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涂装生产线及其烘房的优化(6)-涂装烘房热风循环的影响

主讲/胡玉兵

 

1、热风循环对能耗的影响

 

烘干是一个应用十分广泛的工业过程,不但关系着产品的质量及成品率,而且影响企业的整体能耗。在当今竞争激烈的社会中,产品的竞争主要是产品质量和产品成本的竞争。高性能的产品必须有高性能的烘干工艺来完成,所以对产品的烘干设备要求越来越高。

热风循环对烘房内的空气环境、空气品质有着重要影响,合理的热风循环可有效改善烘房内空气品质,减少污染物浓度,保证工作效率。对热风循环进行预先仿真和分析成为烘房设计过程中的重要组成部分。

在整个烘房烘干过程中,能量消耗分为两大部分:第一部分为烘房加热工况下室内温度升温所消耗的能量;第二部分是烘房烘干钢桶时所消耗的能量。第二部分的能耗与涂膜材料的保温时间有很大的关系,我们主要研究第一部分的能耗,通过采用不同的热风循环,以最小的风量和成本达到最好的烘干效果,减少对流热转移负荷,达到最大的节能。

 

2、热风循环对温度和速度的影响

 

不同的送回风口位置、规格、数量、分配风量及选用适当风口型式,产生不同的热风循环流场。对烘房内部的流场分布产生影响,气流分布主要有射流、回流和涡流组成,气流吹入烘房到工作区以较低速度流过工作区,再由布置在同侧和另侧的出风口排出,使工作区处于回流。烘干质量的好坏取决于烘房内工作区的温度均匀性这一特性,采取有效的热风循环方式,改善进风口的风速均匀性,从而提高烘房内工作区的温度均匀性。

不同的热风循环方式对烘房内涡流的形成、粘附射流以及对内部气流的稀释和死角区有很大的影响。在整个烘房内形成一个大的涡流区,送风气流与室体内空气能进行很好的混合稀释,使室体内的温度场和速度场分布更均匀,不会出现送入的新鲜空气直接流出室体的气流短路和死角区现象;在相同射程截面上,粘附射流的轴心流速比非粘附射流的速度大,在送风量一定,送风口大小不变的情况下,送风口位置越接近上下壁面时,产生的粘附效应就会越强烈,入射气流速度衰减的越慢,气流沿室体壁面流程就越长,温度、速度就会越均匀。

 

3、烘房的结构及工艺参数优化

 

针对钢桶涂装线烘房,我们运用CFD数值模拟仿真的方法,分析了钢桶烘房的内部流场,并对烘房风道进行了结构优化及工艺参数优化,得出以下方案:

(1)钢桶烘房的热风循环烘干特性。

我们对钢桶烘房的烘干特性进行了研究,包括热风循环烘干机理、烘干影响因素和钢桶烘房热风循环方式的选取。同时,也分析了不同的热风循环方式对烘房能耗,以及内部温度、速度分布的影响。

(2)我们完成了现有钢桶烘房的仿真分析,并进行了实验验证,结果表明钢桶烘房数值模拟的准确性。

通过对钢桶涂装线烘房的仿真和验证实验结果的对比分析,得到烘房工作区的风速和加热升温工况下的温度-时间变化的模拟数据和实验数据相差不大(其左、右风道的风速平均偏差分别为0.06m/s和0.07m/s和温度偏差为1.52K),证明运用Fluent对钢桶烘房的三维数值模拟在选用适当物理模型的条件下可以达到很高的准确度。

(3)建立了钢桶烘房半圆形变截面风道模型。

通过对钢桶烘房均匀送风及其设计原理的分析,得出现有钢桶烘房等截面风道送风不均匀的现象:静压和送风量都向着风道末端逐渐增大,速度沿着风道末端逐渐减小,无法保证均匀送风,进而导致了烘房内温度存在着不均匀的梯度现象。针对这一问题,我们提出了变截面送风道模型,有效改善进风口的风速均匀性,提高了烘房内工作区的温度均匀性。同时,通过建立多种烘房均匀送风变截面风道模型,以风速均匀性系数为评价指标,进行设计、分析、比较后,确定半圆形变截面风道结构为优化结构。接着,在优化结构方案上进行风口模型的改进设计,分析不同的风口形式和尺寸对速度均匀性系数的影响。最后,对烘房的变截面优化结构进行Fluent数值模拟仿真,分析了工作区的速度和温度分布情况。

(4)应用结构优化后的半圆形变截面风道钢桶烘房,提出了加热升温工况下工艺参数的最优组合方案。

针对结构优化后的半圆形变截面风道钢桶烘房,以温度、速度、湿度和初始温度四个参数作为工艺优化参数,对钢桶烘房进行了升温时间的数值模拟仿真。通过正交试验法安排模拟试验方案,并对结果进行分析,得到不同工艺参数组合下的升温时间,以及不同因素对升温时间的影响;然后,通过建立烘房加热工况下的热力学模型,以最低成本为目标,得到优化组合方案,比现有烘房有明显的改善,使加热升温成本降低了5%,达到了优化的目的。

 

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