均勻流送風(fēng)對(duì)噴烤漆房污染物擴(kuò)散研究

朱家岑 王金良

(常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

噴烤漆房是應(yīng)用于噴涂和烘烤車漆的一個(gè)封閉或半封閉式的空間，它通常需要具有過濾凈化、機(jī)械通風(fēng)、加熱烘干、照明等功能，是一個(gè)綜合的能源利用和加工制造場(chǎng)地。由于噴漆的主要化學(xué)成分為苯系物、酯類、酮類、醇類、醚類等低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑，其中包括了苯、甲苯、二甲苯、乙酸丁酯等有害物質(zhì)[1]。這些有害物質(zhì)的呼入將對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響，故需對(duì)噴漆房?jī)?nèi)的污染物進(jìn)行有效控制。

為了達(dá)到有效的污染物控制，傳統(tǒng)的稀釋通風(fēng)方式通常不能滿足要求，原因在于稀釋通風(fēng)方式通常無法控制局部氣流流動(dòng)。目前汽車噴漆室多采用均勻流通風(fēng)方式，但這種處理方式均為在車體表面主動(dòng)散發(fā)漆霧源，這種方式假定了噴漆霧撞擊車體表面后以反彈形式從車體表面射出，基于鏡面效應(yīng)原理的污染物反彈與實(shí)際的污染物擴(kuò)散可能存在較大差異。運(yùn)用CFD模擬污染物傳播以及對(duì)人體的影響，此類研究都具有一定的指導(dǎo)作用。比如GAO N P等[2]研究了污染物在擴(kuò)散過程中對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響；楊鵬江等[3]的模擬結(jié)果表明立體送風(fēng)對(duì)污水廠的除臭效果明顯；劉秋新等[4]研究了印刷車間的VOCs污染物的擴(kuò)散；王倩等[5]研究了空調(diào)房間內(nèi)甲醛的擴(kuò)散；吳兆波等[6]研究得出置換通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)PM2.5流動(dòng)良好的控制能力。

1 噴烤漆房系統(tǒng)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的汽車噴烤漆房構(gòu)造如圖1所示，它包含了初級(jí)進(jìn)風(fēng)過濾網(wǎng)、送風(fēng)機(jī)、熱交換器、進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)閥、多孔板、頂部過濾棉、漆霧氈、排氣凈化器和排風(fēng)機(jī)。初級(jí)過濾網(wǎng)用于過濾空氣中粒徑較大的粉塵顆粒，送風(fēng)機(jī)和熱交換器用于提供給定溫度和流量的空氣，多孔板用于和送風(fēng)系統(tǒng)形成靜壓箱以將送風(fēng)管內(nèi)氣流動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓。頂部過濾棉用于精細(xì)過濾從多孔板小孔送出的均勻氣流。過濾棉也可視為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，一定程度上也起到穩(wěn)壓均勻氣流的作用。均勻氣流送入噴烤漆房后與噴漆操作人員及車輛交互后從底部排出。底部裝有漆霧氈，用于過濾多余漆霧，再經(jīng)過凈化后由排風(fēng)機(jī)排除室外。傳統(tǒng)的鐵皮風(fēng)管加鐵皮多孔板由于風(fēng)管內(nèi)外溫差作用，容易發(fā)生“冷橋結(jié)露”現(xiàn)象，結(jié)露易腐蝕管道和多孔板，且易導(dǎo)致多孔板表面受污染。

圖1 噴烤漆房結(jié)構(gòu)示意

本文在送風(fēng)和多孔板部分采用纖維空氣分布系統(tǒng)構(gòu)造均勻流送風(fēng)，即將多孔板更換為滲透式纖維空氣分布系統(tǒng)，此處的纖維布為平面式，與傳統(tǒng)的管型纖維空氣分布系統(tǒng)有所不同。纖維空氣分布系統(tǒng)有送風(fēng)柔和、空氣分布均勻、易清潔維護(hù)、防凝露、輕薄和便于安裝等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。據(jù)作者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，纖維分布式系統(tǒng)在噴烤漆房中的工程案例尚未有報(bào)道。本研究基于對(duì)纖維空氣分布的理解，采用數(shù)值模擬方法分析采用纖維布構(gòu)造均勻送風(fēng)流的關(guān)鍵及其對(duì)噴漆房?jī)?nèi)污染物傳播的影響，探究纖維布阻力特性與均勻流速度，均勻流速度和噴漆污染物傳播之間的相互關(guān)系。

2 數(shù)值方法及計(jì)算條件

本文中使用離散相模型(DPM)模擬了漆霧中液體部分，液體部分視為惰性流體，不考慮液體的破碎蒸發(fā)過程。

2.1 多孔介質(zhì)區(qū)域方程

文中將纖維布、過濾棉和漆霧氈視為多孔介質(zhì)區(qū)域，在宏觀多孔介質(zhì)穩(wěn)態(tài)模擬中，對(duì)連續(xù)性方程進(jìn)行時(shí)間平均和體積平均后得到多孔介質(zhì)內(nèi)部連續(xù)性方程(1)。

(1)

(2)

式中，K為纖維布的滲透率，μ為氣體的動(dòng)力粘度，c2為慣性阻力系數(shù)，ρ為混合氣體的密度。

此時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)部動(dòng)量方程變?yōu)槭?3)：

(3)

式中，SM為雷諾應(yīng)力張量。

2.2 物理模型及邊界條件

本文應(yīng)用商用軟件ANSYS Fluent，對(duì)如圖2所示的物理模型進(jìn)行模擬分析。物理模型的長(zhǎng)寬高為7 m×5 m×3 m，噴漆噴口直徑為10 mm，進(jìn)風(fēng)口為8個(gè)邊長(zhǎng)為0.8 m的正方形通道，矩形排風(fēng)管道參數(shù)為 0.4 m×0.8 m。模型以工人工作時(shí)刻計(jì)算，需要說明的是，實(shí)際噴槍在噴漆過程中噴出的是漆料霧滴和空氣的混合物，模擬兩相流動(dòng)的情況十分復(fù)雜。本文模擬過程中使用DPM模型只考慮單向耦合過程，即漆霧液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡由混合氣體流動(dòng)決定，液滴運(yùn)動(dòng)不影響氣體流動(dòng)，且不考慮液滴的蒸發(fā)過程。噴槍距離車體表面0.3 m，噴槍噴射的組分是氣體，其中甲苯占50%，漆料液體粒徑0.1 mm，質(zhì)量流量為1 g/s。本文對(duì)室內(nèi)均勻流流速分別為0.066，0.1，0.2 m/s幾種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口流速分別為0.61，0.91 m/s和1.82 m/s。文中所采用的纖維布厚度為3.7 mm，粘性阻力系數(shù)為5e+9 (1/m2)，慣性阻力系數(shù)為80 (1/m2)，過濾棉和漆霧氈采用同種材料，厚度分別為15 mm和40 mm，粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為6E+6 (1/m2)和25 (1/m2)。

圖2 數(shù)值模擬物理模型

3 計(jì)算結(jié)果討論

3.1 纖維布對(duì)室內(nèi)均勻流效果評(píng)估

對(duì)不同進(jìn)氣流速纖維布構(gòu)建均勻送風(fēng)進(jìn)行了研究，圖3為噴烤漆房截面圖，圖4中則給出了從漆房中間向一側(cè)延伸時(shí)四個(gè)不同位置處隨高度變化的速度分布，從中可以看出，當(dāng)高度下降到頂部過濾棉以后，下方速度均趨于平均。當(dāng)進(jìn)口流速為0.61 m/s時(shí)，除進(jìn)口下部小空間，其余非正對(duì)風(fēng)口區(qū)域平均速度約為0.16 m/s，而后再次經(jīng)過頂部過濾棉后速度場(chǎng)更加均勻，趨于0.066 m/s，但靠近墻體表面附近速度很低。當(dāng)進(jìn)口流速為0.91 m/s時(shí)，經(jīng)過纖維布和過濾棉后的速度場(chǎng)更加均勻，平均流速約0.10 m/s，噴口下部不同位置之間速度差也很小，均勻程度明顯提高。同樣的，當(dāng)流速進(jìn)一步增大至1.82 m/s時(shí)，室內(nèi)仍能形成較好的均勻流，但此時(shí)噴口與纖維布之間的空間局部速度上升很高，最高達(dá)到1.5 m/s。

圖4中進(jìn)風(fēng)口流速為0.91 m/s時(shí)三個(gè)計(jì)算工況的速度等值線圖，從圖中可以看出由于纖維布的阻力作用，由進(jìn)風(fēng)口引入的氣流在上層纖維布和頂層天花板之間形成了靜壓箱結(jié)構(gòu)。氣流被整流后經(jīng)過纖維布孔隙后進(jìn)入由纖維布和頂部過濾棉圍成的空間，再次因?yàn)檫^濾棉的阻力被進(jìn)一步整流隨后形成均勻流進(jìn)入噴漆房室內(nèi)。根據(jù)噴漆房?jī)?nèi)的速度分布情況，可以得出采用厚度為3.7 mm的纖維布材料配合頂部過濾棉可以形成較好的均勻流送風(fēng)。

圖3 速度分布位置對(duì)應(yīng)在噴漆房?jī)?nèi)位置

圖4 纖維布系統(tǒng)上下游速度等值線

3.2 不同風(fēng)速對(duì)污染氣體擴(kuò)散控制影響

本部分計(jì)算了進(jìn)口風(fēng)速分別為0.61 m/s，0.91 m/s和1.82 m/s三種工況下室內(nèi)甲苯污染物的擴(kuò)散和液體漆霧的濺射情況，通過監(jiān)測(cè)高度為1.5 m，人體呼吸系統(tǒng)附近的甲苯濃度研究由纖維布構(gòu)造均勻流對(duì)噴漆散發(fā)甲苯污染物的控制效果。圖5(a)給出了進(jìn)口風(fēng)速為0.91 m/s(室內(nèi)均勻流速為0.1 m/s)時(shí)全噴烤漆房?jī)?nèi)速度分布，圖5(b)給出了噴槍處立面速度分布，從圖中可以看出噴烤漆房?jī)?nèi)在車體輪胎部分以上區(qū)域平均流速在0.10～0.16 m/s區(qū)間內(nèi)(包含汽車及操作工工作區(qū)域，不考慮噴霧射流速度，高度0.8 m以上)。

(a)噴烤漆房間三維速度場(chǎng)

(b)噴槍噴射口平面(y=3.538)速度場(chǎng)

根據(jù)《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分 化學(xué)有害因素》得知，工人呼吸帶中的甲苯、二甲苯和乙酸乙酯等濃度過高均將引起工人不同程度的中毒反應(yīng)。本文研究污染物擴(kuò)散與均勻流的相互作用關(guān)系，在模擬氣體擴(kuò)散方面只考慮甲苯氣體的擴(kuò)散作用，并以此甲苯濃度表征氣體污染物擴(kuò)散分布情況。圖6和圖7給出了不同工況下甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖和等值線圖，從中可以得知，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為0.91 m/s時(shí)，甲苯氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到噴射濃度的0.02%(圖中濃度0.000 1等值線)的位置位于噴槍以內(nèi)約15 cm，該位置區(qū)域約為手腕區(qū)域。即只要操作人員口鼻部分遠(yuǎn)離持噴槍手腕距離，即可避免呼入有害污染物氣體。但當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為0.61 m/s時(shí)，很明顯甲苯氣體向人體口鼻區(qū)域擴(kuò)散，甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至噴射濃度的0.02%位置接近手臂關(guān)節(jié)部位。此時(shí)若工作人員口鼻位于該濃度范圍內(nèi)，將導(dǎo)致呼入較高濃度的有害氣體，故應(yīng)當(dāng)避免。

圖6 噴烤漆房?jī)?nèi)甲苯擴(kuò)散質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(a)進(jìn)口風(fēng)速0.91 m/s

(b)進(jìn)口風(fēng)速0.61 m/s

采用離散相方法模擬氣霧的運(yùn)動(dòng)軌跡，該過程忽略漆霧與車體表面接觸存在的粘結(jié)及漆料與金屬車體表面產(chǎn)生的靜電作用等，圖8給出了進(jìn)口風(fēng)速0.91 m/s時(shí)的液體漆霧粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖，從圖中發(fā)現(xiàn)其包絡(luò)半徑與甲苯氣體濃度0.000 1的包絡(luò)半徑接近，說明了漆霧亦不會(huì)被操作人員呼入。

圖8 漆霧濺射軌跡(進(jìn)口速度0.91 m/s)

4 結(jié)論

本文通過多通道風(fēng)管結(jié)構(gòu)、纖維布及頂部過濾棉構(gòu)建了加氣車噴烤漆房均勻流送風(fēng)系統(tǒng)，該送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便。通過計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)汽車噴烤漆房?jī)?nèi)的流場(chǎng)、污染物擴(kuò)散等進(jìn)行了重構(gòu)，使用組分輸運(yùn)模擬有害污染物在噴漆過程中的擴(kuò)散問題，通過離散相模型模擬液體漆霧射流與車體表面的反彈影響。計(jì)算結(jié)果表明，上送下排送風(fēng)配合3.7 mm纖維布和15 mm頂部過濾棉可有效形成均勻流，當(dāng)噴烤漆房?jī)?nèi)的平均流速位于0.1～0.16 m/s區(qū)間時(shí)可有效控制有害污染物的擴(kuò)散問題以及液體漆霧的濺射。噴烤漆房?jī)?nèi)流速過低易導(dǎo)致操作工人吸入過量有害氣體，過高則會(huì)影響漆霧射流的路徑，影響噴射質(zhì)量。