汽车整车制造过程中的一种冷热联用方式分析

刘敦友

关键词：整车制造 冷热分析 联用设计 运行方式 节能降耗

1 引言

汽车整车制造过程，主要由冲压、焊接、涂装、总装四大工艺组成，而其中的焊接及涂装又是能源消耗最大的环节。焊接过程中产生大量的热量，需要通过不同的途径将热量及时散掉;而涂装过程中，又需求大量的热量，来满足涂装工艺要求及保证涂装质量;同时，在冬季，四大工艺也需求大量的热量。一边大量的热量需及时排放，一边又需求大量的热量来满足工艺及供暖要求，这就造成了不尽合理的能源使用架构。本文介绍了一种利用余热回收再利用技术及高温水源热泵系统，来实现焊接生产过程中的降温需求，同时满足涂装工艺及冬季四大工艺的用热需求，从而实现冷热联用。

2 整车制造过程中的冷热能耗利用现状分析

2.1 放热（废热）分析

（1）冲压：主要为压机工作过程中产生的废热，通过自然冷却即可实现热量的散发。（2）焊接：主要为焊机焊接过程中产生的热量，随着自动化程度的不断提高，机器人焊机的不断增加，对冷却水水温有一定要求，在夏季需采取制冷机辅助进行降温。（3）涂装：主要为洪炉加热过程中产生的废热，主要通过自然排放实现降温。（4）总装：基本无废热产生。

2.2 需热分析

2.2.1 冲压、焊接、总装

工艺过程基本无热量需求，在冬季需要大量热量进行供暖，目前利用蒸汽进行加热。

2.2.2 涂装

（1）前处理工艺，全年需要保持一定的工艺温度，需要大量的热量。（2）工艺空调，在春、秋、冬季，需保持一定的工艺温度，同时在冬季，公用空调及供暖需要极大的热量。目前利用蒸汽及天然气进行加热。

3 整车制造过程中的冷热联用可行性分析

3.1 冷热联用原理

（1）能量守恒与转化定律：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变。（2）高高温水源热泵利用逆卡诺循环原理。热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量（实现降温），并把它传递给被加热的对象（实现加热）。（3）热泵的热量一部分是从低温热源吸取热量，一般占总供热量的70%～75%;另一部分由机械功转变而来，一般占总供热量的25%～30%。

3.2 冷热联用匹配分析及运行情况

（1）根据焊接循环水余热情况，选用制热量为3500/小时的热源泵1台。根据各系统对温度的要求，参考热源泵选型手册，选用最高供水温度为68摄氏度的高高温水源热泵。最大化利用余热，并基本满足焊接循环水对降温的要求。（2）冬季供暖季优先满足办公区域、车间供暖。热源泵制热最大负荷运行。（3）在秋冬及冬春过度季，用于涂装部分空调预加热。热源泵制热最大负荷运行。（4）夏季用于涂装前处理。根据涂装用热需求，同时满足焊接降温需求，热源泵自动调节运行负荷。

4 整车制造过程中的一种冷热联用方式设计及运行模式

4.1 主要设备选型

（1）热源泵主机。根据焊接循环水中的废热量及焊接循环水的降温要求，结合涂装工艺、供暖等的供热要求，同时参考相关用热数据，选用3428GG型高高温热源泵1台，其在额定工况下制热量为3432KW/小时，最高供水温度为68摄氏度。（2）根据所选主机，结合各用热点的实际情况，选用循环量330立方米/小时，扬程52米的供热水泵2台，1用1备。（3）根据焊接循环水降温需求，同时参考夏季极端天气及涂装生产用热暂时停用情况等因素，选用换热量3500KW/小时放热换热器1台。（4）根据放热量，选用循环量330立方米/小时，扬程20米的放热水泵2台，1用1备。（5）根据放热量，选用散热量000KW/小时的冷却塔1台。

4.2 系统设计

根据所选热源泵相关技术参数，同时按不影响现有焊接循环水系统及各供热系统的正常运行的原则，进行以下设计（设计示意见图）：

（1）在原焊接循环水供水管道进入焊机之前，分一支路水引入热泵蒸发器进水口，被热泵吸收热量后再回到供水管道，起到余热回收及冷却降温的目的。回收的热量通过热泵提升在冷凝器侧制取68℃（根据实际需求进行设定）的高温热水。（2）通过供热泵，将再高温热水输送至用热处，通过板式换热器、空调盘管等方式，将热量传递至原加热系统，替代部分原蒸汽、天然气热源。（3）因本系统为冷热联用，除余热回收外，需同时满足焊接循环水的降温需求。在夏季高温季节，原焊接循环水系统无法将水温降至28摄氏度以下。为保证循环水温度，需根据焊接循环水的供水温度制取热量。其回收余热，优先满足涂装请处理工艺，剩余热量需及时散掉。为此需在供热水泵的出水端加入放热板换，其放热量根据焊接循环水的供水温度自动调节。（4）放热板换将热量通过放热冷却塔，及时将热量散掉。

4.3 运行模式

根据实际情况，本系统分为冷热联用以热为主、冷热联用以冷为主、冷热联用冷热兼顾三种模式。

（1）冷热联用，以热为主。本模式应用时间段为，整车制造过程需热量远大于焊接过程放热量时，一般在11月15号（供暖开始）至4月15号（供暖结束），共5个月的时间。（2）冷热联用，以冷为为主。本模式应用时间段为，整车制造过程需热量远小于焊接过程放热量时，一般在7月1号至8月31号的青岛高温季节，共2个月的时间。（3）冷热联用，冷热兼顾，以上两种模式的过度阶段，共5个月的时间。

5 实施后的理论效益

5.1 原焊接循环水系统的理论效益

焊接循环水系统开式端，共有循环水泵4台，单台功率为45KW，3用1备;冷却塔风机6台，单台功率为7.5KW。

（1）冷热联用，以热为主：开式循环水水泵、冷却塔风机停止运行，能满足焊接循环水降温的要求。可节约电费45万元/年。

（2）冷热联用，冷热兼顾：平均开式水泵运行1.5台，风机运行3台，能满足焊接循环水降温的要求。可节约电费22万元/年。

（3）焊接循环水系统总耗水量大约5万吨，因进行冷热联用，水量蒸发及排污将降低，节约用水约2.8万吨/年，约13万元/年。总计节约金额大约80万元。

5.2 余热回收的效益

5.2.1 热泵全年的理论供热量

（1）冷热联用，以热为主：供热热量=（3432KW*20小时/天*26天/月*5个月）=8923200KW。

（2）冷热联用，冷热兼顾及以冷为主：按涂装2000KW/小时平均耗量计，供热热量=（2000KW*20小时/天*26天/月*7个月）=7280000KW。

总计供热量：16203200KW。

5.2.2 冷热联用，以冷为主时節省的制冷费用（平均需冷量按2000KW/小时计，能效比按4.8）

节省制冷费用=2000KW/小时/4.8*20小时/天*26天/月*2个月*0.8元/KWH=35万元

5.2.3 热泵系统运行效益

（1）热泵系统的能效比为4.8，供1KW热量消耗的电量为：1KW/4.8=0.208KW，价格为：0.208KW*0.8元/KWH=0.17元。

（2）蒸汽1GJ费用为89.3元，经换算为0.32元/KWH。（3）理论效益=16203200KW*（0.32-0.17）元/KWH=240万元。

经以上数据分析，青岛分公司整车制造生产过程按冷热联用的方式运行，全年节约运行成本大约355万元。

6 结语

本应用方式在上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司已经投入运行，经验证，既满足了焊机正常运行的降温需求，又实现了将焊接循环水中的废热进行转换，用于整车制造过程中涂装工艺及冬季供暖用热需求，实现了冷热联用。本应用方式极大降低了蒸汽、天然气、电等能源的使用，同时减少水的蒸发，从而降低在整车制造过程中相关污染物的排放及自来水的使用。本应用方式节能环保、经济高效、控制简单、易于推广，在整个汽车制造及相关类似行业都有极高的应用推广价值。