汽車涂裝熱閃干工位除濕方式探究

張煥亮，楊瀛濤，董美琛

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

隨著環(huán)保壓力的不斷升級(jí)，汽車涂料的水性化已經(jīng)成為主流。無論是汽車涂裝傳統(tǒng)的3C2B 工藝，還是過渡型的3C1B 工藝，以及最新的B1B2 工藝，均存在濕碰濕的水性涂層。由于水性漆的特性，需進(jìn)行熱閃干，以解決由于濕碰濕而在車身烘烤時(shí)水分蒸發(fā)引致氣泡等弊病出現(xiàn)的問題。

涂裝熱閃干系統(tǒng)包括全不銹鋼的通過式室體、加熱單元、除濕單元、排廢氣系統(tǒng)、強(qiáng)冷裝置及相關(guān)的風(fēng)管及控制系統(tǒng)等，其原理如圖1 所示。

圖1 熱閃干系統(tǒng)原理圖Figure 1 Schematic diagram showing the working principle of hot flash drying system

傳統(tǒng)熱閃干的加熱時(shí)間一般為3 min(升溫一區(qū)) + 5 min(升溫二區(qū))，加熱溫度一般為80 ～ 90 °C，強(qiáng)冷后車身溫度要求不高于35 °C，風(fēng)口風(fēng)速一般要求為加熱1 區(qū)12 m/s、加熱2 區(qū)16 m/s。不同的除濕方式、油漆材料對(duì)加熱溫度、時(shí)間及風(fēng)口風(fēng)速要求稍有不同，在此不展開闡述。

除濕主要有4 種方法：第1 種為冷凍除濕，將空氣冷凝到露點(diǎn)或冰點(diǎn)以下，令水分析出，傳統(tǒng)的除濕表冷器和直膨式熱泵就是采用此方法；第2 種為固體吸附劑除濕，轉(zhuǎn)輪除濕即采用此方法；第3 種為壓縮除濕；第4 種為液體吸濕劑除濕。最后2 種在涂裝閃干工位中應(yīng)用不多，故本文不予討論。

2 涂裝熱閃干工位直膨式熱泵除濕

2.1 直膨式熱泵

近幾年，熱泵在涂裝行業(yè)應(yīng)用較多，狹義的熱泵可理解為采用制冷機(jī)組的熱回收系統(tǒng)，典型的是濕式噴漆室(如文式噴漆室、水旋噴漆室)中循環(huán)風(fēng)的利用[1]。循環(huán)風(fēng)需先降低濕度，然后升溫，以滿足噴漆室的溫濕度要求。此情況下熱泵的工作流程是：制冷機(jī)組內(nèi)的制冷劑經(jīng)壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)4 個(gè)過程產(chǎn)生冷量和熱量，再分別借助水載體，通過管路輸送到循環(huán)風(fēng)空調(diào)的除濕盤管和加熱盤管上，以達(dá)到降溫除濕和二次升溫的目的，此時(shí)的熱交換過程為：制冷劑→水→空氣。

而直膨式熱泵是制冷劑直接與處理空氣完成熱交換，中間不通過水作為二次換熱載體，熱交換過程為“制冷劑→空氣”，冷凝器和蒸發(fā)器被直接集成到相應(yīng)的空調(diào)機(jī)組功能段內(nèi)，此時(shí)換熱效率更高，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。直膨式熱泵的典型布置如圖2 所示。

圖2 直膨式熱泵布置示意圖Figure 2 Schematic diagram showing the layout of direct-expansion heat pump

2.2 溶液式熱回收系統(tǒng)

在直膨式熱泵除濕過程中，第一級(jí)換熱一般采用溶液式熱回收系統(tǒng)，原因是從熱閃干進(jìn)入除濕裝置的循環(huán)風(fēng)溫度是變化的(若采用全新風(fēng)除濕，新風(fēng)溫度比較恒定，可直接采用熱泵系統(tǒng))。根據(jù)制冷原理，洛倫茲循環(huán)具有最高的效率。溶液式熱回收系統(tǒng)的原理如圖3 所示：冷卻和加熱采用乙二醇溶液作為載冷劑，通過水泵循環(huán)在冷側(cè)和熱側(cè)進(jìn)行換熱。溶液吸收為全熱吸收，吸收效率可達(dá)50% ～ 85%。

2.3 直膨式熱泵除濕

2. 3. 1 直膨式熱泵除濕單元的應(yīng)用

直膨式熱泵除濕單元根據(jù)最終的空氣含水量設(shè)置3 ～ 4 級(jí)冷卻除濕(采用3 級(jí)除濕時(shí)，處理空氣絕對(duì)濕度可達(dá)到3.5 g/kg 左右；4 級(jí)除濕則可達(dá)到1 ～ 2 g/kg)，第一級(jí)為溶液式熱回收系統(tǒng)，第2 ～ 4 級(jí)采用直膨式熱泵。

圖3 溶液式熱回收系統(tǒng)的原理示意圖Figure 3 Schematic diagram showing the working principle of solution circulation heat recovery system

在制冷劑的選用上，2 ～ 3 級(jí)一般采用環(huán)保R134a 制冷劑，第4 級(jí)一般采用非共沸混合物制冷劑，如R404A、R407C 等。非共沸混合物制冷劑應(yīng)用在蒸發(fā)溫度與被冷卻對(duì)象溫度之間的差別以及冷卻溫度與環(huán)境介質(zhì)溫度差異較小的場(chǎng)合，溫差越小，制冷效率越高[2]。

空氣在到達(dá)第3 級(jí)蒸發(fā)器時(shí)，溫度已達(dá)到0 °C 以下，蒸發(fā)器上會(huì)有結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象，故從第3 級(jí)起，高溫冷媒會(huì)通過旁路進(jìn)入蒸發(fā)器，達(dá)到除霜、除冰的目的，此時(shí)雙蒸發(fā)器前的電動(dòng)風(fēng)閥交替開啟， 保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在降溫除濕后，處理空氣再經(jīng)熱泵系統(tǒng)的多級(jí)加熱后直接進(jìn)入熱閃干工位，不需要額外增加熱源，有效降低了能耗。

直膨式熱泵除濕、加熱的工作原理如圖4 所示。

圖4 直膨式熱泵除濕、加熱的工作原理Figure 4 Dehumidification and heating principles of direct-expansion heat pump

2. 3. 2 直膨式熱泵除濕各狀態(tài)點(diǎn)案例分析

根據(jù)圖4，對(duì)某工廠案例(風(fēng)量為32 000 Nm3/h)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)分析，確定各狀態(tài)的參數(shù)。

狀態(tài)1：閃干室內(nèi)循環(huán)風(fēng) + 新風(fēng)，新風(fēng)的量根據(jù)風(fēng)平衡確定，混合后經(jīng)2 道過濾，精度為G3 + F5，溫度60 °C，絕對(duì)含水量10 g/kg。

狀態(tài)2：待處理空氣經(jīng)溶液式熱回收系統(tǒng)冷側(cè)的制冷盤管換熱，溫度降低到25 °C，絕對(duì)含水量不變，仍為10 g/kg，此時(shí)載冷體乙二醇的溫度由16 °C 提高到42 °C。

狀態(tài)3：經(jīng)熱泵機(jī)組1 的蒸發(fā)器換熱后，空氣溫度降到6 °C，絕對(duì)含水量降到5.8 g/kg，此時(shí)系統(tǒng)吸熱340 kW。

狀態(tài)4：經(jīng)風(fēng)閥交替進(jìn)入到熱泵機(jī)組2 的2 個(gè)獨(dú)立蒸發(fā)器換熱后，空氣溫度降低到-1 °C，絕對(duì)含水量降低到3.5 g/kg，此時(shí)系統(tǒng)吸熱147 kW。

狀態(tài)5：經(jīng)溶液式熱回收系統(tǒng)熱側(cè)加熱盤管換熱，空氣溫度升到35 °C，絕對(duì)含水量不變，為3.5 g/kg，此時(shí)載冷體乙二醇溫度由42 °C 降低到16 °C，系統(tǒng)放熱410 kW。

狀態(tài)6：經(jīng)熱泵機(jī)組2 的冷凝器換熱后，空氣溫度升到50 °C，絕對(duì)含水量仍不變，為3.5 g/kg，此時(shí)系統(tǒng)放熱178 kW。

狀態(tài)7：因熱泵機(jī)組1 的冷凝器制冷劑的溫度限制，處理完的空氣溫度不會(huì)再升高，只作為狀態(tài)6 的補(bǔ)充，溫度依然為50 °C，絕對(duì)含水量也不變，為3.5 g/kg。此時(shí)系統(tǒng)放熱0 ～ 178 kW，多余熱量通過輔助散熱風(fēng)扇排到系統(tǒng)外，整個(gè)系統(tǒng)排放熱量約440 kW。

3 涂裝熱閃干工位傳統(tǒng)表冷器除濕

3.1 傳統(tǒng)表冷器除濕的原理

傳統(tǒng)的除濕方法如圖5 所示。采用制冷機(jī)組產(chǎn)生7 °C 的冷凍水，冷凍水通過管道、電動(dòng)/氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入除濕機(jī)組表冷器；待處理空氣進(jìn)入表冷器降溫到露點(diǎn)以下，析出冷凝水，從而達(dá)到降低空氣絕對(duì)含水量的目的；干燥后的空氣進(jìn)入加熱單元，參與到閃干室的循環(huán)風(fēng)中。

圖5 傳統(tǒng)表冷器除濕原理示意圖Figure 5 Schematic diagram showing the dehumidification principle of traditional surface cooler

3.2 傳統(tǒng)表冷器除濕各狀態(tài)點(diǎn)案例分析

根據(jù)圖5，對(duì)處理空氣進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)分析，結(jié)合焓濕圖，各狀態(tài)的參數(shù)列于表1。

表1 傳統(tǒng)表冷器除濕各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)表Table 1 Parameters of each state during dehumidification when using traditional surface cooler

4 涂裝熱閃干工位轉(zhuǎn)輪除濕

4.1 除濕轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪除濕裝置一般由支撐結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)芯、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、新風(fēng)送風(fēng)風(fēng)機(jī)、再生風(fēng)機(jī)、風(fēng)管等組成。轉(zhuǎn)輪安裝在2 個(gè)風(fēng)盒之間，并用耐高溫密封墊圈將其分割成2 個(gè)區(qū)域，為吸附區(qū)和再生區(qū)。除濕過程為：轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，待處理空氣穿過轉(zhuǎn)輪的蜂窩狀空間，攜帶的水分被蜂窩狀表面的吸附物質(zhì)所吸附，使空氣變得干燥。轉(zhuǎn)輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到再生區(qū)域，在高溫氣流的作用下，吸附的水分被釋放并隨空氣排出，達(dá)到再生的目的。2 個(gè)區(qū)域持續(xù)移動(dòng)與變換，使得水分的吸附與釋放也隨著系統(tǒng)的運(yùn)行一直持續(xù)循環(huán)下去。

4.2 除濕材料

除濕轉(zhuǎn)輪是轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)中的核心部件，除濕轉(zhuǎn)輪中干燥劑的材料又直接影響了轉(zhuǎn)輪的除濕效率。轉(zhuǎn)輪材料經(jīng)過了4 代發(fā)展：第1 代──氯化鋰，始于20 世紀(jì)50 年代；第2 代──氧化鋁，始于20 世紀(jì)60 年代；第3 代──硅膠，始于20 世紀(jì)70 年代；第4 代──分子篩，始于20 世紀(jì)80 年代[3]。目前，除濕材料大多采用硅膠，但硅膠在吸附時(shí)放出大量的熱量，影響其吸附量。

4.3 轉(zhuǎn)輪參數(shù)

轉(zhuǎn)輪的各項(xiàng)參數(shù)與使用工況、處理空氣量、吸附材料、預(yù)除濕和脫附的方式等有很大關(guān)系。對(duì)于汽車涂裝熱閃干，吸附材料的主流是硅膠，除濕區(qū)與再生區(qū)面積比一般為3∶1，轉(zhuǎn)輪面積根據(jù)除濕側(cè)風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，厚度一般200 mm，除濕側(cè)風(fēng)速一般為2 m/s，除濕側(cè)出風(fēng)含水率一般要求3 ～ 4 g/kg，轉(zhuǎn)輪的除濕能力一般設(shè)計(jì)為4 ～ 7 g/kg。

4.4 轉(zhuǎn)輪的除濕效果與再生溫度和處理空氣溫度的關(guān)系

在給定條件下，轉(zhuǎn)輪的除濕效果與再生溫度和處理空氣的溫度有很大關(guān)系。有試驗(yàn)[4]表明，轉(zhuǎn)輪除濕量隨再生溫度升高而增大，但當(dāng)高于某個(gè)溫度時(shí)，系統(tǒng)能耗將增加。另外，處理空氣溫度越低，則除濕量越大。根據(jù)測(cè)試，處理空氣的溫度每下降10 °C，除濕效率約可增加15%[5]。故在轉(zhuǎn)輪除濕過程中，如何降低處理空氣的溫度，進(jìn)行預(yù)除濕，提高再生溫度，同時(shí)降低能耗，也是研究的方向之一。

4.5 傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕

待處理空氣經(jīng)過濾后進(jìn)入冷凍水盤管進(jìn)行降溫預(yù)除濕，隨后進(jìn)入除濕轉(zhuǎn)輪。除濕后的空氣進(jìn)入閃干室的加熱單元，參與到系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)中；同時(shí)，在轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)域，燃燒機(jī)加熱空氣，令吸附的水分從轉(zhuǎn)輪的吸附材料中脫附，隨著空氣排出。整個(gè)系統(tǒng)的原理如圖6 所示。

圖6 傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕的原理示意圖Figure 6 Schematic diagram showing the working principle of traditional surface cooler plus rotor dehumidifier

根據(jù)圖6，對(duì)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)合焓濕圖，確定各狀態(tài)的參數(shù)，列于表2。

表2 傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕的各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)表Table 2 Parameters of each state during dehumidification when using traditional surface cooler and rotor dehumidifier

4.6 直膨式熱泵預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕

此方式與傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕的區(qū)別在于預(yù)降溫和脫附均采用熱泵系統(tǒng)，其原理如圖7 所示。根據(jù)圖7 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)分析，結(jié)合焓濕圖，確定各狀態(tài)的參數(shù)，列于表3。

5 除濕方式的對(duì)比

經(jīng)以上介紹可知，常用的除濕方式有直膨式熱泵除濕、傳統(tǒng)表冷器除濕、傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕以及直膨式熱泵預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕4 種。它們?cè)谘b備方面的比較見表4。

圖7 直膨式熱泵預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕的原理示意圖Figure 7 Schematic diagram showing the principle of direct-expansion heat pump plus rotor dehumidifier

表3 直膨式熱泵預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕的各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)表Table 3 Parameters of each state during dehumidification when using direct-expansion heat pump and rotor dehumidifier

表4 4 種除濕方式在裝備方面的比較Table 4 Comparison in equipment between four dehumidification methods

以下著重比較4 種除濕方式的能耗。

5.1 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)焓濕圖，可確定不同狀態(tài)下的溫度、濕度、焓值等。

對(duì)于降溫除濕過程，根據(jù)Q=FM(H1-H2)/3 600，確定2 個(gè)狀態(tài)下制冷量，其中：Q為制冷量，單位為kW，1 kW = 3 600 kJ/h；F為處理空氣的流量，單位為m3/h；M為空氣的密度，與氣壓、溫度等有很大關(guān)系，為便于計(jì)算，統(tǒng)一取M= 1.2 kg/m3；(H1-H2)為2 個(gè)狀態(tài)下的焓變，單位為kJ/kg。

對(duì)于加熱過程，采用Q= 0.29F(T2-T1)/860，確定2 個(gè)狀態(tài)下加熱量，其中(T2-T1)為2 個(gè)狀態(tài)下的溫度差，單位為K。

對(duì)于熱泵、制冷機(jī)組，其用電功率可簡(jiǎn)化為Q/COP，其中Q為系統(tǒng)的吸熱/放熱/制冷量，COP 為制冷機(jī)組的能效比。

5.2 不同除濕方式下達(dá)到工藝要求所需要的能耗

為便于比較，建立簡(jiǎn)易模型，假設(shè)部分輸入為定值，包括：①處理空氣的風(fēng)量為20 000 m3/h；②設(shè)第一級(jí)熱泵(未到冰點(diǎn))的單側(cè)(按蒸發(fā)器側(cè))COP 為3，第二級(jí)熱泵(達(dá)到冰點(diǎn))的單側(cè)COP 為2，普通制冷機(jī)組(螺桿機(jī))與冷凍水的COP 為4.2；③處理空氣風(fēng)機(jī)功率類似，不加入比較；④為統(tǒng)一比較，不同能源類型折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量，1 kW·h 電相當(dāng)于0.404 0 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，1 m3天然氣相當(dāng)于1.214 3 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤；⑤天然氣熱值按8 200 kcal/Nm3= 9.54 kW/Nm3計(jì)算。

(1) 直膨式熱泵除濕。

如按2.3.2 節(jié)所述，熱泵機(jī)組1 需要的電量為340 ÷ 3 = 113 (kW)，熱泵機(jī)組2 需要的電量為147 ÷2 = 73.5 (kW)，乙二醇溶液式熱回收系統(tǒng)循環(huán)泵功率約5 kW，輔助散熱器功率不計(jì)，此時(shí)為低溫干燥除濕，處理空氣直接進(jìn)入閃干室，推算出處理20 000 m3/h 空氣所需要的電量為(113 + 73.5 + 5) × 20 000 ÷32 000 = 119.7 (kW)。

(2) 傳統(tǒng)表冷器除濕方法。

從表1 可知，狀態(tài)A 到狀態(tài)B 的降溫除濕過程需要的制冷量為：20 000 × 1.2 × (84.6 - 39.3) ÷ 3 600 =302 (kW)，轉(zhuǎn)換成制冷機(jī)組的電量為302 ÷ 4.2 = 71.9 (kW)，同時(shí)考慮11 kW 的循環(huán)水泵，折合為標(biāo)準(zhǔn)煤為(71.9 + 11) × 0.404 = 33.5 (kg)。

從狀態(tài)B 到狀態(tài)C 為加熱過程，需要的天然氣量為20 000 × 0.29 × (90 - 14) ÷ 860 ÷ 9.54 = 53.7 (m3)，折合為標(biāo)準(zhǔn)煤65.3 kg。

系統(tǒng)達(dá)到工藝要求共需要98.8 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。

(3) 傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕。

如表2，狀態(tài)A 到狀態(tài)B 為降溫除濕過程需要的制冷量為20 000 × 1.2 × (84.6 - 36.1) ÷ 3 600 = 323 (kW)，轉(zhuǎn)換成制冷機(jī)組的電量為323 ÷ 4.2 = 76.9 (kW)；同時(shí)考慮11 kW 的循環(huán)水泵，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為(76.9 + 11) ×0.404 = 35.5 (kg)。

狀態(tài)C 到D 為加熱過程，需要的天然氣量為20 000 × 0.29 × (70 - 36) ÷ 860 ÷ 9.54 = 24 (m3)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤26.2 kg。

脫附空氣6 000 m3/h，狀態(tài)E 到F 為加熱過程，需要的天然氣量為6 000 × 0.29 × (120 - 29) ÷ 860 ÷9.54 = 19.3 (m3)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤23.4 kg。

系統(tǒng)達(dá)到工藝要求共需要85.1 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。

(4) 直膨式熱泵預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪除濕。

如表3，狀態(tài)A 到狀態(tài)B 到狀態(tài)C 為降溫除濕過程，需要的制冷量為20 000 × 1.2 × (84.6 - 20.6) ÷3 600 = 426.7 (kW)，轉(zhuǎn)換成制冷機(jī)組的電量為426.7 ÷ 3 = 142.2 (kW)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤57.5 kg。

狀態(tài)E 到F 為加熱過程，需要的天然氣量為20 000 × 0.29 × (70 - 60) ÷ 860 ÷ 9.54 = 7.1 (m3)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤8.6 kg。

脫附空氣6 000 m3/h，狀態(tài)H 到I 為加熱過程，需要的天然氣量為6 000 × 0.29 × (80 - 60) ÷ 860 ÷9.54 = 4.2 (m3)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.15 kg。

系統(tǒng)達(dá)到工藝要求共需要71.3 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。

根據(jù)以上計(jì)算，4 種除濕方式達(dá)到工藝要求所需要的能耗見表5。

表5 4 種除濕方式達(dá)到工藝要求所需要的能源耗量表Table 5 Energy consumption required for four dehumidification methods to meet process requirements

6 總結(jié)

直膨式熱泵、傳統(tǒng)表冷器、傳統(tǒng)方法預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪、直膨式熱泵預(yù)除濕加轉(zhuǎn)輪這4 種除濕方式在汽車涂裝行業(yè)均有應(yīng)用案例。傳統(tǒng)表冷器除濕由于投資少、技術(shù)成熟，因此目前依然應(yīng)用最多，但其除濕能力有限，最低含水量只能達(dá)到10 g/kg，且涉及到先降溫除濕再升溫的過程，能耗較大。轉(zhuǎn)輪除濕是近幾年的主流，除濕性能優(yōu)越、投資適中，但轉(zhuǎn)輪所能處理的空氣量有限，且受制于吸附材料，較大吸附容量和較低再生溫度的高效吸附除濕材料成為該技術(shù)能夠推廣應(yīng)用的關(guān)鍵之一。直膨式熱泵除濕目前僅在大眾、通用等新建的合資工廠有應(yīng)用，雖然投資高，但除濕性能優(yōu)越，且能夠保證大風(fēng)量的循環(huán)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了閃干室低溫低含水量的運(yùn)行，大大地降低了能耗。

從表5 可以看出，在以達(dá)到工藝要求作為前提的情況下，直膨式熱泵和除濕轉(zhuǎn)輪有更優(yōu)異的節(jié)能效果。需要特別說明的是，涂裝閃干效果受含水量和溫度這兩個(gè)參數(shù)中哪個(gè)的影響更為明顯，也是需要研究的課題之一。