焊接车间通风空调系统研究与工程实践

本书采用了理论计算、物理模型试验、CFD数值模拟相结合的研究方法，研究了汽车制造厂大型焊接车间内有害物浓度场、温度场、气流流动的速度场，在大限度节能的条件下，保证工人的安全与舒适环境。研究是针对三种通风结构型式进行的。车间内设置的三种通风气流：一是车间通风大气流采用诱导式单向流，保证车间有害物的有序流动并排除；二是采用节能的工位送风方式，夏天送空调风，冬天送室外风，以期消除车间内的余热，给工人带来舒适的工作环境；三是焊架上设局部排风且与工位送风相结合，形成的小气流为吹吸式通风，排除有害物，降低工作地带的温度，保证工作地带的环境与安全。这种三种通风空调的有机结合是一种创新，在靠前外尚无先例。试测结果表明，本书提出的大型焊接车间内的通风与空调系统能接近满足车间安全浓度标准和车间温度设定值,具有较大的推广应用价值。本书可供生产工艺流程、通风制冷系统设计、厂房设计研究院所技术人员，以及生产运行、设备管理者和相关专业院校师生参考。

刘秋新，武汉科技大学城建学院教授 。主要从事工业通风与除尘、供热、空调工程等方面的研究。承担本科生、研究生的《工业通风》《暖通空调》《建筑设备工程》《大气污染控制工程 》《蓄能技术》《暖通空调新技术》《典型工程分析》《空气洁净技术》《暖通空调工程设计方法与系统分析》等课程的教学工作。 EI收录文章3篇，ISTP收录文章11篇。曾在设计院工作过近10年，获原纺织部设计奖等多个奖项。

前言
第1章焊接车间基本情况1
1.1汽车生产中的焊接技术1
1.2汽车焊接技术与安全危害的主要问题2
1.3车间有毒物质及卫生作业标准2
1.4汽车焊接车间的建筑特点与地理特点4
1.5汽车焊接车间通风现有状况及特点5
第2章焊接车间通风空调系统研究概况6
2.1焊接车间通风空调系统研究方法6
2.1.1理论计算6
2.1.2物理模拟6
2.1.3数值模拟7
2.2通风效果的评价方法7
2.3国内外研究进展10
2.3.1国外的研究现状10
2.3.2国内的研究现状11
2.3.3焊接车间通风空调系统发展趋势及存在的问题18
2.4系统研究的主要工作19
2.4.1研究对象存在及要解决的问题19
2.4.2课题研究所做的主要工作20
2.5研究课题的主要创新点20
第3章汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统计算研究21
3.1汽车制造厂焊接车间电焊烟尘及热射流放散计算21
3.2研究对象的通风空调系统配置22
3.3全面通风量的计算23
3.4诱导风机的风量计算与配置25
3.4.1射流诱导原理25
3.4.2诱导风量计算26
3.5空调工位送风计算26
3.5.1工厂的空调热平衡方程26
3.5.2工位冷负荷计算27
3.5.3新风冷负荷27
3.5.4湿负荷的计算28
3.5.5送风参数点的确定28
3.5.6送风射流的气流组织28
3.6局部排风罩设置与排风量的计算28
3.6.1局部排风罩设置28
3.6.2风量计算29
3.7小结32
第4章汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统物理模型试验研究33
4.1物理模拟的相似理论33
4.1.1力学相似性原理33
4.1.2相似准数35
4.1.3模型律41
4.2物理模型43
4.2.1参数计算43
4.2.2试验模型45
4.3物理模拟试验48
4.3.1第一次试验48
4.3.2第二次试验53
4.4汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统的设定62
4.5小结63
第5章汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统数值模拟研究64
5.1数值模拟计算方法与步骤64
5.2数值模拟计算的控制方程64
5.2.1质量守恒方程64
5.2.2动量守恒方程65
5.2.3能量守恒方程66
5.2.4控制方程的通用形式67
5.3K-ε双方程模型67
5.3.1与湍流长度标尺有关的物理量67
5.3.2脉动动能耗散率的定义及其控制方程68
5.3.3K-ε两方程湍流模型的控制方程组69
5.3.4三维直角坐标中K-ε模型的控制方程69
5.4控制方程的离散70
5.5空间区域的离散化72
5.5.1区域离散化的实质与内容72
5.5.2两类设置节点的方法72
5.6SIMPLE算法的计算步骤及其讨论72
5.7汽车制造厂大型焊接车间的数值计算模型73
5.7.1建立数值模拟计算的模型73
5.7.2数值模拟的边界条件设定75
5.7.3数值模拟计算的网格划分75
5.7.4数值模拟的计算方法76
5.8数值模拟的计算结果与分析76
5.8.1模型一的模拟计算结果76
5.8.2模型二的模拟计算结果80
5.8.3模型三的模拟计算结果83
5.8.4数值模拟计算的三种模型计算结果分析87
5.9数值模拟计算三种模型通风效果的分析88
5.9.1数值模拟计算三种模型风速的分析88
5.9.2数值模拟计算三种模型温度的分析88
5.9.3数值模拟计算三种模型浓度的分析89
5.9.4数值模拟计算的三种模型通风空调效果分析结论89
5.10小结89
第6章研究结果及其分析91
6.1模型试验通风效率计算91
6.1.1试验条件与数据91
6.1.2通风效率计算91
6.2计算机数值模拟计算结果的通风效率99
6.3关于系统通风效率问题的研究100
6.3.1系统通风效率计算汇总100
6.3.2关于系统通风效率问题的研究100
6.4小结103
第7章研究成果应用与结论104
7.1车间内温度场与焊枪热射流104
7.2被测区域的粉尘浓度105
7.3被测区域的CO2和CO浓度109
7.4小结110
第8章研究成果的推广与应用111
8.1大连某大型汽车公司焊装车间工程案例111
8.1.1工程概况111
8.1.2设计方案111
8.1.3设计图样111
8.2广州某大型汽车公司焊装车间工程案例111
8.2.1工程概况111
8.2.2设计方案112
8.2.3设计图样112
8.3郑州某大型汽车公司焊装车间工程案例112
8.3.1工程概况112
8.3.2设计方案112
8.3.3设计图样113
第9章总结与展望114
9.1总结114
9.2展望116
参考文献117

近年来，制造业已成为国民经济中的重要支柱产业之一，焊接工艺广泛应用于制造业。焊接技术是现代工业中不可缺少的一种工艺，焊接工艺种类很多，主要有焊条电弧焊、二氧化碳气体保护焊、氩弧焊、埋弧焊等。但在焊接过程中，会产生大量的电焊烟尘，不仅污染了作业环境，尤其在通风不良的情况下，烟尘浓度通常超出了国家标准数倍；对人的危害十分严重。可引起电焊工尘肺、锰中毒、呼吸道炎症、神经衰弱症等多种职业危害。当前提倡以人为本、关注环境与健康及实现安全生产和社会经济协调发展，并已经成为人类追求生活质量提升和社会稳定进步的新目标。开展焊接与环境、焊接与健康方面的研究与探讨，对推动焊接技术的清洁、环保、可持续发展，具有参考价值和重要意义。
    因此，电焊烟尘治理也成为当前职业卫生、环保工作中的当务之急。由于焊接是一种劳动强度比较大的工种，所以创建良好的焊接环境，对于提高劳动生产率起着决定的作用。解决电焊烟尘污染，除在工艺上采取减少发尘量的措施外，在车间内采取有组织的通风，是改善作业环境的有效措施［1］。目前国内外焊接烟尘的治理主要以局部排风、局部送风为主，全面通风为辅的手段来改善焊接车间的劳动卫生环境。全面通风也称稀释通风，包括自然通风和机械通风两种主要方式。我国现在工业厂房大部分仍采用射流形式的机械通风，不仅耗电量大、运行成本高，同时还往往由于设计不合理及运行管理不完善而达不到预期的通风效果。鉴于此，需要研究找到安全、舒适与节能的通风方式，消除焊接烟尘的危害。
    《焊接车间通风空调系统研究与工程实践》一书中积累了著者30多年从事通风空调和工业安全方面的科研成果和工程工作经验。也是著者和科研团队通过长时间的大量的理论计算分析、物理模型试验、CFD数值模拟研究得出的，采用了诱导式单向流、工位送风、焊架上设局部排风三种通风形式的有机结合，改变了目前国内外焊接烟尘的治理主要以局部排风、局部送风为主，全面通风为辅的单一格局，对焊接行业的烟尘有效治理有指引和借鉴作用。本书旨在响应国家当前热门的职业健康安全和节能减排的政策，研究内容详细全面、案例典型，理论与工程案例的结合可以给读者提供很好的设计参考，在系统设计方面也有好的启发。
    特别感谢皇家动力(武汉)有限公司对本项目的鼎力支持，在本项目研究期间提供了焊接车间资料和试验设备帮助，致使本研究能顺利高效地完成。本书内容从科研研究到著作完成耗时较长，感谢本人的研究生陈芬、蔡美元、向金童、吴炯、王能、王心慰、潘华阳、童亮、梅钢、吕学林、罗继春、余彦洲、姜伯锋、陈添寿、薛娜、席洋、黄惊、徐伟、丁照球、杨二平、胡中平、吴海涛、陶小龙、白明强、佘明威、覃大朋、叶小宁、余法文、孔朝晖、李森生、丁云、石文、黄丽、程浩、姚奇志、包阔为本书做出的重要贡献。
    因时间限制及著者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请广大读者不吝赐教，提出斧正意见，甚为感谢！

    武汉科技大学
    刘秋新
    2016.5于武汉