涂裝車間送風(fēng)空調(diào)與焓濕分析

孫庭樂,李洋

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

現(xiàn)代工業(yè)涂裝在汽車制造業(yè)中是比較重要的工藝環(huán)節(jié)之一。涂裝車間作為一個相對封閉的空間，生產(chǎn)運行期間需要持續(xù)不斷的抽取車間外部分新鮮空氣，經(jīng)過處理后送往車間內(nèi)部，在此過程中會消耗大量的能源。在高度重視節(jié)能環(huán)保的今天，如何降低涂裝能耗已經(jīng)成為涂裝行業(yè)面臨的重要課題。

對新鮮空氣進(jìn)行除塵、調(diào)溫、調(diào)濕的設(shè)備是送風(fēng)空調(diào)，它是一個高功率大風(fēng)量系統(tǒng)，由新鮮空氣入口（柵欄、可調(diào)節(jié)百葉窗）、初（粗）過濾、預(yù)加熱、冷卻、加熱、水洗（噴淋板、擋水板）、后過濾、供風(fēng)機、消聲段等單元組合在一個通道式的、鍍鋅鋼板制的室體內(nèi)構(gòu)成。上述各功能單元段的選用及組合取決于涂裝工藝要求、當(dāng)?shù)貧夂驐l件和工廠現(xiàn)場條件。

焓濕圖可將空氣各參數(shù)之間的關(guān)系用圖線表示，用焓濕圖對溫濕度調(diào)控過程進(jìn)行分析，可以明確空氣狀態(tài)的變化，為送風(fēng)空調(diào)節(jié)能優(yōu)化工作的開展提供直觀的參考。

2 送風(fēng)空調(diào)功能單元段

送風(fēng)空調(diào)的任務(wù)就是對新鮮風(fēng)空氣進(jìn)行冷卻、加熱、增濕、降濕、除塵等。這些任務(wù)的實現(xiàn)離不開相應(yīng)功能單元段的參與。新鮮空氣中含有約78%的氮氣、21%的氧氣和1%左右的其他氣體，其中，水以低壓水蒸氣的方式懸浮于空氣中。空氣的含濕量有多種計算方法，相對濕度是現(xiàn)場計量中最有效且應(yīng)用最廣泛的一種方法。濕球溫度計上的讀數(shù)是確定空氣含濕量的一個參變量，它反應(yīng)了空氣的總熱量。

常見的溫濕度調(diào)控功能單元段有：預(yù)加熱段、冷卻降濕段、加熱段、噴淋增濕段。除了這四個功能單元段外，送風(fēng)空調(diào)還會配置過濾器段、風(fēng)機段和消音段等，我們在此不做介紹。

根據(jù)功能單元段的配置情況，送風(fēng)空調(diào)可分為兩種類型：工藝空調(diào)和廠房空調(diào)，工藝空調(diào)主要用于給噴漆室或重點區(qū)域（調(diào)漆間等）供應(yīng)溫度和濕度在一定工藝要求范圍內(nèi)的風(fēng)；廠房空調(diào)主要用于給打磨返修工位、廠房環(huán)境等供應(yīng)體感舒適的風(fēng)，溫濕度的要求相對寬松。

圖1是北京某汽車制造廠中涂噴漆室送風(fēng)空調(diào)的工藝流程圖。

圖1 工藝流程圖

假設(shè)這四功能單元段在滿功率狀態(tài)下運行，那么新鮮風(fēng)的狀態(tài)變化為：穿過燃燒器后，溫度升高，含水量不變（相對濕度變小）；穿過冷盤管后，溫度降低，含水量減少（相對濕度變大）；穿過熱盤管后，溫度升高，含水量不變（相對濕度變小）；通過噴淋后，溫度降低，含水量增加（相對濕度變大）。

功能單元段是否開啟以及開啟后的運行功率由空調(diào)控制系統(tǒng)的PID統(tǒng)一協(xié)調(diào)，在實際運行過程中，幾乎不可能出現(xiàn)四個功能單元段同時啟用的情況。

在任何情況下，噴涂設(shè)備和涂料類型都是噴漆室內(nèi)的空氣參數(shù)，即空調(diào)出風(fēng)口空氣參數(shù)權(quán)重的決定因素。如果是水性涂裝，則空氣濕度具有最高的優(yōu)先度，溫度只是在此之后才進(jìn)行觀察。采用有機溶劑的設(shè)備則不同，它們的重要性要高得多。由于大部分制造商在底漆和中間涂層中幾乎都只使用水性涂裝，因此控制系統(tǒng)優(yōu)先控制噴漆房內(nèi)的濕度。但是，優(yōu)先控制濕度有可能導(dǎo)致溫度令人感覺不適。

3 9種氣候及調(diào)控方向

氣候決定了新鮮風(fēng)的空氣參數(shù)，根據(jù)不同的空氣參數(shù)，送風(fēng)空調(diào)選擇相應(yīng)的調(diào)控方向。假定目標(biāo)空氣的溫度約為23℃，濕度約為65%RH。

理論上講，可假想出9種氣候場景（圖2）。

圖2 氣候九宮格

（1）過冷且過濕。這種狀態(tài)需要對空氣進(jìn)行加熱和增濕。例如：有薄霧的秋日，開始狀態(tài)：5℃，100%RH，加熱；中間狀態(tài)：33℃，28%RH，增濕；最終狀態(tài)：22℃，60%RH。

（2）溫度良好，但是過濕。這種情況經(jīng)常出現(xiàn)。對空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的最簡單而有效的方法是將其加熱，直至達(dá)到正常的相對濕度為止。例如：悶熱的夏日，開始狀態(tài)：22℃，80%RH，加熱；最終狀態(tài)：26℃，60%RH。如果溫度在這種情況下超過了上限，就應(yīng)將空氣冷卻到露點（100%RH），如果繼續(xù)冷卻，空氣中所溶解的水便會凝結(jié)成冷凝水析出。開始狀態(tài)：22℃，90%RH，冷卻；中間狀態(tài)：20℃，100%RH，冷卻，（大約3.5g水/kg空氣凝結(jié)成冷凝水）；中間狀態(tài)：16℃，100%RH，加熱；最終狀態(tài)：22℃，65%RH。

（3）過暖且過濕。在這種情況下，可采用氣候②的方式處理。但是必須注意，冷卻需要很高的能耗。如果出現(xiàn)的狀況大多為諸如29℃和75%RH，那么控制系統(tǒng)便會達(dá)到生產(chǎn)參數(shù)允許值窗口的上限。在非常炎熱而潮濕的日子里，冷盤管有可能達(dá)到其能力極限。如果在極限外部條件下無法達(dá)到設(shè)定值，空氣便只能調(diào)節(jié)到正常的相對濕度。例如：非常悶熱的夏日，開始狀態(tài)：29℃，90%RH，冷卻；中間狀態(tài)：27℃，100%RH，冷卻（處于大約12.5g水/kg空氣的狀況下時，會凝結(jié)出大量冷凝水）；中間狀態(tài)：16℃，100%RH，加熱；最終狀態(tài)：22℃，65%RH。

（4）濕度良好，但是過冷。將對空氣進(jìn)行加熱和增濕。在這種條件下，可在65%RH時令溫度達(dá)到24℃。例如：秋天的天氣，開始狀態(tài)：0℃，60%RH，加熱；中間狀態(tài)：40℃，8%RH，增濕；最終狀態(tài)：22℃，60%RH。

（5）溫度良好且濕度良好。只要溫度和濕度處于生產(chǎn)工藝要求允許值的窗口內(nèi)，便不必做任何調(diào)整。

（6）濕度良好，但是過熱。這種情況必須對空氣進(jìn)行冷卻。冷盤管設(shè)計為將35℃，50%RH（17.6g/kg）的空氣冷卻到29℃，65%RH。在這種情況下，冷盤管表面上析出的冷凝水不多。例如：熱，但不是令人不適的夏日，開始狀態(tài)：35℃，50%RH，冷卻；最終狀態(tài)：29℃，65%RH。

（7）過冷且過干。空氣必須進(jìn)行加熱和增濕，該狀態(tài)與④的情況相仿，在非常干燥的情況下，噴淋加濕的水泵可能會達(dá)到極限。例如：晴天的冬日，開始狀態(tài)：0℃，40%RH，加熱；中間狀態(tài)：43℃，6%RH，增濕；最終狀態(tài)：22℃，60%RH。

（8）溫度良好，但是過干。在這種情況下，只需要進(jìn)行增濕。如果需要的降溫幅度過大，就必須事先對空氣進(jìn)行加熱。例如：夏天，開始狀態(tài)：23℃，40%RH，加熱；中間狀態(tài)：28℃，28%RH，增濕；最終狀態(tài)：22℃，60%RH。在事先未加熱的情況下進(jìn)行直接增濕，在這一開始狀態(tài)下，溫度便可能在濕度達(dá)到60%RH時，下降到20℃以下。

（9）過暖且過干。在這種情況下，要通過增濕過程令空氣冷卻，同時提高相對濕度。在濕度重新達(dá)到要求時，溫度則可能由于開始溫度的不同而有所不同。例如：令人愉快的夏日，開始狀態(tài)：30℃，20%RH，增濕；最終狀態(tài)：22℃，60%RH。

4 焓濕狀態(tài)分析

4.1 在焓濕圖上標(biāo)定空氣的狀態(tài)位置

焓濕圖看上去挺復(fù)雜，但僅需一把透明的塑料直尺和一支筆就能幫助你掌握確定空氣狀態(tài)點的方法，空氣狀態(tài)的變化趨勢也可以在焓濕圖上表示。

圖3中，等溫線t接近水平，看似平行，實際互不平行；等焓線i是傾斜直線；等相對濕度線φ是曲線；等含濕量線d是垂直線。最低的一根等相對濕度線φ，其值為100%RH，這條曲線稱為飽和線，狀態(tài)在這條線上的空氣是飽和濕空氣。

圖3 焓濕圖

送風(fēng)控調(diào)系統(tǒng)中各功能單元段對空氣進(jìn)行處理時空氣狀態(tài)的變化趨勢如下：①加熱處理，空氣在流經(jīng)加熱設(shè)備時，其狀態(tài)沿顯熱增加的方向變化。②冷卻處理，沒有水汽析出，其狀態(tài)即沿圖中顯熱減少的方向變化。③增濕處理，空氣既無加熱，也無排熱，含濕量和露點溫度提高。這不是一個常規(guī)實用過程。④降濕處理，空氣既無加熱，也無排熱，含濕量和露點溫度降低。這不是一個常規(guī)實用過程。⑤利用噴淋加濕器對空氣進(jìn)行降溫、增濕處理。

如果我們將進(jìn)入空調(diào)設(shè)備前的空氣狀態(tài)在圖4上確定位置并以此為參考點。就可以對空氣進(jìn)行加熱、冷卻、增濕或降濕處理時，在圖上表示空氣各狀態(tài)的變化過程。

圖4 顯熱與潛熱的變化

熱交換器的實際容量也可以利用焓濕圖的總熱量值在現(xiàn)場予以檢測。如果流經(jīng)過熱交換器的空氣量已知，那么分別檢測熱交換器進(jìn)出口的總熱量值，即可獲得非常精確的熱交換器的性能參數(shù)。為了便于理解，我們采用簡化方式粗略計算，假定新鮮風(fēng)的風(fēng)量為q=100000m3/h，空氣密度ρ=1.2kg/m3，則空氣質(zhì)量流量G=q·ρ=100000×1.2=120000kg/h≈33.33kg/s。

4.2 夏季模式（圖5）

圖5 夏季模式

在夏天，送風(fēng)空調(diào)主要對空氣進(jìn)行冷卻和降濕，空氣表現(xiàn)為溫度降低，同時，含濕量和露點溫度下降。可能出現(xiàn)的極端天氣為過暖且過濕（氣候③）。夏季模式啟用的功能單元段主要為：冷盤管冷卻降濕段，熱盤管加熱段。

空氣狀態(tài)在此過程中參數(shù)如下：

（1）狀態(tài)S0=S1：29℃，90%RH：查詢焓濕圖可知S0狀態(tài)下：濕球溫度tw0=27.60℃，露點溫度td0=27.18℃，含濕量d0=22.96g/kg，比焓h0=87.84kJ/kg。（2）狀態(tài)S2：16℃，100%RH：查詢焓濕圖可知S2狀態(tài)下：濕球溫度tw2=16.00℃，含濕量d2=11.37g/kg，比焓h2=44.86kJ/kg。（3）S3=S4：22℃，65%RH：查詢焓濕圖可知S3狀態(tài)下：濕球溫度tw3=17.53℃，露點溫度td3=15.15℃，含濕量d3=10.73g/kg，比焓h3=49.42kJ/kg。

夏季模式的理想焓濕曲線如圖6所示。

圖6 夏季理想焓濕曲線

S0→ S2：Q=G(h2-h0)=-1432.52kW。

冷盤管帶走了空氣中的大量熱量。

S2→ S3：Q=G(h3-h2)=151.98kW。

熱盤管加熱空氣，內(nèi)能增大。

4.3 冬季模式（圖7）

圖7 冬季模式

在冬天，送風(fēng)空調(diào)主要對空氣進(jìn)行加熱和增濕，空氣表現(xiàn)為溫度增高，同時，含濕量和露點溫度上升。可能出現(xiàn)的極端天氣為過冷且過干（氣候⑦）。冬季模式啟用的功能單元段主要為：燃燒器預(yù)熱段，噴淋增濕段。

空氣狀態(tài)在此過程中參數(shù)如下：

（1） 狀 態(tài) S0：0℃，40%RH：查詢焓濕圖可 知S0狀態(tài)下：濕球溫度tw0=-3.34℃，露點溫度td0=-10.69℃，含濕量d0=1.5g/kg，比焓h0=3.76kJ/kg。（2）狀態(tài)S1=S2=S3：43℃，6%RH：查詢焓濕圖可知S1狀態(tài)下：濕球溫度tw1=18.20℃，露點溫度td1=-1.97℃，含濕量d1=3.2g/kg，比焓h1=51.52kJ/kg。（3）狀態(tài)S4：22℃，60%RH：查詢焓濕圖可知S4狀態(tài)下：濕球溫度tw4=16.82℃，露點溫度td4=13.92℃，含濕量d4=9.9g/kg，比焓h4=47.28kJ/kg。

冬季模式焓濕圖理想曲線變化如圖8所示。

圖8 冬季理想焓濕曲線

S0→ S1：P=G(h1-h0)=1591.84kW。

燃燒器預(yù)熱空氣，內(nèi)能增大。

S1→ S4：P=G(h4-h1)=-141.31kW。

加濕量L=G(d4-d1)=223.31g/s=803.92kg/h。

雖然噴淋增濕可以近似看作一個等焓過程，但由于空氣的溫度高于加濕水槽內(nèi)的水溫，勢必會產(chǎn)生熱交換，從而導(dǎo)致空氣內(nèi)能減少。

4.4 總結(jié)

上述2種焓濕曲線是夏季和冬季溫濕度調(diào)控的理想狀態(tài)，在實際運行過程中，外界氣候不可能一成不變，控制系統(tǒng)PID會根據(jù)進(jìn)風(fēng)口對各功能單元段的輸出進(jìn)行實時動態(tài)控制，最終實現(xiàn)出風(fēng)口的溫度和濕度在工藝要求的范圍之內(nèi)。如何減少調(diào)節(jié)波動和避免功能單元段的過輸出是節(jié)能的關(guān)鍵。通過焓濕圖的理論結(jié)合現(xiàn)場各功能單元段的實際能耗能夠幫助我們分析送風(fēng)空調(diào)節(jié)能優(yōu)化的方向及收益。