基于涂裝車間熱輪換熱系統(tǒng)的節(jié)能降耗研究

楊朋

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

轉(zhuǎn)輪式換熱器由具有蜂窩結(jié)構(gòu)的金屬熱交換材料制成，在進(jìn)行熱交換的介質(zhì)（排風(fēng)與供風(fēng)單元的外部空氣）之間緩慢轉(zhuǎn)動?？諝庖詫恿鞯男问窖刂惶娴姆较蛲ㄟ^熱交換材料中的縫隙，轉(zhuǎn)子中的熱交換器材料吸收排風(fēng)流中的熱量，熱交換材料通過不斷旋轉(zhuǎn)將熱量傳遞至供風(fēng)流。熱交換材料在旋轉(zhuǎn)通過排風(fēng)流時吸收排風(fēng)中的熱量，然后在旋轉(zhuǎn)通過外部空氣流時將其釋放到外部空氣中。外部空氣通過轉(zhuǎn)輪式換熱器的半部分，排風(fēng)則沿著相反的方向通過轉(zhuǎn)輪式換熱器的另一個半部分（圖1）。潛在的合理熱量傳遞至供風(fēng)中，能量被用于對外部空氣進(jìn)行預(yù)熱。通過此裝置可在外部空氣溫度較低的時候，對空氣進(jìn)行預(yù)熱。使外部進(jìn)入風(fēng)房的空氣溫度盡可能地接近風(fēng)房設(shè)定值（圖2）。

圖1

圖2

2 節(jié)能降耗改進(jìn)方案設(shè)計

北京奔馳汽車涂裝車間共使用5套轉(zhuǎn)輪換熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪式換熱器由PLC控制繼電器驅(qū)動三相異步電動機(jī)，電動機(jī)動力通過正齒輪減速機(jī)再由V帶驅(qū)動裝置工作。

2.1 現(xiàn)況分析

轉(zhuǎn)輪式換熱器裝置設(shè)計之初是根據(jù)德國的氣候條件進(jìn)行實驗使用，熱能回收效果良好，可大量節(jié)約為車間供風(fēng)系統(tǒng)加熱而使用掉的電能，因此，被大多數(shù)主機(jī)廠的涂裝車間所采用。但北京的氣候變化與德國的溫度存在差距，尤其是夏季，外界溫度較高（≥35℃），排風(fēng)溫度遠(yuǎn)低于送風(fēng)溫度，熱回收裝置仍然以工頻旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致回收效果過剩，需要反向溫度調(diào)節(jié)，反而造成能量二次消耗，基于此，該系統(tǒng)還可進(jìn)一步完善。通過實時調(diào)速的理念，達(dá)到精確回收的目的，可最大程度地節(jié)約能耗。

2.2 改進(jìn)方案制定

通過加裝變頻器和溫度傳感器，采集送排風(fēng)的溫差值，通過PLC計算后給出經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速。首先，可降低驅(qū)動電機(jī)的工作能耗，還可使送排風(fēng)的熱能回收達(dá)到最佳效果。降低冷熱水的使用量，可大幅度節(jié)約電能。另外，在外界溫度達(dá)到最佳時，通過此改造熱輪會處于靜止?fàn)顟B(tài)，無須進(jìn)行熱回收。在此狀態(tài)下利用新風(fēng)側(cè)旁通風(fēng)閥，執(zhí)行旁通送風(fēng)。使其熱交換能力降到最低。同時對旁通風(fēng)閥加裝電控執(zhí)行器，完成自動開關(guān)功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件配置：溫度傳感器、變頻器、執(zhí)行器、電控閥等。

3.1 溫度傳感器配置

溫度傳感器是能將溫度轉(zhuǎn)換成可用模擬量輸出信號的傳感器，是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類，本文采用非接觸式熱電偶類型的傳感器。

由于設(shè)計初未考慮排風(fēng)溫度會大幅度高于設(shè)定溫度，但實際發(fā)現(xiàn)排風(fēng)溫度在30℃左右（夏天甚至達(dá)到35℃）高于設(shè)定值（20℃）。要想實現(xiàn)PID控制需要對排風(fēng)溫度實時監(jiān)控，因此在排風(fēng)風(fēng)道中加裝溫度傳感器，達(dá)到實時監(jiān)測排風(fēng)溫度的目的。傳感器型號選為：VAISALA HMT330（圖3）。溫濕度傳感器電流值分別進(jìn)入PLC ET200S的模擬量輸入接口。根據(jù)現(xiàn)場情況地址設(shè)定為IW2240和IW2244，電氣接線圖如圖4所示。

圖3

圖4

3.2 變頻器配置

變頻器是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電等技術(shù)的總稱。為使換熱達(dá)到最佳效果，熱輪轉(zhuǎn)速采取實時調(diào)速模式，以保證回收后的新風(fēng)溫度盡可能地接近設(shè)定數(shù)值。節(jié)約在二次調(diào)溫過程中的能量損耗。本文采用的變頻器是Lenze9400，型號為E94ASHE0074E34NNER（圖5），電氣接線圖如圖6所示。

圖5

圖6

3.3 執(zhí)行器及電控閥配置

在外界溫度達(dá)到最佳時，通過此改進(jìn)方案熱輪會處于靜止?fàn)顟B(tài)，無須進(jìn)行熱回收。在此狀態(tài)下利用新風(fēng)側(cè)旁通風(fēng)閥，執(zhí)行旁通送風(fēng)。使其熱交換能力降到最低。因此，還需對旁通風(fēng)閥加裝電控執(zhí)行器，完成自動開關(guān)功能。另外，熱輪停止轉(zhuǎn)動，新風(fēng)側(cè)也容易被異物堵塞（如柳絮樹葉等），為防止出現(xiàn)堵塞，當(dāng)熱輪停止轉(zhuǎn)動時開始進(jìn)行計時，每15min熱輪進(jìn)行低速5Hz轉(zhuǎn)動180度（由位置傳感器進(jìn)行確認(rèn)位置）。通過排風(fēng)側(cè)對熱論上的異物進(jìn)行反吹。以達(dá)到清潔效果。流程圖如圖7所示。

圖7

4 PLC程序編寫及調(diào)試

PLC程序編寫過程包括符號表構(gòu)建、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、自動升頻和自動降頻程序。

4.1 構(gòu)建符號表

符號名均按照戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)命名（表1）。

表1

4.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

PLC自動溫度控制需使用整數(shù)形式的數(shù)據(jù)格式，所以在編寫新的程序前，先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可用格式。排風(fēng)溫度、熱交換后溫度、室外溫度由BCD碼轉(zhuǎn)換成整數(shù)，分別儲存在MW100、MW102和MW104中，程序計算后的數(shù)值轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，存儲在MD110中，見圖8。

圖8

4.3 自動升頻程序

升頻邏輯如下。

（1）室外溫度與設(shè)定溫度值比對，室外溫度高于設(shè)定值時接通；（2）熱輪換熱后溫度與設(shè)定溫度值比對，熱輪換熱后溫度高于設(shè)定值時接通；（3）排風(fēng)溫度與設(shè)定溫度值比對，室外溫度高于排風(fēng)溫度時接通；（4）室外溫度與設(shè)定溫度值比對，當(dāng)室外溫度低于設(shè)定值時接通；（5）熱輪換熱后溫度與設(shè)定溫度值比對，當(dāng)熱輪換熱后溫度低于設(shè)定值時接通；（6）排風(fēng)溫度與設(shè)定溫度值進(jìn)行比對，當(dāng)室外溫度低于排風(fēng)溫度時接通；（7）當(dāng)（123）或（456）條件滿足時，執(zhí)行（7）時間等待100s后激活下一步；（8）當(dāng)前電機(jī)頻率低于45Hz時，接通下一步；（9）滿足以上條件后電機(jī)頻率上升3Hz。

PLC程序如圖9。

圖9

4.4 自動降頻程序

降頻邏輯如下。

（1）室外溫度與設(shè)定溫度值比對，室外溫度高于設(shè)定值時接通；（2）熱輪換熱后溫度與設(shè)定溫度值比對，熱輪換熱后溫度高于設(shè)定值時接通；（3）排風(fēng)溫度與設(shè)定溫度值比對，排風(fēng)溫度高于室外溫度時接通；（4）室外溫度與設(shè)定溫度值比對，室外溫度低于設(shè)定值時接通；（5）熱輪換熱后溫度與設(shè)定溫度值進(jìn)行比對，熱輪換熱后溫度低于設(shè)定值時接通；（6）排風(fēng)溫度與設(shè)定溫度值進(jìn)行比對，排風(fēng)溫度低于室外溫度時接通；（7）當(dāng)（123）或（456）條件滿足時，執(zhí)行（7）時間等待100s后激活下一步；（8）當(dāng)前電機(jī)頻率高于10Hz時，激活下一步；（9）滿足以上條件后電機(jī)頻率下降3Hz。

將頻率調(diào)節(jié)至10Hz以下時自動降頻程序中斷，且同時切斷電動機(jī)在自動模式下的運(yùn)轉(zhuǎn)。待自動升頻程序重新將電動機(jī)頻率升至10Hz以上，電動機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

PLC程序如圖10。

圖10

5 結(jié)語

本文通過研究轉(zhuǎn)輪換熱系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的缺陷，實施針對性的措施改進(jìn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)約電能和冷凍水耗量約45萬元/年。同時，在同工藝的涂裝車間具有很強(qiáng)的參考性、通用性和可移植性。隨著工業(yè)生產(chǎn)不斷擴(kuò)大化，節(jié)能降耗、降本增效是我們一線工作者義不容辭的責(zé)任。