059封闭式焊接车间的通风策略

1、封闭式焊接车间的通风策略同济大学杨珂李强民摘要 通过对焊接工艺的相关特点一一焊接烟尘和焊接烟羽的分析，得到了全面通 风的可行性和必要性，并根据焊接车间的特点和各种常用的工业厂房全面通风方式 的优劣，选取置换通风作为封闭式焊接车间的通风方式。并用cfd分别模拟采用置 换通风和采用混合通风的封闭式焊接车间，通过对比得到置换通风的优越性。 关键词封闭式焊接车间烟羽焊接烟尘置换通风0引言作为制造行业的重要一环，近年来我国焊接及其相关的工艺过程发展相当迅速。然而焊 接时产生的人量烟尘对从业人员的疗体健康造成极人的危害。流行病学的研究显示焊工为呼 吸道疾病的高发人群，据报道，相关疾病包括支气管炎、呼吸道刺

2、激、金属热、呼吸功能改 变及肺癌筹。因此对焊接年间，尤其是封闭式焊接车间采取适当的通风措施，控制烟尘浓 度是非常必要的。本文将从焊接丄艺的相关特点出发，结合理论和cfd模拟，选择适当的 通风方式。1焊接工艺的相关特点在确立合适的通风方式前，需要对焊接工艺的相关特点进行分析。由于电弧焊的广泛使 用，所以以下所称焊接均指电弧焊。1. 1焊接烟尘的特点焊机在焊接过程中，释放人量的焊接烟尘(粉尘和气体)。焊接烟尘是焊接车间的主要 污染物。其屮危害性最人的，是铁、镒等金属的氧化物粉尘，将引发尘肺、铭中毒及金属烟 热等疾病。另外，焊接时产生的0：、nox、co、hf也对人体冇极大的危害。我国车间空气 中电

3、焊烟尘卫牛标准(gb16194-1996)规定的焊接工作区的焊接烟尘最高容许浓度为 6mg/m3o在丄作场所有害因素职业接触限制值(gbz2-2002)中规定焊接烟尘时间加权平 均容许浓度(twa)为4mg/m3,镒及其化合物(换算成mnoj的时间加权平均容许浓度为 0. 15mg/m$o通过对某厂焊接车间进行烟尘采样，可以得到焊接烟尘的粒径分布直方图，见图1。图1焊接烟尘的粒径分布直方图由图中所见，粒径小于0.2pm的尘粒占总数的50%以上，而绝大多数的尘粒其粒径都小 于lm。其他学者的数据证明，焊接烟尘粒子粒径范围为1x1(tix 10j m,其中対人体 健康影响最大的粒子粒径是0. l-

4、lum2,o这部分粒子能通过人体上呼吸道，进入肺泡，沉积 在肺部，其沉积率达50%以上，能引起呼吸道疾病及肺癌。因此，0. 1-1 u m范围的焊接烟 尘粒子是人们研究的垂点。如此粒径的尘粒，其沉降速度与室内气流流速相比可以忽略不计, 即可以认为烟尘会随着室内气流而流动。这样就可以通过全而通风排出焊接烟尘，减小车间 内的烟尘浓度。1.2焊接烟羽的特点焊接过程中会产牛大量的热，通常电焊机功率可达数千瓦或数十千瓦甚至更大。其周围 空气被加热，密度降低而上升，同时卷吸周围的空气并流向房间顶部，即形成烟羽。与其同 时产生的焊接烟尘由于其粒径极小，会跟随烟羽运动。以下仅以gmaw （gas metal

5、arc welding,气体保护熔化极电弧焊）为例。焊接刚开始进行时，初始的烟羽相当微弱，很容易受到焊机喷出的保护气体的扰乱，初 始烟羽的半径较大。电极的逐渐熔化会使周围的对流愈加强烈，烟羽也逐渐发展到另外一种 形状。当烟羽上升到一定高度后，其温度已降低至周围空气的温度，无法继续上升，便向四 周水平散开并形成分层。焊接烟羽从开始到充分发展人约需要1-2分钟（见图2） o之厉烟羽 继续扩大，其分层整体缓慢上升，此时可以看作半稳态，可借此作为稳态烟羽来研究。图2焊接烟羽的形成和发展烟羽分成两个明显的部分：下部的流体其密度和速度都具有口相似性，上部的流体向四 而扩散，直至上升到最人的高度。morto

6、n等人建立了下部烟羽的理论模型，并对其进行了 理论上的研究。mundt, e.6：则提出了一套计算烟羽尺寸、流量等数据的方法。而自由扩散的 烟羽上部，尚无理论模型。2通风方式的选择工业厂厉的全面通风方式通常可分为口然通风和机械通风两种。封闭式的焊接车间由于 维护结构全封闭，无法采用自然通风。而机械通风则主要冇活塞（均匀流）送风、置换通风、 局部送风及混介（稀释）通风四种巴 见表1。其中，活塞送风通常用在对空气品质要求非常高的场所，其初投资和运行费用都相对较 大，常规的封闭式焊接车间无需采用。混合通风的特点是利用大量低温低浓度的新风稀释焊机产生的烟尘和余热，降低整个车 间内烟尘浓度及空气温度，使

7、室内的烟尘浓度及气温趋于均匀。其缺点在于，整个车间高达 12米甚至更高，而工作人员仅在离地1.8米以内的工作区活动，因此对1.8米以上的10余米的 空间所做的除尘降温工作基本上是无意义的。而置换通风的长处正在于此。与混合通风以稀释原理为基础不同，置换通风则采用浮力控制为动力。置换通风的效果, 使得室内空气分为上下两个相对独立的区域 f部单向流动请洁区和上部紊流混合区。两 区的分界处为界而。气流从下部区域进入上部区域，却很难从上部区域返冋下部区域。下 部区域内温度和烟尘浓度都较低，而上部区域内温度和烟尘浓度较高，如图3。与混合通风 相比，置换通风只需处理下部区域的余热和烟尘，而对上部区域无需控制

8、，因此可以冇效地 减小新风量；或在新风量不变的情况下，可以有效地提高工作区的空气品质。表1四种通风方式对照表通风方式置换通风描述在控制区域产牛均 匀流送入高速新风以稀 释整个房间的污染 物浓度将低温低速风送入 室内，利用密度差 在室内形成上下两 个相对独立的区域仅控制空内部分区 域，其余不予以考 虑温度及污染物浓度分布主要特征室内气流纽织受低 速的均匀流控制， 基木无扰流室内气流受岛速的 送风控制室内气流受浮力控 制，低速送风送气流部分受浮力 控制，部分受送风 控制sh0h t-图3焊接车间置换通风的分层置换通风能够给室内提供较为稳定的温度分层，与烟羽理论结介，可以得到点热源下的 界面高度。在

9、界面上，烟羽流量等于送风量，即qv=qoo对于点热源，烟羽流量q、的计算见 下：厂dqv = 0.00238 o3/4()-5/8m,(1)dz2 m( = 0.004 + 0.039z, + 0.380zj -0.062z:(2)z| = 2.86z<d1/4()3/8(3)<dz由上面三式可知,烟羽流量q、是指定高度z (m)、对流换热量(w)和室内温度梯度 d()/dz(°c/m)三个参数的函数，即qv=f(z,<i),d0/dz)o由于在界面上有qv=qo»若qo、和d() /dzi2知，则可由此求得界而的高度马，即zj=g(qo,db/dz)。由

10、于焊接过程屮的辐射热损失无法直接测得，所以很难确定焊接烟羽的对流换热量。为 了得至ijgmaw中电悍烟羽的初始换热量，jin通过实验给出了一个经验公式：其中，e为焊接过程中的总输入功率，w； mr是焊机电极的熔化速率，血7s。rh界面的定义可知，界面只需耍高于人员的工作区（通常定为18米），便可保证室内 人员在较清洁的坏境卜工作。若工艺上对温湿度及烟尘浓度有所要求，则界面须同时高于工 艺区。rh此可知，置换通风用在热污同源，口污染物会随空气流动的场合是非常合适的。而且 像悍接车间这种工业厂房，层高很高，能使烟羽充分扩展，达到很好的置换效果。在实际设 计中，可利用界面高于人员活动区的关系，便可以

11、対置换通风的送风量进行校核，从而使焊 接车间的人员工作区的温度及烟尘浓度达到要求。至于局部送风，仅控制室内的部分区域（通常为工作区），在受控的这部分区域内，其 气流组织类似混介通风。这就使得刚从焊点散发出的烟尘立刻在工作区内混合均匀，这显然 是不利于烟尘的排除。3 cfd模拟运用airpak软件模拟某焊接车间的置换通风和混合通风效果，以资对比。3. 1建立模型根据车间的对称性，仅取车间的一对送风口控制的区域进行模拟，如图4、5。区域高12 米，长24米，宽6米。区域底部疋中间冇一热源，高0.6米，直径0.4米，散热量为6kw,用以 简化替代该区域内的所有热源。rfl于烟尘随气流运动，为了简便起

12、见，自定义一种与空气物 理性质相同的气体g來替代焊接烟尘，以区域内g的浓度來取代烟尘浓度。3.1.1置换通风的模拟送风口两个,尺寸为1.2x0. 63m,出口风速为0. 5m/s,送风温度为209。回风口为0.63 x0. 63m。见下图4。图4置换通风模型图3. 1.2混合通风的模拟采用侧送上冋。送风口两个，尺寸0. 25x0. 25m,出口风速6. om/s,送风温度20°c。冋 风口为0.3x0. 3m。见下图5。图5混合通风模型图4.2计算结杲及对比以下是z=0平而处的风速、温度及浓度剖面图。<0/7urrt图6置换通风的风速分布图7混合通风的风速分布图8置换通风的温度

13、分布图9混合通风的温度分布图10置换通风的浓度分布图11混合通风的浓度分布在x=6, z=1处作一条平行于y轴的直线a,对比置换通风和混合通风卜该百线上温度及浓度分布，见图12及图13,其中，o为置换通风,为混合通风。teapcraturc(v)图12直线a处温度对比图图13直线a处浓度对比图3.3 cfd结果分析1）由图6可看出，除了热源正上方外，车间内风速很小，满足置换通风对于吹风感的要 求。2）由图8和图10可看出，置换通风的温度和浓度分层相当明显。3）市图12和图13町看出，混合通风的温度和浓度分布较平均，而習换通风则随高度变 化很人。4）由图12和图13还可看出，送风量和送风温度相同

14、时，在1.8m工作区以内，置换通风 下最高温度比混合通风下低1°c左右，而最高浓度仅为混合通风下的66%。由此可见，置换通 风対工作区降温和除尘的优势明显。亦即是说，为了使工作区达到同样的温度和烟尘浓度, 置换通风的能耗可以比混合通风小很多。4结论1）在封闭式焊接车间，采用置换通风，在焊接车间工作区的除尘利降温的优势明显。2）置换通风过度季可采用全新风系统，节能效果明显。3）対丁烟尘产牛量较大的焊接年间，在部分工艺区可采用局部排风和置换通风和结合 的方法，以降低全面通风的除尘量，从而减小置换通风的送风量。参考文献1 j. m. a ntonini, g. g. krish na mu

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