汽車整車制造過程中的一種冷熱聯(lián)用方式分析

劉敦友

關鍵詞：整車制造 冷熱分析 聯(lián)用設計 運行方式 節(jié)能降耗

1 引言

汽車整車制造過程，主要由沖壓、焊接、涂裝、總裝四大工藝組成，而其中的焊接及涂裝又是能源消耗最大的環(huán)節(jié)。焊接過程中產生大量的熱量，需要通過不同的途徑將熱量及時散掉;而涂裝過程中，又需求大量的熱量，來滿足涂裝工藝要求及保證涂裝質量;同時，在冬季，四大工藝也需求大量的熱量。一邊大量的熱量需及時排放，一邊又需求大量的熱量來滿足工藝及供暖要求，這就造成了不盡合理的能源使用架構。本文介紹了一種利用余熱回收再利用技術及高溫水源熱泵系統(tǒng)，來實現(xiàn)焊接生產過程中的降溫需求，同時滿足涂裝工藝及冬季四大工藝的用熱需求，從而實現(xiàn)冷熱聯(lián)用。

2 整車制造過程中的冷熱能耗利用現(xiàn)狀分析

2.1 放熱（廢熱）分析

（1）沖壓：主要為壓機工作過程中產生的廢熱，通過自然冷卻即可實現(xiàn)熱量的散發(fā)。（2）焊接：主要為焊機焊接過程中產生的熱量，隨著自動化程度的不斷提高，機器人焊機的不斷增加，對冷卻水水溫有一定要求，在夏季需采取制冷機輔助進行降溫。（3）涂裝：主要為洪爐加熱過程中產生的廢熱，主要通過自然排放實現(xiàn)降溫。（4）總裝：基本無廢熱產生。

2.2 需熱分析

2.2.1 沖壓、焊接、總裝

工藝過程基本無熱量需求，在冬季需要大量熱量進行供暖，目前利用蒸汽進行加熱。

2.2.2 涂裝

（1）前處理工藝，全年需要保持一定的工藝溫度，需要大量的熱量。（2）工藝空調，在春、秋、冬季，需保持一定的工藝溫度，同時在冬季，公用空調及供暖需要極大的熱量。目前利用蒸汽及天然氣進行加熱。

3 整車制造過程中的冷熱聯(lián)用可行性分析

3.1 冷熱聯(lián)用原理

（1）能量守恒與轉化定律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，它只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能的總量保持不變。（2）高高溫水源熱泵利用逆卡諾循環(huán)原理。熱泵實質上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量（實現(xiàn)降溫），并把它傳遞給被加熱的對象（實現(xiàn)加熱）。（3）熱泵的熱量一部分是從低溫熱源吸取熱量，一般占總供熱量的70%～75%;另一部分由機械功轉變而來，一般占總供熱量的25%～30%。

3.2 冷熱聯(lián)用匹配分析及運行情況

（1）根據(jù)焊接循環(huán)水余熱情況，選用制熱量為3500/小時的熱源泵1臺。根據(jù)各系統(tǒng)對溫度的要求，參考熱源泵選型手冊，選用最高供水溫度為68攝氏度的高高溫水源熱泵。最大化利用余熱，并基本滿足焊接循環(huán)水對降溫的要求。（2）冬季供暖季優(yōu)先滿足辦公區(qū)域、車間供暖。熱源泵制熱最大負荷運行。（3）在秋冬及冬春過度季，用于涂裝部分空調預加熱。熱源泵制熱最大負荷運行。（4）夏季用于涂裝前處理。根據(jù)涂裝用熱需求，同時滿足焊接降溫需求，熱源泵自動調節(jié)運行負荷。

4 整車制造過程中的一種冷熱聯(lián)用方式設計及運行模式

4.1 主要設備選型

（1）熱源泵主機。根據(jù)焊接循環(huán)水中的廢熱量及焊接循環(huán)水的降溫要求，結合涂裝工藝、供暖等的供熱要求，同時參考相關用熱數(shù)據(jù)，選用3428GG型高高溫熱源泵1臺，其在額定工況下制熱量為3432KW/小時，最高供水溫度為68攝氏度。（2）根據(jù)所選主機，結合各用熱點的實際情況，選用循環(huán)量330立方米/小時，揚程52米的供熱水泵2臺，1用1備。（3）根據(jù)焊接循環(huán)水降溫需求，同時參考夏季極端天氣及涂裝生產用熱暫時停用情況等因素，選用換熱量3500KW/小時放熱換熱器1臺。（4）根據(jù)放熱量，選用循環(huán)量330立方米/小時，揚程20米的放熱水泵2臺，1用1備。（5）根據(jù)放熱量，選用散熱量000KW/小時的冷卻塔1臺。

4.2 系統(tǒng)設計

根據(jù)所選熱源泵相關技術參數(shù)，同時按不影響現(xiàn)有焊接循環(huán)水系統(tǒng)及各供熱系統(tǒng)的正常運行的原則，進行以下設計（設計示意見圖）：

（1）在原焊接循環(huán)水供水管道進入焊機之前，分一支路水引入熱泵蒸發(fā)器進水口，被熱泵吸收熱量后再回到供水管道，起到余熱回收及冷卻降溫的目的。回收的熱量通過熱泵提升在冷凝器側制取68℃（根據(jù)實際需求進行設定）的高溫熱水。（2）通過供熱泵，將再高溫熱水輸送至用熱處，通過板式換熱器、空調盤管等方式，將熱量傳遞至原加熱系統(tǒng)，替代部分原蒸汽、天然氣熱源。（3）因本系統(tǒng)為冷熱聯(lián)用，除余熱回收外，需同時滿足焊接循環(huán)水的降溫需求。在夏季高溫季節(jié)，原焊接循環(huán)水系統(tǒng)無法將水溫降至28攝氏度以下。為保證循環(huán)水溫度，需根據(jù)焊接循環(huán)水的供水溫度制取熱量。其回收余熱，優(yōu)先滿足涂裝請?zhí)幚砉に嚕Ｓ酂崃啃杓皶r散掉。為此需在供熱水泵的出水端加入放熱板換，其放熱量根據(jù)焊接循環(huán)水的供水溫度自動調節(jié)。（4）放熱板換將熱量通過放熱冷卻塔，及時將熱量散掉。

4.3 運行模式

根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)分為冷熱聯(lián)用以熱為主、冷熱聯(lián)用以冷為主、冷熱聯(lián)用冷熱兼顧三種模式。

（1）冷熱聯(lián)用，以熱為主。本模式應用時間段為，整車制造過程需熱量遠大于焊接過程放熱量時，一般在11月15號（供暖開始）至4月15號（供暖結束），共5個月的時間。（2）冷熱聯(lián)用，以冷為為主。本模式應用時間段為，整車制造過程需熱量遠小于焊接過程放熱量時，一般在7月1號至8月31號的青島高溫季節(jié)，共2個月的時間。（3）冷熱聯(lián)用，冷熱兼顧，以上兩種模式的過度階段，共5個月的時間。

5 實施后的理論效益

5.1 原焊接循環(huán)水系統(tǒng)的理論效益

焊接循環(huán)水系統(tǒng)開式端，共有循環(huán)水泵4臺，單臺功率為45KW，3用1備;冷卻塔風機6臺，單臺功率為7.5KW。

（1）冷熱聯(lián)用，以熱為主：開式循環(huán)水水泵、冷卻塔風機停止運行，能滿足焊接循環(huán)水降溫的要求?？晒?jié)約電費45萬元/年。

（2）冷熱聯(lián)用，冷熱兼顧：平均開式水泵運行1.5臺，風機運行3臺，能滿足焊接循環(huán)水降溫的要求?？晒?jié)約電費22萬元/年。

（3）焊接循環(huán)水系統(tǒng)總耗水量大約5萬噸，因進行冷熱聯(lián)用，水量蒸發(fā)及排污將降低，節(jié)約用水約2.8萬噸/年，約13萬元/年?？傆嫻?jié)約金額大約80萬元。

5.2 余熱回收的效益

5.2.1 熱泵全年的理論供熱量

（1）冷熱聯(lián)用，以熱為主：供熱熱量=（3432KW*20小時/天*26天/月*5個月）=8923200KW。

（2）冷熱聯(lián)用，冷熱兼顧及以冷為主：按涂裝2000KW/小時平均耗量計，供熱熱量=（2000KW*20小時/天*26天/月*7個月）=7280000KW。

總計供熱量：16203200KW。

5.2.2 冷熱聯(lián)用，以冷為主時節(jié)省的制冷費用（平均需冷量按2000KW/小時計，能效比按4.8）

節(jié)省制冷費用=2000KW/小時/4.8*20小時/天*26天/月*2個月*0.8元/KWH=35萬元

5.2.3 熱泵系統(tǒng)運行效益

（1）熱泵系統(tǒng)的能效比為4.8，供1KW熱量消耗的電量為：1KW/4.8=0.208KW，價格為：0.208KW*0.8元/KWH=0.17元。

（2）蒸汽1GJ費用為89.3元，經(jīng)換算為0.32元/KWH。（3）理論效益=16203200KW*（0.32-0.17）元/KWH=240萬元。

經(jīng)以上數(shù)據(jù)分析，青島分公司整車制造生產過程按冷熱聯(lián)用的方式運行，全年節(jié)約運行成本大約355萬元。

6 結語

本應用方式在上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司已經(jīng)投入運行，經(jīng)驗證，既滿足了焊機正常運行的降溫需求，又實現(xiàn)了將焊接循環(huán)水中的廢熱進行轉換，用于整車制造過程中涂裝工藝及冬季供暖用熱需求，實現(xiàn)了冷熱聯(lián)用。本應用方式極大降低了蒸汽、天然氣、電等能源的使用，同時減少水的蒸發(fā)，從而降低在整車制造過程中相關污染物的排放及自來水的使用。本應用方式節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟高效、控制簡單、易于推廣，在整個汽車制造及相關類似行業(yè)都有極高的應用推廣價值。