一种修船表面喷涂漆雾废气收集罩的设计计算

杨学宾，郝森，陆华，陈纪赛，王振刚

(1.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；2.南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006；3.南京中船绿洲环保有限公司，南京 210039)

修船表面涂装喷涂涂覆油漆的方式有刷涂法、滚涂法、喷涂法，以及无气喷涂法。由于无气喷涂法具有良好的涂层质量和较高的生产效率，因此，特别适合船体外板等大面积喷涂工作，可搭载在喷涂机器人[1]上，解决人工操作的高架作业和近漆雾点作业的风险。修船表面涂装过程为室外无组织排放作业，采用高压无气喷涂时会产生大量的喷涂漆雾及可挥发性有机物，喷涂产生的VOCs是灰霾和光化学烟雾的前体物[2]，造成环境污染甚至职业病危害[3]。喷涂表面漆雾和有机废气的捕集可采用局部收集的方式，包括局部收集罩、圆形柔性风管、引风机等主要设备部件[4]。对于收集罩设计，首先要了解室外喷涂漆雾的运动特性，目前国内外有关高压无气喷涂的研究主要集中在实验与数值仿真两个方面[5-8]。

当前亟待解决修船表面室外喷涂漆雾和有机废气的捕集处理问题。本文针对爬壁机器人搭载式漆雾和有机废气收集罩，讨论了收集罩口粒子的受力分析、捕集风量、收集罩尺寸的相关设计计算。

1 收集罩口粒子受力分析

高压无气喷涂是将涂料增压后由喷嘴喷出，在与空气相互作用下涂料破碎雾化成液滴颗粒，同时涂料运动速度逐渐减小，最终一部分漆雾颗粒喷射粘附在船体外板上形成漆膜，而另一部分涂料由于液滴动能过大与外板碰撞，破碎成粒径更小的颗粒在空气气流的作用下发生逸散。

漆雾粒子在修船表面的受力分析见图1。忽略离心力、温度梯度、布朗扩散，以及静电力的影响，粒子主要受到重力、抽吸力和流动阻力3个作用力。

图1 漆雾粒子受力分析

整个喷涂过程中，运动漆雾粒子所受到的空气流动阻力始终存在，气体对球形粒子的阻力为

(1)

式中：f为漆雾粒子所受到的空气流动阻力，N；Cs为牛顿区阻力系数，取值为0.44，500

重力方向与矢量速度方向的夹角余弦值为

(2)

式中：vh为粒子水平方向运动速度，m/s；vv为粒子竖直方向运动速度，m/s。

抽吸力为

(3)

式中：F为漆雾粒子所受到的抽吸力，N；P为集气罩口吸气压强，Pa；A为漆雾粒子流动方向的当量横截面积，m2。

水平方向的受力分析为

F-fsinθ=mah

(4)

式中：ah为粒子受力后水平方向产生的加速度，m/s2。

漆雾粒子完全被收集罩捕集时，水平方向位移满足式(5)。不同罩口吸气压力和不同粒子直径下的粒子水平方向加速度见表1。

表1 不同罩口吸气压力和不同粒子直径下的粒子水平方向加速度

(5)

式中：t为粒子的最大逃逸时间，s；Sh为收集罩口到喷涂表面的距离，m。

竖直方向位移满足

(6)

式中：Sv为收集罩口的竖直方向的尺寸大小，m。

Sh取值为40 mm，Sv取值为30 mm，粒子水平方向最小加速度与竖直方向运动速度的关系见表2。

表2 不同竖直方向运动速度下粒子水平方向的最小加速度

2 收集罩设计计算

采用外部吸气的形式，通过罩口的抽吸作用在距离吸气口最远的最不利有害物散发点上造成适当的空气流动，从而把有害物吸入罩口内。为防止喷涂漆雾和有机废气逃逸至外部大气环境，罩口处抽吸的空气必须具有最低的控制风速，同时需要设计计算、罩口至修船表面的最大距离、罩口的最小尺寸、罩口最小排风量。对于船舶高压无气喷涂，可采用无边圆形或椭圆形罩口。

2.1 捕集风量计算

为了尽可能降低罩口吸气风速对喷涂扇面漆雾空间分布的影响，收集罩设计为内层喷涂和外层排风的双层结构。高压无气喷枪安装在收集罩内层，收集罩中间夹层连接真空吸气系统，夹层中实现负压，利用吸风口和出风口之间的压力差，实现对可能逃逸的喷涂雾化形成的细小粒径漆雾、过喷漆雾和未附着向四周扩散漆雾的捕集。

四周无限流圆形收集罩捕集风量为

L=kPSvvv

(8)

式中：L为收集罩捕集风量，m3/h；K为考虑速度分布不均匀的安全系数；P为排风罩口敞开面周长，m。

2.2 收集罩尺寸

漆雾运动特性又与无气喷涂压力有着密切关系，喷涂压力是影响雾化效果的主要因素，随着压力的升高，涂料动能越大，其与空气的相互作用及内部漆雾颗粒之间的相互作用越剧烈，运动范围越大，从而喷涂扇面宽幅也随之变大，动量大的漆雾颗粒与外板碰撞后破碎成粒径小速度低的漆雾。

收集罩内径的确定，需要依据喷涂扇面大小，找到最不利漆雾颗粒所在的位置，在确保不影响喷涂的情况下实现对最不利漆雾的回收。对于不同的喷枪喷嘴形状和喷涂压力不同的工程，集气罩内径大小不同，可以控制罩口风速大小确定外径大小。

3 计算案例

根据文献[9]研究结果，喷枪以16 MPa的喷涂压力进行喷涂，在距离喷嘴0.25 m 处监测面，粒径集中在60～120 μm范围内，且粒径占比峰值分布在90 μm左右。考虑喷涂喷枪的扇形漆雾作用范围，设定了10组不同内径、外径、内外层间距、罩口与修船表面间距的结构形式，见表3。不同逃逸速度下，要保证漆雾能够被有效捕集，罩口处具有最小水平速度，考虑不同结构型式的收集罩截面积，排风量的计算结果见表4。

表3 不同结构形式的收集罩几何参数 mm

表4 不同罩口处水平速度下的收集罩捕集风量L(m3/h)

4 结论

修船表面室外高压喷涂，因喷涂漆雾的飞逸和无效喷涂容易造成环境污染。从漆雾收集罩的设计角度出发，分析了收集罩口粒子的受力，讨论了收集罩的设计计算，并针对工程实际案例进行了相关计算。

1)忽略离心力、温度梯度、布朗扩散及静电力的影响，粒子主要受到重力、抽吸力和流动阻力。由吸气压力带来的罩口抽吸力，抵消水平方向的流动阻力，产生的加速度使漆雾粒子在一定时间内具有足够大的水平位移。

2)收集罩口必须有足够的吸气压力，必须在漆雾粒子达到最大竖直位移(罩口的内外径差值)前，水平位移大于罩口至喷涂表面的距离，保证漆雾能够被吸入收集罩。

3)收集罩的最小排风量和最小吸气压力，与罩口内外层间距、以及罩口与修船表面间距有关，在进行设计计算时，要考虑一定的安全系数。