汽車涂裝噴漆室循環(huán)風(fēng)技術(shù)及應(yīng)用

董丹義

（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000）

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家越來(lái)越注重節(jié)能和環(huán)保。在汽車涂裝行業(yè)中，由于噴漆室所占能耗占比之大，噴漆節(jié)能減排技術(shù)一直是涂裝技術(shù)的重中之重。本文以常規(guī)的濕式噴漆室為例，分析循環(huán)風(fēng)技術(shù)在各種工況下的應(yīng)用情況。

1 循環(huán)風(fēng)技術(shù)運(yùn)用的必要性

1.1 節(jié)能因素

在汽車涂裝車間中，噴漆室是能耗大戶，其中又以空調(diào)為主要占比。資料顯示，噴漆室約占整個(gè)車間能耗的50%。如何降低其能耗，一直是涂裝技術(shù)人員關(guān)心的問(wèn)題。根據(jù)噴漆室?guī)滓兀ㄗ鳂I(yè)面長(zhǎng)度、寬度、風(fēng)速和溫濕度），盡可能的減少幾要素?cái)?shù)值，對(duì)于降低噴漆室的能耗有著顯著意義。

1.2 技術(shù)因素

隨著技術(shù)的發(fā)展，大量機(jī)器人被運(yùn)用在各噴漆段，以替代人工噴涂，其風(fēng)速要求也大幅下降。根據(jù)某合資品牌最新涂裝線的情況，其普通車身油漆內(nèi)外表面噴涂已全部由機(jī)器人旋杯噴涂完成，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的噴杯，油漆粒子高效霧化，在高壓電場(chǎng)的作用下，均勻排布在涂覆件表面。在此種情況下，新風(fēng)的使用量很小，整個(gè)色漆段和清漆段，大量采用循環(huán)風(fēng)，在滿足消防要求的情況下，補(bǔ)充部分新風(fēng)，排除部分廢氣。

1.3 環(huán)保因素

自2010年起，各省陸續(xù)出臺(tái)了涂裝行業(yè)VOC排放法規(guī)。各地均對(duì)排氣筒的最高允許排放濃度、允許排放速率、單位涂裝面積 VOC排放限值做了明確規(guī)定。以華東地區(qū)小型乘用車的最高允許排放濃度為例，其要求都限定在30～50mg/m3范圍內(nèi)。

而要達(dá)到此濃度，常規(guī)配置均為轉(zhuǎn)輪+RTO或TAR。通過(guò)轉(zhuǎn)輪吸附后，將大風(fēng)量、低濃度的噴漆廢氣轉(zhuǎn)換成小風(fēng)量、高濃度的廢氣，再通過(guò)RTO或者TAR進(jìn)行焚燒處理。此類設(shè)備投資較大，如何降低裝機(jī)處理風(fēng)量就尤為重要。而循環(huán)風(fēng)技術(shù)正好能滿足此需求，通過(guò)循環(huán)將排放廢氣量限定在十萬(wàn)以內(nèi)，繼而大大降低了設(shè)備投資和運(yùn)行成本。

2 常規(guī)的循環(huán)風(fēng)技術(shù)的形式

根據(jù)循環(huán)風(fēng)的比例，可將循環(huán)風(fēng)形式分為一次回風(fēng)利用和多次循環(huán)利用。

2.1 一次回風(fēng)利用

此種形式較為簡(jiǎn)單。適用于機(jī)器人不多的場(chǎng)合，新風(fēng)占比仍然較大，將人工段的風(fēng)通過(guò)循環(huán)風(fēng)空調(diào)回用至自動(dòng)段和流平段，漆霧處理后，直接排至廢氣處理。其風(fēng)系統(tǒng)原理如圖1所示：

圖1 一次回風(fēng)利用

圖2 多次循環(huán)利用

2.2 多次循環(huán)利用

適用于機(jī)器人大量使用的場(chǎng)合，新風(fēng)占比較小，只有人工段、潔凈間需供新風(fēng)（擦凈供風(fēng)回用），將人工段、自動(dòng)段、流平室排風(fēng)的大部分通過(guò)循環(huán)風(fēng)空調(diào)回用至自動(dòng)段和流平段，少部分排至廢氣處理。其風(fēng)系統(tǒng)原理如圖2所示。

噴漆室供風(fēng)多次循環(huán)利用的前提是，操作間 VOC含量應(yīng)維持在可燃?xì)怏w爆炸下限濃度的25%以下。由于各種有機(jī)溶劑的爆炸濃度不盡相同，取各種溶劑中，下限濃度最低的為例，計(jì)算得到其保守VOC含量需低于10g/m3。一般情況下，循環(huán)風(fēng)的VOC濃度不會(huì)超標(biāo)。

3 濕式循環(huán)風(fēng)空調(diào)

目前國(guó)內(nèi)整車廠，除合資品牌或者要求較高的涂裝線配置石灰石包裹或靜電吸附裝置處理過(guò)噴漆霧外，大多數(shù)噴漆室漆霧還是基于濕式水循環(huán)處理。以下以濕式噴漆室為例，從回風(fēng)溫濕度和空調(diào)配置的兩方面對(duì)循環(huán)風(fēng)空調(diào)進(jìn)行論述。

3.1 噴漆室回風(fēng)溫濕度

根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理，水與空氣接觸時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程，主要有以下幾種，如圖3和表1所示：

圖3 空氣與水直接接觸時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程

表1 空氣與水直接接觸時(shí)各種過(guò)程的特點(diǎn)

注：表中Ta、Ts、Tl分別為空氣的干球溫度、濕球溫度和露點(diǎn)溫度，Tw為水溫。

依據(jù)表1中的各過(guò)程變化特點(diǎn)，噴漆室送風(fēng)在經(jīng)過(guò)漆霧捕捉系統(tǒng)后的溫濕度變化，和水池的溫度是有密切聯(lián)系的。目前，常規(guī)采用水性漆時(shí)，溫濕度要求為 23℃/65%RH。采用溶劑型漆時(shí)，溫濕度要求為 25℃/65%RH。相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)如表2所述：

表2 噴漆工況點(diǎn)空氣狀態(tài)參數(shù)

噴漆室風(fēng)在經(jīng)過(guò)水系統(tǒng)后，空氣與循環(huán)水進(jìn)行熱濕交換。在若干輪的交換后，水溫將趨近于原空氣的濕球溫度。實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)也基本驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，噴漆室供風(fēng)在 25℃/65%RH 時(shí)，噴漆室底部文氏體出口的溫濕度為 18～22℃，相對(duì)濕度為 90～93%。以減焓加濕為主，少量時(shí)間是增焓加濕。在計(jì)算空調(diào)公配時(shí)，常規(guī)以等焓加濕計(jì)算。

對(duì)循環(huán)水池而言，除去部分項(xiàng)目水池露天敞開的工況，其一般處于噴漆室底層或輔房?jī)?nèi)，循環(huán)水在和噴漆空氣進(jìn)行熱濕交換的同時(shí)，也和環(huán)境有著熱量交換，新建線噴漆室基本處于車間靠墻或輔房一側(cè)，且與周邊設(shè)備設(shè)置隔墻，環(huán)境溫度不會(huì)有大的波動(dòng)。故循環(huán)水的溫度基本不會(huì)低于露點(diǎn)溫度，不會(huì)出現(xiàn)表1中所述的A-1減濕冷卻狀態(tài)。

3.2 循環(huán)風(fēng)空調(diào)的配置

基于上述分析，濕式噴漆室回風(fēng)一般不會(huì)出現(xiàn)減濕冷卻的情況，故常規(guī)濕式文丘里的循環(huán)風(fēng)空調(diào)的功能段僅配置表冷段和加熱段，用于除濕和調(diào)溫。圖4是一般濕式噴漆室循環(huán)風(fēng)空調(diào)的典型分段：

圖4 濕式噴漆室循環(huán)空調(diào)典型分段

常規(guī)設(shè)計(jì)中，表冷段冷源為冷凍水（7～12℃），由站房冷凍機(jī)組提供，加熱段熱源為熱水（90-70℃），由鍋爐房提供。在新風(fēng)占比大的工況，由于各季節(jié)冷熱源負(fù)荷變化較大，一般站房配置無(wú)法滿足。近些年出現(xiàn)的熱泵技術(shù)是一個(gè)比較好的解決方案。

所謂熱泵裝置，其原理和壓縮式冷凍機(jī)是一致的，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、截流元件和蒸發(fā)器四部分組成（如圖 5所示）。壓縮機(jī)由電機(jī)或其他能源驅(qū)動(dòng)，使冷媒介質(zhì)在四種狀態(tài)之間變化循環(huán)，其中冷凝器內(nèi)冷媒液化，對(duì)外放熱Q1；蒸發(fā)器內(nèi)冷媒氣化，從外部吸熱Q2。將Q1作為熱源或?qū)2作為冷源，就是熱泵基本原理。

圖5 換熱循環(huán)工作原理

目前涂裝空調(diào)中，此類技術(shù)方案主要有兩類。一類是間接換熱式方案，另一類是直接蒸發(fā)式熱泵方案。（見圖6和圖7基本原理圖）

圖6 間接換熱式方案流程圖

圖中，間接換熱方案，是將冷水機(jī)組就近放置，將蒸發(fā)器吸收的熱量 Q2通過(guò)循環(huán)水傳遞給表冷器；將冷凝器釋放的熱量Q1通過(guò)循環(huán)水傳遞給加熱器，多余的熱量由冷卻塔對(duì)外排放。而直接蒸發(fā)式熱泵方案，則相當(dāng)于一臺(tái)散裝機(jī)組或“家用空調(diào)”，將冷媒循環(huán)過(guò)程集成到循環(huán)風(fēng)空調(diào)中，將冷量和熱量直接傳遞給循環(huán)風(fēng)，表冷器相當(dāng)于“空調(diào)內(nèi)機(jī)”，加熱器和風(fēng)冷卻塔相當(dāng)于“空調(diào)外機(jī)”。且常規(guī)的冷媒均為R134a，不會(huì)造成換熱盤管凍裂的事故。

圖7 直接蒸發(fā)式熱泵流程圖

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，前者方案適用于改造線或新建線，已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目中。后者方案適用于新建線，主要應(yīng)用在由國(guó)外涂裝供應(yīng)商實(shí)施的幾個(gè)項(xiàng)目中。

3.3 循環(huán)風(fēng)空調(diào)冷熱量計(jì)算

之前分析中，濕式噴漆室回風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，可以近似等焓加濕計(jì)算。圖8為濕式噴漆室文丘里和循環(huán)風(fēng)空調(diào)的空氣狀態(tài)變化過(guò)程。

圖8 噴漆室文丘里和循環(huán)風(fēng)空調(diào)中空氣狀態(tài)變化

表3 各工況點(diǎn)參數(shù)

以下以20萬(wàn)m3/h風(fēng)量循環(huán)風(fēng)為例，計(jì)算循環(huán)風(fēng)空調(diào)所需的冷熱量。表3為在經(jīng)過(guò)文丘里和循環(huán)風(fēng)空調(diào)各工況點(diǎn)參數(shù)。

所需冷量Q1=質(zhì)量M*焓差ΔI=200000/3600*1.2*（58.5-51.3）=480kW

所需熱量Q2=比熱容C*質(zhì)量M*溫差Δt=0.24* 200000*1.2*（25-18）/860=469kW

實(shí)際情況由于存在增焓加濕，且經(jīng)過(guò)回風(fēng)機(jī)和回風(fēng)管后，實(shí)際回到循環(huán)風(fēng)空調(diào)進(jìn)風(fēng)段，空氣相對(duì)濕度會(huì)少量降低，同時(shí)溫度有所上升。故冷量需要適當(dāng)放大。

4 展望分析

如前所述，循環(huán)風(fēng)技術(shù)的初衷是為了節(jié)能。以上述 20萬(wàn)風(fēng)量為例，在華東地區(qū)，如采用全新風(fēng)空調(diào)。能耗對(duì)比詳見表4：

表4 新風(fēng)空調(diào)和循環(huán)空調(diào)能耗對(duì)比

同樣的工況需求，循環(huán)風(fēng)空調(diào)能耗已經(jīng)大大降低，對(duì)于現(xiàn)有的能耗成本，歸根結(jié)底是因?yàn)闈袷絿娖崾冶旧砉ぷ鳈C(jī)理造成，要進(jìn)一步降低能耗，只能通過(guò)改變漆霧處理工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。

近些年由國(guó)外供應(yīng)商提供的干式或半干式噴漆室技術(shù)（如ECO-Dryscrubber或E-SCRUB）很好的實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。根據(jù)資料顯示，在23℃/65%噴涂要求下，前者的回風(fēng)溫濕度為 25℃/58%；后者的回風(fēng)溫濕度為 22-26℃/75～60%。從空調(diào)配置上講，前者配置了加濕和表冷；后者配置了表冷和加熱。由于回風(fēng)參數(shù)的變化，其能耗可進(jìn)一步降低。對(duì)于近兩年出現(xiàn)的紙盒過(guò)濾技術(shù)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)批量連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)用，具體性能指標(biāo)不得而知。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著科技的進(jìn)步，噴漆循環(huán)風(fēng)技術(shù)已越來(lái)越成熟。對(duì)噴漆本身來(lái)講，選擇環(huán)境友好型涂料、減少油漆過(guò)噴量，以及后道廢氣處理防治是整個(gè)噴漆過(guò)程控制的關(guān)鍵所在。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視，為滿足各地環(huán)保法規(guī)的要求，即使在使用溶劑型漆的情況下，循環(huán)風(fēng)空調(diào)配合后道轉(zhuǎn)輪濃縮和焚燒，已能夠滿足目前環(huán)保要求的排放濃度和排放速率，而采用水性漆噴涂則滿足單位面積VOC排放指標(biāo)。