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 Q_s oraz zredukowanego zapotrzebowania na ciepło Q_p tytułem odzyskanego ciepła Q_s z rekuperatora [3]. Przedstawione wartości dotyczą studium przypadku kabiny lakierniczej z rekuperatorem krzyżowym oraz wydatkiem wentylatorów 20 tys. m³/h.

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 δ_av=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].

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

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 δ_av przedstawionego na rysunku 2. Do obliczeń użyto wyników wstępnych pomiarów przewodności cieplnej [4].

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.

 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.

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.