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《工業爐雜志》2016年第6期

摘要：

從節能降耗的設計思路出發，對涂裝車間烘干室進行優化設計研究，同時考慮設備的耐用性、清潔方便、可維護等方面，得到新型烘干室結構；用有限元仿真軟件進行烘干室內流場仿真分析，驗證設計的可行性；根據按照設計及仿真優化結果的烘干室進行實際運行結果，對比傳統烘干爐，驗證了新型烘干室的高效節能。

關鍵詞：

烘干室；高效節能；理論分析；數值模擬；對比分析

隨著清潔生產和精益化生產要求的進一步提高，汽車涂裝線的設計過程和生產過程都越來越注重能耗的減少和污染物排放的降低，因此必須應用有關的先進工藝設備和技術為汽車生產線服務。作為汽車生產流程中重要的一環，涂裝車間的節能減排具有非常重大的意義。烘干爐作為涂裝生產線的能耗大戶，節能減排的觀念必須融入到設計研究中的每個環節。烘干爐系統是涂裝生產線的重要設備之一，其主要作用是對噴涂后的車身進行高溫烘烤，使得附著在車身表面的濕漆膜在高溫條件下交聯固化，形成性能優異的漆膜。烘干爐熱源一般采用天然氣，通過加熱裝置對爐體內的循環空氣進行加熱，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成分，對環境有較大危害，具有能耗高和廢氣污染的雙重特征。

1烘干室簡介

烘干爐系統一般包括：烘干室、加熱系統、排廢氣系統、廢氣處理系統、冷卻系統，輸送系統，控制系統。烘干室是烘干爐的主體設備，工件烘干在烘干室內完成，烘干室又分為外部室體和內風管，內風管通常按照工作階段分成多個區。外部室體的內部壁板密封焊，外部一般為波紋板，中間設有保溫層，保溫壁板考慮減少熱橋。工件在烘干室內，根據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，還需考慮設備熱脹冷縮、設備易于檢修、更換耗材、方便清潔等特性。為使被涂物工件加熱均勻，在整車涂裝領域，對流烘干室應用非常廣泛。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。常規烘干爐采用工件兩側送風，而工件的底部通常是結構復雜，升溫速度較慢的區域，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境溫度。如何突破常規結構烘干爐的性能瓶頸，降低烘干爐運行溫度，更有效地達到提升烘烤效果又能降低熱量消耗是對烘干室優化設計的目的。

2高效節能烘干室的設計思路

2.1室體通道截面仿形設計

傳統烘干室通道為矩形結構設計，底部留有機械化運輸空間，頂部留有回風通道空間，如圖1左所示，這種非仿形的設計導致烘干室通道容積相對較大。按12m長工藝區段來計算，通道內高3m，內寬2.6m，通道容積為93.6m3。而烘干室內部通道采用車體仿形結構設計后，按同樣的工藝區段長度計算，通道容積為70.4m3。新型烘干室內部通道采用仿形設計，通道內體積僅為傳統烘干室的75%，對應加熱功率也隨之降低，在循環風量不變的情況下，提高了爐內熱風循環次數，提高加熱復雜結構的厚板件的能力。

2.2內部風管噴嘴按車型排布

（1）由于車體本身并不是連續的室體，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，傳統的噴嘴布置會使得整個通道內高溫氣流與車體的均勻對流換熱，反而會造成車體溫度不均勻，出現過烘的情況。采用如圖2右所示的噴嘴布置，將內部風管噴嘴對準不易加熱的車體區域，加強局部區域的換熱系數，增加不易加熱的車體區域與循環風的換熱量，最終達到減小車體溫差的效果[1]。

（2）汽車生產的發展方向為個性化定制、柔性化生產，為保證不同車型的烘干需求，可采用烘干室通道內多設置噴嘴，針對不同車型進行噴嘴的封堵，保證將噴嘴對準不易加熱的車體區域達到相應的效果。

2.3新型車身輸送裝置

（1）傳統烘干室內的車體輸送設備直接安裝于烘爐內底部，如圖3左所示，輸送裝置使得在爐內通道高度增加，通道總容積變大；同時，輸送裝置在烘干室升溫過程中需要吸收大量熱量，運行過程中也會產生一定的熱損耗[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構。這種結構輸送設備在爐內重量僅為傳統結構的20%，同時有效地降低了爐內高度，減小了通道的總容積，同樣按12m長工藝區段來計算，加熱爐通道總容積減少了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行過程損耗的熱量。

（2）輸送設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計，不僅減少了能耗，也降低了輸送設備因受熱產生機械疲勞的風險。

（3）傳統烘干室的車體輸送需持續加注高溫潤滑油，設備易積污，且結構復雜，造成清潔難度大；新型烘干室的輸送設備在爐內結構簡單，且隱藏于底部，不宜積污，清潔也非常方便。

（4）傳動裝置和驅動電機布置在爐外，徹底解決高溫鏈條潤滑難題，維修與保養時較為方便，不需要進入室體通道內造成維修的困難和對爐內的污染。

2.4烘干室體底部送風

（1）車體在爐道內烘烤過程中，車身底部、車門內部等都有烘烤要求。傳統烘干室由于機械化輸送的限制，無法做到底部直接送風，往往采用室體底部噴嘴斜向車體底部送風的方法，或者改變室體底部為傾斜面結構，設置噴嘴專門進行底部斜向送風，如圖4左所示。而實際生產中以上兩種方法效果并不理想。采用新型烘干室結構，由于車體輸送設備隱藏在室體底部，如圖4右所示，實現在室體底部設置送風噴嘴，熱風直接與車體底部進行熱交換，避免車底溫度偏低，影響漆膜質量的情況出現。同時由于實現了烘干室內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）烘干室的底部送風同時也實現了室內通道無流場死角，減少內部死角和積油，提高烘干室內部的清潔效率。

3烘干室的模擬仿真數值計算

烘干室內部流體介質的流動和傳熱是相當復雜的過程，計算設計任務比較繁重，隨著人們對計算流體力學和數值傳熱學的不斷深入研究，基于CFD軟件的數值模擬分析已成為研究復雜傳熱過程的主要途徑[3]。采用數值模擬分析可以模擬不同工況下的流體流動狀態、溫度場、壓力場等，用數值模擬技術進行流場換熱參數設計分析具有求解速度快、可操作性強、可重復性高等優點，可以通過改變模型結構參數和初始邊界條件來模擬不同工況下的流場及溫度場，進而對不同操作工況的求解結果進行對比分析，得出最佳的參數。本次研究通過對傳統烘干室與優化后的新型烘干室建立仿真模型，按實際生產情況設置流體溫度與速度參數，對比研究車體在不同烘干室內的溫度變化情況。

3.1建立幾何模型

對傳統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部車體尺寸一致，送回風管道入口位置與大小一致。新型烘干爐模型相比較傳統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、室體底部送風的優化措施，其中車身輸送的優化在模型中體現為車身距離室體底部高度的降低。為簡化集合模型，烘干室內所有平面均為光滑平面，噴嘴采用圓柱型的簡化結構，車身采用與實際車身主要外形尺寸一致的簡化模型，不表達車身復雜的鈑金與開孔等結構，保留車窗等所有流體流通通道。

3.2仿真參數與條件設置

（1）模擬假設

在烘干室中的換熱過程主要是介質與車體表面換熱，包含導熱、對流、輻射的復雜傳熱過程，為了簡化計算作出如下假設：烘干室的入口風速處于穩態；室體壁面的黑度各處均勻；忽略車身表面漆膜的物理屬性；烘干室內的氣體認為是不可壓縮流體。

（2）控制方程

在本次烘干室模擬仿真中，連續相的流動與換熱是基于連續性方程、動量方程、能量方程和計算湍流的方程進行數值模擬。

（3）初始與邊界條件

入口為速度入口邊界條件，熱風循環量為30000m3/h，對應風速為8.5m/s，熱風進口溫度為140℃。出口條件為壓力出口邊界條件。烘干室體外部設置為壁面條件，與外界以穩定的對流換熱系數散熱；烘干室內部設置為壁面條件；內風管過濾器采用多孔介質設置，保證循環管風量為30000m3/h時壓降為200Pa左右；車身設置為壁面條件，壁面根據實際車身不同部位的厚度與間隙設置為不同的厚度。不考慮烘干室前后流場的影響，設置烘干室前后出口為壁面條件。

（4）計算方法

采用瞬態模型，模仿升溫區升溫過程，設置熱風加熱時間為5min，每10s記錄一次烘干室模擬仿真結果。

3.3仿真結果對比分析

模擬仿真結果如圖7、圖8所示，關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。從仿真結果中提取對應的參數，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烘干爐，車體溫升速度快，在5min內車體平均溫度接近120℃，傳統烘干爐在同樣時間車體平均溫度只達到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小于傳統烘干爐。

4新型烘干室運行效果

新型烘干室制作安裝完成情況見圖11。目前，根據理論優化設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，烘干爐按工藝分四個工作區，烘干爐運行情況良好，根據爐溫曲線如圖12所示，包含空氣溫度及車體關鍵點的溫度變化曲線，從圖中可以看出，無論是在升溫區，還是在保溫區，新型烘干室內車身都存在升溫響應迅速，溫差較小的優點。對新型烘干室對應的烘干爐系統進行整體能耗測量，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，相比較傳統烘干室，節能約20%，符合高效節能烘干室的設計初衷。

5結語

節能降耗是涂裝設備設計一貫追求的目標，傳統烘干室存在空間布局不合理、運行成本高、清潔維護困難等問題，本次研究專注于烘干室這個單一設備，通過理論分析、模擬仿真和運行驗證，最終解決了上述問題，得到高效節能的烘干室，收到了良好的效果，在行業內具有推廣價值。由于烘干室、車身與輸送設備的結構復雜性，以及設備試制的時間與成本問題，在理論研究基礎上進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，且對車身進行了較大的簡化，模擬仿真的結果局限于進行對比研究，能夠做到模擬結果與實際生產過程相一致，指導調試與生產是今后研究的方向。

參考文獻：

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[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能[J].工業加熱，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用[M].北京：北京理工大學出版社，2004.

作者:林濤 劉天力 黃鵬 趙學政 王升建 單位:中國汽車工業工程有限公司涂裝工程院