汽車焊裝車間置換通風優化設計研究

茍維杰，孟冬菊，李延紅，汪新鋒

(北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京100026)

0 前言

汽車制造過程中，白車身的制造經沖壓、焊接成型、外觀修整、打磨等工序，最后經噴涂與其他總成裝配成整車。其中車身焊接和白車修磨工序中產生大量的煙塵和粉塵，直接排放到工作區域內，造成空氣污染。汽車焊裝車間中可吸入煙塵直徑在0.1～0.4 μm的顆粒占總煙塵的98.9%，并能通過人體上呼吸道進入肺泡，沉積率達50%以上，引起呼吸道疾病甚至肺癌等疾病［1－3］。車間內的煙塵如不能及時排出，將直接影響工人的健康，建立高效的通風除塵系統是解決煙塵問題、保障從業者健康的關鍵所在。

1 置換通風除塵原理及其氣流組織特性

分析混合通風從通風除塵原理可知，它不能徹底地凈化工作區間的空氣質量?；旌贤L車間中，送風末端安裝在工作區上部，新空氣送到車間后，首先與送風口附近煙塵濃度較高的空氣混合，送達到操作工可吸入區域的空氣稀釋焊接煙氣后的被污染的空氣。而置換通風能夠直接把清潔空氣送達到操作工呼吸區域。即安裝在車間側面送風末端送入溫度較低的清潔空氣，送到工作區地面附近。由于低溫空氣密度較大，會在重力的作用下下沉并擴散到整個室內地面。由于焊接熱的作用，施焊區域內空氣溫度升高，熱濁氣流產生自然對流和上升的卷吸力。理想狀況下，在送風末端新空氣的推動力、工作區域熱空氣的卷吸力、回風口的排風機組的抽吸作用下，形成單向流動氣流，將焊接煙塵從工作區經排風機組送到空氣凈化設備當中。

置換通風車間中，煙塵的流動在一定的高度方向存在熱力分層的現象，這個高度稱為分層高度。所有的分層高度組成的曲面稱為熱力分界面［4］。在分界面上部氣流為紊流狀態，煙塵濃度高，分界面下部清潔空氣大致成為單向層流狀，由下向上流動，空氣清潔度較高。因此，分層面的高低直接反映除塵能力及除塵效果，可作為判斷除塵效果的指標。

影響分層面的因素有送風量、送風末端位置、室內外溫度差、室內風速及送風末端附近“渦流”等。送風末端的出風量在高度方向產生梯度將會形成分層送風，即室內下層的送風量較大，送風量在高度方向逐漸減小。這種“分層”送風末端能減少因“渦流”作用對氣流方向和輸送距離的影響。在夏季采用冷風，春秋季節采用全新風，冬季采用混合暖風，并在不同的季節采用不同的出風口角度，送風末端能有效地提高出風口送風距離［5－6］。不同季節出風口形式及送風筒結構如圖1所示。

圖1 不同季節出風口形式

2 置換通風數字化模擬計算與參數優化

除塵系統設計目的在于通過合理的安排送風量、送風末端位置和分布，將送風量、送風末端的位置分布與車間整體空間相匹配，有效控制工作區域氣流的流向，降低煙塵濃度。結合車間特性設計了置換通風焊裝車間模型，采用計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)方法，借助于計算軟件模擬分析不同參數對焊裝車間流場及煙塵濃度分布的影響，提出有利于提高通風效率和節能高效的優化設計方案。

2.1 研究模型及模擬計算

研究模型及邊界條件如下［7－8］:

機械通風室內氣流流態通常為湍流［7］，研究模型結合車間實際情況并進行簡化，模型車間為20 m×35 m×10 m。由于房間內的氣流組織受多種因素的影響，參數計算中采用理想化假設，對影響計算的復雜條件做了簡化處理。在模型計算中使用outflow作為出口邊界和velocity－inlet作為入口邊界。研究模型內設10臺焊機，散熱量為10×60 W/臺;12個送風末端，安裝高度可實現參數化調節;送風末端安裝在車間頂部高度為10 m處。

本研究采用Κ－ε湍流標準模型作為焊裝車間氣流流動特性的描述方程。計算過程為:(1)用控制容積法對控制方程進行離散化;(2)采用SIMPLE算法對離散方程進行求解、對近壁區域氣流的流動采用壁面函數法;(3)使用歐拉方法模擬計算不同參數對焊裝車間內焊接煙塵的濃度分布影響情況。

2.2 送風量與煙塵平均濃度

以焊接煙為塵污染物的汽車焊裝車間，按照污染物濃度稀釋計算送風量是依據室內有害物的發生量來確定［9］。其計算公式為

式中 M為焊接煙塵散發量(單位mg/h);Cm為焊接煙塵的最高允許濃度(單位:mg/m3);Cs為進入車間的新風煙塵濃度(單位:mg/m3);Cm為職業限值4 mg/m3，清潔空氣Cs取值為0。

通過公式的計算量和計算原理可知，按照污染物濃度稀釋計算送風量Q，既滿足混合通風模式所需通風量，又滿足置換通風中通風量。根據焊裝車間焊接設備及工藝所計算模型中產生的煙塵量，得焊裝車間的當量M=8 700 mg/h。模型中Q=34 800 m3/h。

當送風末端安裝高度為2 m時，分別在送風量設置為 Q、80%Q、60%Q、40%Q 時，使用 CFD 軟件計算，并繪制出送風量、車間高度及各平面的煙塵平均濃度曲線，送風量與煙塵平均濃度如圖2所示。

圖2 送風量與煙塵平均濃度

送風量直接影響煙塵濃度，隨著送風量的減小，焊接車間內煙塵濃度整體上升;各條曲線的宏觀走勢是一致的，送風末端風量的改變并不會改變煙塵濃度的分布趨勢;在送風量不同時，煙濃度均是隨著垂直高度的增加先升高，然后到一定高度之后趨于平穩，存在著濃度分界面在2 m以下的人員活動區煙塵濃度較小。送風量對濃度分層影響并不大，不同送風量的濃度曲線走勢基本一致，送風量大于時濃度曲線較低。但是，從模擬計算的煙塵濃度可知，當送風量大于Q60%時，工作區域內煙塵濃度滿足職業限值，這一數值為系統的低風節能研究提供理論依據。

2.3 送風末端安裝高度參量模擬計算

安裝高度是指送風末端有效出風口到地面的垂直距離。當送風量設定為80%Q，分別設置送風末端高度為1 m、2 m、3 m時，使用CFD軟件計算，并繪制出送風末端位置、車間高度及各平面的煙塵平均濃度曲線，不同送風高度與煙塵平均濃度如圖3所示。

由圖3可知，盡管安裝高度不同，但三條曲線的基本走勢相似;在廠房高度方向煙塵濃度逐漸升高，高度在2 m以下的工作區域內空氣質量符合職業限值;在2 m以下高度處，送風末端的高度越高煙塵濃度越高，2 m以上同一高度處，送風末端越高煙塵濃度較低。焊接場所首要考慮2 m以下工作區域內空氣質量，因此，在送風末端安裝時盡可能降低安裝高度。

2.4 送風距離模擬參量與計算

送風距離是指從送風末端到焊接工位的水平距離。當送風末端高度為1.9 m，設置施焊工位離送風末端水平距離分別為2 m、3 m、4 m，送風量設定為Q80%，使用CFD軟件計算車間中不同高度的煙塵平均濃度。不同送風距離對煙塵平均濃度的影響如圖4所示。

圖3 不同送風高度與煙塵平均濃度

三種不同工況的曲線基本重合，曲線的拐點均在3 m左右，送風末端與施焊工位之間的水平距離幾乎不影響煙塵濃度在高度上的分布;在不同高度面上的煙塵平均濃度值小于4 mg/m3，置換通風系統能夠有效地排除施焊工位產生的焊接煙塵?？紤]到煙塵濃度分界層越高越有利于工作區中空氣質量的凈化，從分布曲線來看，送風位置約2 m時煙塵濃度最低，通風效果較好，在工程施工可以采用這一方案。

圖4 不同送風距離下煙塵平均濃度影響

3 優化設計在焊裝車間的應用與分析評價

3.1 置換通風除塵系統設計

汽車焊裝車間為10跨20 m×140 m，除去全封閉的噴漆車間，總面積約27 000 m2，有效高度約12 m。該車間為沖壓線、焊裝線、裝配線、質檢線混合車間。依據優化模型計算全通風量為 Q=1 392 000 m3/h，選用14套除塵系統溫控機組中風量為1 400 000 m3/h，8套風量圍為85 000 m3/h機組安裝在發煙量較大的4跨焊裝線，每跨安裝兩套機組。其余6套風量為120 000 m3/h設備安裝在其他6跨生產區域。安裝筒式分層送風末端，高度為底部距地面1.9 m，距焊接工位2 ～4 m。回風口安裝高度受其他設備的限制，安裝在離地高度10 m位置。

3.2 數據檢測規范

依據GBZ159－2004工作場所空氣中有害物質監測的采樣規范，檢測過程中選取焊裝區域12個有代表性的檢測點，離地高度為1.60 m。1#～8#分布在焊接區，9#～12#分布在白車身裝配區。檢測儀器使用P—5L2C型便攜式微電腦粉塵測試儀。測定時室外氣溫為1℃ ～12℃，室內空調系統溫度設定為22℃。數據測驗為北方冬天，送風末端的空氣為清潔空氣與過濾后回風的混合空氣。

3.3 數據檢測及分析

3.3.1 數據檢測

試驗數值測定中，考慮到送風過程中的管道阻力對送風量的影響，分別將置換通風車間溫控機組送風量設置為70%Q和90%Q，測試煙塵濃度、實時風速和溫度進行檢測記錄，每次測試時間5 min，取3次的平均值作為測定數據值。測定綜合數據如表1所示。

表1 測定綜合數據

當送風量為設計風量70%Q時，置換送風車間平均煙塵濃度2.852 mg/m3，排風口煙塵濃度4.36 mg/m3;最大煙塵濃度 3.623 mg/m3，最高風速為0.26 m/s;在職業接觸限值4 mg/m3和焊接工藝要求范圍0.5 m/s之內。

當送風量為設計風量90%Q時，置換通風車間平均煙塵濃度 2.238 mg/m3，排風口煙塵濃度3.83 mg/m3;最大煙塵濃度 3.018 mg/m3;最高風速0.27 m/s，各項指標都在要求范圍內，且最大煙塵濃度和平均煙塵濃度有較大幅度的降低。

3.3.2 數據分析與評價

測試點的煙塵濃度受新風送達量、空氣流動速度、煙羽的形成及焊煙量的影響。當焊接煙塵發散源和送風末端位置不變的情況下，置換通風車間除塵系統通風效率隨送風量的增加而升高。分析檢測數據可知，置換通風除塵系統能在較低送風量情況下(Q70%)使煙塵濃度達到職業限值。當送風量由70%Q提升到90%Q時，分層送風方式平均煙塵濃度降低21.5%。當送風量70%Q、90%Q時的通風效率分別為1.53、1.71。置換通風車間通風效率高，溫度控制性平穩(18+1℃)，能夠在低送風量下有效地提升工作場所空氣質量。

圖5為兩種工況下，對測試點的煙塵濃度實測曲線和模擬曲線煙塵濃度的對比。由于模擬數值更多地反映所在點煙塵的平均濃度，實測數據反映當前測試點的實時煙塵濃度。因此，模擬數值曲線更平滑一些，實測曲線起伏比較大，但在數值上存在一些偏差。雖然這些測試點是離散在同一車間不同區域的采樣點，基本曲線走勢比較統一，這說明應用CFD計算方法能夠反映焊接車間氣流的組織和煙塵濃度的分布的關系，適用于焊接車間流場的計算與模擬測試。

4 結論

CFD計算的方法能夠真實地反映置換通風車間流場的特性和煙塵的分布，可作為置換通風車間出塵系統設計的數學工具和理論指導。應用CFD方法建立數學模型優化設計參數，模擬計算送風量、送風高度、送風距離與焊接煙塵濃度分布之間的關系并進行優化分析，實現數字化，減少了大量的實驗，縮短了設計周期。經驗證基于CFD設計的置換通風除塵系統，氣流合理、通風效率高、溫度舒適性好，實現了低耗能高功效、節能減排的設計理念，可作為解決類似的除塵問題或流場計算問題的參考。

圖5 模擬煙塵濃度與實測煙塵濃度

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