How does a spray booth work?

Czy zdajemy sobie sprawę jak działa kabina lakiernicza?

Są dwie podstawowe fazy pracy: faza lakierowania i faza suszenia.
W fazie lakierowania zasada działania wszystkich kabin lakierniczych, ze względu na konieczność zachowania bezpieczeństwa i skutecznej wentylacji, powinna być taka sama. Wentylator nadmuchowy pobiera czyste powietrze z zewnątrz, kieruje je na wymiennik ciepła gdzie powietrze zostaje ogrzane do nastawionej temperatury, po czym powietrze to zostaje skierowane do plenum filtracyjnego kabiny gdzie po przejściu przez filtry sufitowe, powietrze to przenika ruchem pionowym z góry na dół i w zależności od wyposażenia kabiny, albo jest “przeciskane” przez kraty i filtry podłogowe i wypychane do kanału wentylacyjnego wylotowego wystawionego ponad dach pomieszczenia (kabiny jedno wentylatorowe – nadmuchowe) lub “wysysane” poprzez wentylator wyciągowy i wyrzucone z dużą siłą poprzez kanał wentylacyjny wylotowy ponad dach pomieszczenia (kabiny dwu wentylatorowe – nadmuchowo – wyciągowe). Ponieważ powietrze to jest silnie zanieczyszczone nie można, wbrew niektórym opiniom, wykorzystać go do ogrzewania hali.

W fazie suszenia natomiast, poszczególne urządzenia pracują w różny sposób. Spowodowane jest to koniecznością uzyskania znacznie większej temperatury oscylującej w okolicy 60-70oC. Jak pamiętamy z fragmentu tego opracowania dotyczącego skoku termicznego ΔT nie będzie możliwe uzyskanie przyrostu temperatury na poziomie 70-80oC przy zastosowaniu układu grzewczego o standardowej wydajności grzewczej. Co w takim razie możemy zrobić? Jednym z rozwiązań byłoby zainstalowanie modułu grzewczego o olbrzymiej mocy, ale jak już sobie wyjaśniliśmy, byłoby to całkowicie nieuzasadnione ekonomicznie. Wymyślono więc pewne rozwiązania, które przy zastosowaniu standardowych wydajności układów grzewczych, pozwalają osiągnąć zamierzoną temperaturę. W tej chwili znane są trzy podstawowe rozwiązania tego problemu. Tak jak kabriolet jest świetnym samochodem w słonecznej Kalifornii czy na Lazurowym Wybrzeżu, tak już w Polsce jego pełna eksploatacja możliwa jest przez dwa miesiące w roku a w pozostałych miesiącach, delikatnie mówiąc, nie daje pełnej i spodziewanej satysfakcji. Podobnie jest z rozwiązaniami technicznymi dotyczącymi ogrzewania w fazie suszenia w kabinach lakierniczych. Rozwiązanie najprostsze pod względem technicznym polega na stworzeniu takiej sytuacji, by przez wymiennik ciepła przepływało tylko ok. 20-25% wartości początkowej wydajności wentylatora. Realizowane jest albo poprzez mechaniczne ograniczenie przekroju czerpni, albo poprzez odwrócenie kierunku obrotów wentylatora co w rezultacie daje taki sam efekt zmniejszenia wydajności do około 20-25% wydajności początkowej. Tak mała ilość przepływającego poprzez wymiennik powietrza bez żadnego problemu może zostać ogrzana do zadanej temperatury. Wadą tego rozwiązania, z uwagi na małą ilość gorącego powietrza dostarczonego do kabiny lakierniczej, jest bardzo nierównomierne suszenie pojazdu. Części pionowe karoserii wysychają znacznie dłużej niż części poziome i proces suszenia pojazdu może być stosunkowo długi. W małych zakładach o niewielkim przerobie nie stanowi to jednak żadnego problemu. W rozwiązaniu tym cała ilość gorącego powietrza jest po przejściu przez komorę wyrzucana na zewnątrz do atmosfery.

Przypomina to trochę układ centralnego ogrzewania o obiegu otwartym, gdzie wodę po podgrzaniu do odpowiedniej temperatury i przelaniu się jej przez instalację grzewczą wylewalibyśmy do ścieków. Rozwiązanie kolejne polega na mechanicznym ograniczeniu przekroju kanału czerpni co w efekcie zmniejsza wydajność wentylatorów do około 50%. Dodatkowo pomiędzy kanałem czerpni a komorą wymiennika ciepła otwiera się klapa, która umożliwia zassanie pewnej ilości gorącego powietrza przez strumień powietrza zasysanego poprzez czerpnie. Tak więc powietrze dostarczone do wymiennika ciepła jest wymieszane z powietrzem gorącym, w związku z tym jego temperatura jest już znacznie wyższa co powoduje, że powietrze przepływające prze wymiennik ciepła może uzyskać odpowiedni przyrost temperatury. Ludzie związani z produkcja kabin określają to rozwiązanie mianem “by pass”. Jego zaletą jest dostarczenie znacznie większej ilości gorącego powietrza co znakomicie poprawia i przyspiesza proces suszenia. Tak jak w poprzednim rozwiązaniu gorące powietrze wydalane jest do atmosfery.

Rozwiązanie następne to układ powodujący, że 90% masy powietrza krąży w obiegu zamkniętym. Dzieje się tak za sprawą systemu klap, które automatycznie zamykają czerpnie a otwierają połączenie wentylatora nadmuchowego z fosą co powoduje, że wentylator ten zasysa powietrze z kabiny lakierniczej, a więc powietrze już wcześniej ogrzane i ponownie kieruje je do kabiny lakierniczej poprzez oczywiście wymiennik ciepła gdzie uzupełniane są spadki temperatury. Klapa zamykająca czerpnię jest specjalnie nieszczelna by zapewnić udział 10% świeżego powietrza które konieczne jest do procesu suszenia. Do niedawna w trakcie tej fazy pracy wentylator wyciągowy pozostawał wyłączony a 10% nadmiar powietrza wydalany był grawitacyjnie, ale zmieniły się dyrektywy UE w tym zakresie i teraz dla wspomożenia wydalania tych 10% powietrza, wentylator wyciągowy musi pracować również w fazie suszenia.

Które rozwiązanie jest najlepsze dla naszego klimatu? Ponownie użyjemy obrazowego przykładu. Proszę wyobraźmy sobie, że jedziemy samochodem w cztery osoby. Jest zima, na dworze mróz. Jedziemy już kilka kilometrów i silnik uzyskał prawidłową temperaturę. Kierowca włączył ogrzewanie, a wentylator ustawił na najmniejsze obroty. Czy osoby siedzące z tyłu będą miały ciepło? Po jakim czasie? A co się stanie jak wentylator będzie włączony na najwyższe obroty? Czy ciepło nie dojdzie do pasażerów znacznie szybciej?

Kabiny lakiernicze bardziej zaawansowane technicznie, wyposażone w elektroniczne układy sterujące mogą mieć jeszcze dodatkowe funkcje pracy: – faza przewietrzania, która następuje po fazie lakierowania, faza schładzania, która włącza się samoczynnie po zakończeniu procesu suszenia, specjalny układ oszczędzający energię cieplną przestawiający kabinę lakierniczą automatycznie w fazę recyrkulacji jeśli przerywamy proces lakierowania, układ wizualizacji uszkodzeń podawanych w formie kodów na sterowniku, możliwość zainstalowania całkowicie automatycznej regulacji nadciśnienia panującego w kabinie czyli zapewnienie zawsze takiej samej prędkości opadu powietrza.

Powróćmy na koniec do serca kabiny lakierniczej czyli jednostki wentylacyjno grzewczej zwanej popularnie generatorem lub agregatem. Producenci stosują jak zwykle różne rozwiązania spowodowane najczęściej możliwościami technicznymi, a przede wszystkim kosztami produkcji. W większości rozwiązań generator taki budowany jest jako konstrukcja samonośna wykonana z blachy stalowej wyginanej odpowiednio dla uzyskania profili przestrzennych , łączona na miejscu montażu za pomocą nitów lub blacho wkrętów samowiercących, wypełniona pokrywami wykonanymi z blachy. Poszczególne elementy konstrukcji połączone ze sobą tworzą strukturę nośną dla wymiennika ciepła, wentylatora lub wentylatorów oraz osprzętu dodatkowego takiego jak klapa recyrkulacji (jeśli układ taki występuje), siłowniki pneumatyczne, serwomotory, oparcie dla kanałów wentylacyjnych czerpni i wyrzutni oraz inne elementy, które mogą występować w różnych konstrukcjach.

Rozwiązanie takie jest szybkie w produkcji wielkoseryjnej, ale jego trwałość może zależeć w dużym stopniu od rzetelności montażu. Wentylatory mają dosyć dużą masę i wirują z dużą prędkością. Niedokładny, byle jaki montaż może się szybko zemścić.

Producenci urządzeń o dużej renomie to zazwyczaj firmy z wieloletnią tradycją, które nie specjalizują się w tworzeniu produktów masowych i jako takie nie mogą sobie pozwolić na ryzyko związane z brakiem kontroli montażu i poprawności działania, dlatego też, generatory tych firm budowane są w oparciu o solidne konstrukcje stalowe, zdolne przenosić duże obciążenia, dostarczane do odbiorcy w postaci gotowych do pracy modułów zawierających wewnątrz wszystkie niezbędne elementy takie jak wentylatory, silniki, klapy, wymiennik ciepła itp. Rodzi to pewne kłopoty związane z transportem a przede wszystkim rozładunkiem takich urządzeń, ale wychodzi się z założenia, że transportuje się i ustawia na miejscu pracy w zasadzie tylko jeden raz, tak więc można się pokusić o pokonanie tych niedogodności, by mieć gwarancję najwyższej trwałości wykonania.

Najbardziej istotnymi elementami generatora są wentylatory oraz wymiennik ciepła. Tutaj też potrafią ukryć się istotne różnice w podejściu do produktu. Wymiennik ciepła jak sama nazwa wskazuje służy do “pośrednictwa” pomiędzy płomieniem palnika, a powietrzem dostarczanym do komory lakierniczej. Działa on w ten sposób, że palnik zawieszony na ściance wymiennika ma płomień skierowany do wnętrza wymiennika, do komory spalania. Spaliny odprowadzane są do komina spalin poprzez kanały płomienicowe. Powietrze podawane przez wentylator nadmuchowy “omywa” wymiennik i nagrzewa się od jego rozgrzanych elementów. Komora spalania rozgrzewa się do znacznej temperatury, ale również kanały płomienicowe odprowadzające spaliny na zewnątrz. Większość producentów produkuje wymienniki o dość prostej konstrukcji z kanałami płomienicowymi wykonanymi w kształcie pionowych szczelin umieszczonych obok siebie w jednym rzędzie nad komorą spalania. W takim wymienniku powietrze przenika między tymi szczelinami w sposób niezakłócony, ruchem liniowym.

Inne konstrukcje umieszczają nad komorą spalania rury płomienicowe o przekroju okrągłym umieszczone w kilku naprzemiennie leżących rzędach. W takich wymiennikach przepływające powietrze musi wykonać ruch “wężowy” co powoduje, że powierzchnia wymiany jest bardzo duża. W konstrukcjach tych stosuje się dodatkowo specjalne “zwolnice” instalowane w rurach płomienicowych po to by maksymalnie wykorzystać ciepło gazów spalinowych. Efektem takiej konstrukcji jest bardzo wysoka sprawność wymiennika ciepła.

W układach grzewczych kabin lakierniczych w zależności od dostępności mediów stosowane są palniki olejowe lub gazowe. Dobrze jest gdy są to palniki pochodzące od znanego producenta, który był w stanie wykonać stosowne badania swoich wyrobów. Moc palnika musi być dostosowana do żądanej mocy układu grzewczego.

Często pada pytanie o zużycie paliwa przez taki palnik. Ta wartość uzależniona jest oczywiście od mocy palnika. Musimy zdawać sobie sprawę, że zużycie to uzależnione jest również od czasu (intensywności) pracy palnika. W praktyce oznacza to, że jeżeli na zewnątrz jest zimno, to palnik musi dłużej pracować by powietrze przepływające przez wymiennik ciepła uzyskało zadaną temperaturę. Jeżeli dłużej pracuje, to spala więcej paliwa. Po to właśnie jest zainstalowany. Wiarygodnie można podawać jedynie informację o maksymalnym zużyciu paliwa na godzinę pracy. W układach grzewczych kabin lakierniczych spotyka się następujące palniki olejowe i gazowe:

Jednostopniowe – najczęściej spotykane, obarczone jednak pewną niedogodnością polegającą w praktyce na występowaniu sporych różnic plus-minus nawet 3-4oC w trakcie fazy lakierowania, co powoduje, że lakiernik (po nastawieniu temperatury na sterowniku na 20oC) maluje fragment karoserii w temperaturze 17oC a za chwilę drugi fragment w temperaturze 23oC, a przecież wiemy, że lakier w tych warunkach będzie miał inną lepkość i może inaczej się nakładać. Dwustopniowe – jeżeli mają zainstalowany odpowiedni (np. spraytronic) element sterujący, pozbawione są prawie ww. wady. Taki palnik działa wtedy tak, że w zależności od zapotrzebowania na ciepło, pracuje pierwszy lub oba stopnie. Palniki gazowe mogą mieć ponadto jeszcze tzw. układ płomienia modulowanego – jest to rozwiązanie bardzo drogie, ale zapewniające stabilne utrzymanie zadanej temperatury.

Wentylatory stosowane w kabinach lakierniczych z grubsza dzielą się na:

• jednostrumieniowe osadzone bezpośrednio na osi silnika,
• dwustrumieniowe napędzane poprzez przekładnie pasowe.

Zawsze są to jednak wentylatory promieniowe. Wentylatory jednostrumieniowe osadzone na osi silnika to bardzo dobre i tanie rozwiązanie. Ich charakterystyka pracy jest taka, że stosunkowo dobrze znoszą wysokie zanieczyszczenie filtrów sufitowych. Nie wymagają regulacji, a właściwie nie mają możliwości regulacji prędkości obrotowej a co za tym idzie, wydajności, ponieważ jest ona taka sama jak obroty silnika.

Wentylatory dwustrumieniowe, napędzane są za pomocą przekładni pasowej która umożliwia, poprzez zmianę wielkości kół pasowych, “dostrojenie” wydajności wentylatora np. ze względu na dużą wysokość zainstalowania kabiny nad poziomem morza, co zdarza się nawet w Polsce. Wentylatory te mają znacznie większą wydajność na 1 kW mocy silnika. Ze względu na znacznie większą liczbę łopatek, wentylatory takie nie mają skłonności do pulsacji powietrza.

Wydaje nam się, że te informacje pozwolą Państwu zorientować się w natłoku dostarczanych ofert i usystematyzować te opracowania. Musimy zdawać sobie sprawę, że większość producentów prawdopodobnie wie jak powinna być skonstruowana kabina lakiernicza o wysokich walorach użytkowych, a to, że produkują urządzenia o takich, a nie innych parametrach i z zastosowaniem takich, a nie innych podzespołów i elementów wynika najczęściej z dobrze przeprowadzonego marketingu i kalkulacji kosztów.

Osobną sprawą jest tutaj wiedza i rzetelność handlowców. W większości są to osoby ciężko pracujące, o dużej wiedzy zawodowej, którym należy się głęboki szacunek, ale niestety jak w każdym środowisku i tu pojawiają się ludzie, dla których najważniejszy jest szybki zysk bez oglądania się na Państwa potrzeby. Pytajcie Państwo o szczegóły techniczne, a okaże się kto traktuje swoich Klientów poważnie