茍維杰，孟冬菊，李延紅，汪新鋒

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京100026)

0 前言

汽車制造過程中，白車身的制造經(jīng)沖壓、焊接成型、外觀修整、打磨等工序，最后經(jīng)噴涂與其他總成裝配成整車。其中車身焊接和白車修磨工序中產(chǎn)生大量的煙塵和粉塵，直接排放到工作區(qū)域內(nèi)，造成空氣污染。汽車焊裝車間中可吸入煙塵直徑在0.1～0.4 μm的顆粒占總煙塵的98.9%，并能通過人體上呼吸道進(jìn)入肺泡，沉積率達(dá)50%以上，引起呼吸道疾病甚至肺癌等疾病［1－3］。車間內(nèi)的煙塵如不能及時排出，將直接影響工人的健康，建立高效的通風(fēng)除塵系統(tǒng)是解決煙塵問題、保障從業(yè)者健康的關(guān)鍵所在。

1 置換通風(fēng)除塵原理及其氣流組織特性

分析混合通風(fēng)從通風(fēng)除塵原理可知，它不能徹底地凈化工作區(qū)間的空氣質(zhì)量。混合通風(fēng)車間中，送風(fēng)末端安裝在工作區(qū)上部，新空氣送到車間后，首先與送風(fēng)口附近煙塵濃度較高的空氣混合，送達(dá)到操作工可吸入?yún)^(qū)域的空氣稀釋焊接煙氣后的被污染的空氣。而置換通風(fēng)能夠直接把清潔空氣送達(dá)到操作工呼吸區(qū)域。即安裝在車間側(cè)面送風(fēng)末端送入溫度較低的清潔空氣，送到工作區(qū)地面附近。由于低溫空氣密度較大，會在重力的作用下下沉并擴(kuò)散到整個室內(nèi)地面。由于焊接熱的作用，施焊區(qū)域內(nèi)空氣溫度升高，熱濁氣流產(chǎn)生自然對流和上升的卷吸力。理想狀況下，在送風(fēng)末端新空氣的推動力、工作區(qū)域熱空氣的卷吸力、回風(fēng)口的排風(fēng)機(jī)組的抽吸作用下，形成單向流動氣流，將焊接煙塵從工作區(qū)經(jīng)排風(fēng)機(jī)組送到空氣凈化設(shè)備當(dāng)中。

置換通風(fēng)車間中，煙塵的流動在一定的高度方向存在熱力分層的現(xiàn)象，這個高度稱為分層高度。所有的分層高度組成的曲面稱為熱力分界面［4］。在分界面上部氣流為紊流狀態(tài)，煙塵濃度高，分界面下部清潔空氣大致成為單向?qū)恿鳡?，由下向上流動，空氣清潔度較高。因此，分層面的高低直接反映除塵能力及除塵效果，可作為判斷除塵效果的指標(biāo)。

影響分層面的因素有送風(fēng)量、送風(fēng)末端位置、室內(nèi)外溫度差、室內(nèi)風(fēng)速及送風(fēng)末端附近“渦流”等。送風(fēng)末端的出風(fēng)量在高度方向產(chǎn)生梯度將會形成分層送風(fēng)，即室內(nèi)下層的送風(fēng)量較大，送風(fēng)量在高度方向逐漸減小。這種“分層”送風(fēng)末端能減少因“渦流”作用對氣流方向和輸送距離的影響。在夏季采用冷風(fēng)，春秋季節(jié)采用全新風(fēng)，冬季采用混合暖風(fēng)，并在不同的季節(jié)采用不同的出風(fēng)口角度，送風(fēng)末端能有效地提高出風(fēng)口送風(fēng)距離［5－6］。不同季節(jié)出風(fēng)口形式及送風(fēng)筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 不同季節(jié)出風(fēng)口形式

2 置換通風(fēng)數(shù)字化模擬計算與參數(shù)優(yōu)化

除塵系統(tǒng)設(shè)計目的在于通過合理的安排送風(fēng)量、送風(fēng)末端位置和分布，將送風(fēng)量、送風(fēng)末端的位置分布與車間整體空間相匹配，有效控制工作區(qū)域氣流的流向，降低煙塵濃度。結(jié)合車間特性設(shè)計了置換通風(fēng)焊裝車間模型，采用計算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，借助于計算軟件模擬分析不同參數(shù)對焊裝車間流場及煙塵濃度分布的影響，提出有利于提高通風(fēng)效率和節(jié)能高效的優(yōu)化設(shè)計方案。

2.1 研究模型及模擬計算

研究模型及邊界條件如下［7－8］:

機(jī)械通風(fēng)室內(nèi)氣流流態(tài)通常為湍流［7］，研究模型結(jié)合車間實際情況并進(jìn)行簡化，模型車間為20 m×35 m×10 m。由于房間內(nèi)的氣流組織受多種因素的影響，參數(shù)計算中采用理想化假設(shè)，對影響計算的復(fù)雜條件做了簡化處理。在模型計算中使用outflow作為出口邊界和velocity－inlet作為入口邊界。研究模型內(nèi)設(shè)10臺焊機(jī)，散熱量為10×60 W/臺;12個送風(fēng)末端，安裝高度可實現(xiàn)參數(shù)化調(diào)節(jié);送風(fēng)末端安裝在車間頂部高度為10 m處。

本研究采用Κ－ε湍流標(biāo)準(zhǔn)模型作為焊裝車間氣流流動特性的描述方程。計算過程為:(1)用控制容積法對控制方程進(jìn)行離散化;(2)采用SIMPLE算法對離散方程進(jìn)行求解、對近壁區(qū)域氣流的流動采用壁面函數(shù)法;(3)使用歐拉方法模擬計算不同參數(shù)對焊裝車間內(nèi)焊接煙塵的濃度分布影響情況。

2.2 送風(fēng)量與煙塵平均濃度

以焊接煙為塵污染物的汽車焊裝車間，按照污染物濃度稀釋計算送風(fēng)量是依據(jù)室內(nèi)有害物的發(fā)生量來確定［9］。其計算公式為

式中 M為焊接煙塵散發(fā)量(單位mg/h);Cm為焊接煙塵的最高允許濃度(單位:mg/m3);Cs為進(jìn)入車間的新風(fēng)煙塵濃度(單位:mg/m3);Cm為職業(yè)限值4 mg/m3，清潔空氣Cs取值為0。

通過公式的計算量和計算原理可知，按照污染物濃度稀釋計算送風(fēng)量Q，既滿足混合通風(fēng)模式所需通風(fēng)量，又滿足置換通風(fēng)中通風(fēng)量。根據(jù)焊裝車間焊接設(shè)備及工藝所計算模型中產(chǎn)生的煙塵量，得焊裝車間的當(dāng)量M=8 700 mg/h。模型中Q=34 800 m3/h。

當(dāng)送風(fēng)末端安裝高度為2 m時，分別在送風(fēng)量設(shè)置為 Q、80%Q、60%Q、40%Q 時，使用 CFD 軟件計算，并繪制出送風(fēng)量、車間高度及各平面的煙塵平均濃度曲線，送風(fēng)量與煙塵平均濃度如圖2所示。

圖2 送風(fēng)量與煙塵平均濃度

送風(fēng)量直接影響煙塵濃度，隨著送風(fēng)量的減小，焊接車間內(nèi)煙塵濃度整體上升;各條曲線的宏觀走勢是一致的，送風(fēng)末端風(fēng)量的改變并不會改變煙塵濃度的分布趨勢;在送風(fēng)量不同時，煙濃度均是隨著垂直高度的增加先升高，然后到一定高度之后趨于平穩(wěn)，存在著濃度分界面在2 m以下的人員活動區(qū)煙塵濃度較小。送風(fēng)量對濃度分層影響并不大，不同送風(fēng)量的濃度曲線走勢基本一致，送風(fēng)量大于時濃度曲線較低。但是，從模擬計算的煙塵濃度可知，當(dāng)送風(fēng)量大于Q60%時，工作區(qū)域內(nèi)煙塵濃度滿足職業(yè)限值，這一數(shù)值為系統(tǒng)的低風(fēng)節(jié)能研究提供理論依據(jù)。

2.3 送風(fēng)末端安裝高度參量模擬計算

安裝高度是指送風(fēng)末端有效出風(fēng)口到地面的垂直距離。當(dāng)送風(fēng)量設(shè)定為80%Q，分別設(shè)置送風(fēng)末端高度為1 m、2 m、3 m時，使用CFD軟件計算，并繪制出送風(fēng)末端位置、車間高度及各平面的煙塵平均濃度曲線，不同送風(fēng)高度與煙塵平均濃度如圖3所示。

由圖3可知，盡管安裝高度不同，但三條曲線的基本走勢相似;在廠房高度方向煙塵濃度逐漸升高，高度在2 m以下的工作區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量符合職業(yè)限值;在2 m以下高度處，送風(fēng)末端的高度越高煙塵濃度越高，2 m以上同一高度處，送風(fēng)末端越高煙塵濃度較低。焊接場所首要考慮2 m以下工作區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量，因此，在送風(fēng)末端安裝時盡可能降低安裝高度。

2.4 送風(fēng)距離模擬參量與計算

送風(fēng)距離是指從送風(fēng)末端到焊接工位的水平距離。當(dāng)送風(fēng)末端高度為1.9 m，設(shè)置施焊工位離送風(fēng)末端水平距離分別為2 m、3 m、4 m，送風(fēng)量設(shè)定為Q80%，使用CFD軟件計算車間中不同高度的煙塵平均濃度。不同送風(fēng)距離對煙塵平均濃度的影響如圖4所示。

圖3 不同送風(fēng)高度與煙塵平均濃度

三種不同工況的曲線基本重合，曲線的拐點均在3 m左右，送風(fēng)末端與施焊工位之間的水平距離幾乎不影響煙塵濃度在高度上的分布;在不同高度面上的煙塵平均濃度值小于4 mg/m3，置換通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效地排除施焊工位產(chǎn)生的焊接煙塵?？紤]到煙塵濃度分界層越高越有利于工作區(qū)中空氣質(zhì)量的凈化，從分布曲線來看，送風(fēng)位置約2 m時煙塵濃度最低，通風(fēng)效果較好，在工程施工可以采用這一方案。

圖4 不同送風(fēng)距離下煙塵平均濃度影響

3 優(yōu)化設(shè)計在焊裝車間的應(yīng)用與分析評價

3.1 置換通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計

汽車焊裝車間為10跨20 m×140 m，除去全封閉的噴漆車間，總面積約27 000 m2，有效高度約12 m。該車間為沖壓線、焊裝線、裝配線、質(zhì)檢線混合車間。依據(jù)優(yōu)化模型計算全通風(fēng)量為 Q=1 392 000 m3/h，選用14套除塵系統(tǒng)溫控機(jī)組中風(fēng)量為1 400 000 m3/h，8套風(fēng)量圍為85 000 m3/h機(jī)組安裝在發(fā)煙量較大的4跨焊裝線，每跨安裝兩套機(jī)組。其余6套風(fēng)量為120 000 m3/h設(shè)備安裝在其他6跨生產(chǎn)區(qū)域。安裝筒式分層送風(fēng)末端，高度為底部距地面1.9 m，距焊接工位2 ～4 m。回風(fēng)口安裝高度受其他設(shè)備的限制，安裝在離地高度10 m位置。

3.2 數(shù)據(jù)檢測規(guī)范

依據(jù)GBZ159－2004工作場所空氣中有害物質(zhì)監(jiān)測的采樣規(guī)范，檢測過程中選取焊裝區(qū)域12個有代表性的檢測點，離地高度為1.60 m。1#～8#分布在焊接區(qū)，9#～12#分布在白車身裝配區(qū)。檢測儀器使用P—5L2C型便攜式微電腦粉塵測試儀。測定時室外氣溫為1℃ ～12℃，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)溫度設(shè)定為22℃。數(shù)據(jù)測驗為北方冬天，送風(fēng)末端的空氣為清潔空氣與過濾后回風(fēng)的混合空氣。

3.3 數(shù)據(jù)檢測及分析

3.3.1 數(shù)據(jù)檢測

試驗數(shù)值測定中，考慮到送風(fēng)過程中的管道阻力對送風(fēng)量的影響，分別將置換通風(fēng)車間溫控機(jī)組送風(fēng)量設(shè)置為70%Q和90%Q，測試煙塵濃度、實時風(fēng)速和溫度進(jìn)行檢測記錄，每次測試時間5 min，取3次的平均值作為測定數(shù)據(jù)值。測定綜合數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測定綜合數(shù)據(jù)

當(dāng)送風(fēng)量為設(shè)計風(fēng)量70%Q時，置換送風(fēng)車間平均煙塵濃度2.852 mg/m3，排風(fēng)口煙塵濃度4.36 mg/m3;最大煙塵濃度 3.623 mg/m3，最高風(fēng)速為0.26 m/s;在職業(yè)接觸限值4 mg/m3和焊接工藝要求范圍0.5 m/s之內(nèi)。

當(dāng)送風(fēng)量為設(shè)計風(fēng)量90%Q時，置換通風(fēng)車間平均煙塵濃度 2.238 mg/m3，排風(fēng)口煙塵濃度3.83 mg/m3;最大煙塵濃度 3.018 mg/m3;最高風(fēng)速0.27 m/s，各項指標(biāo)都在要求范圍內(nèi)，且最大煙塵濃度和平均煙塵濃度有較大幅度的降低。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析與評價

測試點的煙塵濃度受新風(fēng)送達(dá)量、空氣流動速度、煙羽的形成及焊煙量的影響。當(dāng)焊接煙塵發(fā)散源和送風(fēng)末端位置不變的情況下，置換通風(fēng)車間除塵系統(tǒng)通風(fēng)效率隨送風(fēng)量的增加而升高。分析檢測數(shù)據(jù)可知，置換通風(fēng)除塵系統(tǒng)能在較低送風(fēng)量情況下(Q70%)使煙塵濃度達(dá)到職業(yè)限值。當(dāng)送風(fēng)量由70%Q提升到90%Q時，分層送風(fēng)方式平均煙塵濃度降低21.5%。當(dāng)送風(fēng)量70%Q、90%Q時的通風(fēng)效率分別為1.53、1.71。置換通風(fēng)車間通風(fēng)效率高，溫度控制性平穩(wěn)(18+1℃)，能夠在低送風(fēng)量下有效地提升工作場所空氣質(zhì)量。

圖5為兩種工況下，對測試點的煙塵濃度實測曲線和模擬曲線煙塵濃度的對比。由于模擬數(shù)值更多地反映所在點煙塵的平均濃度，實測數(shù)據(jù)反映當(dāng)前測試點的實時煙塵濃度。因此，模擬數(shù)值曲線更平滑一些，實測曲線起伏比較大，但在數(shù)值上存在一些偏差。雖然這些測試點是離散在同一車間不同區(qū)域的采樣點，基本曲線走勢比較統(tǒng)一，這說明應(yīng)用CFD計算方法能夠反映焊接車間氣流的組織和煙塵濃度的分布的關(guān)系，適用于焊接車間流場的計算與模擬測試。

4 結(jié)論

CFD計算的方法能夠真實地反映置換通風(fēng)車間流場的特性和煙塵的分布，可作為置換通風(fēng)車間出塵系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)學(xué)工具和理論指導(dǎo)。應(yīng)用CFD方法建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，模擬計算送風(fēng)量、送風(fēng)高度、送風(fēng)距離與焊接煙塵濃度分布之間的關(guān)系并進(jìn)行優(yōu)化分析，實現(xiàn)數(shù)字化，減少了大量的實驗，縮短了設(shè)計周期。經(jīng)驗證基于CFD設(shè)計的置換通風(fēng)除塵系統(tǒng)，氣流合理、通風(fēng)效率高、溫度舒適性好，實現(xiàn)了低耗能高功效、節(jié)能減排的設(shè)計理念，可作為解決類似的除塵問題或流場計算問題的參考。

圖5 模擬煙塵濃度與實測煙塵濃度

［1］ 魏 康，何 立.關(guān)于焊接與相關(guān)工藝過程中的有害物質(zhì)［J］.電焊機(jī)，2004，11(34):60 －64.

［2］ Moronia B，VitibGrain C.Size，chemistry，and strctur of fine and ultra fine particles in stainless steel welding fumes［J］.Journal of Aerosol Science，2009，40(11):938－949.

［3］ SOLANO －LOPEZ C，ZEIDLER －ERDELY P C.Welding Fume Exposure and Associated Inflammatory and Hyper plastic Changes in the Lungs of Tumor Susceptible A/J Mice［J］.Toxicologic Pathology，2006(34):364 －372.

［4］ 劉 猛，龍惟定.置換通風(fēng)熱力分層高度的數(shù)值研究［J］.暖通空調(diào)，2009，39(8):112 －115.

［5］ 李 波，胡廣勝.焊接廠房煙塵的危害及整體除塵處理方案［J］.金屬加工，2012.(2):37－37.

［6］ 張家珍.焊接車間煙塵特性及治理措施［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32(3):9 －11.

［7］ 楊 珂.焊接車間置換通風(fēng)設(shè)計研究［D］.上海同濟(jì)大學(xué)，2008.

［8］ 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［9］ 游國祥，劉春菊，葛鳳華.焊接廠房通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用分析［J］.中國資源綜合利用，2008，26(4):29 －32.

［10］ GBZ2.1－2007，工作場所有害因素職業(yè)接觸限值——化學(xué)有害因素［S］.

［11］GBZ 159－2004，工作場所空氣中有害物質(zhì)監(jiān)測的采樣規(guī)范［S］.