葉 飛 劉 剛 楊豐暢

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

焊接車間通風(fēng)方式對濃度場的影響研究

葉 飛 劉 剛 楊豐暢

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

運(yùn)用Fluent軟件模擬研究了某個高大焊接車間的三種不同的通風(fēng)方案，研究了相同風(fēng)量下不同方式對于焊接車間濃度場的影響，得到了焊接車間內(nèi)呼吸區(qū)的焊塵濃度分布，確定了最佳的通風(fēng)方式。

焊接車間高大空間通風(fēng)數(shù)值模擬

焊接技術(shù)是機(jī)械加工行業(yè)不可缺少的工業(yè)手段，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有舉足輕重的地位[1]。由于焊接、切割、打磨等工序作業(yè)量大，產(chǎn)生的焊塵多，常常彌漫在整個車間并聚集懸浮在車間上部。流行病學(xué)的研究表明，焊工為呼吸道疾病的高發(fā)人群，可能患的呼吸道疾病包括呼吸道受刺激、支氣管炎、金屬熱、呼吸功能改變及癌癥等。因此，隨著焊接車間規(guī)模日趨大型化，改善焊工的工作條件，減少煙塵已經(jīng)成為整個行業(yè)面臨的重要問題。

我國《焊接作業(yè)廠房采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的電焊煙塵（總塵）的時間加權(quán)平均允許濃度為5mg/m3。焊塵的粒徑范圍通常為1×10-3～1× 102μm，而對人體健康影響最大是0.1～1μm[2]。

由斯托克斯定律，煙塵粒子的自由沉降速度為[3]

式中：ut為煙塵粒子的自由沉降速度，m/s；ρs為煙塵粒子的密度，kg/m3；ρ為周圍流體（空氣）的密度，kg/m3；g為自由落體加速度，m/s2；d為煙塵粒子的直徑，m；μ為空氣的動力黏度，Pa·s。

粒徑范圍在0.1～1μm的焊塵，沉降速度與室內(nèi)氣流流速相比可忽略不計(jì)，即認(rèn)為焊塵會隨室內(nèi)氣流而流動。這樣就可以通過全面通風(fēng)排出焊接煙塵，達(dá)到減小車間內(nèi)煙塵濃度的目的，也可以按照單相流進(jìn)行數(shù)值模擬[4]。

1 模型介紹

1.1 項(xiàng)目概況

焊接車間長162m，寬33m，高24m。車間最多同時使用30臺電焊機(jī)，焊點(diǎn)發(fā)塵量按每個焊點(diǎn)每天消耗焊條20kg、每kg焊條發(fā)塵量17g、每天工作8h計(jì)算。焊接操作點(diǎn)焊接煙塵發(fā)生速度為0.012g/s。該車間生產(chǎn)工藝要求采用流動作業(yè)，故污染源不固定。屋頂上安裝有14臺屋頂風(fēng)機(jī)。

1.2 建立模型

考略到該焊接車間的對稱性，選取一部分（地表面積為車間地表面積的1/4，長度方向?yàn)?個柱距（84m）、寬度方向?yàn)橐粋€跨度（16.5m））為研究對象建模，模型軸測圖見圖1。

圖1 模型軸測圖

模型地表面積為車間地表面積的1/4，在焊點(diǎn)均勻分布的情況下，模型內(nèi)焊點(diǎn)個數(shù)應(yīng)當(dāng)為7.5個。但在實(shí)際中可能存在車間內(nèi)局部區(qū)域焊接煙塵發(fā)散較集中的情況，為了在這種情況下仍然能達(dá)到較好的通風(fēng)效果，如圖2所示，在模型空間內(nèi)共布置了9個焊點(diǎn)（長度方向間距9m，離地面高度0.6m）進(jìn)行研究。

根據(jù)《焊接作業(yè)廠房采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄B“焊接及相關(guān)工藝污染物濃度及通風(fēng)量的計(jì)算”，在穩(wěn)定狀態(tài)下，消除焊接煙塵所需通風(fēng)量按式（2）計(jì)算：

式中：L為消除污染物所需通風(fēng)量，m3/h；m為室內(nèi)焊接煙塵散發(fā)量，mg/h；ρy為室內(nèi)空氣中焊接煙塵的最高容許質(zhì)量濃度，mg/m3，參照《工作場所有害因素職業(yè)接觸界限》的規(guī)定，電焊煙塵（總塵）允許濃度為5mg/m3；ρx為送入空氣中污染物的質(zhì)量濃度，mg/m3，除新風(fēng)外，循環(huán)風(fēng)限《工作場所有害因素職業(yè)接觸界限》的規(guī)定值的30%；β為排風(fēng)效率，取1。

由式（2）得出計(jì)算總通風(fēng)量為77760m3/h（即21.6m3/s）。

在物理模型基礎(chǔ)上建立三種數(shù)值研究模型：

1）模型A。只依靠屋頂風(fēng)機(jī)，通過通道自然滲透，通道的尺寸為15m×3m，7臺屋頂風(fēng)機(jī)均勻地布置在焊接車間屋頂上。

2）模型B?？倓恿Σ蛔兊那闆r下，將30%的通風(fēng)量分配于機(jī)械進(jìn)風(fēng)，70%屋頂排風(fēng)，即在模型A的基礎(chǔ)上，側(cè)墻底部設(shè)置機(jī)械進(jìn)風(fēng)口9個，尺寸為0.8m× 0.4m，風(fēng)速為2.25m/s。

3）模型C?？倓恿Σ蛔兊那闆r下，將20%的通風(fēng)量分配于機(jī)械進(jìn)風(fēng)，40%的通風(fēng)量分配于機(jī)械回風(fēng)，40%分配于屋頂排風(fēng)。在模型B的基礎(chǔ)上，距進(jìn)風(fēng)口中心3.5m上方設(shè)置機(jī)械回風(fēng)口6個，尺寸為0.8m× 0.4m。經(jīng)多次反復(fù)調(diào)整，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1.5m/s，回風(fēng)風(fēng)速為4.5m/s。

2 模擬結(jié)果分析

對比分析的參考對象及標(biāo)準(zhǔn)為：①Z=1.5m水平截面，分析呼吸區(qū)的濃度分布；②三條代表性的直線Line1（X=-36.1m、Y=-3m、Z=0～24m）、Line2（X=38m、Y=3.2m、Z=0～24m）、Line3（X=-6m、Y=0m、Z=0～24m），具體位置如圖1所示，分析離開焊點(diǎn)2m以外隨高度變化的濃度分布。

2.1 Z=1.5m水平截面模擬結(jié)果及分析

Z=1.5m水平截面的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 各模型Z=1.5m處質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

由圖2（a）可以看出，整個車間呼吸區(qū)的焊塵濃度分布很不均勻，盡管通道流入新風(fēng)，靠近通道附近區(qū)域的焊塵濃度較低，但是在X軸負(fù)軸區(qū)域大面積濃度超標(biāo)，稱之為“死角”。正軸的三個焊接點(diǎn)附近焊塵被新風(fēng)稀釋，但局部濃度也較高。

由圖2（b）可以看出，整個呼吸區(qū)的焊塵濃度有一定改善，機(jī)械進(jìn)風(fēng)使得焊塵聚集在Y軸附近區(qū)域，但由于屋頂風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量只有模型A中70%，因此效果不理想。

由圖2（c）可以看出，除了焊點(diǎn)的工作區(qū)域，整個車間呼吸區(qū)的焊接煙塵濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 特定測點(diǎn)濃度分析

Line1-3是具有代表性的三條參考直線，Line-1和Line-2各為遠(yuǎn)離通道“死角”處的兩條直線，Line-3位于車間的中心且靠近通道進(jìn)風(fēng)處。圖3～5中顯示Line-1、Line-2、Line-3在模型A、模型B、模型C中焊塵濃度隨高度的變化。

圖3 Line-1處焊塵濃度沿高度分布

圖4 Line-2處焊塵濃度沿高度分布

圖5 Line-3處焊塵濃度沿高度分布

由圖3可知：Line-1處于車間的“死角”處，模型A中通道滲透進(jìn)來的新風(fēng)很難到達(dá)此處稀釋焊塵，該處氣流組織沒有受到擾動，致使煙霧彌漫，濃度超標(biāo)，并且濃度變化不大；模型B中Line-1處的氣流主要受到機(jī)械進(jìn)風(fēng)的影響，在2.5m以下滿足允許濃度5mg/m3，隨高度升高濃度變大；模型C在3.5m處設(shè)置機(jī)械回風(fēng)口，將污染物濃度進(jìn)一步降低。

由圖4可知：模型A中大通道滲透進(jìn)入的風(fēng)量充足，充分稀釋了Line-2處的空氣，使得Line-2處的焊塵濃度隨高度變化不大，且都在規(guī)定濃度范圍內(nèi)；模型B中由于滲透風(fēng)量的減少，新鮮空氣無法像模型A中一樣充分稀釋Line-2處“死角”的空氣，雖然底部有機(jī)械進(jìn)風(fēng)，但并沒有達(dá)到很好的效果；模型C中，機(jī)械進(jìn)回風(fēng)和滲透新風(fēng)的共同作用，Line-2處的氣流受到一定的擾動，但是焊塵濃度滿足規(guī)范。

由圖5可知：模型A中Line-3處于受到焊接發(fā)塵和滲透風(fēng)量共同影響的交界區(qū)域，因此不但濃度很高，而且由于新鮮空氣的稀釋，濃度梯度大；模型B中，機(jī)械進(jìn)風(fēng)對Line-3處的焊塵濃度有一定的改善；模型C中通過機(jī)械進(jìn)回風(fēng)共同作用，平均焊塵濃度較A、B模型低約50%。

3 結(jié)論

1）如果焊接車間的通道截面積合理，且均勻布置，即不存在“死角”的情況下，可以只通過屋頂機(jī)械排風(fēng)降低焊塵濃度。

2）在加入機(jī)械進(jìn)風(fēng)的模型B中，車間內(nèi)焊接煙塵濃度隨高度增加而增加，到一定高度后，變化不再明顯，而是維持在一定的水平，焊接煙塵濃度的峰值并不是出現(xiàn)在最高處，而是處于2～6m高度之間。

3）通過在焊煙濃度峰值所處的高度范圍內(nèi)加入機(jī)械回風(fēng)，可以有效地降低焊塵濃度，使得呼吸區(qū)濃度場滿足規(guī)范要求。

[1]楊二平.誘導(dǎo)式通風(fēng)在焊接車間運(yùn)用的數(shù)值模擬的研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2008

[2]魏康.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, 34(11):60-64

[3]張國權(quán).氣溶膠力學(xué)——除塵器凈化理論基礎(chǔ)[M].北京:中國環(huán)境出版社,1987

[4]賈雪峰,劉東,劉傳聚.某封閉焊接車間的置換通風(fēng)模擬研究[J].暖通空調(diào),2010,40(2):76-80

Influe nc e of Ve ntila tion De s ign on the Conc e ntra tion Fie ld of a We lding Shop

YE Fei,LIU Gang,YANG Feng-chang
School of Environmental Science&Engineering,DonghuaUniversity

Three different ventilation designs of a random large space welding shop were numerically studied by using Fluent software.By studying the influence of different design under same input air volume on the concentration field of wielding shop,the wielding fume concentration distribution of respiratory region in wielding shop was gained.Basing on this concentration distribution,the best performance ventilation design was determined.

wielding shop,large space,ventilation,CFD

1003-0344（2014）04-078-3

2013-5-15

葉飛（1988～），女，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號4號學(xué)院樓環(huán)境學(xué)院3137室（201600）；021-67794814；E-mail:ada_yefei@163.com