節(jié)能烘干室的模擬仿真設(shè)計范文

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《工業(yè)爐雜志》2016年第6期

摘要：

從節(jié)能降耗的設(shè)計思路出發(fā)，對涂裝車間烘干室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究，同時考慮設(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)流場仿真分析，驗證設(shè)計的可行性；根據(jù)按照設(shè)計及仿真優(yōu)化結(jié)果的烘干室進(jìn)行實際運(yùn)行結(jié)果，對比傳統(tǒng)烘干爐，驗證了新型烘干室的高效節(jié)能。

關(guān)鍵詞：

烘干室；高效節(jié)能；理論分析；數(shù)值模擬；對比分析

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)計過程和生產(chǎn)過程都越來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)計研究中的每個環(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，通過加熱裝置對爐體內(nèi)的循環(huán)空氣進(jìn)行加熱，并使其升溫至工藝溫度，該工序最大的特點是工作溫度高，同時排放廢氣中夾雜著油漆高溫烘烤過程中的揮發(fā)成分，對環(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，對流烘干室應(yīng)用非常廣泛。對流烘干室是利用熱空氣為載熱體，通過對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烘干室優(yōu)化設(shè)計的目的。

2高效節(jié)能烘干室的設(shè)計思路

2.1室體通道截面仿形設(shè)計

傳統(tǒng)烘干室通道為矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)計導(dǎo)致烘干室通道容積相對較大。按12m長工藝區(qū)段來計算，通道內(nèi)高3m，內(nèi)寬2.6m，通道容積為93.6m3。而烘干室內(nèi)部通道采用車體仿形結(jié)構(gòu)設(shè)計后，按同樣的工藝區(qū)段長度計算，通道容積為70.4m3。新型烘干室內(nèi)部通道采用仿形設(shè)計，通道內(nèi)體積僅為傳統(tǒng)烘干室的75%，對應(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。

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)的噴嘴布置會使得整個通道內(nèi)高溫氣流與車體的均勻?qū)α鲹Q熱，反而會造成車體溫度不均勻，出現(xiàn)過烘的情況。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)展方向為個性化定制、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，針對不同車型進(jìn)行噴嘴的封堵，保證將噴嘴對準(zhǔn)不易加熱的車體區(qū)域達(dá)到相應(yīng)的效果。

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，輸送裝置在烘干室升溫過程中需要吸收大量熱量，運(yùn)行過程中也會產(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)與傳動裝置置于烘干室外，僅露出需要與車體接觸的輥子結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)輸送設(shè)備在爐內(nèi)重量僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的20%，同時有效地降低了爐內(nèi)高度，減小了通道的總?cè)莘e，同樣按12m長工藝區(qū)段來計算，加熱爐通道總?cè)莘e減少了9.6m3，占13%。同時極大的減小了輸送裝置在烘干室升溫過程吸收和運(yùn)行過程損耗的熱量。

（2）輸送設(shè)備傳動部分隱藏于底部，同時將動力部分置于室體外部的設(shè)計，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。

（3）傳統(tǒng)烘干室的車體輸送需持續(xù)加注高溫潤滑油，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)簡單，且隱藏于底部，不宜積污，清潔也非常方便。

（4）傳動裝置和驅(qū)動電機(jī)布置在爐外，徹底解決高溫鏈條潤滑難題，維修與保養(yǎng)時較為方便，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)。同時由于實現(xiàn)了烘干室內(nèi)車體各部位的均勻升溫，無需為難烘烤部位提高烘干溫度，整體耗熱量降低。

（2）烘干室的底部送風(fēng)同時也實現(xiàn)了室內(nèi)通道無流場死角，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)值計算

烘干室內(nèi)部流體介質(zhì)的流動和傳熱是相當(dāng)復(fù)雜的過程，計算設(shè)計任務(wù)比較繁重，隨著人們對計算流體力學(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狀態(tài)、溫度場、壓力場等，用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行流場換熱參數(shù)設(shè)計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，可以通過改變模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始邊界條件來模擬不同工況下的流場及溫度場，進(jìn)而對不同操作工況的求解結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出最佳的參數(shù)。本次研究通過對傳統(tǒng)烘干室與優(yōu)化后的新型烘干室建立仿真模型，按實際生產(chǎn)情況設(shè)置流體溫度與速度參數(shù)，對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。為簡化集合模型，烘干室內(nèi)所有平面均為光滑平面，噴嘴采用圓柱型的簡化結(jié)構(gòu)，車身采用與實際車身主要外形尺寸一致的簡化模型，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程主要是介質(zhì)與車體表面換熱，包含導(dǎo)熱、對流、輻射的復(fù)雜傳熱過程，為了簡化計算作出如下假設(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)相的流動與換熱是基于連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和計算湍流的方程進(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30000m3/h，對應(yīng)風(fēng)速為8.5m/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)管過濾器采用多孔介質(zhì)設(shè)置，保證循環(huán)管風(fēng)量為30000m3/h時壓降為200Pa左右；車身設(shè)置為壁面條件，壁面根據(jù)實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的影響，設(shè)置烘干室前后出口為壁面條件。

（4）計算方法

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

3.3仿真結(jié)果對比分析

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間的變化曲線，及車身最大溫差隨時間的變化曲線。從仿真結(jié)果中提取對應(yīng)的參數(shù)，得到以下兩張溫度隨時間變化的曲線圖。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)烘干爐在同樣時間車體平均溫度只達(dá)到110℃；同時，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。

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。目前，根據(jù)理論優(yōu)化設(shè)計與模擬仿真驗證后的烘干室已制作完成并投入實際生產(chǎn)，烘干爐按工藝分四個工作區(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)鍵點的溫度變化曲線，從圖中可以看出，無論是在升溫區(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。對新型烘干室對應(yīng)的烘干爐系統(tǒng)進(jìn)行整體能耗測量，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)計初衷。

5結(jié)語

節(jié)能降耗是涂裝設(shè)備設(shè)計一貫追求的目標(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)困難等問題，本次研究專注于烘干室這個單一設(shè)備，通過理論分析、模擬仿真和運(yùn)行驗證，最終解決了上述問題，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)備試制的時間與成本問題，在理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬仿真是今后的主要方向。本次研究沒有考慮烘干室前后流場的影響，且對車身進(jìn)行了較大的簡化，模擬仿真的結(jié)果局限于進(jìn)行對比研究，能夠做到模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)過程相一致，指導(dǎo)調(diào)試與生產(chǎn)是今后研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[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流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

作者:林濤 劉天力 黃鵬 趙學(xué)政 王升建 單位:中國汽車工業(yè)工程有限公司涂裝工程院