIN Tao,LIU Tianli,HUANG Peng,ZHAO Xuezheng,WANG Shengjian
（Painting Engineering Institute,China Automotive Industry Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300113,China）

Embarking from the design concept of saving energy and reducing consumption,the oven room of painting shop wasdesigned and studied,at the same time,considering the equipment durability, convenient cleaning and maintenance etc.,a new oven room structure was get.The simulation of flow field in oven room with finite element simulation software was done to verify the feasibility of the design.According to the design and simulation results ofthe oven room for the actualoperation results,and compared with the traditionaloven room,the high efficient and energy saving ofthe new oven room was verified.

oven room;high efficiency and energy saving;theoreticalanalysis;simulation;comparative analysis

TQ051.8+92

B

1001-6988（2016）06-0009-04

2016-08-18

林濤（1974—），男，高級(jí)工程師，主要從事汽車涂裝工藝、材料、裝備的技術(shù)研究工作.