汽車涂裝噴漆室循環(huán)風技術及應用

作者：董丹義
單位：上海市機電設計研究院有限公司

前言

隨著社會經濟的發(fā)展，國家越來越注重節(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)能減排技術一直是涂裝技術的重中之重。本文以常規(guī)的濕式噴漆室為例，分析循環(huán)風技術在各種工況下的應用情況。

1循環(huán)風技術運用的必要性

1.1 節(jié)能因素
在汽車涂裝車間中，噴漆室是能耗大戶，其中又以空調為主要占比。資料顯示，噴漆室約占整個車間能耗的50%。如何降低其能耗，一直是涂裝技術人員關心的問題。根據噴漆室?guī)滓兀ㄗ鳂I(yè)面長度、寬度、風速和溫濕度），盡可能的減少幾要素數值，對于降低噴漆室的能耗有著顯著意義。

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

1.3 環(huán)保因素
自2010年起，各省陸續(xù)出臺了涂裝行業(yè)VOC排放法規(guī)。各地均對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。

而要達到此濃度，常規(guī)配置均為轉輪+RTO或TAR。通過轉輪吸附后，將大風量、低濃度的噴漆廢氣轉換成小風量、高濃度的廢氣，再通過RTO或者TAR進行焚燒處理。此類設備投資較大，如何降低裝機處理風量就尤為重要。而循環(huán)風技術正好能滿足此需求，通過循環(huán)將排放廢氣量限定在十萬以內，繼而大大降低了設備投資和運行成本。

2常規(guī)的循環(huán)風技術的形式

根據循環(huán)風的比例，可將循環(huán)風形式分為一次回風利用和多次循環(huán)利用。
2.1一次回風利用
此種形式較為簡單。適用于機器人不多的場合，新風占比仍然較大，將人工段的風通過循環(huán)風空調回用至自動段和流平段，漆霧處理后，直接排至廢氣處理。其風系統原理如圖1所示：



圖1 一次回風利用



圖2 多次循環(huán)利用

2.2 多次循環(huán)利用
適用于機器人大量使用的場合，新風占比較小，只有人工段、潔凈間需供新風（擦凈供風回用），將人工段、自動段、流平室排風的大部分通過循環(huán)風空調回用至自動段和流平段，少部分排至廢氣處理。其風系統原理如圖2所示。

噴漆室供風多次循環(huán)利用的前提是，操作間VOC含量應維持在可燃氣體爆炸下限濃度的25%以下。由于各種有機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，計算得到其保守VOC含量需低于10g/m3。一般情況下，循環(huán)風的VOC濃度不會超標。

3濕式循環(huán)風空調

目前國內整車廠，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噴漆霧外，大多數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，從回風溫濕度和空調配置的兩方面對循環(huán)風空調進行論述。

3.1噴漆室回風溫濕度
根據空氣調節(jié)原理，水與空氣接觸時的狀態(tài)變化過程，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的狀態(tài)變化過程

表1 空氣與水直接接觸時各種過程的特點



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

依據表1中的各過程變化特點，噴漆室送風在經過漆霧捕捉系統后的溫濕度變化，和水池的溫度是有密切聯系的。目前，常規(guī)采用水性漆時，溫濕度要求為23℃/65%RH。采用溶劑型漆時，溫濕度要求為25℃/65%RH。相關的狀態(tài)參數如表2所述：

表2 噴漆工況點空氣狀態(tài)參數



噴漆室風在經過水系統后，空氣與循環(huán)水進行熱濕交換。在若干輪的交換后，水溫將趨近于原空氣的濕球溫度。實際檢測的數據也基本驗證了上述觀點，噴漆室供風在25℃/65%RH時，噴漆室底部文氏體出口的溫濕度為18~22℃，相對濕度為90~93%。以減焓加濕為主，少量時間是增焓加濕。在計算空調公配時，常規(guī)以等焓加濕計算。

對循環(huán)水池而言，除去部分項目水池露天敞開的工況，其一般處于噴漆室底層或輔房內，循環(huán)水在和噴漆空氣進行熱濕交換的同時，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，且與周邊設備設置隔墻，環(huán)境溫度不會有大的波動。故循環(huán)水的溫度基本不會低于露點溫度，不會出現表1中所述的A-1減濕冷卻狀態(tài)。

3.2循環(huán)風空調的配置
基于上述分析，濕式噴漆室回風一般不會出現減濕冷卻的情況，故常規(guī)濕式文丘里的循環(huán)風空調的功能段僅配置表冷段和加熱段，用于除濕和調溫。圖4是一般濕式噴漆室循環(huán)風空調的典型分段：



圖4濕式噴漆室循環(huán)空調典型分段

常規(guī)設計中，表冷段冷源為冷凍水（7~12℃），由站房冷凍機組提供，加熱段熱源為熱水（90-70℃），由鍋爐房提供。在新風占比大的工況，由于各季節(jié)冷熱源負荷變化較大，一般站房配置無法滿足。近些年出現的熱泵技術是一個比較好的解決方案。

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



圖5 換熱循環(huán)工作原理

目前涂裝空調中，此類技術方案主要有兩類。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，是將冷水機組就近放置，將蒸發(fā)器吸收的熱量Q2通過循環(huán)水傳遞給表冷器；將冷凝器釋放的熱量Q1通過循環(huán)水傳遞給加熱器，多余的熱量由冷卻塔對外排放。而直接蒸發(fā)式熱泵方案，則相當于一臺散裝機組或“家用空調”，將冷媒循環(huán)過程集成到循環(huán)風空調中，將冷量和熱量直接傳遞給循環(huán)風，表冷器相當于“空調內機”，加熱器和風冷卻塔相當于“空調外機”。且常規(guī)的冷媒均為R134a，不會造成換熱盤管凍裂的事故。



圖7 直接蒸發(fā)式熱泵流程圖

在實際應用過程中，前者方案適用于改造線或新建線，已應用于國內多個項目中。后者方案適用于新建線，主要應用在由國外涂裝供應商實施的幾個項目中。

3.3循環(huán)風空調冷熱量計算
之前分析中，濕式噴漆室回風狀態(tài)參數，可以近似等焓加濕計算。圖8為濕式噴漆室文丘里和循環(huán)風空調的空氣狀態(tài)變化過程。



圖8 噴漆室文丘里和循環(huán)風空調中空氣狀態(tài)變化

表3 各工況點參數



以下以20萬m3/h風量循環(huán)風為例，計算循環(huán)風空調所需的冷熱量。表3為在經過文丘里和循環(huán)風空調各工況點參數。

實際情況由于存在增焓加濕，且經過回風機和回風管后，實際回到循環(huán)風空調進風段，空氣相對濕度會少量降低，同時溫度有所上升。故冷量需要適當放大。

4展望分析

如前所述，循環(huán)風技術的初衷是為了節(jié)能。以上述20萬風量為例，在華東地區(qū)，如采用全新風空調。能耗對比詳見表4：

表4 新風空調和循環(huán)空調能耗對比



同樣的工況需求，循環(huán)風空調能耗已經大大降低，對于現有的能耗成本，歸根結底是因為濕式噴漆室本身工作機理造成，要進一步降低能耗，只能通過改變漆霧處理工作原理來實現。

近些年由國外供應商提供的干式或半干式噴漆室技術（如ECO-Dryscrubber或E-SCRUB）很好的實現了這一目標。根據資料顯示，在23℃/65%噴涂要求下，前者的回風溫濕度為25℃/58%；后者的回風溫濕度為22-26℃/75~60%。從空調配置上講，前者配置了加濕和表冷；后者配置了表冷和加熱。由于回風參數的變化，其能耗可進一步降低。對于近兩年出現的紙盒過濾技術，國內尚無批量連續(xù)生產運用，具體性能指標不得而知。

5結語

綜上所述，隨著科技的進步，噴漆循環(huán)風技術已越來越成熟。對噴漆本身來講，選擇環(huán)境友好型涂料、減少油漆過噴量，以及后道廢氣處理防治是整個噴漆過程控制的關鍵所在。隨著國家對環(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)風空調配合后道轉輪濃縮和焚燒，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。