在涂裝線的設(shè)計中 , 如何合理地利用熱能是一個非常重要的問題。在我國很多地區(qū) , 由于工業(yè)用電比較短缺和昂貴 , 因此 , 涂裝線中的加熱器廣泛地采用柴油、天然氣等作為熱源 , 通過合理的設(shè)計 , 既極大地降低了運行成本 , 又滿足了工藝要求。本文從一個側(cè)面 , 以電視機殼、空調(diào)機殼、自行車前叉和車架等小 型零部件的涂裝線加熱器為分析對象 , 簡要介紹了燃油、燃氣加熱器在涂裝線中的應(yīng)用 , 詳細闡述了燃油、燃氣加熱器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的計算。

1 燃油、燃氣加熱器的應(yīng)用

按照工件的涂層結(jié)構(gòu)進行劃分 , 小件涂裝線主要有 4 類 , 燃油、燃氣加熱器在其中的應(yīng)用見表 1 。

表 1 燃油、燃氣加熱器在各類小件涂裝線中的應(yīng)用

2 燃油、燃氣加熱器的設(shè)計

2. 1 脫脂用加熱器的設(shè)計

2. 1. 1 脫脂用加熱器的結(jié)構(gòu)

由于小件涂裝線的工件表面油污少、外形簡單 , 噴淋脫脂比較容易 , 因而前處理一般采用噴淋式 , 配置有燃油、燃氣加熱器的脫脂槽一般布置于脫脂噴淋通道的底部。具體結(jié)構(gòu)見圖 1 。

1 —循環(huán)泵 2 —脫脂槽 3 —燃燒機 4 —熱氣箱

5 —回流管 6 —煙氣排放管 7 —換熱管 8 —燃燒室

圖 1 脫脂用加熱器的結(jié)構(gòu)

脫脂用加熱器為間接加熱式 , 主要結(jié)構(gòu)是一列管換熱器。一般設(shè)計為三回程結(jié)構(gòu) , 第一回程為燃燒室 , 第二、三回程為換熱管。其工作原理見圖 2 ( 圖中受熱介質(zhì)為脫脂液 ) 。

圖 2 間接加熱工作原理

2. 1. 2 脫脂用加熱器的主要參數(shù)

圖 1 所示脫脂用加熱器的主要參數(shù)可以通過多種方法進行計算 , 現(xiàn)介紹其中一種比較精確的計算方法。

(1) 首先參照脫脂工序的熱能需求量 , 選用合適的燃燒機 , 根據(jù)燃燒機技術(shù)參數(shù)中的火焰尺寸 , 確定燃燒室的長度和直徑 :

L = L 火 + 0 . 3 ( 1 )

D = 2 D 火 ( 2 )

式中 : L ———燃燒室的長度 ,m;

L 火 ———燃燒機火焰的最大長度 ,m;

D ———燃燒室直徑 ,m;

D 火 ———燃燒機火焰的最大直徑 ,m 。

(2) 確定換熱管的根數(shù) n: 已知燃燒機的有關(guān)技術(shù)參數(shù) , 設(shè)定煙氣的排放溫度后 , 在傳熱方程式中 ,

E = U · A ·Δ t (3)

式中 : E ———扣除煙氣排放帶走的熱能后 , 加熱器提供的有效熱能 , kJ /h;

U ———加熱器的傳熱系數(shù) , kJ / t · h ·℃ ;

A ———加熱器的傳熱面積 , h ;

Δ t ———對數(shù)平均溫差 , ℃。

由于 A 是 n 的函數(shù) , 可導(dǎo)出 U 與 n 的一個關(guān)系式

U = f ( n) (4)

又因為

1 / U = 1 / h 1 + r w + 1 / h 2 (5)

式中 : h 1 ———煙氣在換熱管內(nèi)強制對流時的傳熱膜系數(shù) , kJ / t · h ·℃ ;

r w ———管壁熱阻 , 可忽略 ;

h 2 ———脫脂液垂直流經(jīng)換熱管束時的傳熱膜系數(shù) , kJ / t · h ·℃。

根據(jù)“空氣和燃燒氣在管內(nèi)強制對流時的傳熱膜系數(shù)” [ 1 ] 計算式 , 有

式中 : t 1 ———煙氣的平均溫度 , ℃ ;

V ———標準狀態(tài)下 ( 0 ℃ , 760 mm 汞柱 ) 煙氣流速 ,m / s;

D 內(nèi) ———換熱管內(nèi)徑 , 一般選用 0 1 037 m 。

根據(jù)麥克亞當斯 (Mcadams) 方程 [ 1 ] , 有

式中 : t 2 ——— 水膜溫度 , ℃ ;

V max ——— 斷面處的最大質(zhì)量流速 , kg/h · m 2 ;

D 外 ———換熱管外徑 , 一般選用 0 . 04 m 。

而 (6) 式中 V 是 n 的函數(shù) , 所以由 (5) 、 (6) 、 (7) 三式 , 可導(dǎo)出 U 與 n 的另一個關(guān)系式

U = g ( n) (8)

最后 , 由 (4) 、 (8) 兩個關(guān)系式 , 即可求得換熱管的根數(shù) n 。

2. 2 脫水、固化用加熱器的設(shè)計

在小件涂裝線的脫水烘干、固化兩工序中 , 主要采用以下 3 種加熱器提供熱能 : 燃氣式紅外輻射器、直接加熱器和間接加熱器。各種加熱器的結(jié)構(gòu)、特點和主要參數(shù)的計算如下。

2. 2. 1 燃氣式紅外輻射器

在脫水爐或固化爐的保溫板上 , 直接布置所需數(shù)量的燃氣式紅外輻射器 , 如圖 3 。由于熱空氣密度較輕 , 爐體內(nèi)的氣氛溫度上高下低 , 因此 , 爐體底部布置的輻射器功率要適當高于在兩側(cè)所布置的輻射器功率 , 使爐內(nèi)氣氛的溫度盡可能一致。

1 —燃燒器 2 —天然氣噴嘴 3 —室體保溫板 4 —陶瓷板

圖 3 燃氣式紅外輻射器結(jié)構(gòu)

常用的紅外輻射器 , 是首先將天然氣或液化氣與助燃空氣充分混合后 , 導(dǎo)流到多孔陶瓷板的小孔處 , 在板面上形成穩(wěn)定的無焰燃燒 , 從而發(fā)出較強的輻射熱 , 達到直接加熱工件的目的。由于其具有熱能利用率高、加熱快和不需大量循環(huán)空氣流動的特點 , 使其在外形簡單的工件上得到了很好的應(yīng)用效果。但對于有輻射死角或很難使輻射距離大致相等的工件 , 會出現(xiàn)工件脫水不完全、涂層固化不均勻的弊病 , 在這種情況下 , 則應(yīng)選擇其它方式的加熱器。

2. 2. 2 直接加熱器

將燃燒室直接設(shè)計在脫水爐或固化爐的熱風(fēng)循 __ 環(huán)管路中 , 在這里 , 燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c來自爐內(nèi)的循環(huán)空氣混合 , 達到直接加熱爐內(nèi)空氣的目的。其結(jié)構(gòu)見圖 4 。

1 —燃燒機 2 —火焰噴嘴 3 —燃燒室 4 —回風(fēng)管 5 —循環(huán)風(fēng)機

圖 4 直接加熱器結(jié)構(gòu)

在圖 4 中燃燒室的尺寸 :

長 = L 火 + 0 . 3 (m) , 寬 = 高 = 2 D 火 (m)

該加熱器的優(yōu)點是熱能利用率高、熱響應(yīng)速度快以及初期設(shè)備投資較低等。缺點是高溫?zé)煔庵泻形⒘康臒焿m , 當它通過熱風(fēng)循環(huán)管路進入爐體后 , 會對爐內(nèi)空氣的潔凈度產(chǎn)生一定的不利影響。因此 , 在脫水爐或?qū)t內(nèi)空氣潔凈度要求不高的固化爐中 , 可用直接加熱器提供熱能。而對于空氣潔凈度要求較高的固化爐 , 當熱源為燃氣時 , 雖可使用該加熱器 , 但在使用過程中 , 需用高溫過濾器對高溫?zé)煔膺M行適當?shù)倪^濾 ; 當熱源為燃油時 , 由于煙氣中的煙塵較重 , 無法用過濾解決 , 在這種情況下 , 則不能使用直接加熱器 , 而應(yīng)使用間接加熱器。

2. 2. 3 間接加熱器

將加熱器設(shè)計在固化爐熱風(fēng)循環(huán)管路中 , 依靠加熱器中的一列管換熱器對循環(huán)空氣進行加熱。其工作原理見圖 2 ( 圖中受熱介質(zhì)為循環(huán)空氣 ) , 結(jié)構(gòu)見圖 5 。

1 —燃燒機 2 —燃燒室 3 —循環(huán)風(fēng)機 4 —熱氣箱

5 —煙氣排放管 6 —換熱管 7 —回風(fēng)管

圖 5 間接加熱器結(jié)構(gòu)

該加熱器的優(yōu)點是煙氣不進入固化爐 , 因而使爐內(nèi)空氣具有高潔凈度。缺點是熱能利用率較低、熱響應(yīng)速度慢以及初期設(shè)備投資較大等。因而 , 該加熱器一般應(yīng)用于對空氣潔凈度要求較高的固化爐。

該間接加熱器的換熱管數(shù)量 , 可參照 2 . 1 . 2 節(jié)的方法進行計算 , 由于受熱介質(zhì)是循環(huán)空氣 , 計算時要將式 (5) 、 (7) 更換為

式中 : h 2 ′———循環(huán)空氣垂直流經(jīng)換熱管束時的傳熱膜系數(shù) ,m 2 · h ·℃ ;

c P ———氣體的定壓比熱 , 1 kJ /kg ·℃ ;

( q m ) max ———斷面處的最大質(zhì)量流速 ,kg/h · m 2 。

2. 3 間接式加熱器的一個設(shè)計實例

一個電視機殼噴漆線的固化爐 , 爐體容積 250 m 3 , 固化溫度 80 ℃ , 循環(huán)風(fēng)量 45 000 m 3 /h; 熱源采用 BT 40G 型單段火柴油燃燒機 , 輸出功率范圍 237 ～ 400 kW, 耗油范圍 20 ～ 34 kg/h, 燃氣比 60 ∶ 1, 煙氣排放溫度設(shè)定為 280 ℃ 。

根據(jù)燃燒機的火焰參數(shù) , 由式 (1) 、 (2) 可得燃燒室的直徑為 0 . 5 m , 燃燒室或換熱管的長度為 1 . 3 m 。選用換熱管的規(guī)格為外徑 0 . 04 m , 管壁厚度 0 . 001 5 m 。將有關(guān)參數(shù)代入 (3) 式 , 導(dǎo)出關(guān)系式 U =f ( n) 為 :

U = 13 100 / ( n + 12 . 5) (11)

將有關(guān)參數(shù)代入式 (6) 、 ( 9) 、 (10) 式 , 導(dǎo)出關(guān)系式 U = g ( n) 為 :

分別作出公式 (11) 、 (12) 的 U — n 曲線 , 如圖 6, 可得交點坐標 ( 62, 176) 。由此可知 , 該加熱器換熱管數(shù)量應(yīng)為 62 根 , 總傳熱系數(shù)是 176 kJ /m 2 · h ·℃。

圖 6 式 (11) 、 (12) 的 U — n 曲線

3 結(jié) 語

(1) 通過以上的計算和分析 , 可以比較準確地對燃油、燃氣加熱器進行設(shè)計。在兼顧熱能利用率的同時 , 使加熱器的設(shè)計趨于合理。

(2) 為了提高熱能的利用率 , 可以適當增加加熱管的數(shù)量。但是 , 要注意由于熱能利用率的提高 , 煙氣的排放溫度會降低 , 當?shù)陀诼饵c時 , 煙氣中的水蒸氣會出現(xiàn)冷凝 , 從而腐蝕加熱器。

(3) 設(shè)計涂裝線時 , 在滿足涂裝質(zhì)量要求的前提下 , 要優(yōu)先考慮熱能利用率高、加熱快的加熱器 , 盡可能地節(jié)約能源。

(4) 由于柴油、天然氣等燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度極高 , 加熱器的制作材料一般采用 1Cr18Ni9Ti 。各部位材料的厚度如下 : 燃燒室一般是 4 mm , 熱氣箱一般是 3 mm , 換熱管一般是 1 . 5 mm 。使加熱器既具有良好的抗氧化性 , 又具有較理想的熱傳導(dǎo)性