涂裝烘干室節(jié)能減排措施的規(guī)劃與研究

吳 斌，孔 坤 （南京依維柯汽車有限公司，江蘇南京 210028）

陳俊奇 （上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

節(jié)約資源是我國的基本國策，節(jié)能減排也是需要各行各業(yè)不斷深入研究的課題。對于汽車行業(yè)來說，汽車車身涂裝車間是汽車廠的耗能大戶，其能耗占工廠總能耗的55 %，占生產(chǎn)制造工藝能耗的73 %（白車身制造和總裝的能耗分別占17 %和10 %）。傳統(tǒng)工藝（3C2B）涂裝車間中能耗最多的是噴漆設(shè)備，其次便是烘干室。隨著近年來綠色涂裝工藝技術(shù)（如干式噴漆室及排風(fēng)循環(huán)利用等）的采用，烘干室的能耗已經(jīng)超過噴漆室，上升為首位，占涂裝車間總能耗的36 %（見圖1）。

圖1 涂裝車間能耗狀況Figure 1 Energy consumption in painting shop

主要從汽車用涂裝烘干室設(shè)計(jì)計(jì)算的角度，介紹如何提高能效和節(jié)能減排，降低烘干室能耗的技術(shù)措施。

1 涂裝烘干室熱量損耗分析

工業(yè)涂裝用烘干室按加熱方法可分為熱風(fēng)對流烘干室、輻射烘干室、熱風(fēng)對流+輻射烘干室、感應(yīng)加熱烘干室和特種烘干室（紫外線烘干室、電子束加熱），汽車用涂裝烘干室普遍采用的是熱風(fēng)烘干室和輻射烘干室。

烘干室的能耗主要體現(xiàn)在熱量損耗上。以熱風(fēng)對流烘干室為例，在計(jì)算烘干室的熱量時(shí)，不僅要考慮生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的熱量，還要考慮工作前升溫所需的熱量。升溫時(shí)的熱量主要由烘干室室體加熱量Q1、風(fēng)管系統(tǒng)加熱量Q2、烘干室內(nèi)輸送鏈加熱量Q3、烘干室內(nèi)空氣加熱量Q4、烘干室外壁的散熱量Q5和烘干室出入口門洞的散熱量Q6組成。即升溫時(shí)所需總熱量QH=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6。生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)的熱量QR則由工件加熱量Qa、隨工件進(jìn)入烘干室的載具及輸送鏈加熱量Qb、涂料（或水）蒸發(fā)的加熱量Qc、烘干室室體散熱量Qd、外部循環(huán)風(fēng)管散熱量Qe、排氣的熱損失量Qf、烘干室出入口門洞的熱損失量Qg組成，即QR=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe+Qf+Qg。在設(shè)計(jì)烘干室時(shí)，考慮到安全系數(shù)，最終選用的加熱器容量必須比QH和QR都大。

所有的熱量均遵循熱量計(jì)算公式：

式中，G為吸熱體（室體、工件等）的質(zhì)量，C為吸熱體的比熱容，t1為烘干室的工藝溫度，t0為吸熱體的初始溫度。

在清楚了熱量損耗的計(jì)算依據(jù)后，所要做的就是在保證生產(chǎn)工藝要求的前提下提高能效，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少冗余結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到節(jié)能減排、降低成本的目的。

2 涂裝烘干室設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 變截面設(shè)計(jì)

在滿足烘干工藝要求和被烘干工件通過性的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮小烘干室的內(nèi)容積，減少烘干室的散熱面積。

在全熱風(fēng)對流循環(huán)加熱的情況下，烘干室升溫區(qū)的循環(huán)空氣出口采用噴嘴形式，保溫區(qū)的循環(huán)空氣出口采用出風(fēng)口形式。為保證獲得高質(zhì)量無污染的涂層表面，須確保烘干設(shè)備內(nèi)的空氣潔凈度，尤其是在涂層表面尚未完全固化的升溫段。進(jìn)入烘干室的空氣潔凈度通常要達(dá)到Eu8標(biāo)準(zhǔn)，除在經(jīng)過熱交換器后有一板式過濾器外，熱風(fēng)吹到車身前還會(huì)在內(nèi)部風(fēng)管處進(jìn)行第二次過濾，以免風(fēng)道中殘留的灰塵、顆粒物等雜質(zhì)對涂層表面造成污染。保溫區(qū)的風(fēng)口上也會(huì)設(shè)置1道過濾器，見圖2和圖3。

圖2 升溫區(qū)室體橫斷面Figure 2 Heat area section

圖3 保溫區(qū)室體橫斷面Figure 3 Hold area section

由于需要預(yù)留更換過濾器及調(diào)節(jié)噴嘴角度的操作空間，升溫區(qū)每側(cè)的內(nèi)部風(fēng)管需要預(yù)留過濾器至噴嘴間約250 mm間距。在保證內(nèi)部風(fēng)道檢修通道、內(nèi)部風(fēng)管及室體壁板到工件間的距離均相同的基礎(chǔ)上，采用變截面的設(shè)計(jì)，保溫區(qū)可省去該部分空間，從而較升溫區(qū)的室體減少了共500 mm寬度，保溫區(qū)每米的表面積比升溫區(qū)少1 m2，從而減少了運(yùn)行時(shí)烘干室室體的加熱量Q1、烘干室內(nèi)空氣加熱量Q4、烘干室外壁的散熱量Q5及升溫時(shí)烘干室室體的散熱量Qd約10 %。

在某乘用車項(xiàng)目中，烘干室的保溫段采用了單側(cè)送排風(fēng)的形式（見圖4），少了一側(cè)內(nèi)部風(fēng)道的保溫段，相較升溫段減少了更多橫斷面面積，寬度共減少了1 050 mm，該形式還可省去一半的內(nèi)部風(fēng)管材料，在減少Q(mào)1、Q4、Q5、Qd的同時(shí)大幅減少了升溫階段風(fēng)管系統(tǒng)的加熱量Q2。

圖4 單側(cè)送排風(fēng)保溫段橫斷面Figure 4 Hold area section（single side air circulation）

因此，對于升溫區(qū)設(shè)有過濾器形式的烘干室，建議采用變截面的設(shè)計(jì)，且生產(chǎn)綱領(lǐng)越大，節(jié)能效果越顯著。

2.2 EcoInCure車身烘干技術(shù)

EcoInCure車身烘干技術(shù)是杜爾集團(tuán)開發(fā)的新工藝，循環(huán)氣流從車身內(nèi)部對其進(jìn)行加熱或冷卻。其工作原理見圖5，它的氣流傳導(dǎo)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)最佳涂層外觀和工藝可靠性的關(guān)鍵。長拋距噴嘴使氣流通過擋風(fēng)玻璃的開口深入車身內(nèi)部，使車身外部和內(nèi)部同時(shí)均勻地加熱或冷卻，同時(shí)對部件的熱應(yīng)力也將減少，加熱車身耗時(shí)也可減少至多30 %。

圖5 EcoInCure烘干室工作原理Figure 5 EcoInCure oven process principle

而且該烘干技術(shù)的一項(xiàng)新功能是圍繞中央熱交換器的加熱概念。集中加熱的循環(huán)空氣加熱氣體被輸送到各區(qū)域，而不是局部熱交換器。這種空氣循環(huán)的可變性和精確性更高，能夠減少壓力損失，因此使EcoInCure的總電能需求降低25 %。

EcoInCure烘干技術(shù)的最大亮點(diǎn)之一是改變了傳統(tǒng)烘干室車身豎向輸送的方式，而采用橫向運(yùn)行模式，也是實(shí)現(xiàn)緊湊型系統(tǒng)設(shè)計(jì)從而降低能耗的關(guān)鍵因素，可以節(jié)省極大的空間，相比傳統(tǒng)的烘房，EcoInCure烘干室長度縮短了一半，升溫所需加熱量與工作時(shí)的熱損失自然也大大減少。

3 擇優(yōu)選用涂裝烘干室的類型，減少出入口 熱量損失

汽車烘干室通常分為直通式與橋式兩大類型，橋式烘干室按其外形，又可分為A式、π式與┌型3種。實(shí)際應(yīng)用較多的為直通式與π式烘干室。

直通式烘干室的優(yōu)點(diǎn)是無需升降，烘干室內(nèi)的故障易發(fā)現(xiàn)和消除，但對于出入口端氣封的要求較高。入口端若氣封風(fēng)速過高，則可能對尚為濕膜的工件涂膜產(chǎn)生不利影響；而氣封風(fēng)速過低，氣封效果不理想則會(huì)導(dǎo)致熱風(fēng)外溢，造成大量熱量損失。

π式烘干室的優(yōu)點(diǎn)是利用熱空氣比冷空氣輕的特性，將高溫室體整體抬高，出入口端以垂直升降形式確保氣封性能良好，即升溫及運(yùn)行時(shí)，出入口門洞的散熱量Q6、Qg較小，但由于需額外增加出入口的高溫升降機(jī)，所以也增加了故障點(diǎn)和額外的機(jī)運(yùn)成本。

┌型烘干室結(jié)合了直通式與π式的優(yōu)點(diǎn)，并揚(yáng)長避短，入口端采用π式的垂直升降結(jié)構(gòu)，出口端由于工件表面漆膜已固化，故可采用高速風(fēng)幕氣封室替代。在實(shí)踐中證實(shí)，π式烘干室升降機(jī)故障主要出在出口端的升降機(jī)，它運(yùn)送高溫車身，等待接車身點(diǎn)在烘干室上部，始終處于高溫狀態(tài)下作業(yè)，因而遠(yuǎn)比入口端低溫狀態(tài)下作業(yè)的升降機(jī)更易產(chǎn)生故障。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮廠房立體布置及機(jī)運(yùn)成本等因素，推薦選用π型烘干室，提高出入口端的保溫性，減少出入口門洞的散熱量Q6、Qg。

圖6 π型烘干室結(jié)構(gòu)示意Figure 6 Style-π oven structure

4 合理確定涂裝烘干設(shè)備的熱空氣排出量

烘干室在工作過程中需不斷排出一部分熱氣，并靠常溫新鮮空氣進(jìn)行補(bǔ)充，這部分熱量損失就是前文提到的Qf。根據(jù)熱量計(jì)算公式：

式中，G空氣為新鮮空氣的質(zhì)量，C空氣為新鮮空氣的比熱，t1為烘干室工藝溫度，t0為新鮮空氣初始溫度。

合理的烘干室熱空氣排出量必須滿足以下條件：

（1） 保證工件在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高質(zhì)量的烘干。工件表面涂層中的溶劑或水分在烘干過程中會(huì)揮發(fā)出來，為此需要加強(qiáng)通風(fēng)，在排出熱氣、補(bǔ)充新鮮空氣的過程中，控制室體內(nèi)空氣中溶劑或水汽的飽和度，以滿足溶劑或水分的揮發(fā)要求，使溶劑或水分有適宜的排放速率，能保證工件在工藝規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高質(zhì)量的干燥。

（2） 確保烘干室能夠安全運(yùn)行。必須滿足GB/T 14443—2007《涂裝作業(yè)安全規(guī)程 涂層烘干室安全技術(shù)規(guī)定》中的有關(guān)要求：烘干設(shè)備內(nèi)可燃?xì)怏w的最高體積濃度不應(yīng)超過其爆炸下限的25 %。

（3） 確保烘干室的熱氣不外溢。為減少熱量對車間的熱污染，烘干室內(nèi)部應(yīng)該處于微負(fù)壓，所以烘干室內(nèi)的熱空氣抽取量要足夠大，以免熱空氣從工件進(jìn)/出口兩端溢出。

在設(shè)計(jì)烘干室時(shí)，應(yīng)在滿足工件烘干要求并保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，盡量減少熱空氣的排出量，降低排氣的熱損失量Qf。

5 開發(fā)推廣應(yīng)用余熱回收利用技術(shù)

烘干室廢氣排放溫度一般為130～180 ℃（工藝烘干溫度）。按照有關(guān)環(huán)保要求，含有有機(jī)溶劑的廢氣必須經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后才允許排放。目前，最常用的有機(jī)溶劑廢氣的處理方式是TNV/RTO焚燒處理，焚燒溫度可達(dá)750～800 ℃。

回收式熱力焚燒系統(tǒng)（TNV）適用于廢氣處理量較大（最大20 000 m3/h），熱量須回收利用，屋面開孔有條件限制，節(jié)能減排要求高的場合；蓄熱式焚燒爐（RTO）適用于廢氣處理量大（最大40 000 m3/h）、廢氣處理效率要求高，室外有足夠場地的場合。以TNV為例，有機(jī)廢氣被加熱到760 ℃以上氧化分解，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^爐內(nèi)的換熱器預(yù)熱后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而節(jié)省廢氣升溫的燃料消耗。該部分高溫?zé)煔獠粌H可作為烘干室熱源直接利用，而且還可用于新風(fēng)加熱（提高新風(fēng)的初始溫度t0），從而變相減少排氣的熱損失量Qf。此外，高溫?zé)煔獾挠酂嵬€可用作涂裝前處理線熱水洗加熱槽的部分或全部供熱熱源，或作為涂裝車間日常用熱水的加熱熱源等。

6 增強(qiáng)烘干室的保溫隔熱和降低加熱量

室體和風(fēng)管的散熱量很大（Qd+Qe），占烘干室總能耗量的40 %左右，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小的優(yōu)質(zhì)保溫材料，或適當(dāng)增加保溫層的厚度，優(yōu)化保溫部件的結(jié)構(gòu)，盡量減少烘干設(shè)備的散熱損失。如烘干室體和風(fēng)管保溫層的原標(biāo)準(zhǔn)厚度為150～160 mm，保溫層外表面溫度≥T（車間）+約15 ℃，若將保溫厚度增厚到200 mm，保溫層外表面溫度可降到T（車間）+約13 ℃。這樣做雖然會(huì)增加建設(shè)烘干室的一次性成本，但從長遠(yuǎn)來看，這部分投資不僅能在使用中得到補(bǔ)償，還能節(jié)省能源。

另外，通過輸送車身夾具的輕量化設(shè)計(jì)，可降低運(yùn)載器具（如工藝小車和滑橇）的耗熱量Q3、Qa、Qb。

7 其它節(jié)能減排精益化設(shè)計(jì)技術(shù)

按被烘干的實(shí)際情況設(shè)計(jì)選用煙道氣加熱烘干室循環(huán)熱風(fēng)的方法（即直接加熱或間接加熱）。對于外觀要求高，尤其是淺色的汽車面漆或?qū)煹罋饷舾械耐苛系暮娓?，必須選用間接加熱，而對于表面要求相對不高的烘干，如電泳底漆及脫水烘干等，可選用直接加熱。因?yàn)椴捎弥苯蛹訜嵝问剑h(huán)風(fēng)不通過換熱器，較間接換熱形式可提高熱效20 %～30 %。另外，采用現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)烘干室工藝參數(shù)和工況監(jiān)控智能化、數(shù)據(jù)化，及時(shí)分析和評估能耗情況，并及時(shí)予以控制，也是現(xiàn)今的常用措施。

8 結(jié)語

涂裝烘干室作為汽車車身涂裝車間節(jié)能減排的重點(diǎn)革新對象之一，合理的精益化設(shè)計(jì)將為汽車制造企業(yè)提供可觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。