焊接车间通风方式对浓度场的影响研究

叶 飞 刘 刚 杨丰畅

东华大学环境科学与工程学院

焊接车间通风方式对浓度场的影响研究

叶 飞 刘 刚 杨丰畅

东华大学环境科学与工程学院

运用Fluent软件模拟研究了某个高大焊接车间的三种不同的通风方案，研究了相同风量下不同方式对于焊接车间浓度场的影响，得到了焊接车间内呼吸区的焊尘浓度分布，确定了最佳的通风方式。

焊接车间高大空间通风数值模拟

焊接技术是机械加工行业不可缺少的工业手段，在国民经济建设中具有举足轻重的地位[1]。由于焊接、切割、打磨等工序作业量大，产生的焊尘多，常常弥漫在整个车间并聚集悬浮在车间上部。流行病学的研究表明，焊工为呼吸道疾病的高发人群，可能患的呼吸道疾病包括呼吸道受刺激、支气管炎、金属热、呼吸功能改变及癌症等。因此，随着焊接车间规模日趋大型化，改善焊工的工作条件，减少烟尘已经成为整个行业面临的重要问题。

我国《焊接作业厂房采暖通风与空气调节设计规范》中规定的电焊烟尘（总尘）的时间加权平均允许浓度为5mg/m3。焊尘的粒径范围通常为1×10-3～1× 102μm，而对人体健康影响最大是0.1～1μm[2]。

由斯托克斯定律，烟尘粒子的自由沉降速度为[3]

式中：ut为烟尘粒子的自由沉降速度，m/s；ρs为烟尘粒子的密度，kg/m3；ρ为周围流体（空气）的密度，kg/m3；g为自由落体加速度，m/s2；d为烟尘粒子的直径，m；μ为空气的动力黏度，Pa·s。

粒径范围在0.1～1μm的焊尘，沉降速度与室内气流流速相比可忽略不计，即认为焊尘会随室内气流而流动。这样就可以通过全面通风排出焊接烟尘，达到减小车间内烟尘浓度的目的，也可以按照单相流进行数值模拟[4]。

1 模型介绍

1.1 项目概况

焊接车间长162m，宽33m，高24m。车间最多同时使用30台电焊机，焊点发尘量按每个焊点每天消耗焊条20kg、每kg焊条发尘量17g、每天工作8h计算。焊接操作点焊接烟尘发生速度为0.012g/s。该车间生产工艺要求采用流动作业，故污染源不固定。屋顶上安装有14台屋顶风机。

1.2 建立模型

考略到该焊接车间的对称性，选取一部分（地表面积为车间地表面积的1/4，长度方向为7个柱距（84m）、宽度方向为一个跨度（16.5m））为研究对象建模，模型轴测图见图1。

图1 模型轴测图

模型地表面积为车间地表面积的1/4，在焊点均匀分布的情况下，模型内焊点个数应当为7.5个。但在实际中可能存在车间内局部区域焊接烟尘发散较集中的情况，为了在这种情况下仍然能达到较好的通风效果，如图2所示，在模型空间内共布置了9个焊点（长度方向间距9m，离地面高度0.6m）进行研究。

根据《焊接作业厂房采暖通风与空气调节设计规范》中附录B“焊接及相关工艺污染物浓度及通风量的计算”，在稳定状态下，消除焊接烟尘所需通风量按式（2）计算：

式中：L为消除污染物所需通风量，m3/h；m为室内焊接烟尘散发量，mg/h；ρy为室内空气中焊接烟尘的最高容许质量浓度，mg/m3，参照《工作场所有害因素职业接触界限》的规定，电焊烟尘（总尘）允许浓度为5mg/m3；ρx为送入空气中污染物的质量浓度，mg/m3，除新风外，循环风限《工作场所有害因素职业接触界限》的规定值的30%；β为排风效率，取1。

由式（2）得出计算总通风量为77760m3/h（即21.6m3/s）。

在物理模型基础上建立三种数值研究模型：

1）模型A。只依靠屋顶风机，通过通道自然渗透，通道的尺寸为15m×3m，7台屋顶风机均匀地布置在焊接车间屋顶上。

2）模型B。总动力不变的情况下，将30%的通风量分配于机械进风，70%屋顶排风，即在模型A的基础上，侧墙底部设置机械进风口9个，尺寸为0.8m× 0.4m，风速为2.25m/s。

3）模型C。总动力不变的情况下，将20%的通风量分配于机械进风，40%的通风量分配于机械回风，40%分配于屋顶排风。在模型B的基础上，距进风口中心3.5m上方设置机械回风口6个，尺寸为0.8m× 0.4m。经多次反复调整，进风风速为1.5m/s，回风风速为4.5m/s。

2 模拟结果分析

对比分析的参考对象及标准为：①Z=1.5m水平截面，分析呼吸区的浓度分布；②三条代表性的直线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），具体位置如图1所示，分析离开焊点2m以外随高度变化的浓度分布。

2.1 Z=1.5m水平截面模拟结果及分析

Z=1.5m水平截面的模拟结果如图2所示。

图2 各模型Z=1.5m处质量分数分布

由图2（a）可以看出，整个车间呼吸区的焊尘浓度分布很不均匀，尽管通道流入新风，靠近通道附近区域的焊尘浓度较低，但是在X轴负轴区域大面积浓度超标，称之为“死角”。正轴的三个焊接点附近焊尘被新风稀释，但局部浓度也较高。

由图2（b）可以看出，整个呼吸区的焊尘浓度有一定改善，机械进风使得焊尘聚集在Y轴附近区域，但由于屋顶风机的排风量只有模型A中70%，因此效果不理想。

由图2（c）可以看出，除了焊点的工作区域，整个车间呼吸区的焊接烟尘浓度达到标准。

2.2 特定测点浓度分析

Line1-3是具有代表性的三条参考直线，Line-1和Line-2各为远离通道“死角”处的两条直线，Line-3位于车间的中心且靠近通道进风处。图3～5中显示Line-1、Line-2、Line-3在模型A、模型B、模型C中焊尘浓度随高度的变化。

图3 Line-1处焊尘浓度沿高度分布

图4 Line-2处焊尘浓度沿高度分布

图5 Line-3处焊尘浓度沿高度分布

由图3可知：Line-1处于车间的“死角”处，模型A中通道渗透进来的新风很难到达此处稀释焊尘，该处气流组织没有受到扰动，致使烟雾弥漫，浓度超标，并且浓度变化不大；模型B中Line-1处的气流主要受到机械进风的影响，在2.5m以下满足允许浓度5mg/m3，随高度升高浓度变大；模型C在3.5m处设置机械回风口，将污染物浓度进一步降低。

由图4可知：模型A中大通道渗透进入的风量充足，充分稀释了Line-2处的空气，使得Line-2处的焊尘浓度随高度变化不大，且都在规定浓度范围内；模型B中由于渗透风量的减少，新鲜空气无法像模型A中一样充分稀释Line-2处“死角”的空气，虽然底部有机械进风，但并没有达到很好的效果；模型C中，机械进回风和渗透新风的共同作用，Line-2处的气流受到一定的扰动，但是焊尘浓度满足规范。

由图5可知：模型A中Line-3处于受到焊接发尘和渗透风量共同影响的交界区域，因此不但浓度很高，而且由于新鲜空气的稀释，浓度梯度大；模型B中，机械进风对Line-3处的焊尘浓度有一定的改善；模型C中通过机械进回风共同作用，平均焊尘浓度较A、B模型低约50%。

3 结论

1）如果焊接车间的通道截面积合理，且均匀布置，即不存在“死角”的情况下，可以只通过屋顶机械排风降低焊尘浓度。

2）在加入机械进风的模型B中，车间内焊接烟尘浓度随高度增加而增加，到一定高度后，变化不再明显，而是维持在一定的水平，焊接烟尘浓度的峰值并不是出现在最高处，而是处于2～6m高度之间。

3）通过在焊烟浓度峰值所处的高度范围内加入机械回风，可以有效地降低焊尘浓度，使得呼吸区浓度场满足规范要求。

[1]杨二平.诱导式通风在焊接车间运用的数值模拟的研究[D].武汉:武汉科技大学,2008

[2]魏康.关于焊接与相关工艺过程中的有害物质[J].电焊机,2004, 34(11):60-64

[3]张国权.气溶胶力学——除尘器净化理论基础[M].北京:中国环境出版社,1987

[4]贾雪峰,刘东,刘传聚.某封闭焊接车间的置换通风模拟研究[J].暖通空调,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

叶飞（1988～），女，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号4号学院楼环境学院3137室（201600）；021-67794814；E-mail:ada_yefei@163.com