涂裝線燃油(氣)加熱器的設計及應用
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摘要：簡要介紹了在小型零部件的涂裝線中燃油(燃氣)加熱器的應用,對加熱器的結構進行了剖析,并探討了計算加熱器參數(shù)的方法。
關鍵詞：加熱器;應用
引言
在涂裝線的設計中,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。本文從一個側面,以電視機殼、空調機殼、自行車前*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用,詳細闡述了燃油、燃氣加熱器的結構和參數(shù)的計算。
1 燃油、燃氣加熱器的應用
按照工件的涂層結構進行劃分,小件涂裝線主要有4類,燃油、燃氣加熱器在其中的應用
2 燃油、燃氣加熱器的設計
2.1 脫脂用加熱器的設計
2.1.1 脫脂用加熱器的結構
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。
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
脫脂用加熱器為間接加熱式,主要結構是一列管換熱器。一般設計為三回程結構,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(圖中受熱介質為脫脂液)。
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=2D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:已知燃燒機的有關技術參數(shù),設定煙氣的排放溫度后,在傳熱方程式中,
E=U·A·Δt(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;
Δt———對數(shù)平均溫差,℃。
由于A是n的函數(shù),可導出U與n的一個關系式
U=f(n)(4)
又因為
1/U=1/h1+rw+1/h2(5)
式中:h1———煙氣在換熱管內(nèi)強制對流時的傳熱膜系數(shù),kJ/t·h·℃;
rw———管壁熱阻,可忽略;
h2———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:t1———煙氣的平均溫度,℃;
V———標準狀態(tài)下(0℃,760mm汞柱)煙氣流速,m/s;
D內(nèi)———換熱管內(nèi)徑,一般選用01037m。
根據(jù)麥克亞當斯(Mcadams)方程[1],有式中:t2———水膜溫度,℃;
Vmax———斷面處的最大質量流速,kg/h·m2;
D外———換熱管外徑,一般選用0.04m。
而(6)式中V是n的函數(shù),所以由(5)、(6)、(7)三式,可導出U與n的另一個關系式U=g(n)(8)
最后,由(4)、(8)兩個關系式,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。各種加熱器的結構、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
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
將燃燒室直接設計在脫水爐或固化爐的熱風循__環(huán)管路中,在這里,燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣與來自爐內(nèi)的循環(huán)空氣混合,達到直接加熱爐內(nèi)空氣的目的。其結構見圖4。
1—燃燒機 2—火焰噴嘴 3—燃燒室4—回風管 5—循環(huán)風機
在圖4中燃燒室的尺寸:
長=L火+0.3(m),寬=高=2D火(m)
該加熱器的優(yōu)點是熱能利用率高、熱響應速度快以及初期設備投資較低等。缺點是高溫煙氣中含有微量的煙塵,當它通過熱風循環(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,在脫水爐或對爐內(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煙氣進行適當?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,而應使用間接加熱器。
2.2.3 間接加熱器
將加熱器設計在固化爐熱風循環(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(圖中受熱介質為循環(huán)空氣),結構見圖5。
1—燃燒機2—燃燒室3—循環(huán)風機4—熱氣箱
5—煙氣排放管6—換熱管7—回風管
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、熱響應速度慢以及初期設備投資較大等。因而,該加熱器一般應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,由于受熱介質是循環(huán)空氣,計算時要將式(5)、(7)更換為式中:h2′———循環(huán)空氣垂直流經(jīng)換熱管束時的傳熱膜系數(shù),m2·h·℃;
cP———氣體的定壓比熱,1kJ/kg·℃;
(qm)max———斷面處的最大質量流速,kg/h·m2。
2.3 間接式加熱器的一個設計實例
一個電視機殼噴漆線的固化爐,爐體容積250m3,固化溫度80℃,循環(huán)風量45000m3/h;熱源采用BT40G型單段火柴油燃燒機,輸出功率范圍237～400kW,耗油范圍20～34kg/h,燃氣比60∶1,煙氣排放溫度設定為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0.5m,燃燒室或換熱管的長度為1.3m。選用換熱管的規(guī)格為外徑0.04m,管壁厚度0.0015m。將有關參數(shù)代入(3)式,導出關系式U=f(n)為:
U=13100/(n+12.5)(11)
將有關參數(shù)代入式(6)、(9)、(10)式,導出關系式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)量應為62根,總傳熱系數(shù)是176kJ/m2·h·℃。
3 結語
(1)通過以上的計算和分析,可以比較準確地對燃油、燃氣加熱器進行設計。在兼顧熱能利用率的同時,使加熱器的設計趨于合理。
(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)設計涂裝線時,在滿足涂裝質量要求的前提下,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4mm,熱氣箱一般是3mm,換熱管一般是1.5mm。使加熱器既具有良好的抗氧化性,又具有較理想的熱傳導性。
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