高效节能烘干室的模拟仿真与设计

林涛，刘天力，黄鹏，赵学政，王升建

（中国汽车工业工程有限公司涂装工程院，天津300113）

高效节能烘干室的模拟仿真与设计

林涛，刘天力，黄鹏，赵学政，王升建

（中国汽车工业工程有限公司涂装工程院，天津300113）

从节能降耗的设计思路出发，对涂装车间烘干室进行优化设计研究，同时考虑设备的耐用性、清洁方便、可维护等方面，得到新型烘干室结构；用有限元仿真软件进行烘干室内流场仿真分析，验证设计的可行性；根据按照设计及仿真优化结果的烘干室进行实际运行结果，对比传统烘干炉，验证了新型烘干室的高效节能。

烘干室；高效节能；理论分析；数值模拟；对比分析

随着清洁生产和精益化生产要求的进一步提高，汽车涂装线的设计过程和生产过程都越来越注重能耗的减少和污染物排放的降低，因此必须应用有关的先进工艺设备和技术为汽车生产线服务。作为汽车生产流程中重要的一环，涂装车间的节能减排具有非常重大的意义。烘干炉作为涂装生产线的能耗大户，节能减排的观念必须融入到设计研究中的每个环节。

烘干炉系统是涂装生产线的重要设备之一，其主要作用是对喷涂后的车身进行高温烘烤，使得附着在车身表面的湿漆膜在高温条件下交联固化，形成性能优异的漆膜。烘干炉热源一般采用天然气，通过加热装置对炉体内的循环空气进行加热，并使其升温至工艺温度，该工序最大的特点是工作温度高，同时排放废气中夹杂着油漆高温烘烤过程中的挥发成分，对环境有较大危害，具有能耗高和废气污染的双重特征。

1 烘干室简介

烘干炉系统一般包括：烘干室、加热系统、排废气系统、废气处理系统、冷却系统，输送系统，控制系统。烘干室是烘干炉的主体设备，工件烘干在烘干室内完成，烘干室又分为外部室体和内风管，内风管通常按照工作阶段分成多个区。外部室体的内部壁板密封焊，外部一般为波纹板，中间设有保温层，保温壁板考虑减少热桥。工件在烘干室内，根据油漆烘烤要求需要较高的温度，因此烘房通道考虑烘烤特性外，还需考虑设备热胀冷缩、设备易于检修、更换耗材、方便清洁等特性。

为使被涂物工件加热均匀，在整车涂装领域，对流烘干室应用非常广泛。对流烘干室是利用热空气为载热体，通过对流的方式将热量传递给工件涂层，使涂层得到干燥。常规烘干炉采用工件两侧送风，而工件的底部通常是结构复杂，升温速度较慢的区域，为了使工件各个位置都满足烘烤要求，通常需要提供烘干的环境温度。如何突破常规结构烘干炉的性能瓶颈，降低烘干炉运行温度，更有效地达到提升烘烤效果又能降低热量消耗是对烘干室优化设计的目的。

2 高效节能烘干室的设计思路

2.1 室体通道截面仿形设计

传统烘干室通道为矩形结构设计，底部留有机械化运输空间，顶部留有回风通道空间，如图1左所示，这种非仿形的设计导致烘干室通道容积相对较大。按12 m长工艺区段来计算，通道内高3 m，内宽2.6 m，通道容积为93.6 m3。而烘干室内部通道采用车体仿形结构设计后，按同样的工艺区段长度计算，通道容积为70.4 m3。新型烘干室内部通道采用仿形设计，通道内体积仅为传统烘干室的75%，对应加热功率也随之降低，在循环风量不变的情况下，提高了炉内热风循环次数，提高加热复杂结构的厚板件的能力。

图1 室体通道仿形设计对比图

2.2 内部风管喷嘴按车型排布

（1）由于车体本身并不是连续的室体，存在车窗等空腔部位，且车体不同部位钢板厚度不一致。如图2左所示，传统的喷嘴布置会使得整个通道内高温气流与车体的均匀对流换热，反而会造成车体温度不均匀，出现过烘的情况。采用如图2右所示的喷嘴布置，将内部风管喷嘴对准不易加热的车体区域，加强局部区域的换热系数，增加不易加热的车体区域与循环风的换热量，最终达到减小车体温差的效果[1]。

（2）汽车生产的发展方向为个性化定制、柔性化生产，为保证不同车型的烘干需求，可采用烘干室通道内多设置喷嘴，针对不同车型进行喷嘴的封堵，保证将喷嘴对准不易加热的车体区域达到相应的效果。

图2 内部风管喷嘴按车型排布对比图

2.3 新型车身输送装置

（1）传统烘干室内的车体输送设备直接安装于烘炉内底部，如图3左所示，输送装置使得在炉内通道高度增加，通道总容积变大；同时，输送装置在烘干室升温过程中需要吸收大量热量，运行过程中也会产生一定的热损耗[2]。新型烘干室将车体输送装置隐藏于底部腔体中，将电机与传动装置置于烘干室外，仅露出需要与车体接触的辊子结构。这种结构输送设备在炉内重量仅为传统结构的20%，同时有效地降低了炉内高度，减小了通道的总容积，同样按12 m长工艺区段来计算，加热炉通道总容积减少了9.6 m3，占13%。同时极大的减小了输送装置在烘干室升温过程吸收和运行过程损耗的热量。

图3 车身输送装置对比图

（2）输送设备传动部分隐藏于底部，同时将动力部分置于室体外部的设计，不仅减少了能耗，也降低了输送设备因受热产生机械疲劳的风险。

（3）传统烘干室的车体输送需持续加注高温润滑油，设备易积污，且结构复杂，造成清洁难度大；新型烘干室的输送设备在炉内结构简单，且隐藏于底部，不宜积污，清洁也非常方便。

（4）传动装置和驱动电机布置在炉外，彻底解决高温链条润滑难题，维修与保养时较为方便，不需要进入室体通道内造成维修的困难和对炉内的污染。

2.4 烘干室体底部送风

（1）车体在炉道内烘烤过程中，车身底部、车门内部等都有烘烤要求。传统烘干室由于机械化输送的限制，无法做到底部直接送风，往往采用室体底部喷嘴斜向车体底部送风的方法，或者改变室体底部为倾斜面结构，设置喷嘴专门进行底部斜向送风，如图4左所示。而实际生产中以上两种方法效果并不理想。采用新型烘干室结构，由于车体输送设备隐藏在室体底部，如图4右所示，实现在室体底部设置送风喷嘴，热风直接与车体底部进行热交换，避免车底温度偏低，影响漆膜质量的情况出现。同时由于实现了烘干室内车体各部位的均匀升温，无需为难烘烤部位提高烘干温度，整体耗热量降低。

图4 烘干室体底部送风对比图

（2）烘干室的底部送风同时也实现了室内通道无流场死角，减少内部死角和积油，提高烘干室内部的清洁效率。

3 烘干室的模拟仿真

数值计算烘干室内部流体介质的流动和传热是相当复杂的过程，计算设计任务比较繁重，随着人们对计算流体力学和数值传热学的不断深入研究，基于CFD软件的数值模拟分析已成为研究复杂传热过程的主要途径[3]。采用数值模拟分析可以模拟不同工况下的流体流动状态、温度场、压力场等，用数值模拟技术进行流场换热参数设计分析具有求解速度快、可操作性强、可重复性高等优点，可以通过改变模型结构参数和初始边界条件来模拟不同工况下的流场及温度场，进而对不同操作工况的求解结果进行对比分析，得出最佳的参数。

本次研究通过对传统烘干室与优化后的新型烘干室建立仿真模型，按实际生产情况设置流体温度与速度参数，对比研究车体在不同烘干室内的温度变化情况。

3.1 建立几何模型

对传统及新型烘干室建立几何模型，如图5、图6所示。两模型外部尺寸与内部车体尺寸一致，送回风管道入口位置与大小一致。新型烘干炉模型相比较传统烘干室模型采用了室体通道仿形、喷嘴按车型排布、新型车身输送装置、室体底部送风的优化措施，其中车身输送的优化在模型中体现为车身距离室体底部高度的降低。

图5 传统烘干室模型图

图6 新型烘干室模型图

为简化集合模型，烘干室内所有平面均为光滑平面，喷嘴采用圆柱型的简化结构，车身采用与实际车身主要外形尺寸一致的简化模型，不表达车身复杂的钣金与开孔等结构，保留车窗等所有流体流通通道。

3.2 仿真参数与条件设置

（1）模拟假设

在烘干室中的换热过程主要是介质与车体表面换热，包含导热、对流、辐射的复杂传热过程，为了简化计算作出如下假设：烘干室的入口风速处于稳态；室体壁面的黑度各处均匀；忽略车身表面漆膜的物理属性；烘干室内的气体认为是不可压缩流体。

（2）控制方程

在本次烘干室模拟仿真中，连续相的流动与换热是基于连续性方程、动量方程、能量方程和计算湍流的方程进行数值模拟。

（3）初始与边界条件

入口为速度入口边界条件，热风循环量为30 000 m3/h，对应风速为8.5 m/s，热风进口温度为140℃。出口条件为压力出口边界条件。

烘干室体外部设置为壁面条件，与外界以稳定的对流换热系数散热；烘干室内部设置为壁面条件；内风管过滤器采用多孔介质设置，保证循环管风量为30 000 m3/h时压降为200 Pa左右；车身设置为壁面条件，壁面根据实际车身不同部位的厚度与间隙设置为不同的厚度。不考虑烘干室前后流场的影响，设置烘干室前后出口为壁面条件。

（4）计算方法

采用瞬态模型，模仿升温区升温过程，设置热风加热时间为5 min，每10 s记录一次烘干室模拟仿真结果。

3.3 仿真结果对比分析

模拟仿真结果如图7、图8所示，关注的是车身平均温度随时间的变化曲线，及车身最大温差随时间的变化曲线。从仿真结果中提取对应的参数，得到以下两张温度随时间变化的曲线图。

图7 流场速度矢量图

图8 加热过程车体温度分布图

从图9可以看出，新型烘干炉相比较传统烘干炉，车体温升速度快，在5min内车体平均温度接近120℃，传统烘干炉在同样时间车体平均温度只达到110℃；同时，由图10可以看出，由于喷嘴的仿形排布与底部喷嘴的作用，新型烘干炉的最大温差远小于传统烘干炉。

图9 车身平均温度随时间的变化图

图10 车身最大温差随时间的变化图

4 新型烘干室运行效果

新型烘干室制作安装完成情况见图11。

图11 新型烘干室制作安装完成图

目前，根据理论优化设计与模拟仿真验证后的烘干室已制作完成并投入实际生产，烘干炉按工艺分四个工作区，烘干炉运行情况良好，根据炉温曲线如图12所示，包含空气温度及车体关键点的温度变化曲线，从图中可以看出，无论是在升温区，还是在保温区，新型烘干室内车身都存在升温响应迅速，温差较小的优点。

图12 新型烘干室运行炉温曲线图

对新型烘干室对应的烘干炉系统进行整体能耗测量，包括天然气耗量、用电量、废气流量与温度、室体表面温度等参数，相比较传统烘干室，节能约20%，符合高效节能烘干室的设计初衷。

5 结语

节能降耗是涂装设备设计一贯追求的目标，传统烘干室存在空间布局不合理、运行成本高、清洁维护困难等问题，本次研究专注于烘干室这个单一设备，通过理论分析、模拟仿真和运行验证，最终解决了上述问题，得到高效节能的烘干室，收到了良好的效果，在行业内具有推广价值。由于烘干室、车身与输送设备的结构复杂性，以及设备试制的时间与成本问题，在理论研究基础上进行模拟仿真是今后的主要方向。本次研究没有考虑烘干室前后流场的影响，且对车身进行了较大的简化，模拟仿真的结果局限于进行对比研究，能够做到模拟结果与实际生产过程相一致，指导调试与生产是今后研究的方向。

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社,2006.

[2]王守臣，张秀翠.油漆烘干炉的热效率及节能[J].工业加热，2000（2）：13-17.

[3]韩占忠，王敬，兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

Simulation Emulation and Design of High Efficiency and Energy Saving Oven Room

LIN Tao,LIU Tianli,HUANG Peng,ZHAO Xuezheng,WANG Shengjian
（Painting Engineering Institute,China Automotive Industry Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300113,China）

Embarking from the design concept of saving energy and reducing consumption,the oven room of painting shop wasdesigned and studied,at the same time,considering the equipment durability, convenient cleaning and maintenance etc.,a new oven room structure was get.The simulation of flow field in oven room with finite element simulation software was done to verify the feasibility of the design.According to the design and simulation results ofthe oven room for the actualoperation results,and compared with the traditionaloven room,the high efficient and energy saving ofthe new oven room was verified.

oven room;high efficiency and energy saving;theoreticalanalysis;simulation;comparative analysis

TQ051.8+92

B

1001-6988（2016）06-0009-04

2016-08-18

林涛（1974—），男，高级工程师，主要从事汽车涂装工艺、材料、装备的技术研究工作.