1     焊煙特性及危害
　　隨著我國汽車工業(yè)高速發(fā)展，汽車工廠焊接煙塵對工作環(huán)境造成的污染日趨嚴重。焊接煙塵的主要化學成分為Fez O.j , SiO.j , MnO, Ca()以及組成油煙的高分子化合物如烷烴、醛、酮、雜環(huán)化合物等，具有分散度大、沉積慢、易飄浮在空氣中等特點，不僅危害工作者的身心健康，還會進入設備內(nèi)部，造成設備損壞，影響正常生產(chǎn)。
　　據(jù)歐洲權威環(huán)保部門德國社會意外保險職業(yè)安全與健康研究所的檢測結果，焊接產(chǎn)生的煙塵顆粒的直徑在0.1^-1 }m之間，能通過人體上呼吸道進入肺泡，沉積在肺部(沉積率達50%以上)，引起呼吸道疾病甚至肺癌等。其中，0. 1^-0. 4 }m直徑的顆粒占總煙塵的98.900。焊接煙塵顆粒檢測結果見表1

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　?。玻薄≡?br /> 　　引入置換通風技術將新風直接送入工作區(qū)，在室內(nèi)熱源引起的豎直溫度梯度作用下，新風隨對流氣流形成向上流動的主導氣流。因新風送風動量很小，對室內(nèi)主導氣流影響極其微弱。隨著新風的向下擴散，工作區(qū)得到較好的空氣品質(zhì)、舒適性及較高的通風效率。
　　汽車工廠焊接車間在高度方向上具有穩(wěn)定的溫度梯度，可以將新風以較低的風速和溫差直接送入工作區(qū)。低溫的新風在重力作用下下沉到地面后慢慢擴散，在地面上形成一層清潔空氣層。室內(nèi)污染源所產(chǎn)生的熱氣流受浮力的作用上升，并不斷地卷吸周圍空氣，通過熱氣流上升的卷吸作用、后續(xù)新風的推動作用，以及設置在車間上部的排風口的抽吸作用，使得地面上方的潔凈空氣緩緩向上移動，形成向上的均勻氣流，工作區(qū)的污濁空氣逐漸被新風或潔凈空氣置換。整體通風除塵原理見圖１。

　　焊接過程中產(chǎn)生的大量熱量使周圍空氣溫度升高、密度減小，熱空氣卷吸周圍的空氣，形成主導氣流流向車間上部。焊接煙塵由于粒徑極小，會跟隨煙羽運動。焊接剛開始進行時，煙羽相當微弱，很容易受到周圍氣流的干擾，煙羽的半徑較大。當煙羽上升到一定高度后，其溫度降低至周圍空氣的溫度，無法繼續(xù)上升，而向四周水平散開并形成分層。在這兩個區(qū)域，空氣溫度場和濃度場有非常明顯的不同特性，下部單向流動區(qū)存在豎直溫度梯度和濃度梯度，而上部湍流混合區(qū)溫度場和濃度場則比較均勻，分別接近排風的溫度和污染物濃度。
　　集中式焊煙凈化器凈化系統(tǒng)的原理就是利用較低風速將潔凈空氣直接送入工作區(qū)下部，保證工作人員始終處在清潔的環(huán)境中，上部污濁空氣通過高效聚四氟乙烯覆膜過濾處理后逐漸被排出，焊接煙霧中９９。９７％粒徑大于０。１μｍ的微粒被過濾掉。因煙塵經(jīng)過濾處理后能達到室內(nèi)排放標準，室內(nèi)空氣可以循環(huán)使用，避免直接排放造成室內(nèi)冷量／熱量的浪費。該方式僅針對工作區(qū)域而非整個廠房，為利用低品位冷（熱）源以及節(jié)省空調(diào)運行費用提供了可能，不僅解決了煙塵凈化及大氣污染問題，同時回收了排風攜帶的能量。
　　２。２　設計方案
　　氣流組織設計在集中式焊煙凈化器凈化系統(tǒng)設計中至關重要。應根據(jù)焊接廠房生產(chǎn)線的內(nèi)部條件、功能，供冷和供暖系統(tǒng)方案，可供選擇的風口形式等綜合確定氣流組織形式。廠房宜采用下部送風，上部排風（回風）的置換通風方式，在每跨兩側柱子２。０～２。５ｍ高處（特殊情況除外）設置送風口，出風風速控制在０。５ｍ／ｓ以內(nèi)；在車間上部兩側送風口中間設置排（回）風口，排（回）風口盡可能布置在室內(nèi)熱力分層或煙氣穩(wěn)定層高度位置。
　　新回風比例：當干球溫度在０ ℃以下時，新風補充量為２０％（排除車間焊煙異味），８０％為回風，以節(jié)約能源（熱量）；當干球溫度在０～１５ ℃之間時，可采用４０％的新風、６０％的回風，以減少能源用量；當干球溫度為１５～３０℃時，采用１００％的新風，關閉冷熱源供應，節(jié)省能源；當干球溫度超過３０℃時，新風補充量為２０％（排除車間焊煙異味），８０％為回風，以節(jié)約能源（冷量）。
　?。场∮嬎銠C模擬驗證與優(yōu)化
　　３。１　計算機模擬流程（見圖２）

　?。场＃病『笩熜纬膳c治理模擬分析
　　對不同通風方式下焊接車間的速度場、溫度場及污染物濃度場分別進行了夏季、冬季、過渡季工況的數(shù)值模擬研究。基于有限體積法求解Ｎ－Ｓ方程，計算速度、溫度、壓力、濃度、流向分布；計算自然擴散和強制排風狀態(tài)下的有害煙塵（粉塵）及氣體流向和濃度分布，進而對焊煙狀態(tài)進行模擬和分析。對不同形狀自然或者擾動工況下的氣流狀態(tài)進行分析，得到仿真氣流中污染氣體、污染粉塵的擴散、分布規(guī)律，從而給出排煙技術的驗證、優(yōu)化方案。
　　根據(jù)不同的焊裝工藝、輸送工藝建立相應的模型，對不同工況狀態(tài)下的自然氣流狀態(tài)，進行焊煙治理后的氣流組織狀態(tài)，在機械化輸送、工件裝配、人員操作、公用設備對氣流組織有干擾情況下的氣流狀態(tài)進行計算機流體擴散狀態(tài)、空氣溫度場、空氣
　　基于焊裝廠房焊煙分析系統(tǒng)建立以下模塊：
　　１）廠房模塊。構造廠房、鋼結構、吊軌等建筑結構外形信息和數(shù)學模塊。
　?。玻┖笝C模塊。構造不同型號的焊機外形尺寸或三維數(shù)學模塊、焊煙參數(shù)（包括保護氣、有害氣體排放量）模塊、焊機外殼工作溫度等參數(shù)模塊。
　　３）焊機排風模塊。ＣＦＤ－ＡＣＥ＋（美國某公司開發(fā)的ＣＦＤ及多物理場求解器）系統(tǒng)內(nèi)置多種排風口、風罩和風機模塊，該模塊放置在廠房模塊中，可任意調(diào)用。
　?。矗┉h(huán)境模塊。系統(tǒng)內(nèi)置多種環(huán)境模塊，包括地域（風向、溫度、濕度差異）、季節(jié)（溫度、濕度差異）、人工干預（供暖、制冷）幾個部分。
　?。担﹥?yōu)化模塊。在模塊的任意排列組合條件下，對有害氣體含量上限、溫度上限，排風口數(shù)量、位置，風機數(shù)量、位置、排風量等進行優(yōu)化，在內(nèi)置的多種優(yōu)化算法指導下得出符合要求的廠房設計參數(shù)。
　　通過對焊接工藝煙塵和煙羽特點的分析，結合焊接車間的特點，利用ＣＦＤ－ＡＣＥ＋模擬了不同室內(nèi)空氣狀況，不同空氣溫度場、空氣動力場和具有不同“影響源”（各種工藝設備、通風設備）的封閉式焊接車間，對整體通風除塵與常規(guī)通風方式進行了優(yōu)劣驗證。結果如圖４，５所示，由圖可見，常規(guī)通風方式局部渦旋嚴重，導致焊煙聚集，難以排出；而整體通風除塵方式焊煙隨上升氣流迅速擴散排出。
　　在常規(guī)通風模式下，車間內(nèi)焊接煙塵大部分都能排出，但煙塵濃度超標區(qū)域較大，半徑超過３ｍ，超標區(qū)域集中在ＣＯ
　?。埠笝C處，如圖６所示，圖中黃色區(qū)域為煙塵濃度超標區(qū)域。

     在整體通風除塵狀態(tài)下，車間內(nèi)焊接煙塵處理效果較好，煙塵濃度超標區(qū)域較小，半徑不超過２ｍ，超標區(qū)域集中在ＣＯ２焊機處，如圖７所示，濃度超標區(qū)域（黃色區(qū)域）明顯減小。

　?。础嶋H應用效果
　　廣州某合資汽車公司焊接廠房項目采用整體通風除塵空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖８所示。該焊接廠房建筑面積１１?。埃埃埃恚?，柱頂標高９。８ｍ。該車間主要用于車身焊接加工，有ＣＯ２焊機及電阻焊機約１５０臺，不均勻地分布在車間內(nèi)。
　　設計方案：夏季室溫≤２９℃；３ｍ以下工作區(qū)粉塵質(zhì)量濃度≤４ｍｇ／ｍ３；引入適量新風排除室內(nèi)異味；對于產(chǎn)煙量較大的ＣＯ２焊機工位設置局部除塵系統(tǒng)。

　　兩年的實際運行表明完全達到了設計目標值，創(chuàng)造了良好的室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境。與此同時實現(xiàn)了冷熱源的循環(huán)利用，解決了將焊煙直接排至大氣造成的污染問題，節(jié)能減排效果明顯。焊裝廠房通風空調(diào)參數(shù)的設定與能源消耗密切相關，夏季車間溫度每降低１ ℃，就需多耗冷量約１０％，冬季車間溫度每提高１℃，需多耗熱量約５％～７％。整體通風除塵空調(diào)系統(tǒng)能根據(jù)不同季節(jié)的氣候特點和車間溫濕度要求，合理控制回風量和新風量；在過渡季節(jié)，充分利用室外新風的調(diào)節(jié)能力，大幅度地降低能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能
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　　采用整體通風除塵空調(diào)系統(tǒng)及合理的氣流組織設計，能夠有效地控制焊裝廠房的焊煙擴散，使焊接煙塵在送風推動和排風口抽吸作用下緩慢上升，形成向上的單向流動，既排除了廠房內(nèi)的焊接以此焊裝車間為例，分析對比整體通風除塵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)通風空調(diào)系統(tǒng)的投資與能耗，結果見表２。煙塵，滿足工作區(qū)的衛(wèi)生標準，又實現(xiàn)了冷熱源的循環(huán)利用，節(jié)約了能源，解決了焊煙直接排至大氣的二次污染問題。整體通風除塵空調(diào)系統(tǒng)是汽車焊接煙塵治理及節(jié)能的重要技術措施，是通風除塵系統(tǒng)設計的新嘗試，將對我國汽車工廠焊接廠房通風除塵設計產(chǎn)生積極的影響，有著廣闊的應用前景、可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。