在涂装线的设计中 , 如何合理地利用热能是一个非常重要的问题。在我国很多地区 , 由于工业用电比较短缺和昂贵 , 因此 , 涂装线中的加热器广泛地采用柴油、天然气等作为热源 , 通过合理的设计 , 既极大地降低了运行成本 , 又满足了工艺要求。本文从一个侧面 , 以电视机壳、空调机壳、自行车前叉和车架等小 型零部件的涂装线加热器为分析对象 , 简要介绍了燃油、燃气加热器在涂装线中的应用 , 详细阐述了燃油、燃气加热器的结构和参数的计算。
1 燃油、燃气加热器的应用
按照工件的涂层结构进行划分 , 小件涂装线主要有 4 类 , 燃油、燃气加热器在其中的应用见表 1 。
表 1 燃油、燃气加热器在各类小件涂装线中的应用
2 燃油、燃气加热器的设计
2. 1 脱脂用加热器的设计
2. 1. 1 脱脂用加热器的结构
由于小件涂装线的工件表面油污少、外形简单 , 喷淋脱脂比较容易 , 因而前处理一般采用喷淋式 , 配置有燃油、燃气加热器的脱脂槽一般布置于脱脂喷淋通道的底部。具体结构见图 1 。
1 —循环泵 2 —脱脂槽 3 —燃烧机 4 —热气箱
5 —回流管 6 —烟气排放管 7 —换热管 8 —燃烧室
图 1 脱脂用加热器的结构
脱脂用加热器为间接加热式 , 主要结构是一列管换热器。一般设计为三回程结构 , 第一回程为燃烧室 , 第二、三回程为换热管。其工作原理见图 2 ( 图中受热介质为脱脂液 ) 。
图 2 间接加热工作原理
2. 1. 2 脱脂用加热器的主要参数
图 1 所示脱脂用加热器的主要参数可以通过多种方法进行计算 , 现介绍其中一种比较精确的计算方法。
(1) 首先参照脱脂工序的热能需求量 , 选用合适的燃烧机 , 根据燃烧机技术参数中的火焰尺寸 , 确定燃烧室的长度和直径 :
L = L 火 + 0 . 3 ( 1 )
D = 2 D 火 ( 2 )
式中 : L ———燃烧室的长度 ,m;
L 火 ———燃烧机火焰的最大长度 ,m;
D ———燃烧室直径 ,m;
D 火 ———燃烧机火焰的最大直径 ,m 。
(2) 确定换热管的根数 n: 已知燃烧机的有关技术参数 , 设定烟气的排放温度后 , 在传热方程式中 ,
E = U · A ·Δ t (3)
式中 : E ———扣除烟气排放带走的热能后 , 加热器提供的有效热能 , kJ /h;
U ———加热器的传热系数 , kJ / t · h ·℃ ;
A ———加热器的传热面积 , h ;
Δ t ———对数平均温差 , ℃。
由于 A 是 n 的函数 , 可导出 U 与 n 的一个关系式
U = f ( n) (4)
又因为
1 / U = 1 / h 1 + r w + 1 / h 2 (5)
式中 : h 1 ———烟气在换热管内强制对流时的传热膜系数 , kJ / t · h ·℃ ;
r w ———管壁热阻 , 可忽略 ;
h 2 ———脱脂液垂直流经换热管束时的传热膜系数 , kJ / t · h ·℃。
根据“空气和燃烧气在管内强制对流时的传热膜系数” [ 1 ] 计算式 , 有
式中 : t 1 ———烟气的平均温度 , ℃ ;
V ———标准状态下 ( 0 ℃ , 760 mm 汞柱 ) 烟气流速 ,m / s;
D 内 ———换热管内径 , 一般选用 0 1 037 m 。
根据麦克亚当斯 (Mcadams) 方程 [ 1 ] , 有
式中 : t 2 ——— 水膜温度 , ℃ ;
V max ——— 断面处的最大质量流速 , kg/h · m 2 ;
D 外 ———换热管外径 , 一般选用 0 . 04 m 。
而 (6) 式中 V 是 n 的函数 , 所以由 (5) 、 (6) 、 (7) 三式 , 可导出 U 与 n 的另一个关系式
U = g ( n) (8)
最后 , 由 (4) 、 (8) 两个关系式 , 即可求得换热管的根数 n 。
2. 2 脱水、固化用加热器的设计
在小件涂装线的脱水烘干、固化两工序中 , 主要采用以下 3 种加热器提供热能 : 燃气式红外辐射器、直接加热器和间接加热器。各种加热器的结构、特点和主要参数的计算如下。
2. 2. 1 燃气式红外辐射器
在脱水炉或固化炉的保温板上 , 直接布置所需数量的燃气式红外辐射器 , 如图 3 。由于热空气密度较轻 , 炉体内的气氛温度上高下低 , 因此 , 炉体底部布置的辐射器功率要适当高于在两侧所布置的辐射器功率 , 使炉内气氛的温度尽可能一致。
1 —燃烧器 2 —天然气喷嘴 3 —室体保温板 4 —陶瓷板
图 3 燃气式红外辐射器结构
常用的红外辐射器 , 是首先将天然气或液化气与助燃空气充分混合后 , 导流到多孔陶瓷板的小孔处 , 在板面上形成稳定的无焰燃烧 , 从而发出较强的辐射热 , 达到直接加热工件的目的。由于其具有热能利用率高、加热快和不需大量循环空气流动的特点 , 使其在外形简单的工件上得到了很好的应用效果。但对于有辐射死角或很难使辐射距离大致相等的工件 , 会出现工件脱水不完全、涂层固化不均匀的弊病 , 在这种情况下 , 则应选择其它方式的加热器。
2. 2. 2 直接加热器
将燃烧室直接设计在脱水炉或固化炉的热风循 __ 环管路中 , 在这里 , 燃料燃烧后产生的高温烟气与来自炉内的循环空气混合 , 达到直接加热炉内空气的目的。其结构见图 4 。
1 —燃烧机 2 —火焰喷嘴 3 —燃烧室 4 —回风管 5 —循环风机
图 4 直接加热器结构
在图 4 中燃烧室的尺寸 :
长 = L 火 + 0 . 3 (m) , 宽 = 高 = 2 D 火 (m)
该加热器的优点是热能利用率高、热响应速度快以及初期设备投资较低等。缺点是高温烟气中含有微量的烟尘 , 当它通过热风循环管路进入炉体后 , 会对炉内空气的洁净度产生一定的不利影响。因此 , 在脱水炉或对炉内空气洁净度要求不高的固化炉中 , 可用直接加热器提供热能。而对于空气洁净度要求较高的固化炉 , 当热源为燃气时 , 虽可使用该加热器 , 但在使用过程中 , 需用高温过滤器对高温烟气进行适当的过滤 ; 当热源为燃油时 , 由于烟气中的烟尘较重 , 无法用过滤解决 , 在这种情况下 , 则不能使用直接加热器 , 而应使用间接加热器。
2. 2. 3 间接加热器
将加热器设计在固化炉热风循环管路中 , 依靠加热器中的一列管换热器对循环空气进行加热。其工作原理见图 2 ( 图中受热介质为循环空气 ) , 结构见图 5 。
1 —燃烧机 2 —燃烧室 3 —循环风机 4 —热气箱
5 —烟气排放管 6 —换热管 7 —回风管
图 5 间接加热器结构
该加热器的优点是烟气不进入固化炉 , 因而使炉内空气具有高洁净度。缺点是热能利用率较低、热响应速度慢以及初期设备投资较大等。因而 , 该加热器一般应用于对空气洁净度要求较高的固化炉。
该间接加热器的换热管数量 , 可参照 2 . 1 . 2 节的方法进行计算 , 由于受热介质是循环空气 , 计算时要将式 (5) 、 (7) 更换为
式中 : h 2 ′———循环空气垂直流经换热管束时的传热膜系数 ,m 2 · h ·℃ ;
c P ———气体的定压比热 , 1 kJ /kg ·℃ ;
( q m ) max ———断面处的最大质量流速 ,kg/h · m 2 。
2. 3 间接式加热器的一个设计实例
一个电视机壳喷漆线的固化炉 , 炉体容积 250 m 3 , 固化温度 80 ℃ , 循环风量 45 000 m 3 /h; 热源采用 BT 40G 型单段火柴油燃烧机 , 输出功率范围 237 ～ 400 kW, 耗油范围 20 ～ 34 kg/h, 燃气比 60 ∶ 1, 烟气排放温度设定为 280 ℃ 。
根据燃烧机的火焰参数 , 由式 (1) 、 (2) 可得燃烧室的直径为 0 . 5 m , 燃烧室或换热管的长度为 1 . 3 m 。选用换热管的规格为外径 0 . 04 m , 管壁厚度 0 . 001 5 m 。将有关参数代入 (3) 式 , 导出关系式 U =f ( n) 为 :
U = 13 100 / ( n + 12 . 5) (11)
将有关参数代入式 (6) 、 ( 9) 、 (10) 式 , 导出关系式 U = g ( n) 为 :
分别作出公式 (11) 、 (12) 的 U — n 曲线 , 如图 6, 可得交点坐标 ( 62, 176) 。由此可知 , 该加热器换热管数量应为 62 根 , 总传热系数是 176 kJ /m 2 · h ·℃。
图 6 式 (11) 、 (12) 的 U — n 曲线
3 结 语
(1) 通过以上的计算和分析 , 可以比较准确地对燃油、燃气加热器进行设计。在兼顾热能利用率的同时 , 使加热器的设计趋于合理。
(2) 为了提高热能的利用率 , 可以适当增加加热管的数量。但是 , 要注意由于热能利用率的提高 , 烟气的排放温度会降低 , 当低于露点时 , 烟气中的水蒸气会出现冷凝 , 从而腐蚀加热器。
(3) 设计涂装线时 , 在满足涂装质量要求的前提下 , 要优先考虑热能利用率高、加热快的加热器 , 尽可能地节约能源。
(4) 由于柴油、天然气等燃料燃烧产生的烟气温度极高 , 加热器的制作材料一般采用 1Cr18Ni9Ti 。各部位材料的厚度如下 : 燃烧室一般是 4 mm , 热气箱一般是 3 mm , 换热管一般是 1 . 5 mm 。使加热器既具有良好的抗氧化性 , 又具有较理想的热传导性