汽车涂装中间烘房盘管换热器的改进

田雄*，刘宗春，冯元科

（一汽大众汽车有限公司，四川 成都 610100）

随着日益严格的排放法规施行，各个层面环保意识的提升，如何有效减少废气、废水的排放成为涂装行业面临的重大课题。汽车涂装工艺中目前广泛采用了水性漆进行喷涂。水性漆最大的优势在于超低的VOCs(挥发性有机化合物)排放。使用溶剂型色漆产生的VOCs 排放约为750 g/L，而水性色漆可以把VOCs 排放降低70%[1]。水性漆含较大量的水(见图1)，高的蒸发温度和热容使得水的蒸发缓慢，在喷涂雾化过程中仅仅挥发了25%。因此，水性漆的喷涂对施工工艺和设备提出了新的要求。

图1 溶剂型色漆与水性色漆的成分对比 Figure 1 Composition comparison between solvent-based and water-based paints

水性漆工艺施工环境的特殊性主要包括：

(1) 喷漆室体的温度和湿度必须严格控制。最佳温度一般为(23 ± 2) °C，相对湿度(65 ± 5)%。

(2) 必须设置中间烘干设备，以便将水从水性色漆涂层中强制挥发出去，在喷涂清漆前必须把90%的水从色漆涂层中除掉，才能获得最佳的漆膜外观。

(3) 室体易受潮部位的材质要防腐蚀。大量的水对容器、输送管路、换热器等易受潮部位有腐蚀性，要用不锈钢或塑料制品，防止出现腐蚀后设备的有效性受到影响。

1 水性漆中间烘房的结构和工作原理

因清漆要求对底层漆固含量不低于80%，故水性涂层在中间烘房内要完成脱水，脱水率需要达到约90%。为了在喷涂清漆前能够满足脱水率的要求，水性漆工艺中需要设置中间烘房(见图2)。中间烘房工艺参数的控制是水性漆工艺喷涂过程中非常重要的环节。

对于常规的冷冻水除湿，由于冷冻水的输出水温一般控制在7 ～ 12 ℃，考虑热交换的效率，室体空气温度只能控制在10 ℃以上，此时标准状态下的饱和湿空气的含水量最多只能达到7.7 g/kg 左右，不能满足工艺要求。所以水性漆中间烘房除湿一般需要增加压缩机制冷。

图2 水性漆中间烘房的结构 Figure 2 Structure of intermediate drying oven

为了避免在烘房中汽车车身上产生冷凝液，中间烘房供应的空气必须尽可能保持干燥，并且维持在较高温度。通过换热器的空气首先被吸收至除湿器单元进行除湿。以图3 所示的德国Heck 除湿系统为例，它通过3 个蒸汽压缩冷冻回路将空气流冷却到露点以下，处置冷凝水，然后利用制冷过程产生的余热加热热气流，以获得调节良好的低湿高热空气流。该除湿系统有多达6 组换热器，根据各区域控制目的不同，各区域设置的温度并不一致。

图3 某水性漆除湿系统的原理图 Figure 3 Principle diagram of a dehumidification system for water-based coating

2 铜盘管换热器的腐蚀问题

某涂装车间总计使用了4 套上述的除湿系统，投入使用日期不一，但是每套除湿系统在运行4 年左右都开始出现换热器内部铜盘管发生腐蚀穿孔的现象(见图4 和图5)，造成了制冷剂从换热器盘管和喷射管中泄漏，不但引发了多次设备停机，而且不断泄漏的制冷剂对设备安全造成了持续的威胁。腐蚀穿孔集中表现在冷却区预制冷VK1 区和预制冷VK2 区。调查其他水性漆工艺的涂装车间后发现该问题同样存在，这成为困扰水性漆工艺生产过程中的一大难题。

图4 腐蚀穿孔后的喷射管和盘管照片 Figure 4 Photos of jet pipe and coil after corrosion perforation

图5 腐蚀穿孔处制冷剂泄露的局部照片 Figure 5 Photos of local corroded and perforated positions with refrigerant leakage

2. 1 铜盘管换热器腐蚀原因分析

2. 1. 1 涂料中的有机物质对铜盘管的化学腐蚀

以表1 所列的某水性漆成分为例，其中含有石油精及吡咯烷酮，而一般通用金属水性漆和水性漆清洗剂(见表2)中有胺类成分，它们在潮湿环境下都会对铜有较大的腐蚀作用[2]。

表1 某品牌白色色漆的化学品安全技术说明书(MSDS)Table 1 Material safety data sheet (MSDS) of a white paint

表2 某品牌色漆清洗剂的MSDSTable 2 MSDS of a cleaning solvent

2. 1. 2 环境因素

从除湿系统各段的温湿度分析(见图6)来看，预制冷VK1 区和预制冷VK2 区承担除湿功能的同时，其冷凝水析出后造成了换热器处于十分潮湿的环境，并与涂料中的腐蚀成分综合，令整个换热器的盘管腐蚀严重[3]。

图6 除湿系统各段换热室体的温湿度变化 Figure 6 Variation of temperature and humidity in different heat exchangers of a dehumidification system

综上，油漆成分中对铜有腐蚀的化合物在中间烘房高湿的环境中加速了换热器铜质盘管的腐蚀，引发了盘管内制冷剂泄漏、换热效率降低等一系列问题，导致设备停机及带来了质量风险。

2. 2 不锈钢盘管换热器的应用

为解决换热器的铜盘管在水性漆中间烘房中的腐蚀问题，笔者所在生产线对冷凝段的两段换热器进行了改造。在满足换热效率的情况下，对高湿区的预制冷1 区和预制冷2 区的换热器整体重新进行了规划设计(见表3)，将内部的盘管、喷射头、框架等铜质结构用不锈钢材质进行替代改造(见图7)。

表3 不锈钢换热器的技术参数 Table 3 Technical data of stainless steel heat exchangers

图7 不锈钢盘管换热器整体及盘管、翅片的细节 Figure 7 Photos showing the whole stainless steel heat exchanger as well as the details of coil and fins

2. 2. 1 不锈钢盘管与铜盘管的导热性比较

由于铜盘管的导热系数为100 W/(m·°C)，不锈钢盘管的导热系数为13 W/(m·°C)，因此更换后当然会影响总体的传热系数。但是，不锈钢盘管的壁厚可以减薄至0.5 ～ 0.8 mm，而铜盘管因强度及冲蚀磨损等原因，其壁厚不能低于1.2 mm。另外，铜盘管内外壁比不锈钢盘管更粗糙，容易结垢，增加了铜盘管的热阻，这又使铜盘管与不锈钢盘管在总体传热系数上的差距更小。在壁厚相同的情况下，不锈钢盘管的总体传热系数仅比铜盘管低6%[4]。因此，可以通过降低不锈钢盘管壁厚来保证不锈钢盘管的总体传热系数与铜盘管一致。

2. 2. 2 不锈钢盘管与铜盘管的抗腐蚀性能比较

不锈钢盘管与铜盘管相比具有以下优点：抗冲蚀性能好，能抵抗蒸汽状水滴高速中的冲击腐蚀；抗氨腐蚀性能好；耐水侧冲击腐蚀，可实现无铜离子系统，且可通过提高pH 来减少腐蚀，可提高冷却水流速至2.3 m/s，最高可达3.5 m/s，这样既可提高总体传热系数，又可减少管内杂质的沉积。

2. 2. 3 不锈钢盘管与铜盘管在运维方面的比较

热传导效率方面的保证意味着在整体换热器的尺寸和翅片的布局上可以保持原有结构，使得设备更新替换与改进成为可能。不锈钢盘管的传热效率衰减缓慢的优势又为后期稳定运行提供了可靠保证。

随着运行时间的延长，铜盘管氧化层将越来越厚，传热效果会越来越差，而不锈钢盘管基本不会发生氧化，或氧化得很慢。因此，不锈钢盘管换热器与铜盘管换热器如果同时投运，运行时间越长，不锈钢盘管换热器的经济性将会比铜盘管换热器越来越好。

经过改造运行后，制冷压缩机负荷得到明显改善，其长远经济性优势明显。以笔者所在的现场为例，若不考虑设备恶化造成的质量损失的成本，就设备投资费用来看，铜盘管换热器的平均寿命约为4 年，而不锈钢盘管换热器可以使用10 年以上，虽然不锈钢盘管换热器的初始投资要高于铜盘管换热器，但是综合年均成本要节约34%。

总之，虽然不锈钢盘管的传热系数比铜盘管低，但不锈钢盘管可以通过减小壁厚使二者之间导热性的差距缩小。而不锈钢盘管内壁比铜盘管更光滑，对流换热系数比铜盘管高，外壁也比铜盘管光滑，凝结放热速度更快。根据多次测试和计算，壁厚为0.7 mm 的不锈钢盘管的总体传热系数下降很缓慢，而铜盘管的总体传热系数下降要大得多。另外，不锈钢盘管比铜盘管更耐腐蚀，抗振性和耐磨性也好，使用寿命是铜盘管的3 倍。长远考虑，使用不锈钢盘管在整体上能提高机组的经济性是显而易见的。

3 结语

采用水性漆喷涂的涂装工艺，中间烘房的除湿系统所处的高湿环境与循环风中涂料的有机物混合后造成换热器中铜质盘管和部件腐蚀，并引发除湿系统的频繁停机以及制冷剂泄漏安全事故，对正常生产造成威胁。随着换热器的不锈钢盘管制造工艺技术的成熟，研究和实践都表明：使用不锈钢盘管换热器替换易腐蚀的铜盘管换热器，既保证了中间烘房除湿系统的稳定，又延长了换热器的使用寿命长，后期换热效率衰减慢，具有很好的综合经济效益。