Wstępne wyniki modelowania przepływów w kabinie lakierniczej

Transkrypt

1 NIKOŃCZUK Piotr 1 KRÓLIKOWSKI Tomasz 2 RYPINA Łukasz 2 Wstępne wyniki modelowania przepływów w kabinie lakierniczej WSTĘP Podczas wszystkich trybów pracy wewnątrz kabiny lakierniczej powietrze znajduje się w obiegu. Podczas trybu lakierowania powietrze jest ciągle wymieniane. W trakcie trybu suszenia powietrze wewnątrz kabiny jest w recyrkulacji i wymieniane jest w niewielkiej ilości. Obecnie prowadzone są badania związane z problematyką odzysku ciepła w kabinach lakierniczych [7,10,11]. W celu badań modelowanych przygotowywany jest model symulacyjny kabiny lakierniczej [12]. Do utworzenia numerycznego modelu obliczeń rozkładu i prędkości strug powietrza wykorzystano oprogramowanie narzędziowe CFD (Computational Fluid Dynamics). Modelowanie z wykorzystaniem tego typu oprogramowania stosowane jest w wielu dziedzinach nauki, między innymi w budowie okrętów [1,2,3]. Oprogramowanie CFD rozwija się dość dynamicznie oraz dokładność wyników symulacji znacznie się poprawia. Tworzenie modeli numerycznych w procesach lakierniczych jest również stosowane [4,5]. W artykule przedstawiono wstępne wyniki etapu modelowania - strug powietrza w kabinie lakierniczej. 1 BUDOWA MODELU KABINY LAKIERNICZEJ Wstępny model kabiny lakierniczej obejmuje przede wszystkim elementy pomiędzy wentylatorem nawiewnym i wywiewnym. Fragment ten obejmuje przewody wentylacyjne części nawiewnej, plenum, filtr sufitowy, przestrzeń roboczą kabiny lakierniczej, filtr typu paint stop, kanał wyciągowy w podłodze. Istnieje wiele rozwiązań wentylacji w kabinach lakierniczych [8], obieg powietrza oraz wymiary w modelu symulacyjnym zostały określone na podstawie rzeczywistej kabiny lakierniczej, która w dalszej części będzie służyć do weryfikacji wyników. Na rysunku 1 przedstawiono zdjęcia kabiny lakierniczej, której parametry stanowią podstawę tworzenia modelu obliczeniowego. Rys. 1 Kabina lakiernicza będąca wzorcem modelu symulacyjnego Na rysunku 2 przedstawiono przekrój poprzeczny utworzonego modelu symulacyjnego komory lakierniczej. Filtry w modelu symulacyjnym we wstępnej fazie zostały zamodelowane w postaci płyt z otworami, tak aby ich opory przepływy powietrza były zbliżone do oporów filtrów stosowanych w kabinie lakierniczej. 1 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Katedra Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego Al. Piatów 41, Szczecin, piotr.nikonczuk@zut.edu.pl 2 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, ul. Racławicka 15-17, Koszalin, tomasz.krolikowski@tu.koszalin.pl; lukasz.rypina@tu.koszalin.pl 7838

2 Rys 2. Pionowy przekrój wzdłużny modelu kabiny lakierniczej 2 SYMULACJE STRUG POWIETRZA Pierwszy etap modelowania obejmuje obieg strumieni powietrza wewnątrz kabiny lakierniczej bez uwzględnienia wymiany ciepła. Dla modelu Podczas symulacji strug powietrza wewnątrz kabiny lakierniczej przyjęto masę powietrza równą wydatkowi wentylatorów w rzeczywistej kabinie to jest 20 tysięcy metrów sześciennych na godzinę. Na rysunku 3 przedstawiono rozkład prędkości powietrza wewnątrz pustej kabiny lakierniczej. Rys. 3 Rozkład strug powietrza dla pustej kabiny lakierniczej Kierunki i prędkości strug powietrza mogą być przedstawione w postaci wstąg lub wektorów. Rysunek 3 przedstawia rozkład strumieni powietrza w postaci wstąg, prędkości powietrza są reprezentowane odpowiednimi kolorami wstąg. Natomiast na rysunku 1 przedstawiono rozkład kierunków strug w postaci wektorów, w tym przypadku prędkość powietrza jest określana w postaci pól o odpowiednim zabarwieniu. Z wykorzystaniem powyższego modelu przeprowadzano obliczenia przepływu powietrza zarówno dla pustej komory lakierniczej jak i dla kabiny z umieszczonym wewnątrz pojazdem samochodowym. Dla porównania rysunek 3 przedstawia rozkład strug wewnątrz pustej komory oraz rysunek 4 obrazuje kabinę lakierniczą z samochodem w środku. Na rysunkach tych trudno zauważyć różnice prędkości i kierunków przepływu powietrza dla kabiny pustej oraz z pojazdem. Obrazy strug powietrza na zewnętrznej części obrazu przesłaniają strugi w srodku kabiny lakierniczej. 7839

3 Rys. 4 Kabina lakiernicza z umieszczonym pojazdem Aby dokładnie przeanalizować obieg powietrza w całej przestrzeni komory, należy rozpatrywać rozkład kierunków i prędkości powietrza w różnych przekrojach. Modelowanie CFD daje możliwości analizy rozkładu prędkości powietrza w przekrojach. Rysunek 2 przedstawia rozkład kierunków i prędkości strumieni powietrza w przekroju pionowym wzdłuż kabiny lakierniczej. Na rysunku 5 przedstawiono rozkład prędkości powietrza w przekroju poprzecznym kabiny bez uwzględnienia kierunków strug powietrza. Rys. 5 Przekrój poprzeczny rozkładu prędkości powietrza z umieszczonym w środku pojazdem PODSUMOWANIE Stosowanie modelowania z wykorzystaniem oprogramowania narzędziowego CFD pozwala na gruntowną analizę obiegu powietrza w całej przestrzeni kabiny lakierniczej. Takie podejście pozwala na wstępną analizę przepływu powietrza oraz modyfikacje konstrukcji na etapie projektowania kabiny lakierniczej. Pozwala to na poprawę balansu mas powietrza w przekroju poziomym kabiny lakierniczej już w fazie projektowej [6]. Wyniki modelowania CFD są oparte w części na stochastyce, mogą więc w pewnym stopniu odbiegać od rzeczywistego obiektu. Wpływ na rozkład strug powietrza wewnątrz komory może mieć wiele czynników, mogą to być na przykład: geometria pojazdu znajdującego się wewnątrz, jego lokalizacja, rozmiar i rozmieszczenie nieszczelności w konstrukcji komory, stan czystości filtrów, itp. Jedną z metod weryfikacji modelu symulacyjnego z rzeczywistą komorą lakierniczą jest pomiar natężenia przepływu masy powietrza przez filtr sufitowy w poszczególnych jego częściach. Pomiaru przepływu powietrza przez filtr sufitowy można dokonać za pomocą kamery termowizyjnej. Szczególnie w okresie zimowym przy uruchomieniu chłodnej kabiny lakierniczej wzrost temperatury filtra w danych jego rejonach mówi o rozkładzie natężenia masy powietrza. Miejsca najcieplejsze 7840

4 filtra wskazują na największą intensywność przepływu. Na rysunku 6 przedstawiono obraz termowizyjny filtra sufitowego. Wyraźne pola rozkładu temperatur przedstawiają ilość masy powietrza jaka przechodzi przez filtr. Rys 6. Obraz termowizyjny filtra sufitowego kabiny lakiericzej Podczas dalszych prac nad symulacjami CFD kabiny lakierniczej planuje się rozszerzenie istniejącego modelu o innowacyjny wymiennik ciepła wraz z kompletnymi kanałami wentylacyjnymi czerpni i wyrzutni. Po rozszerzeniu modelu zostanie wykorzystany również moduł wymiany temperatury. Przeprowadzone symulacje pozwolą na wstępne określenie efektywności odzysku ciepła we wspomnianym wymienniku oraz ewentualne modyfikacje konstrukcji wymiennika. Jak wcześniej wspomniano zastosowanie takiego modelu znacznie przyśpieszy prace nad optymalizacją konstrukcji wymiennika pod względem sprawności odzysku ciepła. Stanowi to dodatkowe źródło informacji w analizie korzyści ze stosowania odzysku ciepła [13]. Zadanie optymalizacji wymiennika do odzysku ciepła może być stosowane nie tylko w kabinach lakierniczych. Odzysk ciepła można stosować również w obróbce szlifierskiej i innych procesach gdzie wymagana jest wymiana dużej masy powietrza [14]. Streszczenie Od pewnego czasu prowadzone są badania nad odzyskiem ciepła w kabinach lakierniczych, w szczególności dla branży naprawczej. W opracowywaniu innowacyjnej technologii odzysku ciepła bardzo ważnym krokiem jest wstępna weryfikacja sprawności odzysku ciepła z użyciem modelu numerycznego. W artykule przedstawiono wstępne wyniki modelowania strug powietrza w kabinie lakierniczej z wykorzystaniem oprogramowania narzędziowego CFD. Preliminary results of modeling flow in the spray booth Abstract For some time, the research of the heat recovery in spray booths are conducted. In development of the innovative technologies of heat recovery, preliminary verification of the efficiency of the heat recovery using a numerical model is very important step. The paper presents the preliminary results of the modeling of air jets in the spray booth using CFD software tool. The paper is focused on refinishing spray booths for the collision repair industry. BIBLIOGRAFIA 1. Abramowski T., Żelazny K., Szelangiewicz T., Numerical analysis of effect of asymmetric stern of ship on its screw propeller efficiency, POLISH MARITIME RESEARCH 4(67) 2010 Vol 17; pp Abramowski T., NUMERICAL INVESTIGATION OF AIRFOIL IN GROUND PROXIMITY, JOURNAL OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS 45, 2, pp Abramowski T., PREDICTION OF PROPELLER FORCES DURING SHIP MANEUVERING, JOURNAL OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS 43, 1, pp

5 4. Flynn M. R. and ERIC D. Sills E. D. On the Use of Computational Fluid Dynamics in the Prediction and Control of Exposure to Airborne Contaminants - an Illustration Using Spray Painting, Ann. occup. Hyg., Vol. 44, No. 3, pp , Li J., Uttarwar R. G., Huang Y., CFD-Based Modeling and Design for Energy-Efficient VOC Emission Reduction in Surface Coating Systems, Clean Techn Environ Policy (2013) 15: Nikończuk P., Chmielowski M., Stabilizacja przepływu powietrza w kabinach lakierniczych, Nowe rozwiązania techniczne w chłodnictwie i klimatyzacji w zastosowaniach praktycznych, 36 Dni Chłodnictwa Konferencja Naukowo-Techniczna Poznań, SYSTHERM Sp. z o.o, 2004 s , 7. Nikończuk P.,Odzysk ciepła w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 9/2011, str Nikończuk P., Rozwiązania elementów wentylacji kabin lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 3/2012, str Nikończuk P., Sposoby ogrzewania powietrza w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis nr. 4/2012, str Nikończuk P., Study of Heat Recovery in Spray Booths, Metal Finishing Vol. 111 (6) p , 11. Nikończuk P., Preliminary analysis of heat recovery efficiency decrease in paint spray booths, Transactions of the IMF 2014 VOL 92 NO 5, 12. Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Sugalski K., Ogólne założenia modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej, Logistyka 09/2014; 3(2014), str Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Stempnakowski Z., Wstępna analiza korzyści ze stosowania innowacyjnego rozwiązania odzysku ciepła w kabinach lakierniczych, Logistyka 09/2014; 2014(3): Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Analiza strat ciepła w wyniku odpylania podczas procesu obróbki ściernej, Mechanik 09/2014; 8-9: