DOI: 10.19289/j.1004-227x.2021.06.011 汽车涂装热闪干工位除湿方式探究
张焕亮*，杨瀛涛，董美琛
（浙江吉利新能源商用车集团有限公司，浙江杭州310000）
摘要：介绍了目前在涂装热闪干工位有应用的除湿方式，包括直膨式热泵除湿、传统表冷器除湿、传统方法预除湿+ 转轮除湿以及直膨式热泵预除湿+ 转轮除湿。简述了各除湿方式的原理，比较了它们的优缺点。在满足工艺条件的前提下，比较了上述4种除湿方式的能耗。认为直膨式热泵除湿节能效果最优异，而转轮除湿将逐渐成为新建涂装项目的主流。
关键词：涂装；热闪干；除湿；直膨式热泵；除湿转轮；工艺设计
中图分类号：U466 文献标志码：A 文章编号：1004 – 227X (2021) 06 – 0466 – 08 Study on dehumidification method for hot flash drying section in automobile painting
ZHANG Huanliang*, YANG Yingtao, DONG Meichen
(Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Group, Hangzhou 310000, China)
Abstract: Several dehumidification methods currently used in the hot flash drying section in painting line were introduced, including direct-expansion heat pump dehumidification, traditional surface cooler dehumidification, surface cooler plus rotary wheel dehumidification, and direct-expansion heat pump plus rotary wheel dehumidification. The dehumidification principle of each method was described, and their advantages and disadvantages were compared. The energy consumptions when using the said four methods on the premise of meeting the process requirements were calculated and compared. It is believed that the direct-expansion heat pump dehumidification is most energy efficient, and the rotor dehumidifier will become more and more widely used in new painting projects.
Keywords: painting; hot flash drying; dehumidification; direct-expansion heat pump; rotor dehumidifier; process design 随着环保压力的不断升级，汽车涂料的水性化已经成为主流。无论是汽车涂装传统的3C2B工艺，还是过渡型的3C1B工艺，以及最新的B1B2工艺，均存在湿碰湿的水性涂层。由于水性漆的特性，需进行热闪干，以解决由于湿碰湿而在车身烘烤时水分蒸发引致气泡等弊病出现的问题。
涂装热闪干系统包括全不锈钢的通过式室体、加热单元、除湿单元、排废气系统、强冷装置及相关的风管及控制系统等，其原理如图1所示。
图1 热闪干系统原理图
Figure 1 Schematic diagram showing the working principle of hot flash drying system 传统热闪干的加热时间一般为3 min(升温一区) + 5 min(升温二区)，加热温度一般为80 ~ 90 °C，
收稿日期： 2020–06–28 修回日期：2021–03–04
作者简介： 张焕亮（1984–），男，山东潍坊人，本科，工程师，主要研究涂装生产线规划相关技术及涂装SE。
引用格式： 张焕亮, 杨瀛涛, 董美琛. 汽车涂装热闪干工位除湿方式探究[J]. 电镀与涂饰, 2021, 40 (6): 466-473.
ZHANG H L, YANG Y T, DONG M C. Study on dehumidification method for hot flash drying section in automobile painting [J]. Electroplating &
Finishing, 2021, 40 (6): 466-473.
强冷后车身温度要求不高于35 °C，风口风速一般要求为加热1区12 m/s、加热2区16 m/s。不同的除湿方式、油漆材料对加热温度、时间及风口风速要求稍有不同，在此不展开阐述。
除湿主要有4种方法：第1种为冷冻除湿，将空气冷凝到露点或冰点以下，令水分析出，传统的除湿表冷器和直膨式热泵就是采用此方法；第2种为固体吸附剂除湿，转轮除湿即采用此方法；第3种为压缩除湿；第4种为液体吸湿剂除湿。最后2种在涂装闪干工位中应用不多，故本文不予讨论。
2 涂装热闪干工位直膨式热泵除湿
2. 1 直膨式热泵
近几年，热泵在涂装行业应用较多，狭义的热泵可理解为采用制冷机组的热回收系统，典型的是湿式喷漆室(如文式喷漆室、水旋喷漆室)中循环风的利用[1]。循环风需先降低湿度，然后升温，以满足喷漆室的温湿度要求。此情况下热泵的工作流程是：制冷机组内的制冷剂经压缩、冷凝、节流、蒸发4个过程产生冷量和热量，再分别借助水载体，通过管路输送到循环风空调的除湿盘管和加热盘管上，以达到降温除湿和二次升温的目的，此时的热交换过程为：制冷剂→水→空气。
而直膨式热泵是制冷剂直接与处理空气完成热交换，中间不通过水作为二次换热载体，热交换过程为“制冷剂→空气”，冷凝器和蒸发器被直接集成到相应的空调机组功能段内，此时换热效率更高，从而达到节能减排的目的。直膨式热泵的典型布置如图2所示。
图2 直膨式热泵布置示意图
Figure 2 Schematic diagram showing the layout of direct-expansion heat pump
2. 2 溶液式热回收系统
在直膨式热泵除湿过程中，第一级换热一般采用溶液式热回收系统，原因是从热闪干进入除湿装置的循环风温度是变化的(若采用全新风除湿，新风温度比较恒定，可直接采用热泵系统)。根据制冷原理，洛伦兹循环具有最高的效率。溶液式热回收系统的原理如图3所示：冷却和加热采用乙二醇溶液作为载冷剂，通过水泵循环在冷侧和热侧进行换热。溶液吸收为全热吸收，吸收效率可达50% ~ 85%。
2. 3 直膨式热泵除湿
2. 3. 1 直膨式热泵除湿单元的应用
直膨式热泵除湿单元根据最终的空气含水量设置3 ~ 4级冷却除湿(采用3级除湿时，处理空气绝对
湿度可达到3.5 g/kg左右；4级除湿则可达到1 ~ 2 g/kg)，第一级为溶液式热回收系统，第2 ~ 4级采用直膨式热泵。
图3 溶液式热回收系统的原理示意图
Figure 3 Schematic diagram showing the working principle of solution circulation heat recovery syste
m 在制冷剂的选用上，2 ~ 3级一般采用环保R134a制冷剂，第4级一般采用非共沸混合物制冷剂，如R404A、R407C等。非共沸混合物制冷剂应用在蒸发温度与被冷却对象温度之间的差别以及冷却温度与环境介质温度差异较小的场合，温差越小，制冷效率越高[2]。
空气在到达第3级蒸发器时，温度已达到0 °C以下，蒸发器上会有结霜、结冰现象，故从第3级起，高温冷媒会通过旁路进入蒸发器，达到除霜、除冰的目的，此时双蒸发器前的电动风阀交替开启，保证了系统的稳定性。
在降温除湿后，处理空气再经热泵系统的多级加热后直接进入热闪干工位，不需要额外增加热源，有效降低了能耗。
直膨式热泵除湿、加热的工作原理如图4所示。
图4 直膨式热泵除湿、加热的工作原理
Figure 4 Dehumidification and heating principles of direct-expansion heat pump
2. 3. 2 直膨式热泵除湿各状态点案例分析
根据图4，对某工厂案例(风量为32 000 Nm3/h)进行工艺设计分析，确定各状态的参数。
状态1：闪干室内循环风+ 新风，新风的量根据风平衡确定，混合后经2道过滤，精度为G3 + F5，温度60 °C，绝对含水量10 g/kg。
状态2：待处理空气经溶液式热回收系统冷侧的制冷盘管换热，温度降低到25 °C，绝对含水量不变，仍为10 g/kg，此时载冷体乙二醇的温度由16 °C提高到42 °C。
状态3：经热泵机组1的蒸发器换热后，空气温度降到6 °C，绝对含水量降到5.8 g/kg，此时系统吸热340 kW。
状态4：经风阀交替进入到热泵机组2的2个独立蒸发器换热后，空气温度降低到−1 °C，绝对含水量
降低到3.5 g/kg，此时系统吸热147 kW。
状态5：经溶液式热回收系统热侧加热盘管换热，空气温度升到35 °C，绝对含水量不变，为3.5 g/kg，此时载冷体乙二醇温度由42 °C降低到16 °C，系统放热410 kW。
吉利新标志状态6：经热泵机组2的冷凝器换热后，空气温度升到50 °C，绝对含水量仍不变，为3.5 g/kg，此时系统放热178 kW。
状态7：因热泵机组1的冷凝器制冷剂的温度限制，处理完的空气温度不会再升高，只作为状态6的补充，温度依然为50 °C，绝对含水量也不变，为3.5 g/kg。此时系统放热0 ~ 178 kW，多余热量通过辅助散热风扇排到系统外，整个系统排放热量约440 kW。
3 涂装热闪干工位传统表冷器除湿
3. 1 传统表冷器除湿的原理
传统的除湿方法如图5所示。采用制冷机组产生7 °C的冷冻水，冷冻水通过管道、电动/气动调节阀进入除湿机组表冷器；待处理空气进入表冷器降温到露点以下，析出冷凝水，从而达到降低空气绝对含水量的目的；干燥后的空气进入加热单元，参与到闪干室的循环风中。
图5 传统表冷器除湿原理示意图
Figure 5 Schematic diagram showing the dehumidification principle of traditional surface cooler
3. 2 传统表冷器除湿各状态点案例分析
根据图5，对处理空气进行工艺设计分析，结合焓湿图，各状态的参数列于表1。
表1 传统表冷器除湿各状态点参数表
Table 1 Parameters of each state during dehumidification when using traditional surface cooler
状态点干球温度/ °C 湿球温度/ °C 相对湿度/ % 绝对含水量/ (g·kg−1) 焓/ (kJ·kg−1) 风量/ (m3·h−1)
A 29 26.8 85.0 21.5 84.6 20 000
B 14 14.0 100.0 10.0 39.3 20 000
C 90 33.2    2.3 10.0 117.6 20 000
4 涂装热闪干工位转轮除湿
4. 1 除湿转轮
转轮除湿装置一般由支撑结构、转芯、驱动马达、新风送风风机、再生风机、风管等组成。转轮安装在2个风盒之间，并用耐高温密封垫圈将其分割成2个区域，为吸附区和再生区。除湿过程为：转轮旋转，待处理空气穿过转轮的蜂窝状空间，携带的水分被蜂窝状表面的吸附物质所吸附，使空气变得干燥。转轮继续旋转到再生区域，在高温气流的作用下，吸附的水分被释放并随空气排出，达到再生的目的。2个区域持续移动与变换，使得水分的吸附与释放也随着系统的运行一直持续循环下去。
4. 2 除湿材料
除湿转轮是转轮除湿系统中的核心部件，除湿转轮中干燥剂的材料又直接影响了转轮的除湿效率。转轮材料经过了4代发展：第1代──氯化锂，始于20世纪50年代；第2代──氧化铝，始于20世纪60年代；第3代──硅胶，始于20世纪70年代；第4代──分子筛，始于20世纪80年代[3]。目前，除湿材料大多采用硅胶，但硅胶在吸附时放出大量的热量，影响其吸附量。
4. 3 转轮参数
转轮的各项参数与使用工况、处理空气量、吸附材料、预除湿和脱附的方式等有很大关系。对于汽车涂装热闪干，吸附材料的主流是硅胶，除湿区与再生区面积比一般为3∶1，转轮面积根据除湿侧风量进行计算，厚度一般200 mm，除湿侧风速一般为2 m/s，除湿侧出风含水率一般要求3 ~ 4 g/kg，转轮的除湿能力一般设计为4 ~ 7 g/kg。
4. 4 转轮的除湿效果与再生温度和处理空气温度的关系
在给定条件下，转轮的除湿效果与再生温度和处理空气的温度有很大关系。有试验[4]表明，转轮除湿量随再生温度升高而增大，但当高于某个温度时，系统能耗将增加。另外，处理空气温度越低，则除湿量越大。根据测试，处理空气的温度每下降10 °C，除湿效率约可增加15% [5]。故在转轮除湿过程中，如何降低处理空气的温度，进行预除湿，提高再生温度，同时降低能耗，也是研究的方向之一。
4. 5 传统方法预除湿加转轮除湿
待处理空气经过滤后进入冷冻水盘管进行降温预除湿，随后进入除湿转轮。除湿后的空气进入闪干室的加热单元，参与到系统的循环风中；同时，在转轮的再生区域，燃烧机加热空气，令吸附的水分从转轮的吸附材料中脱附，随着空气排出。整个系统的原理如图6所示。
图6 传统方法预除湿加转轮除湿的原理示意图
Figure 6 Schematic diagram showing the working principle of traditional surface cooler plus rotor dehumidifier
根据图6，对工艺设计进行分析，结合焓湿图，确定各状态的参数，列于表2。
表2 传统方法预除湿加转轮除湿的各状态点参数表
Table 2 Parameters of each state during dehumidification when using traditional surface cooler and rotor dehumidifier
状态点干球温度/ °C 湿球温度/ °C 相对湿度/ % 绝对含水量/ (g·kg−1) 焓/ (kJ·kg−1) 风量/ (m³·h−1)
A 29 26.9 85.0 21.5 84.6 20 000
B 13 12.8 95.0 9.0 36.1 20 000
C 36 16.6 10.9    4.0 46.6 20 000
D 70 26.2    2.1    4.0 81.2 20 000
E 29 26.8 84.7 21.5 84.2    6 000
F 120 21.5    6 000
4. 6 直膨式热泵预除湿加转轮除湿
此方式与传统方法预除湿加转轮除湿的区别在于预降温和脱附均采用热泵系统，其原理如图7所示。根据图7进行工艺设计分析，结合焓湿图，确定各状态的参数，列于表3。
5 除湿方式的对比
经以上介绍可知，常用的除湿方式有直膨式热泵除湿、传统表冷器除湿、传统方法预除湿加转轮除湿以及直膨式热泵预除湿加转轮除湿4种。它们在装备方面的比较见表4。