某机械加工车间三种类置换通风系统的通风性能

2021-12-16缪建晖麻建超

制冷学报 2021年6期

曹进缪建晖麻建超何平

(1 上海海立集团股份有限公司上海 201206；2 安徽海立精密铸造有限公司马鞍山 238100；3 东南大学能源与环境学院南京 210096)

机械加工车间通常充斥着由金属加工液产生的油雾颗粒，长期暴露于此环境下可能导致过敏性肺炎、肺癌、哮喘或其它疾病[1-3]。同时在生产过程中，颗粒物会降低产品质量及机器的工作精度、影响作业视野、带来爆炸隐患[4-5]。工业通风技术能有效降低工厂空气污染物浓度，控制人员暴露水平。然而不同通风方式在实际工程应用中通风性能存在较大差异，不合理的通风甚至可能增加人员的暴露频率[6-7]，因此需要对通风系统进行评估。

置换通风是清洁空气以低速从地板高度送入室内，随后被室内热源加热上升至房间的上部，同时轻质污染物跟随上升气流到达并聚集在房间上部，在室内形成稳定的温度分层和污染物分层，最后房间空气在天棚高度被排出的常见通风方式[8-9]。由于该通风方式直接将清洁空气送入房间下部，仅在人员活动区域创造一个清洁区，具有节能潜力，因此被广泛用于工业建筑中[9-11]。但在实际工程中，由于工艺、设备及建筑布局对通风系统的限制，送风口和回风口很难按照理想状态安装在地板附近和顶棚附近。一些类置换通风系统如升高置换通风的送风口的高度，降低回风口的高度和调整送风方向等被提出来以期实现置换通风的性能[12-15]。A.C.Caputo等[12]研究了把送风口高度调整至房间中间高度时厂房中的流场分布和通风系统经济效益。发现该类置换通风系统保留了置换通风系统的一些特性，例如在热源附近空气对流更强，具有陡峭的垂直温度梯度，避免对整个房间体积的温度控制，从而节省能源，并改善操作人员所占区域的空气质量。Ye Xiao 等[14]研究了向下碰撞射流送风系统的通风性能，发现该系统会形成温度分层和污染物分层，在夏季时房间下部温度及污染物浓度更高。虽然该类置换通风系统可以在调整风口位置的同时保证置换通风效果，但目前仍然缺乏对高大厂房中类置换通风系统性能的对比研究。

安徽某机械加工车间主要进行压缩机缸盖的精加工，具体涉及毛坯件的磨削、车、铣、钻孔等工序。机械加工过程会产生大量的油雾颗粒，细颗粒物(空气动力学粒径小于2.5 μm)可能会进入工人肺部甚至血液，对工人的健康造成极大影响。与实验研究相比，计算流体动力学方法(computational fluid dynamics,CFD)可以更详细地提供室内流场及颗粒物分布信息并能容易地对各种工况进行模拟。本文采用CFD 方法研究该机械加工车间的三种常用类置换通风系统(中横向送上回、下横向送上回、下竖向送上回)对空气中细颗粒物(PM2.5)的移除能力。

1 方法

1.1 物理模型建立

按照车间实际布置建立全尺寸物理模型，如图1所示，车间尺寸为179 m×60 m×9.6 m(长×宽×高)，车间西侧墙体有两个3 m×4 m(宽×高)敞开的门，车间窗户很少开启，因此假设窗户为墙体。车间原配备有一次回风空调系统，系统采用房间中部水平送风上部排风的通风方式(S1)，5台最大额定风量为26 m3/s的风机不断向车间送风，134个直径为0.2 m的圆形送风口分别安装在车间立柱中部距地板4.5 m高处，尺寸为0.6 m×0.6 m的回风口安装在距地板7 m高处。物理模型以长方体替代车间机器，污染物不断从机器(污染源)向外散发。为了优化现有通风系统，另外建立了两种类置换通风系统(S2、S3)。S2与S1类似，仍然采用水平送风上部排风的通风方式，但送风口被调至距地板1 m高处，送风口尺寸变为0.5 m×0.5 m；S3在S2的基础上送风方向由向上调整为向下。

图1 车间物理模型Fig.1 Physical model of the workshop

1.2 边界条件设置

为研究送风量对通风效果的影响，三种类置换通风系统均考虑了三种不同级别的风量(130、65、19 m3/s)，9种模拟案例设置情况如表1所示。

表1 模拟案例Tab.1 Simulation cases

为保证其他因素不对案例研究造成影响，边界条件设置如下：三种类置换通风系统的送风温度均为22 ℃，系统运行时送风和回风体积流量保持不变，门设置为压力出口。根据夏季现场测量结果，车间顶棚温度设置为39 ℃，地板、西墙、东墙及北墙温度设置为33 ℃，车间南侧与办公楼相连，因此南墙设置为绝热壁面，送风与回风管道壁面设置为绝热，机械设备作为室内热源，表面温度设置为35 ℃。假设颗粒物密度为800 kg/m3[16]，并以0.13 kg/s的速率不断从污染源排出。根据文献[17-18]，粒径小于5 μm的颗粒物可以采用欧拉法进行模拟，因此本文以气相代替离散相。

1.3 数值方法与网格无关性验证

本文使用Ansys Fluent[19]软件求解控制方程，包括：连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程；采用Realizablek-ε湍流模型处理湍流动能及湍流耗散[20]，选用SIMPLE算法计算速度-压力耦合和二阶迎风离散格式控制方程；利用标准壁面函数描述近壁面湍流特性。当能量方程残差小于10-7，连续性方程、组分输运方程、k方程和ε方程残差均为10-4认为计算收敛[21]。

在模拟前首先进行网格无关性验证。以案例1为例，采用Ansys Icem[22]软件在几何内部生成适应性更强的非结构化网格。为了验证模拟结果与网格数无关，3种全局网格尺寸分别设置为600、800、1 000 mm；对机器表面、污染源、进风口和排风口处的网格进行了局部加密，局部网格尺寸设置为100 mm。3种全局网格尺寸设置下对应网格总数依次为1 060万(粗网格)、2 490万(中网格)和4 810万(细网格)。如图2所示，对比分析3种网格数下车间中心线(x=30 m,z=-30 m)处气流速度发现，网格数由1 060万变至2 490万时模拟值之间的变化率为20%，而当网格数由2 490万变至4 810万时模拟值之间的变化率仅为1%。因此本文选用中网格(2 490万网格数量)进行数值计算，可以基本满足要求。同理，其它案例也采用相同的网格生成策略。

图2 网格无关性验证Fig.2 Grid independence test

1.4 通风性能评价

为分析研究结果，引入排污效率Ec，Ec能够反映空气分布对污染物的移除能力[23-24]，如式(1)所示。

(1)

式中：Ce为出口污染物质量浓度，mg/m3；Cs为送风口污染物质量浓度，mg/m3；Coz为人员活动区域平均污染物质量浓度，mg/m3。

本研究中人员活动区域是指车间中部距壁面0.5 m，距地板2 m范围内的空间。根据定义，若污染物和空气完全混合，Ec=1，Ec越高，通风系统的污染物排除性能越好。

2 实验验证

测量车间前部、中部和后部三个位置(图1中，线1：x=26 m、z=-51 m；线2：x=78 m、z=-25 m；线3：x=149 m、z=-11 m)处的垂直温度，并与模拟结果作对比验证模型的准确性。其中，测点布置高度为1、2、3、4、5 m，通风系统送风温度为18 ℃，其它设置与案例1设置相同。模型验证结果如图3所示，模拟所得温度分布与实验测得的结果具有较好的一致性，模拟较为准确，模型可以用于评估通风系统性能。

图3 模型验证Fig.3 Model validation

3 模拟结果分析

3.1 不同通风系统下污染物分布及流场分布对比

三种类置换通风系统下距车间地板1.5 m高处PM2.5质量浓度分布如图4所示。由图4可知，三种系统的送风口及热源(同时也是污染源)在车间分布较为均匀，整个车间并未出现明显的不均匀现象。此外，送风口高度对污染物的分布存在显著影响，因为相比于S1系统，S2和S3系统送风口至人员活动区距离更近，在车间底部可以形成更加清洁的区域。

图4 距地板1.5 m高处(y=1.5 m)污染物分布Fig.4 Pollutants distribution at a hight of 1.5 m from the floor (y=1.5 m)

不同工况下的活动区域(1.5 m高处)和房间平均PM2.5污染物质量浓度如图5所示。随着通风量的降低，房间污染物质量浓度上升。各工况下，房间1.5 m高度的污染物质量浓度均小于房间平均污染物质量浓度，说明存在房间污染物的分层现象。在送风量为130 m3/s时，S2和S3系统的人员活动区域污染物质量浓度为S1系统的60.2%和50.8%。在送风量为65 m3/s时，降低排风口高度可以使人员活动区域污染物质量浓度大幅下降，S2和S3系统的人员活动区域污染物质量浓度为S1系统的47.2%和30.0%。在送风量为130 m3/s时，S2和S3系统的人员活动区域污染物质量浓度为S1系统的60.2%和50.8%。在送风量为19 m3/s时，降低排风口高度对减低人员活动区污染的能力有限，S2和S3系统的人员活动区域污染物质量浓度为S1系统的66.0%和72.7%。在风量为130 m3/s、65 m3/s时，S2和S3系统可以使人员活动区达到NIOSH(美国国家职业安全与健康研究)所推荐的车间油雾质量浓度限值0.5 mg/m3以下[25]，如图5中红线所示。综上所述，通过降低排风口高度可以使车间人员活动区污染物降低26.3%～70%，有利于降低工人呼吸暴露水平。

图5 车间污染物质量浓度分布Fig.5 Mass concentration distribution of pollutants in the workshop

气流组织分布，送风量及送风方向是影响室内污染物分布及排出效率的3个重要因素。不同的送风高度及送风方向形成不同的气流组织。图6所示为三种类置换通风系统在风量为130 m3/s时(案例1、4、7)在中间截面x=63 m处的气流组织分布。由图6(a)可知，S1中两个相对的风口提供的气流在车间中部发生碰撞，由于两股气流的速度高(3.7 m/s)且大小相当，所以碰撞点在风口连线的中间，气流发生碰撞后，速度发生衰减并向四周扩散，由于气流受到负浮力的影响，大部分气流涌向人员活动区。但风口距离人员活动区较远，清洁空气流经的路径较长，存在被污染风险。由图6(b)可知，S2系统中风口提供的气流直接送入人员活动区，气流发生碰撞后向四周流动，但由于地板及机器的阻挡，气流主要向上流动。该通风方式能够有效将清洁空气送至人员活动区，但同样存在风速过高的缺点。由图6(c)可知，S3系统中风口提供的气流首先与地板发生碰撞，速度发生衰减，随后气流贴附着地板流动，最后与来自不同风口的气流在地板附近发生交汇。该通风方式综合了S1和S2系统的优点，既能有效将清洁空气送至人员活动区，又能避免人员活动区风速过大。

图6 车间中间截面x=63 m处气流组织分布Fig.6 Airflow distribution at the middle section of the workshop at x=63 m

风速在影响污染物扩散的同时对人员舒适性也会造成影响，因此对三种通风系统在人员活动区的风速分布进行分析。图7所示为三种类置换通风系统在风量为130 m3/s时距地面1.5 m高截面处的风速分布。由图7(a)可知，虽然S1系统的送风速度达到6 m/s(超过图标显示的范围1.5 m/s)，但由于送风口位置较高，送风射流不断卷吸车间空气使送风射流在到达人员活动区时风速小于0.5 m/s，不易引起人员的不舒适[26]。S2系统流场分布如图7(b)所示，冷空气直接以3.4 m/s的高速送入人员活动区，在车间底部形成高风速的低温区域，可能引起人员的不适。S2系统与标准置换通风系统类似，对室内余热的处理能力是有限的，特别是对于冷负荷较高的工厂车间环境。S3系统运行时车间底部1.5 m处风速如图7(c)所示。S3系统利用碰撞射流的形式向车间底部送风，高速的向下射流首先与地板碰撞，然后向四周扩散，在车间底部形成清洁的“空气湖”，该送风方式向车间提供的风量大，且不易形成吹风感，对于高热高污染的工厂环境较为适用。

图7 距地板1.5 m高处(y=1.5 m)空气速度分布Fig.7 Air velocity distribution at a height of 1.5 m from the floor (y=1.5 m)

3.2 送风量对污染物分布的影响

相比于S1系统，S2和S3系统均具备更好的污染物控制能力。相比于S3系统，S2系统在人员舒适性方面略差。因此在整体性能方面，认为S3系统最佳，既能有效控制污染物，又不易造成人员吹风感。通风系统可能在不同送风状况下运行，因此分析S3系统在不同风量下的污染物分布。图8所示为S3系统在不同风量下污染物在截面(x=40/115/170 m，z=-30 m)上的分布。由图8可知，污染物在车间内会形成分层，车间底部污染源散发的油雾颗粒被热源形成的向上气流带到顶棚附近，进而被排风系统排出室外。同时，随着S3系统送风量的降低，车间的污染物质量浓度逐渐升高，因为风量降低会使更多污染物滞留在车间。当送风量从130 m3/s降至65 m3/s时，车间底部人员活动区污染物质量浓度并未发生显著变化，即案例7和案例8人员活动区污染物质量浓度相近，这可能是由于案例7送风量过大，将部分向上污染物带回至人员活动区造成的。

图8 S3在不同风量下污染物在截面(x=40/115/170 m,z=-30 m)上的分布Fig.8 Pollutant distribution on the cross-sections (x=40/115/170 m,z=-30 m) under different air volumes of S3

3.3 排污效率

风口布局、热源分布及送风量对通风系统的排污效率有显著影响。三种类置换通风系统的排污效率如图9所示。三种类置换通风系统的排污效率均大于1，表明车间上部排风口处的污染物质量浓度高于车间下部，形成了浓度分层。S1系统排污效率显著低于S2和S3系统，对于S1系统，随送风量Q的降低，排污效率逐渐上升，这可能是由于通风量越大，送风冷射流与车间底部热源形成的羽流作用越强，更多的污染物被带至人员活动区。对于S2和S3系统，随送风量Q的降低，排污效率先上升后下降，当通风量过大，射流与周围向上污染物作用越强，卷吸至人员活动区污染物越多；而当风量过小，送风射流并不能有效清除人员活动区污染物，图5(a)也清楚地说明了这一点；当送风量由65 m3/s升至130 m3/s时，车间底部人员活动区污染物质量浓度并未降低，而车间上部排风口处污染物质量浓度降低，使排污效率降低。