Comparing the Ventilation Methods of Controlling Welding Fume in Large Workshop
Abstract The traditional ventilation method of controlling welding fume in large workshop is the combination of partial ventilation and general ventilation . Because the space is very large ,the traditional ventilation method has some demerits , such as the large ventilation volume and high running cost . In this article , taking an welding workshop as an example , the author use two ventilation methods of general ventilation and push-pull ventilation to control welding fume , and study the merits of push-pull ventilation in controlling welding fume of large workshop .
Keywords large workshop welding fume general ventilation push-pull ventilation
0 引言
焊接技术是近代先进制造方法之一，在国民经济建设中占有举足轻重的地位。焊接过程中，电弧区的最高温度可达5000℃左右，任何金属及其氧化物均可被熔化、蒸发，该过程将产生大量的粉尘、气体和蒸汽。粉尘主要来源于焊条的药皮，小量来自焊芯和母材，其化学成分多达二十余种，常见的有Fe、Ca、Mn、Si、Ni、Cu、Cr等。焊接过程产生的有害气体主要为：CO、CO2、NOX、O3等。焊接过程中产生的污染物种类多、危害大，能导致多种职业病（如焊工硅肺、锰中毒、电光性眼炎等）的发生，已成为一大环境公害。目前，国内外对焊接的处理，主要采用全面通风和局部通风两种传统的通风方式。本文以某一焊接车间为例，比较控制焊烟的传统通风方式和吹吸式通风两种方案，分析其初投资及年运行费用，探讨在高大工业厂房应用吹吸式通风方式控制焊烟的可行性。
1 传统通风方式
控制焊接的传统方法主要有局部通风和全面通风两种。局部通风可以有效阻止无组织气流在空间内带动污染物扩散，并且消耗的空气量较少。对于焊接车间，有固定工作台的手工焊接，局部排风罩能将焊接基本上抽走，采用局部通风方式能够取得较好的治理效果，是比较经济的治理措施。但是在很多情况下，由于生产过程、工艺布置及操作等条件限制，不能设置局部排风，或者采用了局部排风，仍然有部分有害物质扩散在室内，在有害物质的浓度有可能超过国家标准时，则应辅以自然的或机械的全面排风，或仅采用自然的或机械的全面排风。
《采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）》中规定：同时放散热、蒸汽和有害气体或仅放散密度比空气小的有害气体的生产厂房，除设局部排风外，宜在上部地带进行自然或机械的全面排风，其排风量不宜小于每小时1次换气，房间高度大于6米时，排风量可按每平方米地面面积6m3/h计算[1]。在焊接车间内，当工作地点不固定时，则电焊难以用局部方法排除。因此，必须辅以或另行设置全面排风来排除这部分。
一般焊接车间的特点是厂房比较高大、焊接件大小不定、焊接地点不固定、焊接方式较多。为了不影响焊接加工,通风系统设计时,往往考虑的是全面通风方式。通常，全面通风以厂房的换气量或换气次数为基础。因此，对于高大工业厂房，全面通风势必存在通风量大、消耗电能多、运行费用高的缺点，冬季运行因需要供暖，耗电量更大。
2 吹吸式通风
吹吸式通风是利用射流作为动力，把有害物输送到排风口再由其排除，或者利用射流来阻挡、控制有害物的扩散。从通风工程空气流动理论中我们知道，吹出气流的速度衰减较为缓慢，例如，在其轴线上2倍口径处仍是100%，在20倍口径处还保持22%左右，可见它的捕捉能力，特别是输送能力是优越的[2]。吸入气流的速度衰减较快，因此把吹出气流和吸入气流组合在一起协同作业，就可以弥补吸入气流控制能力弱的缺点，从而有效地控制污染物的扩散。吹吸式通风原理图如图1所示。
图1 吹吸式通风原理图
吹吸气流不但可以控制单个设备散发的有害物，而且可以对整个车间的有害物进行有效的控制。在厂房某一高度并排布置多个喷口，将具有一定能量的空气射入大空间，形成前进方向一致的多股平行射流。到一定距离后，每股射流将受到相邻射流的影响，出现流线重合现象，如图2所示。汇合以后，射流只能在纵向发展，当P/d0=5～15时，射流在10d0～25d0处汇合，射流到达30d0～50d0以后各点的运动方向平行与x-y平面，沿垂直于该平面的直线上的速度分布趋向均一，因此射流在这个区域内的运动近似于平面运动，形成水平的空气屏障[3]。由于厂房空间大，并排布置的风口个数多，射流汇合一段距离后，在大空间中形成宽度比变化中的厚度大得多的扁平气流。
图2 股平行气流射流结构图
P——喷口间距 (m) d0——喷口直径 (m) x——射流射程 (m)
采用吹吸式通风方式控制高大工业厂房中的焊烟，就是利用在建筑物侧墙一定高度吹出的喷射气流形成空间隔断，以送风口中心为分层面，将高大工业厂房在高度上分为上下两个区域，把工作区散发的焊烟最大程度的控制在一定的高度范围内，即厂房的下部区域为控制区，并借助于射流引起的气流流动将污染物带到排风口将其排除。分层面以上的区域为非控制区。从理论和各种现场状况分析，吹吸式通风利用射流形成空气隔断，能对焊接车间有害物进行有效的控制，而且工程投资和运行费用相对较少并且不会影响现场工人操作和设备维修。
3 通风方案比较
本文以某一焊接车间为例，厂房的建筑尺寸为长120m，宽36m，高12m。
3．1 全面通风方案
该焊接车间的特点是厂房高大、焊接地点不固定、焊接方式较多。为了不影响焊接加工,进行传统的通风系统设计时,采用的是全面通风方式。由于焊接设备产尘量未知，全面通风以厂房的换气量或换气次数为基础，据经验值一般大型焊接车间应每小时排风10～15次[4]。本工程采用每小时排风10次，排风量为518400 m3/h，为保持室内负压送风量小于排风量为516000 m3/h。本工程采用全面通风方案时，送排风管道采用1mm厚的镀锌钢板，共计2640 m2；排风口(800mm×800mm)48个；送风口(1000mm×800mm)40个；送风机8台（风量66541 m3/h，功率22kw）；排烟风机4台（风量145020 m3/h，功率160kw）。
3．2 吹吸式通风方案
3．2．1 送风射程
据《采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）》，侧送多股平行射流，采用单侧送风时，射流末端上边界与对方墙面在工作区以上相交；双侧对送时，射流末端上边界应该在工作区以上搭接，以避免污染气流逃逸。示意图如图3所示。
图3 在高大厂房应用吹吸式通风示意图
射流的射程等于射流的作用距离减去末端扩散范围[5]：
X=S-R
X—射流的射程(m)；
S—射流的作用距离(m)；
R—射流末端扩散范围(m)，根据实验结果一般可取R=0.075 X。
本工程采用吹吸式通风方案时，采用双侧对送。焊接车间宽度为36m，考虑到梁柱和风管的影响，射流的作用距离取S=
×34=17m，射流的射程X = S-0.075X =15.81m。
3．2．2 送风口高度
送风口高度用下式确定[6]：h1=h＋Y＋ha
h——工作区高度(m)；
Y——射流的垂直落差(m)；
ha——安全高度，一般不作考虑，对有恒温要求的场合取0.3 m。
根据实验，推荐Y值范围如下[7]：Y=(
)X,射程较大时可取
X，射程较小时可取到
X。本工程中，工作区高度取h=2m，射流的垂直落差Y=X =3.95m。考虑到厂房结构，送风口高度定为5.5m。
3．2．3 送风速度
据《采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）》，采用喷口送风时，送风速度一般为4～10m/s，射流轴心末端速度一般为0.5～1.2m/s，喷口直径可采用0.2～0.8m。本工程送风口高度为5.5m，确定送风量为237600 m3/h，取吸风口的排风量为射流流量的1.1倍。送风速度取6 m/s，射流轴心末端速度取0.8 m/s。经计算确定送风管路上喷口直径为0.3m，喷口个数为40个。排风管道上设置3m×0.5m的侧吸风口24个。送排风管道采用1mm厚的镀锌钢板，共计1980m2。送风机4台（风量61321 m3/h，功率24kw），排烟风机4台（风量65429 m3/h，功率22kw）。
3．3 方案比较
全面通风和吹吸式通风两种方案初投资费用和年运行费用见表1。本工程中镀锌钢板风道单价为120元/ m2，送风口（1000mm×800mm）单价120元/个，排风口（800mm×800mm）单价为100元/个，喷口（直径为0.3m）单价为150元/个，工业用电0.8元/度。每日耗电按八小时计算。
| 方案通风比较方案 |
初投资 |
运行费用（万元/年） | ||
| 风机设备（万元） | 管材 （万元） |
合计（万元） | ||
| 全面通风方式 | 18．86 | 31．68 | 50．54 | 190．6 |
| 吹吸式通风方式 | 8．4 | 23．76 | 32．16 | 53．72 |
4 结论
通过以上数据可以看出，采用吹吸式通风控制高大厂房的焊烟，将高大空间进行空间隔断，只对下部区域进行控制。与全面通风相比减少了需要治理的污染空间，从而大大减少了送排风量，节约了能源，降低了设备初投资及年运行费用。
参考文献
[1] 《采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）》[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2] 孙一坚 《工业通风》（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1984.
[3] Tarnopolsky M. Improved Calculation of Air Distribution in An Auditorium [J]. ASHRAE TRANSACTIONS,1994,100,Part2:1195-1209.
[4] 任效乾 王荣祥 焊接的危害及其防治 [J].矿山机械,2000，28(6):30-31.
[5] Weathers J W,Spitler J D. A Comparative Study of Room Airflow: Numerical Prediction Using Computational Fluid Dynamics and Full-Scale Experimental Measurements [J]. ASHRAE TRANSACTIONS,1993,99,Part2:144-157.
[6] Field A A. New concepts in industrial air replacement [J].Heating/Piping/Air Conditioning,March 1966,84-90.
[7] 邹月琴 王师白等 分层空调气流组织计算方法的研究 [J].暖通空调,1983,13(2):1-6.
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