引言
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
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。
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
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)。
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=2D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·Δt(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;
Δt———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/h1+rw+1/h2(5)
式中:h1———烟气在换热管内强制对流时的传热膜系数,kJ/t·h·℃;
rw———管壁热阻,可忽略;
h2———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:t1———烟气的平均温度,℃;
V———标准状态下(0℃,760mm汞柱)烟气流速,m/s;
D内———换热管内径,一般选用01037m。
根据麦克亚当斯(Mcadams)方程[1],有式中:t2———水膜温度,℃;
Vmax———断面处的最大质量流速,kg/h·m2;
D外———换热管外径,一般选用0.04m。
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
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
在图4中燃烧室的尺寸:
长=L火+0.3(m),宽=高=2D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
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:h2′———循环空气垂直流经换热管束时的传热膜系数,m2·h·℃;
cP———气体的定压比热,1kJ/kg·℃;
(qm)max———断面处的最大质量流速,kg/h·m2。
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250m3,固化温度80℃,循环风量45000m3/h;热源采用BT40G型单段火柴油燃烧机,输出功率范围237～400kW,耗油范围20～34kg/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0.5m,燃烧室或换热管的长度为1.3m。选用换热管的规格为外径0.04m,管壁厚度0.0015m。将有关参数代入(3)式,导出关系式U=f(n)为:
U=13100/(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176kJ/m2·h·℃。
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4mm,热气箱一般是3mm,换热管一般是1.5mm。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。
