Ogólne założenia modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej

NIKOŃCZUK Piotr 1 KRÓLIKOWSKI Tomasz 2 RYPINA Łukasz 3 SUGALSKI Karol 4 Ogólne założenia modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej WPROWADZENIE Tworzenie modeli symulacyjnych poszczególnych obiektów i przebiegających w nich procesów pozwala na wstępne określenie parametrów pracy urządzenia. Jednym z zaawansowanych sposobów modelowania jest modelowanie CFD z wykorzystaniem mechaniki płynów oraz wymiany ciepła. Opracowano wstępne założenia modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej. Wspomniany model pozwoli na analizę rozkładu prędkości oraz temperatur powietrza w całej przestrzeni kabiny lakierniczej. Model może znaleźć zastosowanie w pracach badawczo-rozwojowych odzysku ciepła [8,11,12]. 1. OGÓLNA KONSTRUKCJA KABINY LAKIERNICZEJ Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych kabin lakierniczych [9,10]. Kabina lakiernicza w standardowym rozwiązaniu wyposażona jest w dwa zespoły z wentylatorami: zespół nawiewny oraz zespół wywiewny. Zespól nawiewny składa się z filtra wstępnego, wentylatora nawiewnego oraz wymiennika ciepła, który ma za zadanie ogrzanie powietrza do zadanej temperatury. W podłodze znajduje się filtr typu paint stop. Zespół wywiewny stanowi wentylator wywiewny. Kabina lakiernicza pracuje w dwóch podstawowych trybach: tryb lakierowania i tryb suszenia, oraz trybie wentylacji. Tryb wentylacji następuje bezpośrednio przed rozpoczęciem oraz po zakończeniu trybów podstawowych. Rys. 1 Tryb natrysku 1 przepustnica kanału nawiewnego; 2 przepustnica recyrkulacji, 3 filtr wstępny, 4 palnik, 5 filtr sufitowy, 6 filtr typu paint stop W trybie lakierowania powietrze w kabinie jest stale wymieniane poprzez kanał nawiewny oraz wywiewny. Powietrze jest pobierane poprzez otwartą przepustnicę 1 oraz wstępnie oczyszczane za pomocą wstępnego filtra zgrubnego 3. Następnie w razie potrzeby jest podgrzewane przez palnik 4 zazwyczaj do temperatury 20-21 0 C i tłoczone do komory lakierniczej za pośrednictwem filtra 1,4 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu Al. Piastów 41, 70-065 Szczecin, e-mail: piotr.nikonczuk@zut.edu.pl, karol.sugalski@zut.edu.pl 2,3 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, e-mail: Tomasz.krolikowski@tu.koszalin.pl, lukasz.rypina@tu.koszalin.pl 4673

sufitowego 5. Zanieczyszczone mgłą lakierniczą powietrze wyciągane jest z komory kanałem wyrzutni po uprzednim oczyszczeniu za pomocą filtra typu paint stop 6 zainstalowanego w podłodze kabiny lakierniczej. W trybie wygrzewania wentylator wywiewny jest wyłączony. Powietrze w kabinie znajduje się w recyrkulacji. Recyrkulacja powietrza w kabinie lakierniczej jest realizowana poprzez zamknięcie przepustnicy 1 oraz otwarcie przepustnicy recyrkulacji 2. Przepustnica 1 nie jest zamknięta całkowicie, jej stopień niedomknięcia powinien zapewnić swobodną wymianę około 10% powietrza znajdującego się w recyrkulacji. Temperatura powietrza w trakcie trybu wygrzewania jest utrzymywana w granicach od 40 0 C do 60 0 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. Kabina lakiernicza jest również wentylowana przed rozpoczęciem trybu lakierowania oraz pomiędzy trybami lakierowania i wygrzewania, czas wentylowania wynosi około 2-4 min. Zadaniem filtrów zespołu wywiewnego jest oczyszczenie powietrza, aby zapobiec emisji do atmosfery cząstek stałych uwalnianych podczas procesu lakierowania. Opcjonalnie stosowane są jeszcze na wylocie za wentylatorem wywiewnym filtry z węglem aktywnym w celu dokładnego oczyszczenia wyrzucanego powietrza z lotnych związków organicznych (LZO). Podczas wszystkich cykli pracy wewnątrz komory lakierniczej panuje niewielkie nadciśnienie. Zapobiega to przedostawaniu się pyłów oraz innych zanieczyszczeń w przypadku otwarcia drzwi lub przez drobne nieszczelności w konstrukcji kabiny. Rys. 2 Tryb suszenia 1- przepustnica kanału nawiewnego, 2- przepustnica recyrkulacji 2. MODEL SYMULACYJNY KABINY LAKIERNICZEJ Na podstawie analizy konstrukcji kabin lakierniczych opracowano wstępny model symulacyjny kabiny lakierniczej. Model symulacyjny zawiera wiele uproszczeń konstrukcyjnych. Do budowy modelu wykorzystano oprogramowanie Autodesk CFD Simulation. 4674

Rys. 3 Wstępny model symulacyjny kabiny lakierniczej. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki symulacji przepływu powietrza wewnątrz kabiny lakierniczej. Model obrazuje kierunki i prędkość przepływy powietrza wewnątrz kabiny lakierniczej. Określanie prędkości przepływu powietrza z wykorzystaniem modelowania mechaniki płynów pozwala na weryfikację rozkładu prędkości powietrza w całym obszarze kabiny lakierniczej. Taka wiedza daje możliwości dalszej optymalizacji konstrukcji kabiny lakierniczej w celu zapobiegania martwym punktom w których nie następuje wymiana powietrza. Rys. 4 Symulacja rozkładu prędkości przepływu powietrza w przekroju wzdłużnym kabiny Obecnie dostępne oprogramowanie CFD pozwala również na wykorzystywanie w modelowaniu i symulacjach modułów wymiany temperatury zarówno z udziałem płynów jak ciał stałych. Takie modelowanie jest również użyteczne w pracach badawczo-rozwojowych jak i również podczas optymalizacji konstrukcji. Wyniki otrzymane w modelu symulacyjnym można porównać z wynikami pomiarów w rzeczywistej kabinie lakierniczej. Dotyczy to pomiarów prędkości przepływu powietrza oraz temperatury. Pomiarów temperatury można dokonywać za pomocą czujników temperatury lub zdjęć z użyciem kamery termowizyjnej. 4675

Rys. 5 Symulacja rozkładu prędkości przepływu powietrza w przekroju poprzecznym kabiny Na rysunku 4 przedstawiono zdjęcia części nawiewnej wewnątrz kabiny lakierniczej wykonane kamerą termowizyjną. Zdjęcia były wykonywane w odstępach jednominutowych bezpośrednio po uruchomieniu kabiny lakierniczej. Zdjęcia ujawniają również wyraźny rozkład temperatur filtrów sufitowych, który jest bezpośrednio związany z intensywnością przepływu masy powietrza. Widać że temperatura filtra sufitowego sukcesywnie wzrasta.porównując wstępny model przepływów powietrza przedstawiony narysunku 3 oraz zdjęcia termowizyjne na rysunku 6 można uznać że wyniki są zbliżone. Jak wspomniano wstępny model symulacyjny zawiera sporo uproszczeń związanych z konstrukcją kabiny lakierniczej. Uproszczenia obejmują również zjawiska oporów powietrza związane w szczególności z filtrami oraz ich stanem zabrudzenia. 3. DALSZY ROZWÓJ I WERYFIKACJA MODELU Przedstawiony model oprócz uproszczeń nie uwzględnia wymiany temperatury. Dotyczy to wymiany temperatury pomiędzy powietrzem a elementami konstrukcyjnymi kabiny lakierniczej oraz znajdującym się wewnątrz kabiny pojazdem lub lakierowanymi detalami. W dalszych pracach modelowych planuje się minimalizację uproszczeń, opracowanie modeli wytrzymałościowych [7]. Obecnie uzyskano dostęp do kilku rzeczywistych kabin lakierniczych pracujących w standartowych warunkach. W oparciu o dane techniczne jednej z kabiny lakierniczej zostanie opracowany jej model symulacyjny. Ważnym krokiem podczas rozwoju modelu symulacyjnego jest jego weryfikacja z obiektem rzeczywistym. Zostanie przeprowadzona weryfikacja modelu z wynikami pomiarów w pracującej kabinie lakierniczej. Pozwoli to na poprawę rzetelności wyników badań nad optymalizacją konstrukcji kabiny lakierniczej oraz jej elementów. Następnym krokiem rozwoju modelu symulacyjnego będzie rozszerzenie o moduł wymiany ciepła. Wyniki symulacji rozkładu temperatur w przestrzeni kabiny lakierniczej zostaną zweryfikowane z użyciem czujników temperatury oraz kamery termowizyjnej. 4676

Rys. 6. Zmiany rozkładu temperatur wewnątrz kabiny lakierniczej w odstępach jednominutowych po uruchomieniu PODSUMOWANIE Modelowanie wymiany powietrza wraz z wymianą temperatury w kabinach lakierniczych pozwala na analizę rozkładu prędkości i temperatur powietrza. Taka analiza wspomaga badania nad optymalizacją procesów wentylacji. Prowadzi to poprawy bezpieczeństwa i jakości procesów lakierniczych a także komfortu pracy lakierników. Pozwoli to również na wstępne modelowanie symulacyjne w pracach nad wykorzystaniem modułu wymiany ciepła oraz jego optymalizację. Badania symulacyjne z użyciem wiarygodnego modelu znacząco obniżają koszty w fazie badawczorozwojowej. Na podstawie uzyskanych wyników symulacyjnych możne zbudować prototyp, który następnie zostanie zweryfikowany i poddany dalszym ewentualnym modyfikacjom. Takie działania obniżają koszty prac badawczo rozwojowych [6]. Dodatkowym ważnym modułem modelowania dla wymiany powietrza w lakiernictwie może być wilgotność powietrza. Modelowaniezmiany poziomów wilgotności powietrza może mieć duże znaczenie podczas modelowania i optymalizacji procesów suszenia lakierowanych pojazdów i detali. Przy zastosowaniu odpowiedniego modelu pistoletu lakierniczego oraz sprawności oczyszczania powietrza z mgły lakierniczej poprzez filtr typu paint stop pojawi się również możliwość wspierania badań nad oczyszczaniem powietrza z cząstek mgły lakierniczej [1, 2, 3, 13, 14], a także modelowanie zagrożenia lakiernika na ekspozycję lotnych związków organicznych (LZO) [4]. Streszczenie W branży naprawczej samochodów powypadkowych w fazie końcowej wykonuje się prace lakiernicze. Aby zapewnić odpowiednie warunki pracy lakiernika oraz procesu lakierowania odbywają się one wewnątrz kabiny lakierniczej. Optymalizacja konstrukcji oraz prace badawczo rozwojowe w fazie koncepcyjnej wspierane są często tworzeniem modeli symulacyjnych. W artykule przedstawiono koncepcję modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej. Model taki pozwoli na analizę rozkładów prędkości i temperatur powietrza w przestrzeni kabiny lakierniczej. 4677

General Assumption of Spray Booth Simulation Model Abstract The collision repair industry in the final phase does painting. To ensure adequate working conditions painter and painting process it takes place inside the spray booth. Optimization design and research and development in the concept phase are often supported by the creation of simulation models. The paper presents assumptions of the spray booth simulation model. Such a model will allow for the analysis of air velocity and temperature distributions inside the spray booth. BIBLIOGRAFIA 1. Anad S., Howarth J. (2013) Improving filtration in the automotive paint shop, Filtration + Separation, Vol.50, issue 1, p.22-26 2. Chan TL, D Arcy JB, Schreck RM. (1986) High-solids paint overspray aerosols in a spray painting booth: particle size analysis and scrubber efficiency. Am Ind Hyg Assoc J; 47: 411 17. 3. Darvin C. H., Cox L. S. & Smith D., (1999), Comparative Study of Spray Booth Filter System Efficiency, Journal of the Air & Waste Management Association (1999), 49:3, p. 339-344 4. Flynn M. R. and 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, p. 191-202, 2000 5. Jia Li, Rohan G. Uttarwar, and Yinlun Huang, CFD-Based Modeling and Design for Energy- Efficient VOC Emission Reduction in Surface Coating Systems 6. Kozo Saito, Development of the University of Kentucky Toyota Research Partnership: Monozukuri: PART II, Energeia UK Center for Applied Energy Research Vol. 17, No. 5, 2006, p.1-3 7. Lewkowicz R, Hinz T., Rypina Ł., Królikowski T.,. Piątkowski P, Królikowski T., Symulacja naprężeń i odkształceń w podłużnicach samochodowych MECHANIK Tom 05/06/2011 r. 2011, s. 510-515. 8. Nikończuk P.,(2013), Study of Heat Recovery in Spray Booths,Metal Finishing Vol. 111,str. 37-39 9. Nikończuk P.,(2012), Rozwiązania elementów wentylacji kabin lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 3/2012, str. 28-30 10. Nikończuk P.,(2012), Sposoby ogrzewania powietrza w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis nr. 4/2012, str.44-45 11. Nikończuk P.,(2011),Odzysk ciepła w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 9/2011, str. 40-43 12. Nikończuk P.; Zakrzewski B.,(2013), Urządzenie do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła, zwłaszcza w komorach lakierniczych, patent Nr P393 612 13. Schweizer R. (2001) Technological Advancements in Overspray Collectors. Metal Finishing, vol. 108, Issue 4, p. 38-45 14. Wright S. R., Bond J. H., (1998) Hazardous waste Minimization of paint overspray via medialess dynamic particle filtration, Final Report 25 Apr 97-25 Jan 98, INNOVATECH, INC, 4678