均匀流送风对喷烤漆房污染物扩散研究

朱家岑 王金良

(常州大学石油工程学院 江苏常州 213164)

0 引言

喷烤漆房是应用于喷涂和烘烤车漆的一个封闭或半封闭式的空间，它通常需要具有过滤净化、机械通风、加热烘干、照明等功能，是一个综合的能源利用和加工制造场地。由于喷漆的主要化学成分为苯系物、酯类、酮类、醇类、醚类等低沸点有机溶剂，其中包括了苯、甲苯、二甲苯、乙酸丁酯等有害物质[1]。这些有害物质的呼入将对人体健康造成严重影响，故需对喷漆房内的污染物进行有效控制。

为了达到有效的污染物控制，传统的稀释通风方式通常不能满足要求，原因在于稀释通风方式通常无法控制局部气流流动。目前汽车喷漆室多采用均匀流通风方式，但这种处理方式均为在车体表面主动散发漆雾源，这种方式假定了喷漆雾撞击车体表面后以反弹形式从车体表面射出，基于镜面效应原理的污染物反弹与实际的污染物扩散可能存在较大差异。运用CFD模拟污染物传播以及对人体的影响，此类研究都具有一定的指导作用。比如GAO N P等[2]研究了污染物在扩散过程中对呼吸系统的影响；杨鹏江等[3]的模拟结果表明立体送风对污水厂的除臭效果明显；刘秋新等[4]研究了印刷车间的VOCs污染物的扩散；王倩等[5]研究了空调房间内甲醛的扩散；吴兆波等[6]研究得出置换通风方式对室内PM2.5流动良好的控制能力。

1 喷烤漆房系统简介

传统的汽车喷烤漆房构造如图1所示，它包含了初级进风过滤网、送风机、热交换器、进风调节阀、多孔板、顶部过滤棉、漆雾毡、排气净化器和排风机。初级过滤网用于过滤空气中粒径较大的粉尘颗粒，送风机和热交换器用于提供给定温度和流量的空气，多孔板用于和送风系统形成静压箱以将送风管内气流动压转换为静压。顶部过滤棉用于精细过滤从多孔板小孔送出的均匀气流。过滤棉也可视为多孔介质结构，一定程度上也起到稳压均匀气流的作用。均匀气流送入喷烤漆房后与喷漆操作人员及车辆交互后从底部排出。底部装有漆雾毡，用于过滤多余漆雾，再经过净化后由排风机排除室外。传统的铁皮风管加铁皮多孔板由于风管内外温差作用，容易发生“冷桥结露”现象，结露易腐蚀管道和多孔板，且易导致多孔板表面受污染。

图1 喷烤漆房结构示意

本文在送风和多孔板部分采用纤维空气分布系统构造均匀流送风，即将多孔板更换为渗透式纤维空气分布系统，此处的纤维布为平面式，与传统的管型纤维空气分布系统有所不同。纤维空气分布系统有送风柔和、空气分布均匀、易清洁维护、防凝露、轻薄和便于安装等优点[7-8]。据作者调研发现，纤维分布式系统在喷烤漆房中的工程案例尚未有报道。本研究基于对纤维空气分布的理解，采用数值模拟方法分析采用纤维布构造均匀送风流的关键及其对喷漆房内污染物传播的影响，探究纤维布阻力特性与均匀流速度，均匀流速度和喷漆污染物传播之间的相互关系。

2 数值方法及计算条件

本文中使用离散相模型(DPM)模拟了漆雾中液体部分，液体部分视为惰性流体，不考虑液体的破碎蒸发过程。

2.1 多孔介质区域方程

文中将纤维布、过滤棉和漆雾毡视为多孔介质区域，在宏观多孔介质稳态模拟中，对连续性方程进行时间平均和体积平均后得到多孔介质内部连续性方程(1)。

(1)

(2)

式中，K为纤维布的渗透率，μ为气体的动力粘度，c2为惯性阻力系数，ρ为混合气体的密度。

此时多孔介质内部动量方程变为式(3)：

(3)

式中，SM为雷诺应力张量。

2.2 物理模型及边界条件

本文应用商用软件ANSYS Fluent，对如图2所示的物理模型进行模拟分析。物理模型的长宽高为7 m×5 m×3 m，喷漆喷口直径为10 mm，进风口为8个边长为0.8 m的正方形通道，矩形排风管道参数为 0.4 m×0.8 m。模型以工人工作时刻计算，需要说明的是，实际喷枪在喷漆过程中喷出的是漆料雾滴和空气的混合物，模拟两相流动的情况十分复杂。本文模拟过程中使用DPM模型只考虑单向耦合过程，即漆雾液滴的运动轨迹由混合气体流动决定，液滴运动不影响气体流动，且不考虑液滴的蒸发过程。喷枪距离车体表面0.3 m，喷枪喷射的组分是气体，其中甲苯占50%，漆料液体粒径0.1 mm，质量流量为1 g/s。本文对室内均匀流流速分别为0.066，0.1，0.2 m/s几种工况进行模拟计算，对应的进风口流速分别为0.61，0.91 m/s和1.82 m/s。文中所采用的纤维布厚度为3.7 mm，粘性阻力系数为5e+9 (1/m2)，惯性阻力系数为80 (1/m2)，过滤棉和漆雾毡采用同种材料，厚度分别为15 mm和40 mm，粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为6E+6 (1/m2)和25 (1/m2)。

图2 数值模拟物理模型

3 计算结果讨论

3.1 纤维布对室内均匀流效果评估

对不同进气流速纤维布构建均匀送风进行了研究，图3为喷烤漆房截面图，图4中则给出了从漆房中间向一侧延伸时四个不同位置处随高度变化的速度分布，从中可以看出，当高度下降到顶部过滤棉以后，下方速度均趋于平均。当进口流速为0.61 m/s时，除进口下部小空间，其余非正对风口区域平均速度约为0.16 m/s，而后再次经过顶部过滤棉后速度场更加均匀，趋于0.066 m/s，但靠近墙体表面附近速度很低。当进口流速为0.91 m/s时，经过纤维布和过滤棉后的速度场更加均匀，平均流速约0.10 m/s，喷口下部不同位置之间速度差也很小，均匀程度明显提高。同样的，当流速进一步增大至1.82 m/s时，室内仍能形成较好的均匀流，但此时喷口与纤维布之间的空间局部速度上升很高，最高达到1.5 m/s。

图4中进风口流速为0.91 m/s时三个计算工况的速度等值线图，从图中可以看出由于纤维布的阻力作用，由进风口引入的气流在上层纤维布和顶层天花板之间形成了静压箱结构。气流被整流后经过纤维布孔隙后进入由纤维布和顶部过滤棉围成的空间，再次因为过滤棉的阻力被进一步整流随后形成均匀流进入喷漆房室内。根据喷漆房内的速度分布情况，可以得出采用厚度为3.7 mm的纤维布材料配合顶部过滤棉可以形成较好的均匀流送风。

图3 速度分布位置对应在喷漆房内位置

图4 纤维布系统上下游速度等值线

3.2 不同风速对污染气体扩散控制影响

本部分计算了进口风速分别为0.61 m/s，0.91 m/s和1.82 m/s三种工况下室内甲苯污染物的扩散和液体漆雾的溅射情况，通过监测高度为1.5 m，人体呼吸系统附近的甲苯浓度研究由纤维布构造均匀流对喷漆散发甲苯污染物的控制效果。图5(a)给出了进口风速为0.91 m/s(室内均匀流速为0.1 m/s)时全喷烤漆房内速度分布，图5(b)给出了喷枪处立面速度分布，从图中可以看出喷烤漆房内在车体轮胎部分以上区域平均流速在0.10～0.16 m/s区间内(包含汽车及操作工工作区域，不考虑喷雾射流速度，高度0.8 m以上)。

(a)喷烤漆房间三维速度场

(b)喷枪喷射口平面(y=3.538)速度场

根据《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分 化学有害因素》得知，工人呼吸带中的甲苯、二甲苯和乙酸乙酯等浓度过高均将引起工人不同程度的中毒反应。本文研究污染物扩散与均匀流的相互作用关系，在模拟气体扩散方面只考虑甲苯气体的扩散作用，并以此甲苯浓度表征气体污染物扩散分布情况。图6和图7给出了不同工况下甲苯质量分数分布云图和等值线图，从中可以得知，当进口风速为0.91 m/s时，甲苯气体质量分数降低到喷射浓度的0.02%(图中浓度0.000 1等值线)的位置位于喷枪以内约15 cm，该位置区域约为手腕区域。即只要操作人员口鼻部分远离持喷枪手腕距离，即可避免呼入有害污染物气体。但当进口风速为0.61 m/s时，很明显甲苯气体向人体口鼻区域扩散，甲苯的质量分数降低至喷射浓度的0.02%位置接近手臂关节部位。此时若工作人员口鼻位于该浓度范围内，将导致呼入较高浓度的有害气体，故应当避免。

图6 喷烤漆房内甲苯扩散质量分数

(a)进口风速0.91 m/s

(b)进口风速0.61 m/s

采用离散相方法模拟气雾的运动轨迹，该过程忽略漆雾与车体表面接触存在的粘结及漆料与金属车体表面产生的静电作用等，图8给出了进口风速0.91 m/s时的液体漆雾粒子运动轨迹图，从图中发现其包络半径与甲苯气体浓度0.000 1的包络半径接近，说明了漆雾亦不会被操作人员呼入。

图8 漆雾溅射轨迹(进口速度0.91 m/s)

4 结论

本文通过多通道风管结构、纤维布及顶部过滤棉构建了加气车喷烤漆房均匀流送风系统，该送风系统结构简单、经济方便。通过计算流体力学方法对汽车喷烤漆房内的流场、污染物扩散等进行了重构，使用组分输运模拟有害污染物在喷漆过程中的扩散问题，通过离散相模型模拟液体漆雾射流与车体表面的反弹影响。计算结果表明，上送下排送风配合3.7 mm纤维布和15 mm顶部过滤棉可有效形成均匀流，当喷烤漆房内的平均流速位于0.1～0.16 m/s区间时可有效控制有害污染物的扩散问题以及液体漆雾的溅射。喷烤漆房内流速过低易导致操作工人吸入过量有害气体，过高则会影响漆雾射流的路径，影响喷射质量。