汽車廠焊裝車間循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

王 琴 蘭炳華

(機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院有限公司上海分公司，上海 200433)

1 概述

汽車制造流程中主要有四大工藝，即車身沖壓、車身焊裝、車身涂裝、車身總裝。汽車焊裝車間需要循環(huán)水的設(shè)備主要有焊裝機(jī)器人、懸掛點(diǎn)焊機(jī)、固定點(diǎn)焊機(jī)等。設(shè)備進(jìn)水溫度約30 ℃～32 ℃，出水溫度約40 ℃～42 ℃，溫差約10 ℃；水質(zhì)為軟化水。循環(huán)水量根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、班數(shù)的不同而異。以某焊裝車間為例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工藝要求

焊裝車間循環(huán)冷卻水小時(shí)平均450.00 m3/h；設(shè)備壓降200 kPa；進(jìn)水溫度32 ℃，出水溫度42 ℃。

2.2 系統(tǒng)選擇

冷卻水系統(tǒng)有直流式、密閉式循環(huán)和敞開(kāi)式循環(huán)3種系統(tǒng)[1]。

直流水系統(tǒng)中水通過(guò)換熱器后即排放，浪費(fèi)大量的水資源，不經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)在汽車工廠中很少使用這種系統(tǒng)。

密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用封閉式冷卻設(shè)備(閉式管路及設(shè)備、閉式冷卻塔等)，循環(huán)水在管道中流動(dòng)，管外通常采用風(fēng)機(jī)及淋水散熱。由于密閉式循環(huán)水系統(tǒng)的水不與大氣接觸，除換熱設(shè)備的物料泄漏外，沒(méi)有其他因素改變循環(huán)水的水質(zhì)，水質(zhì)較好。焊裝機(jī)器人對(duì)冷卻水水質(zhì)要求比懸掛點(diǎn)焊機(jī)高，當(dāng)焊裝車間大量采用機(jī)器人設(shè)備時(shí)，閉式系統(tǒng)可以提供更好的水質(zhì)。

敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)中工業(yè)循環(huán)冷卻水直接暴露于大氣，散熱方式主要靠接觸散熱與蒸發(fā)散熱，水將熱量傳遞給空氣，使得水溫下降。開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在汽車焊裝車間中應(yīng)用較多。

在設(shè)計(jì)中具體選擇哪種形式，與業(yè)主采購(gòu)的焊裝設(shè)備和成本控制等因素有關(guān)。本設(shè)計(jì)根據(jù)業(yè)主要求，為了更好的保護(hù)設(shè)備，采用密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

2.3 管道布置

管道布置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的布置情況具體確定。常見(jiàn)的干管布置方式如圖1，圖2所示。循環(huán)水干管布置采用同程系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)備供回水總路程相等或近似，水頭損失相同或近似，設(shè)備供水壓力平衡，保證各設(shè)備供水量穩(wěn)定，確保冷卻效果。

接至各工藝區(qū)的循環(huán)支干管和循環(huán)支管則盡量遵循環(huán)形布置、美觀牢固、便于維修等原則[2]。

循環(huán)水管道流速滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，循環(huán)干管管徑不大于250 mm時(shí)，為1.0 m/s～2.0 m/s；500 mm>管徑>250 mm時(shí)，為2.0 m/s～2.5 m/s；管徑不小于500 mm時(shí)，為2.5 m/s～3.0 m/s[3]。

2.4 循環(huán)水泵房設(shè)計(jì)

2.4.1冷卻塔

根據(jù)系統(tǒng)的循環(huán)水量，當(dāng)?shù)氐臐袂驕囟龋_定需要的冷卻塔總冷卻量。設(shè)計(jì)選擇的閉式冷卻塔為Q=495 m3/h，τ=29 ℃，Δt=10 ℃，t1=32 ℃，風(fēng)機(jī)馬力15 kW×5，二次側(cè)泵7.5 kW×5，塔體水頭損失5.5 m。

冷卻塔宜單排布置，根據(jù)塔的通風(fēng)要求，塔的進(jìn)風(fēng)口側(cè)與障礙物的凈距不宜小于塔進(jìn)風(fēng)口高度的2倍。冷卻塔周邊與塔頂應(yīng)留有檢修通道和管道安裝位置，通道凈寬不宜小于1.0 m[4]。

2.4.2循環(huán)冷卻水泵

循環(huán)水泵組的流量由工藝循環(huán)水流量確定，同時(shí)根據(jù)規(guī)范要求考慮一定的安全系數(shù)；循環(huán)水泵組的揚(yáng)程根據(jù)進(jìn)出水的自然高差、管道的沿程和局部損失、焊裝設(shè)備的壓降、閉式冷卻塔的水頭損失等確定。

設(shè)計(jì)采用3用1備的水泵配置，水泵的流量Q=200 m3/h，揚(yáng)程H=0.47 MPa。整套系統(tǒng)自帶控制柜，定壓變頻供水，每臺(tái)水泵自帶變頻器。

2.4.3定壓補(bǔ)水裝置

閉式循環(huán)水系統(tǒng)因與大氣隔絕，系統(tǒng)的最低壓力會(huì)因?yàn)椴粩嗟难h(huán)而累積，也會(huì)因?yàn)楣艿赖乃S外界環(huán)境溫度的變化發(fā)生熱脹冷縮而使得系統(tǒng)壓力升高或降低。根據(jù)規(guī)范要求，系統(tǒng)的補(bǔ)水量宜為0.1%。因此閉式系統(tǒng)需要配置定壓補(bǔ)水裝置，在系統(tǒng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟閥門放水；在系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟水泵往系統(tǒng)補(bǔ)水。

設(shè)計(jì)采用成套定壓補(bǔ)水裝置，配套水泵、控制柜、配管及泄壓閥、電動(dòng)閥等閥門附件。雙泵配置，流量2 m3/h～5 m3/h,定點(diǎn)壓力為0.1 MPa～0.4 MPa可調(diào)，控制精度±0.01 MPa；最大工作壓力1.0 MPa；常壓膨脹罐，有效容積5 000 L,內(nèi)襯丁基橡膠隔離，配不銹鋼稱重傳感器，1%精度監(jiān)測(cè)罐內(nèi)水量。

2.4.4水質(zhì)要求

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)根據(jù)工藝要求確定，一般為軟化水。水質(zhì)軟化措施可以采用RO膜、離子交換等方式。當(dāng)可能發(fā)生NaCl的泄露或者管理不善，管道材質(zhì)為鍍鋅管或不銹鋼管等時(shí)，不建議采用離子交換的軟化方式。

2.4.5其他

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置溫度檢測(cè)裝置、流量監(jiān)測(cè)裝置、系統(tǒng)放空閥門、系統(tǒng)初次運(yùn)行的充水閥門、排氣閥等。

3 管道選材及安裝

3.1 管材

本工程循環(huán)水系統(tǒng)管道采用縮合式襯塑鋼管，管徑不大于DN150時(shí)，卡環(huán)連接；管徑不小于DN200時(shí)，溝槽連接。鋼管內(nèi)襯塑可以增加其防腐功能，工程造價(jià)低于不銹鋼管。

3.2 管道連接

管道連接主要采用卡箍或卡環(huán)連接。卡箍件為成品件，由工廠加工而成，現(xiàn)場(chǎng)連接操作簡(jiǎn)單，可大幅度提高施工效率。同時(shí)卡箍式管道連接施工方式與鍍鋅鋼管焊接法蘭后二次鍍鋅相比可降低成本20%～30%左右[5]。

卡箍連接具有柔性連接的特點(diǎn)，管道間有微小的間隙，可有效的隔斷振動(dòng)和噪聲的傳播，使管路具有抵抗振動(dòng)、抵抗伸縮變形和防止噪聲傳播的能力，使管路系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，減少了管道應(yīng)力，在同等條件下可以大大延長(zhǎng)管道和各種管件的使用壽命[5]。

3.3 安裝注意事項(xiàng)

卡箍連接的管道支架間距應(yīng)符合CECS 151:2003溝槽式連接管道工程技術(shù)規(guī)程的規(guī)定。

根據(jù)GB 50981—2014建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，循環(huán)水管道還應(yīng)設(shè)置抗震支架。

4 密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 閉式塔的選用

市場(chǎng)上常見(jiàn)的閉式塔結(jié)構(gòu)形式有四種，各種塔優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[6]，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)業(yè)主需求進(jìn)行選擇。

表1 閉式塔結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)缺點(diǎn)

4.2 系統(tǒng)定壓與補(bǔ)水

定壓方式包括高位膨脹水箱、隔膜式膨脹罐、變頻泵等。為減少空氣與循環(huán)水的接觸，降低水中的含氧量，一般采用能容納膨脹水量的密閉定壓方式[7]。定壓的設(shè)計(jì)可參見(jiàn)《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——暖通空調(diào)·動(dòng)力》(2009年版)第6.9.8節(jié)。

密閉式系統(tǒng)的補(bǔ)水包括閉式冷卻塔淋水系統(tǒng)的補(bǔ)水和閉式循環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)水兩部分。閉式塔淋水系統(tǒng)的補(bǔ)水可以補(bǔ)充自來(lái)水，補(bǔ)水量與開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)相同，為循環(huán)水量的1%～2%；閉式系統(tǒng)的補(bǔ)水可以與系統(tǒng)定壓一起考慮，選用成套的定壓補(bǔ)水隔膜式膨脹罐及加壓裝置，水質(zhì)為軟化水，補(bǔ)水量宜為0.1%。

4.3 防凍保護(hù)

設(shè)置在寒冷地區(qū)的密閉式系統(tǒng)，冬天因停機(jī)后管道及冷卻塔盤(pán)管內(nèi)仍然充滿水，容易發(fā)生冷卻塔盤(pán)管凍裂問(wèn)題。可采用在冷媒中加入乙二醇等防凍液防止冷卻盤(pán)管冰凍，或?qū)艿涝O(shè)置電伴熱等措施防凍[4]。

4.4 系統(tǒng)排氣

應(yīng)在密閉式冷卻水系統(tǒng)的最高處和容易積氣位置設(shè)排氣閥，防止空氣進(jìn)入，或排除系統(tǒng)內(nèi)因水溫變化逸出的空氣。

5 結(jié)語(yǔ)

1)開(kāi)式冷卻塔經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。閉式冷卻塔相對(duì)開(kāi)式冷卻塔具有循環(huán)水水質(zhì)好、可以減少設(shè)備及管道腐蝕、延長(zhǎng)運(yùn)行壽命等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備造價(jià)高。兩種冷卻塔在汽車廠焊裝車間都得到廣泛應(yīng)用，可以根據(jù)業(yè)主需要進(jìn)行選擇。

2)焊裝車間機(jī)器人對(duì)水質(zhì)要求較高，為更好的保護(hù)焊裝設(shè)備，通常需要在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)濾器，部分工藝需要設(shè)置兩級(jí)，甚至三級(jí)過(guò)濾器。一級(jí)過(guò)濾器設(shè)置在循環(huán)水泵房循環(huán)水泵出口，二級(jí)過(guò)濾器設(shè)置在焊裝車間各個(gè)工藝區(qū)總循環(huán)給水入口處，三級(jí)過(guò)濾器通常由機(jī)器人廠家自帶，根據(jù)需要設(shè)置在精密設(shè)備循環(huán)冷卻水入口處。

3)焊裝車間循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一次側(cè)設(shè)計(jì)一般包括冷卻塔、循環(huán)水泵房以及循環(huán)干管，一次側(cè)給排水設(shè)計(jì)常與土建設(shè)計(jì)一起完成。二次側(cè)設(shè)計(jì)一般是待業(yè)主焊裝設(shè)備工藝招標(biāo)完成后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩次設(shè)計(jì)工藝水量會(huì)有所不同，為減少循環(huán)冷卻水設(shè)備及管道的施工返工，在一次設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)將冷卻塔循環(huán)水量乘以1.1倍～1.2倍的安全系數(shù)，將循環(huán)水泵流量乘以1.1倍的安全系數(shù)。

4)焊裝車間若與全廠聯(lián)合站房距離很近，則一般將焊裝車間的循環(huán)冷卻水泵房與全廠其他的制冷站循環(huán)水泵房、空壓站循環(huán)冷卻水泵房等集中設(shè)置，方便設(shè)備統(tǒng)一管理。焊裝車間若與全廠聯(lián)合站房距離較遠(yuǎn)，則一般在焊裝車間附近生產(chǎn)輔房?jī)?nèi)就近單獨(dú)設(shè)置循環(huán)冷卻水泵房，以節(jié)省管道投資。