Raport nt. urządzenia do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła

  • 05.11.2014
  • 3785
  • Źródło: www.innowacje.zut.edu.pl

Źródło zdjęć: RCIiTT ZUT w Szczecinie

Podczas aplikacji lakierniczych wewnątrz kabiny lakierniczej wokół lakierowanego przedmiotu powstaje mgła lakiernicza. Powietrze wyciągane z wnętra kabiny lakierniczej pomimo oczyszczania zawiera cząstki lakierów, które tworzą osady wewnątrz kanałów wyciągowych. Powstające osady powodują spadek sprawności odzysku ciepła w obecnie stosowanych rekuperatorach. W artykule przedstawiono nowe rozwiązanie odzysku ciepła dla kabin lakierniczych, które pozwala na łatwiejsze oczyszczanie z cząstek lakierów i zapewni niezmienną sprawność odzysku ciepła przez cały okres eksploatacji kabiny lakierniczej.

Opis wynalazku


Wynalazkiem jest urządzenie do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła, ze szczególnym przeznaczeniem dla komór lakierniczych, które może być również wykorzystane w innych konstrukcjach wymagających podobnego sposobu wentylacji, gdzie wyrzucane ciepłe powietrze jest zanieczyszczone cząstkami stałymi osadzającymi się ścianach kanałów wentylacyjnych.

Kabiny lakiernicze mają trzy tryby pracy:

- tryb lakierowania (natrysku);
- tryb wygrzewania (suszenia);
- tryb wentylowania.

W trybie lakierowania powietrze w kabinie jest stale wymieniane poprzez kanał nawiewny oraz wywiewny. Powietrze jest pobierane z zewnątrz oraz wstępnie oczyszczane za pomocą filtra zgrubnego. Następnie jest podgrzewane (w razie potrzeby) do temperatury 20-21 stopni C i nawiewane do komory lakierniczej za pośrednictwem filtra sufitowego. Zanieczyszczone mgłą lakierniczą powietrze wyciągane jest z komory kanałem podłogowym po uprzednim oczyszczeniu poprzez filtr typu "paint stop".

W trybie wygrzewania powietrze w kabinie znajduje się w recyrkulacji przy zapewnieniu swobodnej wymiany około 10% powietrza znajdującego się w recyrkulacji. Temperatura powietrza w trakcie trybu wygrzewania wynosi od 40 do 60 stopni C. Po zakończeniu trybu wygrzewania kabina jest wentylowana w celu obniżenia temperatury wewnątrz kabiny, elementów konstrukcyjnych kabiny oraz pojazdu (lub innych detali). Obieg powietrza jest taki sam, jak w trybie natrysku. Różnica pomiędzy trybami wentylowania a natrysku polega na tym, że w trakcie wentylowania nawiewane powietrze nie jest ogrzewane.

Na rynku europejskim istnieją oferty kabin lakierniczych z urządzeniami stosowanymi w systemach wentylacyjnych umożliwiającymi odzysk ciepła z powietrza odprowadzanego z kabiny na rzecz świeżego powietrza pobieranego z zewnątrz do kabiny lakierniczej, tak zwanymi rekuperatorami. Zazwyczaj są to rekuperatory krzyżowe, a ich konstrukcja polega na tym, iż mają budowę lamelową. Mamy w ten sposób na przemian warstwy z ciepłym powietrzem. Im mniejsza jest odległość pomiędzy lamelami tym jest większa całkowita powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy strumieniami powietrza. W rozwiązaniach stosowanych dla kabin lakierniczych odległość pomiędzy lamelami wynosi zazwyczaj 12 mm.

Stosowanie standardowych rekuperatorów w takim rozwiązaniu może prowadzić do ich uszkodzenia. Średnia wydajność filtra podłogowego jest rzędu 93-97%. Oznacza to, że powietrze wyrzucane nie jest całkowicie oczyszczane. Pozostałe cząstki stałe odkładają się na wewnętrznych częściach kanałów wyrzutni, dotyczy to również rekuperatorów, których nie daje się oczyszczać lub jest to bardzo utrudnione. Tempo wzrostu osadów wynosi około 0,5 mm na 1000 godzin pracy. Oznacza to, że po około 5 lat intensywnej pracy kabiny rekuperator krzyżowy całkowicie się "zaklei". Dodatkowo tworzący się osad lakieru jest dobrym izolatorem cieplnym, jego przewodność cieplna jest porównywalna z przewodnością cieplną wełny mineralnej. Powoduje to ciągły spadek sprawności odzysku ciepła w rekuperatorze.

Proponowane rozwiązanie jest odporne na odkładające się osady oraz daje możliwość oczyszczania wymiennika ciepła z osadów. Dodatkową zaletą, w przeciwieństwie do rozwiązań z rekuperatorami krzyżowymi, jest możliwość wymiany powietrza bez odzysku ciepła, co pozwala na szybsze schładzanie malowanych detali i elementów kabiny po procesie wygrzewania. Podczas wymiany powietrza bez odzysku ciepła, ciepło odpadowe z wyrzucanego powietrza można wykorzystać do dogrzania hali.

Nowe urządzenie do wymiany powietrza, wyposażone w kabinę lakierniczą, filtry, wentylatory, wymiennik ciepła, przepustnice oraz kanały wentylacyjne, charakteryzuje się tym, że ma dwa kanały nawiewne: kanał z odzyskiem ciepła oraz kanał bez odzysku ciepła. Wewnątrz kanału z odzyskiem ciepła znajduje się kanał wywiewny. Kanał nawiewny z odzyskiem ciepła połączony jest z kanałem nawiewnym bez odzysku ciepła przed filtrem wstępnym co najmniej jedną przepustnicą i wyposażony jest w co najmniej jedną dodatkową przepustnicę, którą odzyskiwane jest ciepło odpadowe z kabiny lakierniczej do ogrzewania powietrza na hali. Powietrze do kabiny lakierniczej może być pobierane za pośrednictwem kanału nawiewnego z odzyskiem ciepła lub kanału nawiewnego bez odzysku ciepła, zależy to od odpowiednich ustawień przepustnic. Kanał wywiewny pomiędzy dyfuzorem a konfuzorem ma wymiennik ciepła w postaci kanałów rurowych połączonych z dnami sitowymi dyfuzora i konfuzora. Przekroje kanałów wymiennika ciepła mogą mieć różne kształty korzystnie okrągłe lub kwadratowe, takie, aby zapewnić oczyszczanie ich wewnętrznych ścian z odkładających się cząstek stałych mgły lakierniczej. Ilość i przekroje kanałów rurowych muszą być tak dobrane, aby zapewnić przepływ masy powietrza niezbędnej do prawidłowej pracy urządzenia bez nadmiernych oporów oraz uzyskać możliwie dużą powierzchnię wymiany ciepła. Ilość powietrza, która musi przepłynąć przez wymiennik ciepła, zależy od kubatury kabiny lakierniczej.

Schemat działania

Urządzenie składa się z kanału nawiewnego bez odzysku ciepła, który połączony jest z komorą wentylatora nawiewnego. Kanał nawiewny wyposażony jest w dolnej części w przepustnicę umożliwiającą jego zamknięcie oraz w filtr wstępny, znajdujący się na wlocie do komory wentylatora nawiewnego, która poprzez wymiennik ciepła połączona jest kanałem doprowadzającym poprzez filtr sufitowy ciepłe powietrze do komory lakierniczej. Kabina lakiernicza ma usytuowany w podłodze filtr podłogowy, poprzez który powietrze z kabiny lakierniczej kanałem podłogowym kierowane jest do komory wentylatora wywiewnego i dalej do kanału wywiewnego.

Kanał wywiewny znajduje się wewnątrz kanału nawiewowego z odzyskiem ciepła, który przylega do kanału nawiewnego i połączony jest z nim dwiema przepustnicami. Ponadto kanał nawiewny z odzyskiem ciepła wyposażony jest w dwie dodatkowe przepustnice umieszczone po przeciwnej stronie kanału nawiewnego, którymi po ich otwarciu przepływa powietrze z hali i jest ogrzewane za pomocą ciepła odpadowego powietrza wyrzucanego z kabiny w wymienniku ciepła. Kanał wylotowy pomiędzy dyfuzorem a konfuzorem ma wymiennik ciepła w postaci 16 kanałów rurowych, których końce połączone są z dnami sitowymi dyfuzora i konfuzora. Przekroje kanałów wymiennika ciepła mają kształt okrągły o średnicy 20 cm, co zapewnia oczyszczanie ich wewnętrznych ścian z odkładających się cząstek stałych mgły lakierniczej.

Powietrze do kabiny lakierniczej pobierane jest poprzez dodatkowy kanał nawiewny, co pozwala na obniżenie zużycia energii na podgrzewanie powietrza. W trybie wygrzewania powietrze wewnątrz kabiny lakierniczej znajduje się w recyrkulacji. Po zakończeniu cyklu wygrzewania kabina lakiernicza jest wentylowana w celu schłodzenia lakierowanego pojazdu oraz elementów konstrukcyjnych kabiny lakierniczej. Powietrze do kabiny pobierane jest za pośrednictwem kanału nawiewnego, co pozwala na skrócenie czasu chłodzenia. W tym czasie ciepło z wyrzucanego powietrza można odzyskać do ogrzewania hali poprzez otwarcie przepustnic.

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła, zwłaszcza w komorach lakierniczych wyposażone w kabinę lakierniczą, filtry, wentylatory, wymiennik ciepła, przepustnice, kanały wentylacyjne, charakteryzujące się tym, że ma dwa kanały nawiewne: bez odzysku ciepła oraz z odzyskiem ciepła, wewnątrz którego znajduje się kanał wywiewny z wymiennikiem ciepła, przy czym kanał nawiewny z odzyskiem ciepła połączony jest z kanałem bez odzysku ciepła co najmniej jedną przepustnicą.

2. Urządzenie według zastrz.1 charakteryzujące się tym, że kanał nawiewny z odzyskiem ciepła wyposażony jest w co najmniej jedną przepustnicę.

3. Urządzenie według zastrz.1 charakteryzujące się tym, że kanał wywiewny pomiędzy dyfuzorem a konfuzorem ma wymiennik ciepła w postaci kanałów rurowych połączonych z dnami sitowymi dyfuzora i konfuzora.

Korzyści z zastosowania wynalazku:

Zastosowanie wynalazku daje wymierne korzyści w postaci zarówno finansowej, jak i środowiskowej. Zastosowanie opracowanego rozwiązania daje korzyści przede wszystkim w postaci obniżenia zużycia oleju opałowego (lub gazu), co się przekłada na obniżenie emisji dwutlenku węgla. Oszczędności zależą od położenia geograficznego. Przykładowe oszacowania (zł/rok): Białystok 14.804; Nowy Targ 16.299; Poznań 13.015; Szczecin 13.260; Warszawa 13.914; Wrocław 12.807. Obliczenia wykonano na podstawie średnich temperatur miesięcznych i przy założeniach: 20 dni roboczych miesięcznie, 4 godziny pracy kabiny lakierniczej dziennie, cena oleju opałowego 4,07 zł.

Urządzenie umożliwia odzysk ciepła z wyrzucanego powietrza, co pozwala na obniżenie zużycia energii do ogrzewania tłoczonego powietrza, szczególnie w warunkach zimowych. Przewody wymiennika ciepła można oczyszczać z osadzających się cząstek stałych mgły lakierniczej. Doprowadzenie powietrza za pośrednictwem kanału wlotowego podczas etapu wentylowania, pozwala na szybsze schłodzenie kabiny i przedmiotów znajdujących się w kabinie po zakończeniu fazy wygrzewania. Obniża to koszty energii elektrycznej zużywanej do napędu wentylatorów. Odzyskane podczas trybu wentylowania kabiny ciepło można wykorzystać do ogrzewania hali. Rozwiązanie zapewnia utrzymanie sprawności odzysku ciepła na niezmiennym poziomie poprzez oczyszczanie wymiennika ciepła. Budowa modularna wymiennika ciepła zastępuje kanały wentylacyjne kabiny lakierniczej i nie wymaga dodatkowego miejsca. Rozwiązanie jest zgodne z obecnymi trendami Unii Europejskiej prowadzącymi do obniżenia zużycia energii we wszystkich dziedzinach życia i redukcji emisji spalin.



Projekt współfinansowany z programu "Inkubator Innowacyjności" realizowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach projektu systemowego „Wsparcie systemu zarządzania badaniami naukowymi oraz ich wynikami”, Priorytet I, Działanie 1.1., Poddziałanie 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.

Twórcy technologii:
dr inż. Piotr Nikończuk, piotr.nikonczuk@zut.edu.pl
prof. dr hab. inż. Bogusław Zakrzewski, boguslaw.zakrzewski@zut.edu.pl
www.innowacje.zut.edu.pl

Wcześniejsze artykuły


Newsletter - nowości wprost na e-mail
)