（机械工程专业论文）涂料固化设备的改进设计.pdf

摘要 本文对涂装生产线中的关键设备一固化设备的改进设计做了较为详细的论 述。首先对室体的结构、保温材料的选择和保温板厚度的确定提出了自己的改进 设想，并以此为依据对固化设备各种结构参数的计算和室内热损耗量的计算方法 进行了进一步的推导和说明。其次对固化设备常用的燃油换热器的结构形式的选 择、燃料燃烧的热计算、影响换热器效率的因素和提高效率的途径等方面的改进 设计和完善做了阐述，并通过计算说明了改进后的燃油换热器的设计方法。最后 对固化设备中影响工件表面成膜质量的关键部位一热风循环系统中热风循环的 机理和提高温度均匀性的方法做了说明，并通过公式推导总结了变截面送风管的 设计原则和参数的计算方法。 关键词：涂装生产线，固化设备，室体，燃油换热器，温度均匀性 a bs t r a c t t h i sa r t i c l em a k e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no nt h ei m p r o v e dd e s i g no ft h ek e y e q u i p m e n t - c u r i n go v e n i nt h ec o a t i n g p r o d u c t i o n l i n e f i r s t l y ，w ep u t f o r w a r d0 1 1 1 o w ni m p r o v e dc o n s i d e r a t i o no nt h ec h a m b e r s t r u c t u r e ，t h es e l e c t i o no f t h et h e r m a l i s o l a t i o nm a t e r i a la n dt h et h i c k n e s so ft h e r m a l i s o l a t i o np l a t e f u r t h e r m o r e ，w eh a v et h ed e d u c t i o na n dd e s c r i p t i o no nt h ec a l c u l a t i o n o fd i f f e r e n tk i n d so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so f c u r i n ge q u i p m e n t ，a n dt h e c a l c u l a t i o n m e t h o do fc h a m b e ri n t e r n a lh e a tl o s sb a s e do nt h ei m p r o v e dc o n s i d e r a t i o n s e c o n d l nw e m a k et h ee l a b o r a t i o no nt h ei m p r o v e dd e s i g na n dc o n s u m m a t i o n o fs t r u c t u r es e l e c t i o no ft h eu s u a lh e a t e x c h a n g e ro fc u r i n g e q u i p m e n t ，t h e h e a t c a l c u l a t i o no ff u e l b u r n i n g ，t h e f a c t o rw h i c hi n f l u e n s et h e e f f i c i e n c y o f h e a t e x c h a n g e ra n dt h ec h a n n e lt oi m p r o v et h eb u r n i n ge f f i c i e n c ya n de t c ，t h r o u g h c a l c u l a t i o nw em a k et h ee l a b o r a t i o no nt h e d e s i g n i n gm e t h o do ft h ei m p r o v e d h e a t e x c h a n g e n f i n a l l y , w em a k et h ee l a b o r a t i o no nt h eh o ta i rc i r c u l a t i o np r i n c i p l eo fh o ta i r c i r c u l a t i o ns y s t e mw h i c hc o n s i s t so f k e yc o m p o n e n t si nt h ec u r i n ge q u i p m e n tw h i c h c a ni n f l u e n s et h es u r f a c ef i l mq u a l i t yo ft h ew o r kp i e c e ，a n dt h ei m p r o v e m e n to f t e m p e r a t u r ee v e n ，a n dw e s u m m a r i z et h e d e s i g np r i n c i p l e a n dt h e p a r a m e t e r c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es e c t i o n - v a r i a b l ea i r s e n d i n gp i p e st h r o u g h f o r m u l a d e d u c t i o n k e yw o r d s ：c o a t i n gp r o d u c t i o nl i n e ，c u r i n go v e n ，c h a m b e rs t r u c t u r e u s u a lh e a t - e x c h a n g e r ，t e m p e r a t u r ee v e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签行d 铲l 签字蹶刮年廿月t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权垂圭盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名司社导雌名：棚 签字日期：如? 蚌肛月，r 日签字日期：。岁年一二月，二日 第一章概述 第一章概述 1 1 涂装生产线简介 涂装工艺就是在被装饰表面涂覆涂料的表面处理工艺，以提高其美观性、 耐腐蚀性和耐候性“1 。在现代化工业生产中涂装占有重要位置，已成为涉及面最 宽、适应性最强、用途最广、用量最大的主要技术。并且随着经济的发展，市场 对涂装的需求越来越大、质量要求也越来越高。 在汽车、家电、建材、机械制造等现代化大工业生产中，涂装工艺与脱脂、 磷化等涂装前处理工艺和涂料固化工艺等组合在一起，并配套以纯水制备、废气 处理、废水处理、油水分离等设备形成大规模连续化生产的涂装生产线。 我国自八十年代初家电行业从德国、意大利引进成套的涂装生产线。随着国 内科学技术水平的发展，涂装生产线的前后处理设备现己完全实现国产化，行业 标准也逐步完善和确定。近几年，国内涂装市场的规模每年有二十亿元左右。 一套完整的涂装生产线应包括：表面前处理设备、水份干燥设备、涂料涂覆 设备、涂料凰化设备、物料输送系统、电气控制系统等主要设备及纯水制各设备、 废气处理设备、废水处理设备、油水分离设备等辅助系统。 1 2 涂装生产线的发展趋势 涂装生产线涉及的学科领域比较广泛，不仅包括机械、电器、自动控制、 化工、计算机等，还要涉及劳动保护和环境保护等诸多方面技术。而且，由于是 连续大规模生产，所以一般涂装生产线的规模庞大，运行成本高。 随着科学技术的发展，新工艺、新材料不断涌现，涂装生产线的制造工艺和 运行工艺也有了很大改善。总的发展趋势为：提高被处理工件的美观性和耐腐蚀 性；降低对环境的影响；降低能耗，减少运行成本。 l2 。1 提高美观性和耐腐蚀性 现在，涂装的作用已不仅仅是为金属表面提供保护层。人们现在更注重产 品的美观性，要求涂层平整细腻、色泽鲜艳、光亮、质感好。在追求涂层美观的 同叫，也强调涂层的牢固性和耐腐蚀性“1 。涂装工艺也由喷漆、喷粉发展为阳极 电泳、阴极电泳、氟碳喷涂。尤其是随着我国汽车工业的迅猛发展，车身及汽车 零部件的涂装要求越来越高，盐雾试验已达一万小时。建材行业的幕墙板要求耐 候性为二十年，附着力测试为2 h 四级。所有这些都对涂料、涂装工艺和涂装设 备提出了更高的要求。 第一章概述 1 2 2 降低对环境的影响 规模巨大的涂装生产线不可避免地要产生大量的废水、废渣、废料。“三废” 中还含有酸、碱、盐等有害物质，这些有害物质会对环境产生很大的影响。现今 社会，环境保护的意识越来越强烈，无水或少水清洗技术、水的循环使用技术、 有害物质的沉淀、分离技术、绿色环保原材料的使用及综合治理“三废”等新技 术的应用是涂装生产线的发展趋势。 1 2 3 降低能耗，减少运行成本 当今商品社会行业内竞争都非常激烈，已进入薄利或微利阶段。所以涂装 生产线本身必须降低成本，我们在确保产品质量满足用户要求的同时必须非常仔 细地算经济帐，不但要算产生线建造的成本，而且还要算它的运行、使用和维修 费用，这是涂装生产线发展的最重要的趋势。所以我们设计人员不但要精通涂装 生产线的各种技术，随时掌握技术发展的动态，而且还要准确掌握材料价格、制 造用工数量和费用、生产周期、调试用工和费用、维修费用、新技术与旧技术之 间的费用比对；生产线运行的耗电费、燃料费、水费、“三废”处理费、排污费、 使用寿命等等。在与用户谈合同时我们不仅要以技术的先进性取得用户的信赖， 更重要的是我们还必须了解上述各种费用的“时价”，细算经济帐，使我们的产 品让用户心悦诚服，处于竞争的有利地位。 1 。3 涂装生产线中固化设备的现状 涂装生产线中，固化设备占有重要的地位。 如前所述，工件表面被涂覆了涂料后，需经过固化设备的固化，才能形成美 观牢固的涂层。高性能的涂料不仅对固化的温度、时间要求严格，更对固化设备 的内部环境即固化设备有效温区内的温度均匀性有很高的要求。只有优越的固化 环境和条件才能使涂料的性能得到充分的保证。 涂层的固化在涂装过程中占有较长的时间，一般也是涂装生产线耗能的最主 要工序，因此涂层的固化过程对生产线的运行成本有很大的影响。所以固化设备 必须在保证涂层固化质量的同时，要有良好的保温性、能源的转化率要高；要有 较高的热效率，节约运行成本；向低能耗、少污染的方向发展。 现有的固化设备种类繁多，按热源的不同可分为蒸汽式、电能式、气体燃料 ( 城市煤气、液化气、天然气等) 式和燃油式；按结构的不同可分为全桥式、半 桥式和落地式；按加热方式可分为热风循环间接加热、直接燃烧加热、辐射加热 和导热油加热等。 第一章概述 八十年代初，我国引进的涂装生产线中的固化设备受当时的条件制约，多 以电为能源、以远红外辐射为加热方式。能耗大、保温性能不佳、炉内温度不均 匀。随着涂料对固化条件要求的提高，加热方式逐步采用热风循环式；由于电力 的紧缺，同时为了节约生产成本，现常采用燃油【气) 换热器作为能源供应设备。 热风循环固化设备一般按加热空气介质的方式分为直接加热和间接加热两 种形式。直接加热是将燃油或燃气在燃烧室燃烧时所生成的高温空气送往混合 室，在混合室内高温空气与来自烘干室内的循环空气混合，混合空气由循环风机 送往烘干室加热工件涂层使之固化。直接加热的烘干室结构简单、热损失小、投 资少并能获得较高的温度，但是燃烧生成的高温空气，往往带有烟尘，如除尘不 尽很容易污染工件涂层。直接加热的热风循环烘干室仅仅适用于质量不高的涂层 固化，如脱水烘干、腻子固化等。间接加热是利用热源在空气加热器内加热空气， 加热后的空气通过循环风机在烘干室内进行循环，通过热风循环方式加热工件涂 层。间接加热的热风循环烘干室相对直接加热的热风循环烘干室，其热效率较低、 设备投资较高，但是其热空气比较清洁，适合表面质量要求较高的涂层固化，在 汽车、家电、建材、机械制造等领域应用最为广泛。 1 4 本文的任务 综上所述，涂装生产线中固化设备的发展方向为：节能、降耗、降低运行成 本及提高炉内有效温区的温度均匀性。本文根据作者多年从事固化设备设计的经 验将从以下三个方面论述涂装生产线中固化设备设计的改进方法。 1 4 1 改进固化设备室体保温壁板的结构设计，并采用新型保温材料，减少漏热、 提高保温性能。固化设备保温性能的一个重要指标就是：室体保温板外表面与周 围环境之间的平均温差。温差越小，说明保温板的保温效果越好，热能利用率越 高；同样生产条件下，不仅节能、降耗、降低了运行成本，还改善了车间的环境。 l 。4 2 改进燃油或燃气换热器的设计。采用浮头式集中换热器，将换热器置于加 热室的保温板内，并于炉体联成整体。由于固化设备耗能很大，电的成本越来越 高，所以使用轻柴油或燃气作为热源是降低运行成本的有效途径。但现有的燃油 燃气换热器热效率较低，能源利用率不高，并未真正起到降低运行成本的的作用。 l ，4 3 改进热风循环系统的设计，提高送风的均匀性。涂料固化质量的好坏取决 于固化设备内有效温区的温度均匀性。对于热风循环加热方式而言，改变送风系 统的结构，采用变截面送风道的设计，能有效改善出风口的风速均匀性，从而提 高固化设备内有效温区的温度均匀性。 第二章室体的改进设计 第二章室体的改进设计 2 1 室体设计的改进方向 固化设备的室体是由保温板所构成的封闭箱式空间。表面涂覆了涂料的工 件在悬挂输送系统的牵引下在室体内运动，经过一定时间的高温作用，涂层固化。 由于室体内的温度在2 0 04 c 左右，与车间环境的温差达1 6 0 c ，所以，保温板保 温性能的好坏，直接影响设备的能耗和设备运行成本。 早期的保温板由框架、保温材料、面板构成。框架由型钢制作，多采用角 钢或槽钢在设备安装现场焊接而成；面板分内外两层，内板多采用镀锌钢板，外 板为冷扎钢板表面涂防锈漆和面漆，在设备安装现场焊接或铆接在框架上；保温 材料多采用石棉板或岩棉板在现场填装。这种结构的室体刚性比较好，但现场安 装工作量太大，质量不好保证；而且，由于保温板内外面板之间通过钢制材料连 接，存在热桥，漏热严重，能耗大，运行成本居高不下。 经过多年的试验和总结，本文将固化设备室体的保温板设计成单元式插板 拼装结构。每个单元由内外面板、保温材料和连接条构成；连接条将内外面板连 成整体，材料选用环氧树脂板，不仅保证了室体的强度，又切断亍热桥；保温材 料分为三层，每层之间错缝布置，有利于减少散热系数。如图2 1 。 图2 - 1 单元保温板示意图 1 面板2 保温材料3 连接条 确定了单元保温板的结构以后，要通过计算校核其整体强度和刚性；并根 据固化设备的使用条件和保温要求计算保温板的厚度。 此结构于1 9 9 4 年首次采用，经几年的总结和改进，取得了明显的效果。设 备制造材料成本降低2 0 左右；施工安装周期缩短2 0 0 人天；炉体外表面与 车间环境之间的平均温差小于3 。c ，从而能源利用率提高2 0 。 第二章室体的改进设计 2 2 保温材料的选择 保温板内的保温材料的作用是使室体密封和保温，减少固化设备的热量损 失，提高热效率。保温层必须采用非可燃性材料制作，保温层所用的材料和厚度 应根据固化设备的温度、结构决定。一般要求正常运行时，固化设备保温板外表 面的平均温度不高于环境温度( 车间温度) 5 。c 7 。 保温材料是固化设备的重要组成部分，它对降低热损耗、提高热能利用率、 降低运行成本和改善操作环境有着重要作用。应该主要从以下几方面来对保温材 料进行选择： 2 2 i 保温材料的绝热性 保温材料的绝热性即隔热能力，通常用导热系数 来表示。它与热能耗量q 的关系可用下式来表示： 叠兰! 垒二型 o 式中卜单位小时内通过保温材料壁板散失的热损耗量( j h ) ： 6 保温材料的厚度( m ) ； f 一保温材料导热面积( m 2 ) ； t 。车间环境温度( ) ； t m 固化设备的工作温度( ) ； 保温材料的导热系数 j ( m h ) 。 从上面公式可以看出，固化设备的保温板散热损失的热损耗量与保温材料的 导热系数 成正比，因此希望保温材料的 值低一些。不同的保温材料具有不同 的导热系数，即使对于同一种保温材料，随着材料的结构、容重、温度、湿度及 气压的变化导热系数一般也有差异。 在现有工业用保温材料中，矿石岩棉的导热系数为：0 2 9 2 6 j ( m h ) ， 与以前普遍使用的石棉板相差不多，但单价却相差5 0 左右。按一般涂装生产 线用8 吨保温材料计算，用矿石岩棉能节省2 5 3 0 万元。 2 2 2 保温材料的耐热性 由于固化设备的保温层长期处于高温环境下，因此它必须具有一定的耐热 性。要求保温材料在受热后本身的组织结构不被破坏，绝热性不会降低；同时在 升温和降温过程中能适应温度的变化。根据耐热温度的不同，保温材料可分为高 温( 8 0 0 。c 以上) 材料、中温( 4 0 0 。c 8 0 0 。c ) 材料、低温( 4 0 0 。c 以下) 材料三 第二章室体的改进设计 种。涂装固化设备一般工作温度在2 0 0 c 左右，属于低温加热设备；综合制造成 本等因素，室体的保温材料可以采用低温材料中的矿石岩棉。 2 2 3 保温材料的机械性能 固化设备的保温材料主要是填充使用，在这个过程中，要求它具有定的弹 性，以弥补保温护板的制作和安装误差。另外保温材料均处在高温环境下工作， 为了避免热胀冷缩而引起整个设备变形，所以还要求保温材料的热膨胀率要小。 矿石岩棉的主要成分为膨化的矿石纤维，其工业成品为板状物，具有一定的 弹性并具有很好的可切割性；其热膨胀率很小，自然状态下只有2 。 2 2 4 保温材料的密度 密度是保温材料的主要性能指标之一。其计算公式如下： yo = 导( k g m3 )( 2 - 2 ) p 0 式中 v 。保温材料的密度( k g m3 ) ； g 保温材料的质量( 蟾) ： v 。保温材料在自然状态下的体积( m3 ) 。 保温材料的容重( 即密度) 越小，则保温材料的保湿性能就越好，因此应该 采用容重小的保温材料。这样既可以节约能源，又可减少固化设备的自重。 2 2 5 结论 纵上所述，矿石岩棉作为种新型的工业用保温材料，其性能完全符合固 化设备中保温材料的使用条件；更由于其比较低廉的价格，能有效降低制造成本。 2 3 保温板厚度的确定 保温护板的厚度应考虑满足烘干室的工艺要求、保证良好的操作环境及节约 热能，又要尽量减少设备的投资，因此在选择保温护板的厚度时，应根据保障保 温板的温差进行计算，其计算公式如下： 6 = 三掣( m )( 2 3 ) ( i n lz m f 月j 式中：5 一保温材料的厚度( m ) ； t ，一保温护板内壁温度( ) ，取工作温度t 。= 2 2 0 。c ； a 。保温护板外壁的放热系数 j ( m2 h ) ；可按下式进行计算： ”。瓦也。e 坠赫篙饰2 小训a ， t8 一车间环境温度( ) ，取t 。- 2 5 。c ； 一釜三至皇堡塑垫堂堡生 _ _ _ ，- _ _ _ 一一 t 。一保温护板外壁温度( ) ，取t 。2 3 5 。c 将t 。和t 。代入式( 2 4 ) 得：a 。= 9 4 2 3 ( m 2 h ) 一保温材料的热导率 w ( m k ) 。 x 值与保温层的平均温度成线性变化关系，即： = o + b t 。 w ( m k ) ( 2 - 5 ) 其中保温材料的平均温度( t 。) 可用下式进行计算： t ，= 毕= 1 2 7 5 ( ) 式中x 。一岩棉板在0 时的热导系数 w ( m k ) ，取九o 2 0 1 0 8 ； b 一每升高1 时，导热系数增加的常数，取b = 0 2 8 ； 代入式( 2 - 5 ) 得： = 1 4 9 8 将a 。、 、t 。、t 。、tb 代入式( 2 3 ) 得：6 2 1 5 0 1 m 2 ，4 固化设备热损耗量的计算 保温板的厚度确定之后，要计算固化设备的热损耗，以确定其装机功率。 热风循环固化设备的热损耗量计算一般先按工作时单位时间热损耗量计算， 然后再按升温时间的要求计算升温时热损耗量，两者进行比较，取其较大值作为 固化设备的装机功率。 2 ，4 1 工作时热损耗量的计算 工作时单位时间的热损耗量按下式计算： q - - k ( q ，+ q2 + q3 + q4 + q5 + q6+q，)(27) 式中q 一工作时总的热损耗量( j h ) ： e ，一通过固化箱外壁散失的热损耗量( j m ) ； q2 一通过固化箱地面散失的热损耗量( j h ) ； q ，一加热工件和输送机移动部分的热损耗量( j m ) ； q 。一加热涂料( 或水分) 和涂料中溶剂( 或水分) 蒸发的热损耗景( j 1 1 ) ； q 。一加热新鲜空气的热损耗量( j h ) ： 第二章室体的改进设计 q 。一通过固化箱外部循环风管散失的热损耗量( j h ) ； q ，一通过固化箱门洞散失的热损耗量( j m ) ； k 一考虑到其它未估计到的热损耗量的储备系数，一般k = l | 1 ，1 3 k 值是在所有的热损耗量都进行过计算的前提下估计的热损耗量的储备 系数。下面对各种热损耗量进行计算如下： 通过固化箱外壁散失的热损耗量的计算 每小时通过固化箱外壁散失的热损耗量q ，应按下式计算： q = k f ( t - t o ) ( 2 - 8 ) 式中k 固化箱保温护板的传热系数【j ( m2 h ) 】，见表2 - 1 ； 表2 - 1 保温护板传热k 值表 l保温护板厚度m0 0 80 10 1 20 1 5 l 传热系数础( m z h ) 一 5 1 0 04 8 0 04 2 0 03 5 0 0 f 一固化箱保温护板的表面积之和( m 2 ) ，对于桥式或架空的直通式 固化箱f 就是烘干室的外表面积，对于落地式固化箱就是固化箱外 表面积除去底部面积： t 一固化箱的工作温度( ) ： t o 一车间( 环境) 温度( ) ，t o 取车间全年最低温度月份的平均温度。 通过固化箱地面散失的热损耗量的计算 直接安装在地面( 一般铺设耐火砖) 上的固化箱，热空气直接与地面接触， 每小时通过固化箱地面散失的热损耗量q2 按下式计算： q2 。k l f 7 ( t 。) ( 2 9 ) 式中： k 一地面材料的传热系数 j ( m 2 t h ) ，一般取经验值k ，= 1 0 5 0 0 ； f ，一固化箱所占的地面面积( m 2 ) ： t ，一固化箱的工作温度( ) ； t 。一车间( 环境) 温度( ) 。 第二章室体的改进设计 加热工件和输送机移动部分的热损耗量的计算 每小时加热工件和输送机移动部分的热损耗量q ，按下式计算 q3 = ( g 1c 1 + g 2c2 ) ( t 。2 一t d ) 式中g 一按重量计算的工件最大生产率( k g h ) c 【一工件的比热容 j ( k g ) 】 g ：一每小时加热输送机移动部分( 包括挂具) 的重量( k g h ) c ：一输送机移动部分的比热容【j ( k g ) ( 2 1 0 ) t 。：一工件或输送机移动部分在出口处的温度( ) ，一般取t0 2 = t 。 t 。一工件或输送机移动部分在进口处的温度( ) ，一般取t 。= t 。 加热涂料( 或水分) 和涂料中溶剂( 或水分) 蒸发的热损耗量的计算 每小时加热涂料( 或水分) 和涂料中溶剂( 或水分) 蒸发的热损耗量q 。按 下式计算： q4 2 g 3 c3 ( t 。- t 。o ) + g4r ( 2 - 1 1 ) 式中： g ，一每小时进入固化箱的最大涂料消耗量( k g h ) ； c ，一涂料的比热容 j ( k g ) 】； t 。一固化箱的工作温度( ) ： t 。一车间( 环境) 温度( ) ： g 。一每小时进入固化箱的涂料中含有的最大溶剂量( k g h ) ： r 一溶剂的气化潜热( j k g ) 。 加热新鲜空气的热损耗量的计算 每小时加热新鲜空气的热损耗量q ，按下式计算： q5 2 g 5c4 ( t 。一t 。o )( 2 1 2 ) 式中 c 。一空气的比热容【j ( k g ) 】； t ，一固化箱的工作温度( ) ： 9 第二章室体的改进设计 t 。一车间( 环境) 温度( ) ； g ；一每小时进入固化箱的新鲜空气的重量( k g h ) 。 a 对于无溶剂的被涂物烘干，g ，可按下式估算 g ，= ko fo ( 2 _ 1 3 ) 式中 g ；一每小时进入固化箱的新鲜空气的重量( k g h ) ； f 。一固化箱敞丌门洞的面积( m 2 ) ； k 。一经验数据，直通式无空气幕时k 。取0 2 - - 0 47 桥式或有空气幕时 k 。取0 1 o 1 5 。 b 对于溶剂型涂层烘干室新鲜空气量g ；的估算 确定新鲜空气量的原则是保证在固化箱内可燃气体最高体积浓度不能超过 其爆炸下限值的2 5 ，固化箱内粉末最大含量不能超过爆炸下限浓度的5 0 。 各种类型及工作温度的固化箱，按表2 2 选取固化箱内可燃气体爆炸下限计算值 表2 - 2 可燃气体爆炸下限计算值 固化箱类型固化温度 1 ) 下进行的。 燃烧l k g 轻柴油( 0 # ) 所产生的实际烟气量( 标态1 ： 0 = y ：l 0 2 + 巧i + 喵：。+ 1 0 1 6 1 ( o ：一1 ) v 。 = o 0 1 8 6 6 ( c + o 3 7 5 s ) + ( 0 7 9 v 。+ o 0 8 n ) +( 3 - 2 ) r o 1 1 1 h + o 0 1 2 4 w + o 0 1 6 1 v o 、+ 1 0 1 6 1 ( a 一1 ) v 。 取过量空气系数舻1 1 ，则 v y = 0 0 1 8 6 6 ( 8 5 5 5 + 0 3 7 5 x 0 2 5 ) + 0 0 8 0 0 4 + 0 1 1 1 1 3 4 9 + ( o 7 9 + 0 0 1 6 1 + 1 0 1 6 1 ( 1 1 - 1 ) ) 1 1 1 5 = 1 3 2 2 ( m 3 ) 其中： p = o 1 1 1 日+ o 0 1 6 1 a v o = 0 ，1 1 1 1 3 4 9 + o 0 1 6 1 1 1 1 1 1 5 = 1 6 9 5 ( m 3 ) ，。= o 0 1 8 6 6 h = o 0 1 8 6 6 8 5 5 5 = 1 5 9 6 ( m 3 ) 3 4 换热器的效率 要计算换热器的效率可通过热平衡方程求得，通过效率可以检查换热器的设 计质量及运行水平，并由此分析造成热损失的重大原因，做到及时改进，以提高 效率，节约运行成本。燃油换热器的热平衡方程如下： q ，2 q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5( 3 - 3 ) 式中 q ，一送入换热器的热量； q l 有效利用热量； q 2 一排烟热损失： q 3 机械不完全燃烧热损失；对喷射式燃烧器，可取q 3 = 0 一 笙三主鳖塑垫垫墨塑塾堂篓生 -_-_-_-_一 q a 一化学不完全燃烧热损失 q ，一保温层的散热损失； 换热器的效率：玎= 鲁1 。 望! 二鱼二些二鱼。l o o q ， ( 3 - 4 ) 对于燃油换热器，送入换热器的热量为： q ，= q d w + i r + l k ( 3 5 ) 式中q d w 一燃料油的低位发热量，对o # 轻柴油其值约为1 0 2 0 0 k c a l k g i 一燃料油的物理热 i k 一过量空气的物理热 由于i ，、i k 远小于q “，因此实际计算时可认为q r = q a 。 对于保温层的散热损失q s ，当换热器置于加热室内时，由于保温效果比较 好，而且散失的热量也在固化设备内，因此实际计算时可忽略不计。 对于化学不完全燃烧热损失q 一，其主要影响因素是：燃料的挥发份、燃烧 腔的过量空气系数、燃烧腔的温度、腔内气流的混合工况等。在燃烧正常的情况 下，其值很小，一般取q 4 = o 5 。 排烟损失q 2 是换热器损失中最主要的一项，它是由于燃烧后排出的烟气焓 高于进入燃烧腔的空气焓造成的。它的大小主要与排烟温度和烟气容积有关。排 烟温度越高，热损失越大，一般排烟温度提高1 5 - - 2 0 ，排烟热损失增加1 所 以应使排烟温度尽量降低，但这又将引起换热器的金属耗量和烟气流动阻力增 大，还可能造成尾部受热面的低温腐蚀。因此，设计时应通过分析选择合理的设 计温度。在涂装线的涂膜固化设备中，一般根据涂膜的固化温度来确定排烟温度。 对一般粉末固化设备，排烟温度定为2 5 0 左右。 通过以上分析，式( 3 - 4 ) 可简化为： r ：丝二垒。1 0 0 ( 3 - 6 ) 如 当排烟温度为2 5 0 。c 时，对l k g o # 轻柴油可计算出它的排烟热损失q ：。 q 1 = y 1 1c 0 1 + v n t in 1 + v h p i h , o + v x i 5 1 6 x 4 5 9 + 8 8 1 x 3 2 6 + 1 7 x 3 8 4 + 1 1 1 x 3 3 5 2 4 6 3 1 啊，k g ) 2 1 1 0 8 ( k c a l k g ) 因此，换热器的效率： ”：! 生二皇王1 0 0 ：1 0 2 0 0 - 1 1 0 8 x 1 0 0 ：8 9 q “ 1 0 2 0 0 i8 第三章燃油换热器的改进设计 3 5 换热器的设计计算 对换热器的设计计算，这里按图3 一l 所的结构进行讨论，为了分析、计算时 更为方便，根据涂装设备的实际情况先设定一些参数，如排烟温度t p 。= 2 5 0 。c ， 燃烧腔烟气出口温度t o = 1 0 0 0 。c ；被加热空气入口温度t k l = 1 0 0 。c ，加热后空气温 升为4 0 等。 对0 # 轻柴油，i i , o , , = 5 6 4 4 k c a l ，则燃烧腔的放热效率带入数字的计算式为： q 。= ( 1 0 2 0 0 - 5 6 4 4 ) 1 0 2 0 0 = 4 4 5 ，因n = 8 9 ，所以管束的放热效率与燃烧腔的 相同，那么可得t 。= t 。+ 4 0 2 = 1 2 0 。 3 5 1 换热器的热交换形式 由传热学可知，热量的传递有三种方式：导热、对流和热辐射。实际的传热 常常是三种基本传热过程同时出现，通过对换热器的模型图分析可看出，燃料燃 烧产生的热能以热烟气为载体，以对流和辐射的方式传给换热器的内壁，然后通 过导热传到换热器的外壁，最后通过对流方式加热空气。其中，燃烧腔内的传热 主要以辐射为主，对流所占比例很小。这是因为一方面炉内火焰及烟气的温度很 高，一般在1 0 0 0 。c 以上，与炉壁的传热很强烈，另一方面炉内烟气流速较小， 因此对流传热很弱。因此在计算时燃烧腔内的对流传热可不计。 3 5 2 火焰( 或烟气) 黑度的计算 燃料燃烧产生的高温烟气对炉内壁的辐射可按下式计算： 绋= a 6 c x t o o ( 咒一万) ( 3 - 7 ) 其中：q f 辐射换热能量( k j ) a b 炉壁面积( m 2 ) o 。一绝对黑体辐射常数，其值为5 6 7 x 1 0 1 1 1 k w m 2m k 4 t h y 一火焰平均温度( k ) ，可取t h y = t q 。+ 4 7 3 t b 炉壁温度( k ) 札一系统黑度， 1 。= 了专1 j ，e b _ 炉壁黑度，eh 厂一火焰黑度 e h 口? e b j 从式( 3 7 ) 可知，在计算燃烧换热辐射时，需首先确定火焰( 或烟气) 的 黑度，而火焰黑度eh y 可按下式计算： 。h v = 1 e 。砸( 3 - 8 ) 其中：5 一有效辐射层厚度( ) 第三章燃油换热器的改进设计 对炉腔：1 5 = 3 6 v 1 a b ，v 【一炉膛容积( m 3 ) a b 一炉壁面积( m 2 ) 对于圆柱形炉腔：6 = 0 ，9 d p 炉膛压力，取p = 0 1 m p a k 火焰辐射减弱系数( 1 m m p a ) 对于燃烧液体燃料，火焰明显可分为发光部分和不发光部分，则火焰黑度： 。h y - - - - m 。龟+ ( 1 哪) 8q ( 3 9 ) m 一火焰发光系数，表示火焰发光部分充满炉膛份额，其大小取决于炉 膛容积热负荷，对于q v 4 0 0 k w m 3 的燃油炉，取m = 0 5 5 火焰发光部分：k = k q r + k t h ( 3 1 0 ) 三原子气体部分：k - = k 。r ( 3 - 1 1 ) r 一火焰中三原子气体的总容积分数，r = ，。+ o 。 k 。一三原子气体的辐射减弱系数( 1 m m p a ) ，按下式计算： 驴姒等争一0 1 ) ( 1 - 0 3 7 南 p 。一火焰中三原子气体的分压力( m p a ) ，p q = p r k i h 一火焰中碳黑粒子的辐射减弱系数( 1 m m p a ) ，按下式计算： 个rr， k m 枷。3 ( 2 - a ) ( 1 6 蒜。0 5 ) 参( 3 - 1 3 ) t 。一炉腔出口烟气温度( k ) a 一过量空气系数，取o = 1 1 三一一燃料应用基中碳与氢的含量比值 当燃料为。# 轻柴油时，r h ：o = 0 1 1 5 , r = 0 2 3 6 , 仃c _ l ，= 6 3 4 对于燃烧腔的辐射换热，当取d = o 8 m ，n = 1 1 ，t , o = 1 2 7 3 k 时，则 t 。圳c 意黑卷羔杀- 0 1 ) ( 1 - 0371273001 2 3 6 ) 09 08 1 0 0 0 h 瑚。 ( 1 + o 。 k t h = 03 ( 2 1 1 ) ( 1 6 x 1 2 7 3 1 0 0 0 0 5 ) x 6 3 4 = 2 6 3 火焰发光部分：k - 1 ( a r 十虹= 1 1 8 4 x 0 2 3 4 + 2 6 3 = 5 4 三原子气体部分：k 2 k 萨1 1 8 4 x 0 2 3 6 = 2 8 2 0 茎三里塑迪堡垫墨竺塾垄堡盐 一一 火焰发光部分的黑度：。f g _ 1 e _ k p 6 = 1 e 5 4 x 0 1 。o 7 2 = o 3 2 三原子气体部分的黑度：8f 1 一e 却唾1 e 。2 8 。0 1 x o 7 2 = o 1 8 则火焰黑度：8h 广m 。名+ ( 1 一m ) q = o 5 5 0 3 2 + ( 1 0 5 5 ) x 0 ，1 8 。0 2 6 对于管束部分的辐射换热，m = 0 ，因此8h y = 1 1 1 8 f g + ( 1 一m ) 6q - 8q ( 3 _ 1 4 ) 当取d = 0 0 5 6 m ，a = 1 1 ，t p 。= 5 2 3 k 时，则 驴姒而黑卷淼m ，) ( 1 - 0 3 7 罴) - 7 0 s刮叭而菽丽菰羲丽蒜刈1丽户。 k = k f 7 0 5 0 ，2 3 6 2 1 6 ，6 三原子气体部分的黑度：a = 1 - e 。p 6 = 1 e 一1 6 6 x 01 x o0 5 6 。o 9 = o 0 8 3 5 3 空气换热系数的计算 换热器与空气的换热计算包括两部分，即管束部分和燃烧腔部分，从图3 1 可见，空气都是通过横向冲刷来进行热交换的，对于管束部分，当r e 1 0 时， 一般来说，叉排的换热比顺排好，因此在实践中大都采用叉排设计。下面仅就叉 排管束部分和燃烧腔部分的换热进行具体介绍： 空气横向流过叉排管束的换热： 叉排管束的布置方式如图4 2 所示，图中横向节距为s 1 ，其横向相对节距 圈3 - 2横同押刷义排雷粜邗亘万甄 吼= s 1 d ；n n 3 e g s 2 ，纵向相对节距仃：= s 2 d ；斜向节距s 2 0 2 = s 2 d ；距= 瓜丽 其换热系数按下式计算： 吼= c ，c 。告r e 0 6 p r o 3 3 = a ，_ c s c 万0 ) 0 6 式中：c s 一节距修正系数，由。及妒：马 确定； d 、一1 斜向相对节距 ( 3 一1 5 ) 茎三里签鎏垫垫璺竺垦堂墨盐 一 当0 1 妒1 7 ，c ，= 0 3 4 o o c 。一管排修正系数， n l o 、o1 一 ， n 4 第三章燃油换热器的改进设计 3 5 4 烟气换热系数的计算 燃料燃烧产生的高温烟气流经管束时的热交换既有对流又有辐射，因此其换 热系数是两部分之和，但又以对流为主。从图3 - i 可见，烟气是纵向冲刷管束的， 其对流换热系数按下式计算： 驴爿雾 z ， 式中爿= 0 0 2 万3 2 j o “4 其辐射换热系数按下式计算： 驴5 1 10 - 8 啊尝 2 2 ) 1 n 式中e 。一烟气黑度 t ，一烟气平均温度( k ) ，取t v - ( t q o + t 。) 2 t g b 一管壁平均温度( k ) ，取t g b = ( t ，+ tk ) 2 设烟气在管内流速( i ) = 6 m s ，管内径d = o 0 5 6 m ，管外空气平均温度tk = 儿o ， 当燃烧腔出口烟气温度t q o = 1 0 0 0 。c ，排烟口温度t ，o = 2 5 0 c 时， 定性温度t v = ( 1 0 0 0 + 2 5 0 ) 2 = 6 2 5 ，可查7 导 = 7 ，6 3 1 0 。2 w ( m ) ，v = 9 3 8 x l o 弗( m 2 s ) ，p r = 0 6 1 ， 则由式( 4 2 1 ) 计算得 a= ! ：! 翌型：! ：! 垫! ! ：箜! ! ! ：! ! ：垡： 矿o8 ( 9 3 8 1 0 6 p 驴一雾观。啬= 3 1 9 ( w ( m 2 k ) = 2 4 由式( 3 - 2 2 ) 计算得 旷s o s 纠喾 = 5 1 1 0 “0 0 8 8 9 8 3 鳟6 5 3 3 6 以4 ( w m 2 。c ) 3 始 因此烟气的换热系数为：口y = 口一+ 口= 3 1 9 + 7 4 = 3 9 3 ( w m 2 ) 第三章燃油换热器的改进设计 3 5 5 燃烧腔和管束换热面积的确定 燃烧腔换热面积的确定 在计算腔传热时，根据热平衡原理，即高温烟气与换热器内壁的换热量等于 换热器外壁与被加热空气的换热量，因此可列出热平衡方程： q f = a b s 。盯o ( 咒一万) = 甜a 6 ( 瓦一瓦) ( 3 2 3 ) 将上式简化可得：c ( 拿) a + 拿一1 ：o ( 3 - 2 4 ) 1 0o 式她志c 静 瓦= 毒e 为 5 ，7 气。巧上+ l - 1 由式( 3 2 2 ) 可知，要计算炉膛内的辐射换热时，需预先确定炉膛的壁温。 对于o # 轻柴油，参考前面的计算，并取b _ 0 8 ，t h y = 1 0 0 0 + 4 7 3 = 1 4 7 3 k ， t k = 13 0 + 2 7 3 = 4 0 3 k ，则 气：兰：旦一：1 3 9 q r2 再2 磊1 1 。1 9 瓦2 丢意) 4 + 瓦= 等等n 。啦z 6 s 2 丘 c ：鱼一( 皂) ，：! ：! ! ( 兰咝) ，= 8 9 1 1 0 0 a 。、1 0 0 7 1 0 0 2 9 1 、l o o 7 将c ，t o 带入式( 3 2 3 ) ，用凑数法即可求得：tb = 1 0 2 5 。c 则燃烧腔传热的单位面积的热流密度为： q = c t q k ( t b t k ) 2 9 1 ( 1 0 2 5 1 3 0 ) = 2 6 ( k w m 2 ) 则燃烧腔的面积：a b = q f ：q = b j ( q f - i p 。) q( m 2 )( 3 2 5 ) 式中b 燃料消耗量( k g ) q 一炉膛每公斤燃料的有效放热量( k j k g ) i 。o - 一炉膛出口处每公斤燃料的烟气焓( k j k g ) 第三章燃油换热器的改进设计 管束换热面积的确定 根据前面的分析，参见图3 - 1 ，由于已确定了冷热流体的进出口温度及冷热 流体对管束的换热系数，因此它们之涮的换热计算可按叉流的情况进行，其计算 公式如