基于涂裝車間熱輪換熱系統的節能降耗研究

楊朋

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

轉輪式換熱器由具有蜂窩結構的金屬熱交換材料制成，在進行熱交換的介質（排風與供風單元的外部空氣）之間緩慢轉動。空氣以層流的形式沿著交替的方向通過熱交換材料中的縫隙，轉子中的熱交換器材料吸收排風流中的熱量，熱交換材料通過不斷旋轉將熱量傳遞至供風流。熱交換材料在旋轉通過排風流時吸收排風中的熱量，然后在旋轉通過外部空氣流時將其釋放到外部空氣中。外部空氣通過轉輪式換熱器的半部分，排風則沿著相反的方向通過轉輪式換熱器的另一個半部分（圖1）。潛在的合理熱量傳遞至供風中，能量被用于對外部空氣進行預熱。通過此裝置可在外部空氣溫度較低的時候，對空氣進行預熱。使外部進入風房的空氣溫度盡可能地接近風房設定值（圖2）。

圖1

圖2

2 節能降耗改進方案設計

北京奔馳汽車涂裝車間共使用5套轉輪換熱系統，該系統的轉輪式換熱器由PLC控制繼電器驅動三相異步電動機，電動機動力通過正齒輪減速機再由V帶驅動裝置工作。

2.1 現況分析

轉輪式換熱器裝置設計之初是根據德國的氣候條件進行實驗使用，熱能回收效果良好，可大量節約為車間供風系統加熱而使用掉的電能，因此，被大多數主機廠的涂裝車間所采用。但北京的氣候變化與德國的溫度存在差距，尤其是夏季，外界溫度較高（≥35℃），排風溫度遠低于送風溫度，熱回收裝置仍然以工頻旋轉，導致回收效果過剩，需要反向溫度調節，反而造成能量二次消耗，基于此，該系統還可進一步完善。通過實時調速的理念，達到精確回收的目的，可最大程度地節約能耗。

2.2 改進方案制定

通過加裝變頻器和溫度傳感器，采集送排風的溫差值，通過PLC計算后給出經濟轉速。首先，可降低驅動電機的工作能耗，還可使送排風的熱能回收達到最佳效果。降低冷熱水的使用量，可大幅度節約電能。另外，在外界溫度達到最佳時，通過此改造熱輪會處于靜止狀態，無須進行熱回收。在此狀態下利用新風側旁通風閥，執行旁通送風。使其熱交換能力降到最低。同時對旁通風閥加裝電控執行器，完成自動開關功能。

3 系統硬件設計

硬件配置：溫度傳感器、變頻器、執行器、電控閥等。

3.1 溫度傳感器配置

溫度傳感器是能將溫度轉換成可用模擬量輸出信號的傳感器，是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類，本文采用非接觸式熱電偶類型的傳感器。

由于設計初未考慮排風溫度會大幅度高于設定溫度，但實際發現排風溫度在30℃左右（夏天甚至達到35℃）高于設定值（20℃）。要想實現PID控制需要對排風溫度實時監控，因此在排風風道中加裝溫度傳感器，達到實時監測排風溫度的目的。傳感器型號選為：VAISALA HMT330（圖3）。溫濕度傳感器電流值分別進入PLC ET200S的模擬量輸入接口。根據現場情況地址設定為IW2240和IW2244，電氣接線圖如圖4所示。

圖3

圖4

3.2 變頻器配置

變頻器是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電再把交流電變成直流電等技術的總稱。為使換熱達到最佳效果，熱輪轉速采取實時調速模式，以保證回收后的新風溫度盡可能地接近設定數值。節約在二次調溫過程中的能量損耗。本文采用的變頻器是Lenze9400，型號為E94ASHE0074E34NNER（圖5），電氣接線圖如圖6所示。

圖5

圖6

3.3 執行器及電控閥配置

在外界溫度達到最佳時，通過此改進方案熱輪會處于靜止狀態，無須進行熱回收。在此狀態下利用新風側旁通風閥，執行旁通送風。使其熱交換能力降到最低。因此，還需對旁通風閥加裝電控執行器，完成自動開關功能。另外，熱輪停止轉動，新風側也容易被異物堵塞（如柳絮樹葉等），為防止出現堵塞，當熱輪停止轉動時開始進行計時，每15min熱輪進行低速5Hz轉動180度（由位置傳感器進行確認位置）。通過排風側對熱論上的異物進行反吹。以達到清潔效果。流程圖如圖7所示。

圖7

4 PLC程序編寫及調試

PLC程序編寫過程包括符號表構建、數據轉換、自動升頻和自動降頻程序。

4.1 構建符號表

符號名均按照戴姆勒標準命名（表1）。

表1

4.2 數據轉換

PLC自動溫度控制需使用整數形式的數據格式，所以在編寫新的程序前，先將數據轉換成可用格式。排風溫度、熱交換后溫度、室外溫度由BCD碼轉換成整數，分別儲存在MW100、MW102和MW104中，程序計算后的數值轉換成雙整數，存儲在MD110中，見圖8。

圖8

4.3 自動升頻程序

升頻邏輯如下。

（1）室外溫度與設定溫度值比對，室外溫度高于設定值時接通；（2）熱輪換熱后溫度與設定溫度值比對，熱輪換熱后溫度高于設定值時接通；（3）排風溫度與設定溫度值比對，室外溫度高于排風溫度時接通；（4）室外溫度與設定溫度值比對，當室外溫度低于設定值時接通；（5）熱輪換熱后溫度與設定溫度值比對，當熱輪換熱后溫度低于設定值時接通；（6）排風溫度與設定溫度值進行比對，當室外溫度低于排風溫度時接通；（7）當（123）或（456）條件滿足時，執行（7）時間等待100s后激活下一步；（8）當前電機頻率低于45Hz時，接通下一步；（9）滿足以上條件后電機頻率上升3Hz。

PLC程序如圖9。

圖9

4.4 自動降頻程序

降頻邏輯如下。

（1）室外溫度與設定溫度值比對，室外溫度高于設定值時接通；（2）熱輪換熱后溫度與設定溫度值比對，熱輪換熱后溫度高于設定值時接通；（3）排風溫度與設定溫度值比對，排風溫度高于室外溫度時接通；（4）室外溫度與設定溫度值比對，室外溫度低于設定值時接通；（5）熱輪換熱后溫度與設定溫度值進行比對，熱輪換熱后溫度低于設定值時接通；（6）排風溫度與設定溫度值進行比對，排風溫度低于室外溫度時接通；（7）當（123）或（456）條件滿足時，執行（7）時間等待100s后激活下一步；（8）當前電機頻率高于10Hz時，激活下一步；（9）滿足以上條件后電機頻率下降3Hz。

將頻率調節至10Hz以下時自動降頻程序中斷，且同時切斷電動機在自動模式下的運轉。待自動升頻程序重新將電動機頻率升至10Hz以上，電動機開始運轉。

PLC程序如圖10。

圖10

5 結語

本文通過研究轉輪換熱系統在實際應用中的缺陷，實施針對性的措施改進，取得了顯著的經濟效益。節約電能和冷凍水耗量約45萬元/年。同時，在同工藝的涂裝車間具有很強的參考性、通用性和可移植性。隨著工業生產不斷擴大化，節能降耗、降本增效是我們一線工作者義不容辭的責任。