Innowacyjne rozwiązania odzysku ciepła w kabinach lakierniczych
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 23.03.2018

Odzysk ciepła w kabinach lakierniczych ma silne uzasadnienie ze względu na wolumen wymienianego powietrza w przestrzeni roboczej. Artykuł prezentuje alternatywne rozwiązania odzysku wraz problemami, które im towarzyszą oraz przedstawieniem propozycji wykorzystania odzyskanego ciepła. 

 

W renowacyjnych kabinach lakierniczych przeznaczonych dla samochodów osobowych, strumień objętości wymienianego powietrza w trybie lakierowania zazwyczaj znajduje się w przedziale 20÷30 tys. m3/h. Aby zapewnić przez cały rok możliwość ogrzania pobieranego z zewnątrz powietrza do temperatury rzędu 20°C, moc źródeł ciepła (zazwyczaj palników olejowych lub gazowych) sięga 300 kW. Względy ekologiczne i ekonomiczne sugerują poszukiwanie metod ponownego wykorzystania ciepła odpadowego do wstępnego ogrzania powietrza wymienianego z tak dużą intensywnością.

 

Istniejące na rynku rozwiązania rekuperacji ciepła w kabinach lakierniczych oparte są o rekuperatory krzyżowe lub obrotowe. W branży naprawczej stosuje się zazwyczaj rekuperatory krzyżowe. Zaletą takiego rozwiązania jest instalacja rekuperatora na kanałach wentylacyjnych czerpni i wyrzutni bez potrzeby dodatkowej przestrzeni na instalację odzysku ciepła. Rekuperatory obrotowe wymagają dodatkowej przestrzeni na instalację rotora wraz z kanałami oraz dodatkowego nakładu energetycznego do napędu rotora. Według przeprowadzonego studium przypadku jednego z włoskich producentów kabin lakierniczych, dla renowacyjnej kabiny lakierniczej średnica rotora sięga dwóch metrów. Z tych powodów rekuperatory obrotowe nie są stosowane w lakierniach naprawczych, ale stosuje się to rozwiązanie w fabrykach z branży motoryzacyjnej. Należy zwrócić uwagę, że konstrukcje przemysłowych i renowacyjnych kabin lakierniczych są całkowicie różne.

 

Na rysunku 1. przedstawiono wyniki obliczeń ogólnego zapotrzebowania na ciepło Q, odzyskanego ciepła Qs oraz zredukowanego zapotrzebowania na ciepło Qp tytułem odzyskanego ciepła Qs z rekuperatora [3]. Przedstawione wartości dotyczą studium przypadku kabiny lakierniczej z rekuperatorem krzyżowym oraz wydatkiem wentylatorów 20 tys. m3/h.

 

 

2017 11 70 1

Rys. 1. Zapotrzebowanie ciepła dla kabiny lakierniczej pracującej w trybie lakierowania [1] 

 

 

Z powyższej analizy wynika, że w okresie letnim (czerwiec, lipiec, sierpień) nie występują potrzeby ogrzewania powietrza, gdy kabina lakiernicza pracuje w trybie lakierowania. Dotyczy to założenia, że zadana temperatura wynosi 20°C. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że obliczenia dotyczą średnich miesięcznych temperatur. Zjawiska pogodowe mogą powodować również potrzeby ogrzewania powietrza w okresie letnim, ze względu na niską temperaturę w danym dniu lub przebieg dobowych zmian temperatur.

 

 

Problematyka odzysku ciepła w lakierniach

 

Główny problem odzysku ciepła w kabinach lakierniczych stanowią osady lakiernicze odkładające się na wewnętrznych ściankach kanałów wyrzutni w tym rekuperatorów. Na rysunku 2. przedstawiono tempo wzrostu osadów oszacowane na podstawie uśrednionych wyników pomiarów prowadzonych w trzech kabinach lakierniczych. Uśredniona wartość wynosi δav=0,00053343 mm/h. Zazwyczaj odległość pomiędzy lamelami rekuperatora stosowanego w kabinie lakierniczej znajduje się w przedziale 12÷15 mm. Średni roczny czas pracy kabiny w lakierni samochodowej wynosi 1000 godzin rocznie. Oznacza to, że przekrój poprzeczy kanałów ciepłego powietrza w rekuperatorze będzie się zmniejszał w tempie 1 mm rocznie. Czas do całkowitego zatkania rekuperatora w przeciętnej kabinie lakierniczej wyniesie więc około 12 lat. Należy jednak uwzględnić fakt, że zmniejszenie przekroju poprzecznego kanałów spowoduje również wzrost spadku ciśnienia na rekuperatorze. Skutkuje to obniżeniem intensywności wymiany powietrza w przestrzeni roboczej kabiny i zagrożeniem powstawania mieszanki wybuchowej oraz zatrucia lakiernika [9].

 

 

2017 11 70 2

Rys. 2. Trendy tempa wzrostu osadów dla trzech kabin lakierniczych oraz uśredniony δav

 

 

Odkładające się osady lakiernicze stanowią również opór w wymianie ciepła. Wraz ze wzrostem średniej grubości osadów obniża się sprawność rekuperatora. Na rysunku 3. przedstawiono spadek efektywności odzysku ciepła w rekuperatorze z uwzględnieniem średniego tempa wzrostu δav przedstawionego na rysunku 2. Do obliczeń użyto wyników wstępnych pomiarów przewodności cieplnej [4].

 

 

2017 11 71 1

Rys. 3. Spadek sprawności rekuperatora w wyniku narastania osadów lakierniczych 

 

 

Problem stanowi oczyszczanie rekuperatorów. W dokumentacji techniczno-ruchowej kabin lakierniczych wyposażonych w rekuperatory krzyżowe, dostawcy nie zamieszczają zaleceń dotyczących okresowości oraz metodyki oczyszczania rekuperatorów. W niektórych rozwiązaniach nie przewidziano możliwości dostępu w celu inspekcji zanieczyszczenia i oczyszczania rekuperatora. Próby oczyszczania rekuperatorów prowadzone są przez lakierników z różnymi skutkami. Na rysunku 4. przedstawiono lamele rekuperatora uszkodzone w wyniku nieumiejętnych prób oczyszczania.

 

 

2017 11 71 2

 Rys. 4. Lamele rekuperatora uszkodzone w trakcie oczyszczania

 

 

Przedstawione powyżej fakty spowodowały rozważania nad opracowaniem rozwiązania technologii odzysku ciepła w lakierniach, która będzie bardziej odporna na powstawanie osadów lakierniczych oraz będzie umożliwiała oczyszczanie wymiennika ciepła.

 

 

Innowacyjne rozwiązania odzysku ciepła w lakierniach

 

Nie zawsze podczas pracy kabiny lakierniczej wymagane jest odzyskiwanie ciepła odpadowego do ogrzewania powietrza nawiewanego. Po zakończeniu trybu pracy suszenia, kabina lakiernicza jest wentylowana między innymi, w celu schłodzenia lakierowanego pojazdu lub lakierowanych detali oraz elementów konstrukcyjnych kabiny lakierniczej. W takiej fazie pracy odzysk ciepła nie jest konieczny, a czasem należy go unikać. Opracowano technologię, która pozwala na wymianę powietrza w kabinie lakierniczej z odzyskiem lub bez odzysku ciepła do ogrzewania powietrza nawiewanego [5, 6]. W przypadku wymiany powietrza bez odzysku ciepła, przewidziano możliwość odzyskania ciepła do ogrzania powietrza w hali, w której znajduje się kabina lakiernicza.

 

Na rysunku 5. przedstawiono powyższe rozwiązanie podczas wymiany powietrza z odzyskiem ciepła. Instalacja składa się z kanału nawiewnego bez odzysku ciepła 4, który połączony jest z komorą wentylatora nawiewnego 12. Kanał nawiewny 4 wyposażony jest w dolnej części w przepustnicę 9, umożliwiającą jego zamknięcie oraz w filtr wstępny 11, umieszczony przed wentylatorem nawiewnym 12. Za wentylatorem nawiewnym znajduje się wymiennik ciepła 13 palnika lub innego źródła ciepła i połączony jest kanałem doprowadzającym do plenum 14. Z plenum poprzez nawiewny filtr sufitowy 15 ciepłe powietrze nawiewane jest do przestrzeni roboczej 16 kabiny lakierniczej. Przestrzeń robocza 16 ma usytuowany w podłodze filtr podłogowy 17, poprzez który zanieczyszczone powietrze jest usuwane z przestrzeni roboczej. Wentylator wywiewny 19 odciąga zanieczyszczone powietrze kanałem wywiewnym w podłodze 18 i usuwa je do atmosfery za pośrednictwem kanału wywiewnego 2. Kanał wywiewny 2 znajduje się wewnątrz kanału nawiewnego z odzyskiem ciepła 1, który przylega do kanału nawiewnego 4. Kanały nawiewne 1 i 4 połączone są dwiema przepustnicami 5 i 6. Ponadto kanał nawiewny z odzyskiem ciepła 1 wyposażony jest w dwie dodatkowe przepustnice 7 i 8. Po zamknięciu przepustnic 5 i 6 oraz otwarciu przepustnic 7 i 8 przez kanał nawiewny 1 przepływa powietrze z hali i jest ogrzewane w wymienniku ciepła za pomocą ciepła odzyskanego z powietrza wywiewanego z kabiny. Kanał wywiewny 2 pomiędzy dyfuzorem a konfuzorem ma wymiennik ciepła 3 w postaci kanałów rurowych, których końce połączone są z dnami sitowymi dyfuzora i konfuzora.

 

 

2017 11 71 3

Rys. 5. Kabina lakiernicza w trybie lakierowania z instalacją odzysku ciepła: 1 − kanał nawiewny z odzyskiem ciepła; 2 − kanał wywiewny; 3 – kanały rurowe wymiennika ciepła; 4 − kanał nawiewny bez odzysku ciepła; 5, 6 – przepustnice kanału nawiewnego z odzyskiem ciepła; 7, 8 – przepustnice do ogrzewania powietrza na hali; 9 – przepustnica kanału nawiewnego bez odzysku ciepła; 10 – przepustnica recyrkulacji; 11 − filtr wstępny; 12 − wentylator nawiewny; 13 − wymiennik ciepła palnika lub innego źródła ciepła; 14 – plenum; 15 – nawiewny filtr sufi towy; 16 – przestrzeń robocza; 17 − filtr podłogowy paint stop; 18 – podłogowy kanał wywiewny; 19 − wentylator wywiewny

 

 

Podczas trybu lakierowania pracują wentylatory nawiewny 12 i wywiewny 19. Przepustnice 5 i 6 są otwarte, natomiast zamknięte są przepustnice 7, 8, i 9. Powietrze do przestrzeni roboczej 16 kabiny pobierane jest poprzez kanał nawiewny z odzyskiem ciepła 1. Pozwala to na wstępne ogrzanie świeżego powietrza poprzez wymiennik ciepła 3, który przekazuje ciepło pozyskane z wyrzucanego powietrza w kanale wywiewnym 2. Po zakończeniu trybu lakierowania i przed trybem suszenia uruchamiany jest tryb wentylacji. Obieg powietrza jest jednakowy jak w trybie lakierowania, jednak nie ma możliwości lakierowania. Możliwość lakierowania zablokowana jest poprzez zamknięcie elektrozaworu doprowadzającego sprężone powietrze do pistoletu lakierniczego. W zależności od konieczności pracuje również palnik z wymiennikiem ciepła 13.

 

W trybie wygrzewania włączony jest wentylator nawiewny 12 i wyłączony jest wentylator wywiewny 19. Przepustnica 9 jest całkowicie zamknięta a przepustnica 10 jest całkowicie otwarta.

 

Przepustnice 5 i 6 są otwarte w niewielkim stopniu, tak aby zapewnić częściową wymianę powietrza w kabinie. Przepustnice 7 i 8 są całkowicie zamknięte. Powietrze wewnątrz kabiny lakierniczej znajduje się w recyrkulacji z częściową wymianą powietrza na świeże. Wolumen wymiany powietrza na świeże jest regulowany za pomocą stopnia otwarcia przepustnic 5 i 6. Na wymienniku ciepła 3 świeże powietrze jest wstępnie ogrzewane ciepłem odpadowym z powietrza usuwanego.

 

Po zakończeniu cyklu wygrzewania, przestrzeń robocza 16 kabiny lakierniczej jest wentylowana, w celu usunięcia do atmosfery powietrza z odparowanymi lotnymi związkami organicznymi, a także schłodzenia lakierowanego pojazdu wraz z elementami konstrukcyjnymi kabiny lakierniczej. W tym trybie pracy włączone są obydwa wentylatory 12 i 19. Świeże powietrze pobierane jest do kabiny za pośrednictwem kanału nawiewnego bez odzysku ciepła 4, co pozwala na skrócenie czasu chłodzenia. Taki obieg powietrza uzyskuje się poprzez zamknięcie przepustnic 10, 5 i 6 oraz otwarcie przepustnicy 9. W tym czasie ciepło z wyrzucanego powietrza można odzyskać do ogrzewania hali poprzez otwarcie przepustnic 7 i 8. Obieg powietrza z hali poprzez przepustnice 7 i 8 może być wymuszony poprzez dodatkowy wentylator.

 

Dla opisanego powyżej rozwiązania przeprowadzono analizę możliwości wykorzystania oraz efektywności odzysku ciepła. Do analizy wykorzystano ogólnie znane, uproszczone równania termodynamiki.

 

 

Analiza sprawności

 

(...)

 

 

Rozwiązania z zastosowaniem pompy ciepła

 

(...)

 

 

Podsumowanie

 

Przedstawione powyżej rozwiązania powstały w wyniku współpracy z przedsiębiorcami prowadzącymi działalność w branży lakierniczej, w szczególności centrum szkolenia lakierników oraz producenta kabin lakierniczych. Na obecnym etapie prowadzi się prace badawcze polegające na modelach zjawisk, modelach numerycznych i symulacjach. W ramach prowadzonych badań powstały również inne, innowacyjne rozwiązania. Opracowano także nowe podejście do sterowania temperaturą powietrza cyrkulującego w kabinie lakierniczej [1].

 

 

 

 Piotr NIKOŃCZUK
− Zachodniopomorski Uniwersytet
Technologiczny w Szczecinie, Wydział
Techniki Morskiej i Transportu, Katedra
Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego

 

 

 

LITERATURA:

[1] JASZCZAK S., NIKOŃCZUK P.: A preliminary analysis of spray booth temperature control using PWM modulation with dynamic trigger period. Measurement Automation Monitoring 2016 nr 06. 209:211.

[2] KRÓLIKOWSKI T., NIKONCZUK P.: Finding Temperature Distribution at Heat Recovery Unit Using Genetic Algorithms. Procedia Computer Science 112:2382-2390. December 2017. DOI: 10.1016/j.procs.2017.08.100.

[3] NIKOŃCZUK P.: Prognoza korzyści ze stosowania rekuperatorów w kabinach lakierniczych – studium przypadku. Autobusy 6/2016.

[4] NIKOŃCZUK P., DOBRZYŃSKA R.: Metodyka pomiaru przewodności cieplnej osadów lakierów. Logistyka 6/2014. 7831:7837.

[5] NIKOŃCZUK P., ZAKRZEWSKI B.: Urządzenie do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła, zwłaszcza w komorach lakierniczych. Patent PL 217481.

[6] NIKOŃCZUK P., ZAKRZEWSKI B.: Device for exchanging air with heat recovery, especially in spray booths. Patent EP2684613 A1.

[7] NIKOŃCZUK P., ZAKRZEWSKI B.: Kabina lakiernicza z odzyskiem ciepła. Zgłoszenie patentowe PL413144.

[8] NIKOŃCZUK P., ZAKRZEWSKI B.: The spray booth with heat recovery. Zgłoszenie patentowe EP15461560.

[9] UBOWSKA A., NIEWIŃSKA E.: Bezpieczeństwo w lakierniach samochodowych – zagrożenie ze strony substancji chemicznych. LOGISTYKA 5/2014. 1596:1606.

 

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.