汽車涂裝熱閃干工位除濕方式探究

張煥亮，楊瀛濤，董美琛

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江 杭州 310000）

隨著環保壓力的不斷升級，汽車涂料的水性化已經成為主流。無論是汽車涂裝傳統的3C2B 工藝，還是過渡型的3C1B 工藝，以及最新的B1B2 工藝，均存在濕碰濕的水性涂層。由于水性漆的特性，需進行熱閃干，以解決由于濕碰濕而在車身烘烤時水分蒸發引致氣泡等弊病出現的問題。

涂裝熱閃干系統包括全不銹鋼的通過式室體、加熱單元、除濕單元、排廢氣系統、強冷裝置及相關的風管及控制系統等，其原理如圖1 所示。

圖1 熱閃干系統原理圖Figure 1 Schematic diagram showing the working principle of hot flash drying system

傳統熱閃干的加熱時間一般為3 min(升溫一區) + 5 min(升溫二區)，加熱溫度一般為80 ～ 90 °C，強冷后車身溫度要求不高于35 °C，風口風速一般要求為加熱1 區12 m/s、加熱2 區16 m/s。不同的除濕方式、油漆材料對加熱溫度、時間及風口風速要求稍有不同，在此不展開闡述。

除濕主要有4 種方法：第1 種為冷凍除濕，將空氣冷凝到露點或冰點以下，令水分析出，傳統的除濕表冷器和直膨式熱泵就是采用此方法；第2 種為固體吸附劑除濕，轉輪除濕即采用此方法；第3 種為壓縮除濕；第4 種為液體吸濕劑除濕。最后2 種在涂裝閃干工位中應用不多，故本文不予討論。

2 涂裝熱閃干工位直膨式熱泵除濕

2.1 直膨式熱泵

近幾年，熱泵在涂裝行業應用較多，狹義的熱泵可理解為采用制冷機組的熱回收系統，典型的是濕式噴漆室(如文式噴漆室、水旋噴漆室)中循環風的利用[1]。循環風需先降低濕度，然后升溫，以滿足噴漆室的溫濕度要求。此情況下熱泵的工作流程是：制冷機組內的制冷劑經壓縮、冷凝、節流、蒸發4 個過程產生冷量和熱量，再分別借助水載體，通過管路輸送到循環風空調的除濕盤管和加熱盤管上，以達到降溫除濕和二次升溫的目的，此時的熱交換過程為：制冷劑→水→空氣。

而直膨式熱泵是制冷劑直接與處理空氣完成熱交換，中間不通過水作為二次換熱載體，熱交換過程為“制冷劑→空氣”，冷凝器和蒸發器被直接集成到相應的空調機組功能段內，此時換熱效率更高，從而達到節能減排的目的。直膨式熱泵的典型布置如圖2 所示。

圖2 直膨式熱泵布置示意圖Figure 2 Schematic diagram showing the layout of direct-expansion heat pump

2.2 溶液式熱回收系統

在直膨式熱泵除濕過程中，第一級換熱一般采用溶液式熱回收系統，原因是從熱閃干進入除濕裝置的循環風溫度是變化的(若采用全新風除濕，新風溫度比較恒定，可直接采用熱泵系統)。根據制冷原理，洛倫茲循環具有最高的效率。溶液式熱回收系統的原理如圖3 所示：冷卻和加熱采用乙二醇溶液作為載冷劑，通過水泵循環在冷側和熱側進行換熱。溶液吸收為全熱吸收，吸收效率可達50% ～ 85%。

2.3 直膨式熱泵除濕

2. 3. 1 直膨式熱泵除濕單元的應用

直膨式熱泵除濕單元根據最終的空氣含水量設置3 ～ 4 級冷卻除濕(采用3 級除濕時，處理空氣絕對濕度可達到3.5 g/kg 左右；4 級除濕則可達到1 ～ 2 g/kg)，第一級為溶液式熱回收系統，第2 ～ 4 級采用直膨式熱泵。

圖3 溶液式熱回收系統的原理示意圖Figure 3 Schematic diagram showing the working principle of solution circulation heat recovery system

在制冷劑的選用上，2 ～ 3 級一般采用環保R134a 制冷劑，第4 級一般采用非共沸混合物制冷劑，如R404A、R407C 等。非共沸混合物制冷劑應用在蒸發溫度與被冷卻對象溫度之間的差別以及冷卻溫度與環境介質溫度差異較小的場合，溫差越小，制冷效率越高[2]。

空氣在到達第3 級蒸發器時，溫度已達到0 °C 以下，蒸發器上會有結霜、結冰現象，故從第3 級起，高溫冷媒會通過旁路進入蒸發器，達到除霜、除冰的目的，此時雙蒸發器前的電動風閥交替開啟， 保證了系統的穩定性。

在降溫除濕后，處理空氣再經熱泵系統的多級加熱后直接進入熱閃干工位，不需要額外增加熱源，有效降低了能耗。

直膨式熱泵除濕、加熱的工作原理如圖4 所示。

圖4 直膨式熱泵除濕、加熱的工作原理Figure 4 Dehumidification and heating principles of direct-expansion heat pump

2. 3. 2 直膨式熱泵除濕各狀態點案例分析

根據圖4，對某工廠案例(風量為32 000 Nm3/h)進行工藝設計分析，確定各狀態的參數。

狀態1：閃干室內循環風 + 新風，新風的量根據風平衡確定，混合后經2 道過濾，精度為G3 + F5，溫度60 °C，絕對含水量10 g/kg。

狀態2：待處理空氣經溶液式熱回收系統冷側的制冷盤管換熱，溫度降低到25 °C，絕對含水量不變，仍為10 g/kg，此時載冷體乙二醇的溫度由16 °C 提高到42 °C。

狀態3：經熱泵機組1 的蒸發器換熱后，空氣溫度降到6 °C，絕對含水量降到5.8 g/kg，此時系統吸熱340 kW。

狀態4：經風閥交替進入到熱泵機組2 的2 個獨立蒸發器換熱后，空氣溫度降低到-1 °C，絕對含水量降低到3.5 g/kg，此時系統吸熱147 kW。

狀態5：經溶液式熱回收系統熱側加熱盤管換熱，空氣溫度升到35 °C，絕對含水量不變，為3.5 g/kg，此時載冷體乙二醇溫度由42 °C 降低到16 °C，系統放熱410 kW。

狀態6：經熱泵機組2 的冷凝器換熱后，空氣溫度升到50 °C，絕對含水量仍不變，為3.5 g/kg，此時系統放熱178 kW。

狀態7：因熱泵機組1 的冷凝器制冷劑的溫度限制，處理完的空氣溫度不會再升高，只作為狀態6 的補充，溫度依然為50 °C，絕對含水量也不變，為3.5 g/kg。此時系統放熱0 ～ 178 kW，多余熱量通過輔助散熱風扇排到系統外，整個系統排放熱量約440 kW。

3 涂裝熱閃干工位傳統表冷器除濕

3.1 傳統表冷器除濕的原理

傳統的除濕方法如圖5 所示。采用制冷機組產生7 °C 的冷凍水，冷凍水通過管道、電動/氣動調節閥進入除濕機組表冷器；待處理空氣進入表冷器降溫到露點以下，析出冷凝水，從而達到降低空氣絕對含水量的目的；干燥后的空氣進入加熱單元，參與到閃干室的循環風中。

圖5 傳統表冷器除濕原理示意圖Figure 5 Schematic diagram showing the dehumidification principle of traditional surface cooler

3.2 傳統表冷器除濕各狀態點案例分析

根據圖5，對處理空氣進行工藝設計分析，結合焓濕圖，各狀態的參數列于表1。

表1 傳統表冷器除濕各狀態點參數表Table 1 Parameters of each state during dehumidification when using traditional surface cooler

4 涂裝熱閃干工位轉輪除濕

4.1 除濕轉輪

轉輪除濕裝置一般由支撐結構、轉芯、驅動馬達、新風送風風機、再生風機、風管等組成。轉輪安裝在2 個風盒之間，并用耐高溫密封墊圈將其分割成2 個區域，為吸附區和再生區。除濕過程為：轉輪旋轉，待處理空氣穿過轉輪的蜂窩狀空間，攜帶的水分被蜂窩狀表面的吸附物質所吸附，使空氣變得干燥。轉輪繼續旋轉到再生區域，在高溫氣流的作用下，吸附的水分被釋放并隨空氣排出，達到再生的目的。2 個區域持續移動與變換，使得水分的吸附與釋放也隨著系統的運行一直持續循環下去。

4.2 除濕材料

除濕轉輪是轉輪除濕系統中的核心部件，除濕轉輪中干燥劑的材料又直接影響了轉輪的除濕效率。轉輪材料經過了4 代發展：第1 代──氯化鋰，始于20 世紀50 年代；第2 代──氧化鋁，始于20 世紀60 年代；第3 代──硅膠，始于20 世紀70 年代；第4 代──分子篩，始于20 世紀80 年代[3]。目前，除濕材料大多采用硅膠，但硅膠在吸附時放出大量的熱量，影響其吸附量。

4.3 轉輪參數

轉輪的各項參數與使用工況、處理空氣量、吸附材料、預除濕和脫附的方式等有很大關系。對于汽車涂裝熱閃干，吸附材料的主流是硅膠，除濕區與再生區面積比一般為3∶1，轉輪面積根據除濕側風量進行計算，厚度一般200 mm，除濕側風速一般為2 m/s，除濕側出風含水率一般要求3 ～ 4 g/kg，轉輪的除濕能力一般設計為4 ～ 7 g/kg。

4.4 轉輪的除濕效果與再生溫度和處理空氣溫度的關系

在給定條件下，轉輪的除濕效果與再生溫度和處理空氣的溫度有很大關系。有試驗[4]表明，轉輪除濕量隨再生溫度升高而增大，但當高于某個溫度時，系統能耗將增加。另外，處理空氣溫度越低，則除濕量越大。根據測試，處理空氣的溫度每下降10 °C，除濕效率約可增加15%[5]。故在轉輪除濕過程中，如何降低處理空氣的溫度，進行預除濕，提高再生溫度，同時降低能耗，也是研究的方向之一。

4.5 傳統方法預除濕加轉輪除濕

待處理空氣經過濾后進入冷凍水盤管進行降溫預除濕，隨后進入除濕轉輪。除濕后的空氣進入閃干室的加熱單元，參與到系統的循環風中；同時，在轉輪的再生區域，燃燒機加熱空氣，令吸附的水分從轉輪的吸附材料中脫附，隨著空氣排出。整個系統的原理如圖6 所示。

圖6 傳統方法預除濕加轉輪除濕的原理示意圖Figure 6 Schematic diagram showing the working principle of traditional surface cooler plus rotor dehumidifier

根據圖6，對工藝設計進行分析，結合焓濕圖，確定各狀態的參數，列于表2。

表2 傳統方法預除濕加轉輪除濕的各狀態點參數表Table 2 Parameters of each state during dehumidification when using traditional surface cooler and rotor dehumidifier

4.6 直膨式熱泵預除濕加轉輪除濕

此方式與傳統方法預除濕加轉輪除濕的區別在于預降溫和脫附均采用熱泵系統，其原理如圖7 所示。根據圖7 進行工藝設計分析，結合焓濕圖，確定各狀態的參數，列于表3。

5 除濕方式的對比

經以上介紹可知，常用的除濕方式有直膨式熱泵除濕、傳統表冷器除濕、傳統方法預除濕加轉輪除濕以及直膨式熱泵預除濕加轉輪除濕4 種。它們在裝備方面的比較見表4。

圖7 直膨式熱泵預除濕加轉輪除濕的原理示意圖Figure 7 Schematic diagram showing the principle of direct-expansion heat pump plus rotor dehumidifier

表3 直膨式熱泵預除濕加轉輪除濕的各狀態點參數表Table 3 Parameters of each state during dehumidification when using direct-expansion heat pump and rotor dehumidifier

表4 4 種除濕方式在裝備方面的比較Table 4 Comparison in equipment between four dehumidification methods

以下著重比較4 種除濕方式的能耗。

5.1 計算依據

根據焓濕圖，可確定不同狀態下的溫度、濕度、焓值等。

對于降溫除濕過程，根據Q=FM(H1-H2)/3 600，確定2 個狀態下制冷量，其中：Q為制冷量，單位為kW，1 kW = 3 600 kJ/h；F為處理空氣的流量，單位為m3/h；M為空氣的密度，與氣壓、溫度等有很大關系，為便于計算，統一取M= 1.2 kg/m3；(H1-H2)為2 個狀態下的焓變，單位為kJ/kg。

對于加熱過程，采用Q= 0.29F(T2-T1)/860，確定2 個狀態下加熱量，其中(T2-T1)為2 個狀態下的溫度差，單位為K。

對于熱泵、制冷機組，其用電功率可簡化為Q/COP，其中Q為系統的吸熱/放熱/制冷量，COP 為制冷機組的能效比。

5.2 不同除濕方式下達到工藝要求所需要的能耗

為便于比較，建立簡易模型，假設部分輸入為定值，包括：①處理空氣的風量為20 000 m3/h；②設第一級熱泵(未到冰點)的單側(按蒸發器側)COP 為3，第二級熱泵(達到冰點)的單側COP 為2，普通制冷機組(螺桿機)與冷凍水的COP 為4.2；③處理空氣風機功率類似，不加入比較；④為統一比較，不同能源類型折算成標準煤量，1 kW·h 電相當于0.404 0 kg 標準煤，1 m3天然氣相當于1.214 3 kg 標準煤；⑤天然氣熱值按8 200 kcal/Nm3= 9.54 kW/Nm3計算。

(1) 直膨式熱泵除濕。

如按2.3.2 節所述，熱泵機組1 需要的電量為340 ÷ 3 = 113 (kW)，熱泵機組2 需要的電量為147 ÷2 = 73.5 (kW)，乙二醇溶液式熱回收系統循環泵功率約5 kW，輔助散熱器功率不計，此時為低溫干燥除濕，處理空氣直接進入閃干室，推算出處理20 000 m3/h 空氣所需要的電量為(113 + 73.5 + 5) × 20 000 ÷32 000 = 119.7 (kW)。

(2) 傳統表冷器除濕方法。

從表1 可知，狀態A 到狀態B 的降溫除濕過程需要的制冷量為：20 000 × 1.2 × (84.6 - 39.3) ÷ 3 600 =302 (kW)，轉換成制冷機組的電量為302 ÷ 4.2 = 71.9 (kW)，同時考慮11 kW 的循環水泵，折合為標準煤為(71.9 + 11) × 0.404 = 33.5 (kg)。

從狀態B 到狀態C 為加熱過程，需要的天然氣量為20 000 × 0.29 × (90 - 14) ÷ 860 ÷ 9.54 = 53.7 (m3)，折合為標準煤65.3 kg。

系統達到工藝要求共需要98.8 kg 標準煤。

(3) 傳統方法預除濕加轉輪除濕。

如表2，狀態A 到狀態B 為降溫除濕過程需要的制冷量為20 000 × 1.2 × (84.6 - 36.1) ÷ 3 600 = 323 (kW)，轉換成制冷機組的電量為323 ÷ 4.2 = 76.9 (kW)；同時考慮11 kW 的循環水泵，折合標準煤為(76.9 + 11) ×0.404 = 35.5 (kg)。

狀態C 到D 為加熱過程，需要的天然氣量為20 000 × 0.29 × (70 - 36) ÷ 860 ÷ 9.54 = 24 (m3)，折合標準煤26.2 kg。

脫附空氣6 000 m3/h，狀態E 到F 為加熱過程，需要的天然氣量為6 000 × 0.29 × (120 - 29) ÷ 860 ÷9.54 = 19.3 (m3)，折合標準煤23.4 kg。

系統達到工藝要求共需要85.1 kg 標準煤。

(4) 直膨式熱泵預除濕加轉輪除濕。

如表3，狀態A 到狀態B 到狀態C 為降溫除濕過程，需要的制冷量為20 000 × 1.2 × (84.6 - 20.6) ÷3 600 = 426.7 (kW)，轉換成制冷機組的電量為426.7 ÷ 3 = 142.2 (kW)，折合標準煤57.5 kg。

狀態E 到F 為加熱過程，需要的天然氣量為20 000 × 0.29 × (70 - 60) ÷ 860 ÷ 9.54 = 7.1 (m3)，折合標準煤8.6 kg。

脫附空氣6 000 m3/h，狀態H 到I 為加熱過程，需要的天然氣量為6 000 × 0.29 × (80 - 60) ÷ 860 ÷9.54 = 4.2 (m3)，折合標準煤5.15 kg。

系統達到工藝要求共需要71.3 kg 標準煤。

根據以上計算，4 種除濕方式達到工藝要求所需要的能耗見表5。

表5 4 種除濕方式達到工藝要求所需要的能源耗量表Table 5 Energy consumption required for four dehumidification methods to meet process requirements

6 總結

直膨式熱泵、傳統表冷器、傳統方法預除濕加轉輪、直膨式熱泵預除濕加轉輪這4 種除濕方式在汽車涂裝行業均有應用案例。傳統表冷器除濕由于投資少、技術成熟，因此目前依然應用最多，但其除濕能力有限，最低含水量只能達到10 g/kg，且涉及到先降溫除濕再升溫的過程，能耗較大。轉輪除濕是近幾年的主流，除濕性能優越、投資適中，但轉輪所能處理的空氣量有限，且受制于吸附材料，較大吸附容量和較低再生溫度的高效吸附除濕材料成為該技術能夠推廣應用的關鍵之一。直膨式熱泵除濕目前僅在大眾、通用等新建的合資工廠有應用，雖然投資高，但除濕性能優越，且能夠保證大風量的循環應用，實現了閃干室低溫低含水量的運行，大大地降低了能耗。

從表5 可以看出，在以達到工藝要求作為前提的情況下，直膨式熱泵和除濕轉輪有更優異的節能效果。需要特別說明的是，涂裝閃干效果受含水量和溫度這兩個參數中哪個的影響更為明顯，也是需要研究的課題之一。