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置换通风 在焊接烟尘治理中的应用
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        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。然而焊接时产生的大量烟尘对从业人员的身体健康造成了极大的危害。流行病学的研究显示,焊工为呼吸道疾病的高发人群,相关疾病包括支气管炎、呼吸道刺激、金属热、呼吸功能改变及肺癌等,因此对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。

  与传统的混合通风相比,置换通风在某些适用场合具有通风效率高、空气品质好和节能等优点。焊接车间的大空间、大层高、污染物与余热同时产生等特点,使焊接车间特别适合采用置换通风的方式。以下从焊接工艺的特点讨论置换通风在焊接车间的应用情况。

1.焊接工艺的特点
  焊接中影响到通风的两个因素主要是焊接烟尘和焊接烟羽。其中焊接烟尘是需要通过通风排出的污染物,而焊接烟羽则是在焊接条件下产生的特殊的气流流态。下面分别介绍焊接烟尘和烟羽对通风的影响。

  (1)焊接烟尘的特点 焊机在焊接过程中,释放大量的焊接烟尘(包括粉尘和气体)。焊接烟尘是焊接车间的主要污染物。我国《车间空气中电焊烟尘卫生标准》(GB16194?-1996)规定的焊接工作区的焊接烟尘高容许浓度为6mg/m3。在《工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,锰及其化合物(换算成MnO2)的时间加权平均容许浓度为0.15mg/m3。

  焊接烟尘粒子粒径范围为1×10-3~1×102μm,其中对人体健康影响大的粒子粒径是0.1~1μm。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,0.1~1μm的焊接烟尘粒子是人们研究的重点。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。这样可以通过全面通风排出焊接烟尘,减小车间内的烟尘浓度。

  (2)焊接烟羽的特点 焊接过程中会产生大量的热,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,随密度降低而上升,同时卷吸周围的空气并流向房间顶部,即形成烟羽。而焊接烟尘由于其粒径极小,会跟随烟羽运动。

  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越加强烈,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,这个高度称为烟羽平衡高度。焊接烟羽从开始到充分发展大约需要1~2min。之后烟羽继续扩大,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。

2.置换通风的特点
  传统的混和通风是从房间上部或侧面高速送风,室内空气混合均匀,全室温度和污染物浓度基本一致。

  与混和通风不同,置换通风是将新鲜空气直接低速送入房间下部的工作区(1.8m以下空间),并在地板上形成一层由较凉的新鲜空气扩散而成的空气湖。室内的热源(人员及设备)产生向上的对流气流,新鲜空气随对流气流向室内上部流动形成室内空气运动的主导气流,排风口设置在房间的顶部。送风口送入室内的新鲜空气温度通常低于室内工作区的温度,较凉的空气由于密度大而下沉到地表面,如倒水一般在房间下部形成空气湖,并将污染空气从上部排出。置换通风的送风速度约为0.25m/s左右(工业建筑可增加到0.5m/s左右)。

  界面是置换通风诊-理中的一个重要的概念。在烟羽上升过程中,由于烟羽不断卷吸周围空气加入,其流量不断增大,若在天花板处此流量大于送风量,则根据连续性诊-理,必将有一部分热浊气流下降返回,因此在顶部形成一个热浊空气层,在任一个标高平面上的上升气流流量等于送风量与回返气流流量之和。因此必将在某一个平面上烟羽流量正好等于送风量,在该平面上回返空气量为零,这个平面即称为界面。在稳定状态时,这个界面将室内空气在流态上分成两个区域,即上部紊流混合区和下部单向流动区。

  在界面以下,气流流态近似于向上的单向流,污染物被烟羽送到房间上部并被排除,不会再次进入房间下部,可以保证下部始终处于较清洁的环境。而在界面以上,空气高度混合,其温度和污染物浓度均较高。不过,由于人员通常不会进入该区域,所以无需加以考虑。

  在焊接车间应用置换通风时,只需要确定界面高度大于工作区高度,便可保证工作人员始终处在清洁凉爽的环境中。

  置换通风与混合通风的工作诊-理不同,相应的送、排风温度也不同。置换通风中,工作区的温度及污染物浓度接近送风条件,房间上部的温度和污染物浓度接近排风条件;而混合通风全室的温度和污染物浓度基本相同。如要求在工作区域得到相同的舒适温度,置换通风系统所要求的送风温度可以高于混合通风;而如要求在工作区域将污染物浓度控制在相同的范围内,则置换通风系统所要求的送风量要少于混合通风,这为利用低品位热源以及节省空调运行费用提供了可能。从另一方面说,在运行费用相同的情况下,采用置换通风,工作区的烟尘浓度会远小于采用混合通风,可以极大地改善焊接工人的工作环境。

3.结语
(1)在封闭式焊接车间采用置换通风,工作区的除尘和降温优势明显。
(2)以上论述主要考虑置换通风在夏季制冷工况以及冬季无需供暖的运行情况,而在冬季供暖工况下,置换通风并无明显优势,其效果类似于混合通风。
(3)置换通风在过度季可采用全新风系统,节能效果明显。
(4)对于烟尘产生量较大的焊接车间,在部分工艺区可采用局部排风和置换通风相结合的方法,以降低全面通风的除尘量,从而减小置换通风的送风量。

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