摘要：結(jié)合目前國內(nèi)汽車制造業(yè)涂裝車間濕式噴漆室的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行濕改干方案分析，進(jìn)行適應(yīng)性改造，對不同的廠房高度、噴漆室寬度和布置及周邊情況形成針對性方案，同時(shí)采用仿真軟件進(jìn)行模擬，優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到縮短改造周期、降低投資成本、優(yōu)化設(shè)備形式的目的。

關(guān)鍵詞：噴漆線 濕改干 模塊式 風(fēng)平衡 流體仿真

中圖分類號：TQ639.3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230192

Research and Application of Paint Particle Eliminator Technology from Wet to Dry Carton in Spray Booth

Dai Jidong， Xie Zhiyong， Zang Junqi， Li Xiaobin， Zhou Zhixiong

（China Automotive Engineering Corporation， Tianjin 300113）

Abstract： Based on the existing wet spray booth scrubber system in the domestic automotive manufacturing industry， this study analyzes the wet eliminator to dry carton system proposal， modifies the exit structure and develops the targeted solutions according to different building height，spray booth width， layout and surroundings. At the same time， simulation software is used to simulate and optimize the field flow， in order to shorten modification cycle， reduce the investment cost and optimize the equipment.

Key words： Painting line， Wet eliminator to dry carton， Module type， Air balance， Flow stimulation

1 前言

迷宮干式紙盒漆霧分離技術(shù)是目前最新的漆霧分離技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、成本低、廢物處理簡單的特點(diǎn)，已在國內(nèi)全面應(yīng)用。國內(nèi)乘用車生產(chǎn)線干式噴房在2015年開始出現(xiàn)，2017年全面應(yīng)用，2019年后已取代濕式噴房。隨著新建干式噴房的應(yīng)用，原有濕式噴房逐步開始升級改造。

噴漆線的濕改干具有一定技術(shù)難度，涉及到土建公用等相關(guān)配套改造內(nèi)容較多，擴(kuò)大了改造范圍，改造的安全要求及風(fēng)險(xiǎn)控制要求比普通改造更高，導(dǎo)致改造難度較大、成本較高、時(shí)間要求較長?；趪鴥?nèi)乘用車制造廠的改造需求，從改造方案、差異化場景、理論仿真、控制模型以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行漆霧處理系統(tǒng)從濕式文丘里改為干式紙盒的方案進(jìn)行論述。

2 濕式噴房的形式

濕式噴房是利用循環(huán)水來洗滌帶漆霧的空氣。它的工作原理是使噴漆室的廢氣與水充分混合，利用不同風(fēng)速、擋水板和風(fēng)箱的多次轉(zhuǎn)換，使水和漆滴與空氣分離，水中加有絮凝劑，使漆滴落到水中即相互凝聚；濕式噴漆室的具體方式有水幕式、無泵式、文丘里式和旋風(fēng)動力管式等，目前國內(nèi)主機(jī)廠主要采用文丘里式和旋風(fēng)動力管式，本文主要針對這2種形式的噴漆室進(jìn)行濕改干分析。

2.1 文丘里式噴漆室

濕式文丘里洗滌器的基本工作原理為，在文丘里漸縮段入口處引入水流形成均勻的水膜覆蓋文丘里管內(nèi)壁；空氣流經(jīng)文丘里漸縮段時(shí)，隨著流通截面的縮小，空氣流速逐漸升高，到達(dá)喉部時(shí)空氣流速達(dá)到最大值；高速氣流將喉部壁面的水層卷吸起來形成大量細(xì)小的水滴，含有微粒的廢氣在喉部與霧狀的水滴劇烈混合，從而達(dá)到洗滌空氣的目的[1]。洗滌后的空氣流經(jīng)漸擴(kuò)段，流速逐漸降低，同時(shí)含有大量顆粒的水滴也隨之排出。不同濕式文丘里的流場分布如圖1所示。

由流場分布可以看出，不同形式的文丘里的作用機(jī)理相同，區(qū)別在于流場流道及汽水混合次數(shù)不同，最終的漆霧捕捉效率略有差別。

2.2 旋風(fēng)動力管式噴漆室

旋風(fēng)動力管式噴漆室又稱為水旋噴漆室，其原理與文丘里噴漆室基本一致，只是形式采用圓形錐桶進(jìn)行了代替。

無論何種濕式文丘里形式，都需要消耗大量的水資源，而且分離水中的過噴漆霧需要使用化學(xué)藥劑，同時(shí)對分離出的含水漆渣進(jìn)行干化處理，并且文丘里系統(tǒng)對水進(jìn)行霧化需要克服較大的系統(tǒng)阻力，增加了能源的消耗[2]。對于目前主流的空氣循環(huán)風(fēng)，需要對文丘里效應(yīng)增加的空氣中的水分進(jìn)行再次處理，進(jìn)一步增加了能源的消耗。

3 噴漆室濕改干方案

現(xiàn)有噴漆根據(jù)層高不同分為常規(guī)層高改造方案和底層高改造方案；根據(jù)干式紙盒的更換形式分為在線更換式方案和固定式方案。通常，常規(guī)層高優(yōu)先選用在線更換式紙盒方案，超低層高或者地坑形式采用固定式紙盒方案。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)層高濕改干

標(biāo)準(zhǔn)層高濕改干方案適用于二層廠房高度約為6 m的情況，如圖2所示。具體內(nèi)容如下：

a.中間平臺高度保證底部過濾風(fēng)箱的日常維修更換操作。

b.標(biāo)準(zhǔn)模塊高度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制在便于道路運(yùn)輸通行的允許高度。

c.頂部風(fēng)腔維修高度控制在一般人員可以正常操作、局部需要注意通行的高度。

d.模塊中間走道寬度按照便于人員清理漆渣，更換防靜電膜的操作設(shè)計(jì)即可。

e.干式模塊外側(cè)物流通道凈寬度滿足過濾單元及小車通行所需要的最低要求。

f.需要考慮設(shè)置單元升降機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)。

g.立柱外側(cè)空間涉及原有改造，不建議使用。

h.標(biāo)準(zhǔn)模塊寬度比原有立柱凈寬度略小即可，模塊深度宜與原有噴漆室立柱間距一致，如不一致需考慮底部通長橫梁。

i.如原有地面洞口在靠近立柱一側(cè)，則底部風(fēng)管需要考慮偏置，建議地面風(fēng)道設(shè)置在中間，便于頂部支風(fēng)管安裝，同時(shí)考慮在風(fēng)道匯風(fēng)口處局部加寬風(fēng)管。

j.由于濕式噴漆室匯風(fēng)管大部分偏置，地面風(fēng)箱過濾袋采用懸空布置方式。

3.2 低層高落地濕改干

低層高落地濕改干方案適用于二層廠房高度為4～5 m的情況，如圖3所示。具體內(nèi)容如下。

a.紙盒和過濾袋為一體式單元，干式紙盒單元采用落地方式，過濾單元頂部出風(fēng)。

b.標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制模塊高度以不超過二層樓板高度的一半為宜，寬度不能超過原有噴漆室立柱間距凈寬度，同時(shí)需考慮原有車間物流情況來控制模塊的長度。

c.頂部風(fēng)腔維修高度盡量滿足人員下蹲時(shí)的必要操作高度要求。

d.過濾單元中間走道寬度按照便于人員清理漆渣、更換防靜電膜的操作設(shè)計(jì)即可，外側(cè)物流通道寬度滿足過濾單元及小車通行所需要的最低要求，噴漆室立柱內(nèi)側(cè)由于空間受限不考慮物流。

e.無需設(shè)置單元升降機(jī)，但需設(shè)置斜坡。

f.匯風(fēng)風(fēng)管位于過濾單元上方，優(yōu)先考慮雙側(cè)排風(fēng)，如排風(fēng)風(fēng)機(jī)位于單側(cè)，則需要在適當(dāng)位置設(shè)置聯(lián)通風(fēng)管。

3.3 固定式紙盒濕改干

固定式紙盒濕改干方案適用于無二層廠房高以及地面以下進(jìn)行漆霧分離的情況，如圖4所示。具體內(nèi)容如下：

a.紙盒和過濾袋為固定式，非在線更換。

b.預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)模塊高度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制在便于道路運(yùn)輸通行的允許高度。

c.中間走道寬度按照便于人員清理漆渣、更換防靜電膜及更換紙盒設(shè)計(jì)為宜，過濾袋從后側(cè)更換。

d.可地面設(shè)置也可在地下設(shè)置。

e.風(fēng)腔斜坡有利于風(fēng)場，同時(shí)不便于貼膜，可根據(jù)需求修改為水平結(jié)構(gòu)便于貼膜，對于風(fēng)場和積漆會略有影響。

f.適用于低產(chǎn)量、間歇式生產(chǎn)、低成本項(xiàng)目。

g.可單側(cè)排風(fēng)，端部設(shè)置聯(lián)通風(fēng)管。

4 改造后干式噴房流場分析

FLUENT作為商用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）軟件包，具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能[3]。首先采用Workbench對干式漆霧分離室進(jìn)行建模，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元分析，賦予不同的邊界條件，最終得到過濾單元中空氣速度云圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，紅色圖框內(nèi)的過濾區(qū)域速度分布大致均勻，且維持在一個(gè)相對中等的速度區(qū)域內(nèi)，均可將噴涂過程中產(chǎn)生的過噴漆霧進(jìn)行捕捉和分離。同時(shí)還可得到整個(gè)噴漆室的粒子流向分布，結(jié)果如圖6所示。

從粒子分布流場可知，在噴漆操作區(qū)域，工件周圍的粒子分布比較均勻，對改造后噴漆區(qū)域的影響可忽略不計(jì)。

5 改造后干式噴房風(fēng)平衡自動調(diào)整策略

濕式文丘里系統(tǒng)和干式紙盒過濾系統(tǒng)最大的區(qū)別為系統(tǒng)阻力不同。濕式系統(tǒng)的原理決定了壓差阻力恒定，不會隨著時(shí)間的變化而變化；干式系統(tǒng)的系統(tǒng)阻力會隨著過濾器的堵塞而變化，初始阻力較低，終阻力最大，且非線性增加，在更換紙盒后阻力又會回到初始阻力。干式系統(tǒng)的壓差不確定性會導(dǎo)致整個(gè)噴漆室的風(fēng)平衡紊亂，所以有必要進(jìn)行風(fēng)平衡自動調(diào)整。通過對每一個(gè)過濾單元單獨(dú)控制，并對單元進(jìn)行分組調(diào)整，可確保風(fēng)平衡的自動調(diào)整。數(shù)據(jù)處理模型如下：

a.干式漆霧捕集系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)隔斷分為若干個(gè)區(qū)間，比如補(bǔ)漆段、自動內(nèi)噴段、自動外噴段。

b.每個(gè)區(qū)間的紙盒單元按照固定數(shù)量分為若干組。

c.每個(gè)組內(nèi)根據(jù)單元數(shù)量設(shè)置壓差表和自動風(fēng)閥，每組的壓差表和自動風(fēng)閥連鎖，每組內(nèi)的自動閥門開度保持一致。

d.針對每一個(gè)壓差計(jì)每隔固定時(shí)間取一個(gè)瞬時(shí)靜壓值，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)取相應(yīng)數(shù)量的壓差，對壓差求平均值Ci。

e.以設(shè)定時(shí)間為一個(gè)反饋控制周期，針對每一組單元的若干個(gè)壓差平均值進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均，得到每組單元的平均壓差A(yù)i。此權(quán)重需要根據(jù)現(xiàn)場紙盒更換周期進(jìn)行調(diào)整，最終使一組內(nèi)的單元更換周期保持一致。

f.同一組內(nèi)每個(gè)過濾單元初始壓差設(shè)定值C0的確定。開機(jī)調(diào)試時(shí)，C0需要與風(fēng)閥初始開度D0相關(guān)聯(lián)，每個(gè)風(fēng)閥初始開度根據(jù)設(shè)計(jì)確定，通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度Di的輸出使Ci=C0，此時(shí)Di=D0。

g.一組過濾單元初始壓差設(shè)定值A(chǔ)0的確定。

h.每個(gè)排風(fēng)機(jī)對應(yīng)的多組過濾單元的加權(quán)平均[A'0]的確定。如果一個(gè)排風(fēng)機(jī)對應(yīng)6組過濾單元，則：

[A'0=16×A1+16×A2+16×A3+16×A4+16×" " " " " A5+16×A6]" " " （1）

式中：A1～A6分別為1～6號過濾單元的壓差。

i.排風(fēng)機(jī)初始頻率F0的計(jì)算如下：

[P1P2=50F02]" （2）

式中：P1為排風(fēng)機(jī)額定靜壓，P2=[A'0]+AA為排風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行靜壓，AA為預(yù)設(shè)定系統(tǒng)阻力。

j.紙盒開始捕捉漆霧后，風(fēng)阻增大，風(fēng)量減少，壓差升高，此時(shí)Cigt;C0；為提高過風(fēng)量，則需要增加風(fēng)閥開度使Digt;D0，直至開度增加到最大開度，此時(shí)已經(jīng)無法通過閥門調(diào)節(jié)壓差。

k.同一風(fēng)機(jī)對應(yīng)的多組紙盒閥門開度均已達(dá)到最大開度時(shí)，需要提高風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整，頻率調(diào)整上限根據(jù)上述公式計(jì)算。頻率調(diào)整原則上每次小幅增加。此時(shí)風(fēng)機(jī)頻率的增加需根據(jù)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的壓差進(jìn)行調(diào)整。

l.無論采用何種方式，更換1個(gè)或者2個(gè)紙盒單元后，每個(gè)排風(fēng)機(jī)對應(yīng)的所有單元的風(fēng)量均進(jìn)行了重新分配，此時(shí)需要重新調(diào)整每個(gè)排風(fēng)機(jī)對應(yīng)的所有單元組的風(fēng)閥開度。

m.風(fēng)機(jī)頻率的自動調(diào)整應(yīng)在電動風(fēng)閥調(diào)節(jié)手段無效的前提下進(jìn)行。

n.紙盒和過濾袋分開時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率的調(diào)整需要考慮過濾袋的壓差。

o.有改造條件的情況下，可改造風(fēng)機(jī)，設(shè)置風(fēng)機(jī)壓力環(huán)，通過監(jiān)測風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整，此策略與壓差和風(fēng)閥開度連鎖調(diào)整分別進(jìn)行，設(shè)置一定觸發(fā)條件即可。

6 改造后干式噴房經(jīng)濟(jì)性分析

紙盒干式噴房由于具有阻力小、節(jié)約一次能源、零藥劑添加、零水源消耗、固體廢棄物較少的優(yōu)勢，更能有效節(jié)約運(yùn)行成本，表1所示為生產(chǎn)線分別采用濕式和干式漆霧分離系統(tǒng)的運(yùn)行成本分析結(jié)果，其中，單車成本以年產(chǎn)量20萬件車身計(jì)算。由表1可以看出，濕改干可降低噴漆室綜合成本至少30%。

7 結(jié)束語

由于噴漆室文丘里系統(tǒng)及客戶要求的不同，需要提供最優(yōu)最適合的解決方案，形成差異化設(shè)計(jì)，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化解決措施。同時(shí)要根據(jù)濕式和干式的不同機(jī)理對噴漆室整體風(fēng)平衡提供相應(yīng)的控制邏輯以滿足改造后的長期穩(wěn)定運(yùn)行需求。

噴漆室漆霧處理系統(tǒng)由濕式改為干式后，根據(jù)估算可節(jié)約單車成本5%左右，投資回收期約為4～5年，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)各主機(jī)廠設(shè)備老舊化也為更新改造增加了市場。

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