基于CFD技術的文印室排風系統(tǒng)改造

孫勇

中鐵上海設計集團有限公司

氨氣是一種無色并伴有刺激性氣味的輕度有害物質(zhì)。由于有氨曬圖機連續(xù)曬圖速度快，效果好，部分科研生產(chǎn)單位仍使用有氨曬圖機。隨著設備老化，有氨曬圖機氨氣散發(fā)量增大，需有組織地快速排除，否則室內(nèi)氨氣濃度升高會損害長期操作設備的員工身心健康[1-2]。筆者在某院文印室排風改造工程設計過程中應用CFD技術模擬污染物擴散及排風氣流組織，并加以應用指導設計。

1 模型建立及研究對象的確定

1.1 既有現(xiàn)狀建模

本文以某單位文印室既有現(xiàn)狀為對象建立模型，該文印室尺寸為 6 m（長）×5 m（寬）×4 m（高），走廊寬2 m。室內(nèi)設置有氨曬圖機兩臺，周邊圍護結(jié)構為三面內(nèi)墻，一面外墻，內(nèi)設風量1200 m3/h排風機一臺，按風量折算換氣次數(shù)約為10次/h。房間與走廊通過門連接，并通過門下部設置的800 mm（寬）×600 mm（高）百葉風口從走廊補風，平面模型如圖1。

圖1 文印室內(nèi)平面模型

1.2 文印室內(nèi)污染現(xiàn)狀

實地調(diào)查時，曬圖機操作員工反應室內(nèi)氨氣刺激性氣味強烈，每日員工均佩帶口罩上崗作業(yè)，走道內(nèi)也能很容易感覺到刺激性氣味。現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)氨氣主要從曬圖機背面泄漏，實測單臺曬圖機滿負荷連續(xù)生產(chǎn)時氨氣散發(fā)量約為0.01 kg/h。

1.3 研究對象的確定

取操作人員坐姿口鼻處P1、P2點（見圖1）氨氣濃度及室內(nèi)氨氣平均濃度等作為研究對象，在室內(nèi)換氣次數(shù)均為10次的條件下，則采用室內(nèi)零方程進行模擬計算。

2 不同方案計算結(jié)果對比及分析

2.1 不同方案的風口布置

通風方式采用三種不同方案：下排風方案、上排風方案、局部排氣罩方案，則各方案風口具體布置見表1。

表1 各方案的風口布置情況

2.2 計算結(jié)果對比分析

在室內(nèi)換氣次數(shù)均為10次的條件下分別對既有現(xiàn)狀及三個改造方案進行模擬計算，對比分析表2中的計算結(jié)果，能得出以下結(jié)論：

1）既有現(xiàn)狀下操作人員口鼻處氨氣平均濃度是14.64 ppmv，約為《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值-化學有害因素》中8h工作日的平均容許接觸濃度（26.35 ppmv）的 55%。室內(nèi)氨氣平均濃度是33.84 ppmv，約為容許15分鐘短時間接觸濃度（39.52 ppmv）的85%，操作人員在此環(huán)境下長期工作會對呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。

表2 室內(nèi)氨氣污染物濃度模擬結(jié)果分析表

2）方案3設置局部排風罩的效果最好，操作人員口鼻處氨氣平均濃度下降非常明顯，室內(nèi)氨氣平均濃度較現(xiàn)狀有所降低，說明局部排風罩能有效吸入氨氣氣體并直接排出。由于排風罩風量較低，未能在發(fā)散口附件形成有效控制氣流，導致部分氨氣氣體橫向擴散至室內(nèi)造成濃度偏高。

3）方案1效果較好，原因是該方案下排風口靠近氨氣散發(fā)口，部分氨氣氣體能及時有效地從排風口直接排出，但由于氨氣氣體密度較空氣小，有一定數(shù)量的氨氣上升至房間上部空間并在此過程中與室內(nèi)空氣混合。

4）方案2效果較差，其計算結(jié)果與現(xiàn)狀區(qū)別不大，原因是氨氣氣體在隨著室內(nèi)氣流達到排風口前已充分擴散至全室。

5）少數(shù)含有氨氣的室內(nèi)空氣會從門下部設置的百葉補風口泄漏至走廊，走廊氨氣濃度與室內(nèi)氨氣濃度成正比關系。

3 方案優(yōu)化及模擬結(jié)果

3.1 換氣次數(shù)的選取

確定采用方案3做為本項目改造方案，設置兩臺風量局部排風罩，排風罩距地1.8 m，建立幾何模型如圖2[3]。

圖2 方案3室內(nèi)物理幾何模型

圖3 氨氣平均濃度與換氣次數(shù)曲線關系

根據(jù)文獻[4]相關內(nèi)容，為提高局部排風罩排除污染物的效率，其風量應足夠大使得污染物發(fā)散口處形成風速大于0.25 m/s的控制氣流，故分別采用10次/h、15次 /h、20次 /h、25次 /h、30次 /h、35次 /h換氣次數(shù)模擬計算。結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出室內(nèi)氨氣平均濃度隨著換氣次數(shù)增加而減少，但變化斜率越來越小，考慮到平時運行的經(jīng)濟性，最終選取室內(nèi)換氣次數(shù)25次/h，折算單臺排風罩風量為1500 m3/h。

3.2 模擬計算結(jié)果

設置單臺排風罩風量為1500 m3/h，單臺曬圖機氨氣散發(fā)量約為0.01 kg/h進行模擬計算，計算結(jié)果如云圖4、圖5。由圖4可見，排風罩吸風口處氨氣濃度最高，操作人員口鼻處氨氣濃度僅為0.30 ppmv，走廊內(nèi)氨氣濃度為0.002 ppmv。由圖5可見，排風系統(tǒng)形成了從走廊至局部排風罩且風速大于0.25 m的流場，有效控制了氨氣污染物的擴散范圍，確保了局部排風罩的污染物去除效率。

圖4 H=1.3 m處室內(nèi)氨氣平均濃度云圖

圖5 H=1.3 m處室內(nèi)流場分布云圖

4 結(jié)論

1）對三個不同方案進行模擬計算，對比結(jié)果采用方案3局部排風罩的排除氨氣污染物效果最佳。

2）少數(shù)氨氣氣體會從門下部設置的百葉補風口泄漏至走廊，走廊氨氣濃度與室內(nèi)氨氣濃度成正比關系，因此只要有效地降低室內(nèi)氨氣濃度就能控走廊的污染物濃度。

3）提高換氣次數(shù)能有效減少室內(nèi)氨氣濃度，隨著換氣次數(shù)的增大，去除氨氣污染物效率逐漸降低，換氣次數(shù)超過40次/h后，繼續(xù)增加換氣次數(shù)已無法有效降低室內(nèi)氨氣濃度。結(jié)合考慮通風運營經(jīng)濟性，換氣次數(shù)取25次/h為最佳。

4）通過對CFD軟件模擬計算的后處理功能，能形象生動顯示流場及污染物擴散范圍，