汽車整車制造過程中的一種冷熱聯用方式分析

劉敦友

關鍵詞：整車制造 冷熱分析 聯用設計 運行方式 節能降耗

1 引言

汽車整車制造過程，主要由沖壓、焊接、涂裝、總裝四大工藝組成，而其中的焊接及涂裝又是能源消耗最大的環節。焊接過程中產生大量的熱量，需要通過不同的途徑將熱量及時散掉;而涂裝過程中，又需求大量的熱量，來滿足涂裝工藝要求及保證涂裝質量;同時，在冬季，四大工藝也需求大量的熱量。一邊大量的熱量需及時排放，一邊又需求大量的熱量來滿足工藝及供暖要求，這就造成了不盡合理的能源使用架構。本文介紹了一種利用余熱回收再利用技術及高溫水源熱泵系統，來實現焊接生產過程中的降溫需求，同時滿足涂裝工藝及冬季四大工藝的用熱需求，從而實現冷熱聯用。

2 整車制造過程中的冷熱能耗利用現狀分析

2.1 放熱（廢熱）分析

（1）沖壓：主要為壓機工作過程中產生的廢熱，通過自然冷卻即可實現熱量的散發。（2）焊接：主要為焊機焊接過程中產生的熱量，隨著自動化程度的不斷提高，機器人焊機的不斷增加，對冷卻水水溫有一定要求，在夏季需采取制冷機輔助進行降溫。（3）涂裝：主要為洪爐加熱過程中產生的廢熱，主要通過自然排放實現降溫。（4）總裝：基本無廢熱產生。

2.2 需熱分析

2.2.1 沖壓、焊接、總裝

工藝過程基本無熱量需求，在冬季需要大量熱量進行供暖，目前利用蒸汽進行加熱。

2.2.2 涂裝

（1）前處理工藝，全年需要保持一定的工藝溫度，需要大量的熱量。（2）工藝空調，在春、秋、冬季，需保持一定的工藝溫度，同時在冬季，公用空調及供暖需要極大的熱量。目前利用蒸汽及天然氣進行加熱。

3 整車制造過程中的冷熱聯用可行性分析

3.1 冷熱聯用原理

（1）能量守恒與轉化定律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，它只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能的總量保持不變。（2）高高溫水源熱泵利用逆卡諾循環原理。熱泵實質上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量（實現降溫），并把它傳遞給被加熱的對象（實現加熱）。（3）熱泵的熱量一部分是從低溫熱源吸取熱量，一般占總供熱量的70%～75%;另一部分由機械功轉變而來，一般占總供熱量的25%～30%。

3.2 冷熱聯用匹配分析及運行情況

（1）根據焊接循環水余熱情況，選用制熱量為3500/小時的熱源泵1臺。根據各系統對溫度的要求，參考熱源泵選型手冊，選用最高供水溫度為68攝氏度的高高溫水源熱泵。最大化利用余熱，并基本滿足焊接循環水對降溫的要求。（2）冬季供暖季優先滿足辦公區域、車間供暖。熱源泵制熱最大負荷運行。（3）在秋冬及冬春過度季，用于涂裝部分空調預加熱。熱源泵制熱最大負荷運行。（4）夏季用于涂裝前處理。根據涂裝用熱需求，同時滿足焊接降溫需求，熱源泵自動調節運行負荷。

4 整車制造過程中的一種冷熱聯用方式設計及運行模式

4.1 主要設備選型

（1）熱源泵主機。根據焊接循環水中的廢熱量及焊接循環水的降溫要求，結合涂裝工藝、供暖等的供熱要求，同時參考相關用熱數據，選用3428GG型高高溫熱源泵1臺，其在額定工況下制熱量為3432KW/小時，最高供水溫度為68攝氏度。（2）根據所選主機，結合各用熱點的實際情況，選用循環量330立方米/小時，揚程52米的供熱水泵2臺，1用1備。（3）根據焊接循環水降溫需求，同時參考夏季極端天氣及涂裝生產用熱暫時停用情況等因素，選用換熱量3500KW/小時放熱換熱器1臺。（4）根據放熱量，選用循環量330立方米/小時，揚程20米的放熱水泵2臺，1用1備。（5）根據放熱量，選用散熱量000KW/小時的冷卻塔1臺。

4.2 系統設計

根據所選熱源泵相關技術參數，同時按不影響現有焊接循環水系統及各供熱系統的正常運行的原則，進行以下設計（設計示意見圖）：

（1）在原焊接循環水供水管道進入焊機之前，分一支路水引入熱泵蒸發器進水口，被熱泵吸收熱量后再回到供水管道，起到余熱回收及冷卻降溫的目的。回收的熱量通過熱泵提升在冷凝器側制取68℃（根據實際需求進行設定）的高溫熱水。（2）通過供熱泵，將再高溫熱水輸送至用熱處，通過板式換熱器、空調盤管等方式，將熱量傳遞至原加熱系統，替代部分原蒸汽、天然氣熱源。（3）因本系統為冷熱聯用，除余熱回收外，需同時滿足焊接循環水的降溫需求。在夏季高溫季節，原焊接循環水系統無法將水溫降至28攝氏度以下。為保證循環水溫度，需根據焊接循環水的供水溫度制取熱量。其回收余熱，優先滿足涂裝請處理工藝，剩余熱量需及時散掉。為此需在供熱水泵的出水端加入放熱板換，其放熱量根據焊接循環水的供水溫度自動調節。（4）放熱板換將熱量通過放熱冷卻塔，及時將熱量散掉。

4.3 運行模式

根據實際情況，本系統分為冷熱聯用以熱為主、冷熱聯用以冷為主、冷熱聯用冷熱兼顧三種模式。

（1）冷熱聯用，以熱為主。本模式應用時間段為，整車制造過程需熱量遠大于焊接過程放熱量時，一般在11月15號（供暖開始）至4月15號（供暖結束），共5個月的時間。（2）冷熱聯用，以冷為為主。本模式應用時間段為，整車制造過程需熱量遠小于焊接過程放熱量時，一般在7月1號至8月31號的青島高溫季節，共2個月的時間。（3）冷熱聯用，冷熱兼顧，以上兩種模式的過度階段，共5個月的時間。

5 實施后的理論效益

5.1 原焊接循環水系統的理論效益

焊接循環水系統開式端，共有循環水泵4臺，單臺功率為45KW，3用1備;冷卻塔風機6臺，單臺功率為7.5KW。

（1）冷熱聯用，以熱為主：開式循環水水泵、冷卻塔風機停止運行，能滿足焊接循環水降溫的要求。可節約電費45萬元/年。

（2）冷熱聯用，冷熱兼顧：平均開式水泵運行1.5臺，風機運行3臺，能滿足焊接循環水降溫的要求。可節約電費22萬元/年。

（3）焊接循環水系統總耗水量大約5萬噸，因進行冷熱聯用，水量蒸發及排污將降低，節約用水約2.8萬噸/年，約13萬元/年。總計節約金額大約80萬元。

5.2 余熱回收的效益

5.2.1 熱泵全年的理論供熱量

（1）冷熱聯用，以熱為主：供熱熱量=（3432KW*20小時/天*26天/月*5個月）=8923200KW。

（2）冷熱聯用，冷熱兼顧及以冷為主：按涂裝2000KW/小時平均耗量計，供熱熱量=（2000KW*20小時/天*26天/月*7個月）=7280000KW。

總計供熱量：16203200KW。

5.2.2 冷熱聯用，以冷為主時節省的制冷費用（平均需冷量按2000KW/小時計，能效比按4.8）

節省制冷費用=2000KW/小時/4.8*20小時/天*26天/月*2個月*0.8元/KWH=35萬元

5.2.3 熱泵系統運行效益

（1）熱泵系統的能效比為4.8，供1KW熱量消耗的電量為：1KW/4.8=0.208KW，價格為：0.208KW*0.8元/KWH=0.17元。

（2）蒸汽1GJ費用為89.3元，經換算為0.32元/KWH。（3）理論效益=16203200KW*（0.32-0.17）元/KWH=240萬元。

經以上數據分析，青島分公司整車制造生產過程按冷熱聯用的方式運行，全年節約運行成本大約355萬元。

6 結語

本應用方式在上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司已經投入運行，經驗證，既滿足了焊機正常運行的降溫需求，又實現了將焊接循環水中的廢熱進行轉換，用于整車制造過程中涂裝工藝及冬季供暖用熱需求，實現了冷熱聯用。本應用方式極大降低了蒸汽、天然氣、電等能源的使用，同時減少水的蒸發，從而降低在整車制造過程中相關污染物的排放及自來水的使用。本應用方式節能環保、經濟高效、控制簡單、易于推廣，在整個汽車制造及相關類似行業都有極高的應用推廣價值。