不同通風(fēng)方式下熱噴涂車間內(nèi)粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

李新宇　詹紹義　鮑　宏

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009

0　引言

熱噴涂技術(shù)因其不受工件尺寸和施工現(xiàn)場(chǎng)限制、噴涂材料沉積效率高、對(duì)基體材料熱影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、能源、國防、石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域［1］。

BéMER等［2］研究發(fā)現(xiàn)，熱噴涂工藝過程產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量濃度普遍很高，電弧噴涂過程中粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)到132 mg/m3，其中粒徑小于0.1μm的顆粒數(shù)量占總顆粒數(shù)的80%～90%。VIANAA等［3］研究發(fā)現(xiàn)，大氣等離子噴涂（APS）工藝過程中超細(xì)顆粒物（粒徑小于700 nm）的數(shù)量濃度高達(dá)3.3×106/cm3，且噴涂過程中超細(xì)顆粒的產(chǎn)生與噴涂原材料的種類和粒徑無關(guān)。HéLèNE等［4］從職業(yè)醫(yī)學(xué)的角度分析了熱噴涂過程中已經(jīng)確定以及潛在的職業(yè)危害。李海軍等［5］研究發(fā)現(xiàn)，超音速火焰噴涂（HVOF）過程中產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)90 mg/m3，并用掃描電鏡（SEM）觀察粉塵顆粒物的微觀形貌，粒徑小于1μm的粉塵顆粒主要以棉絮狀團(tuán)聚體的形式存在，而非初始狀態(tài)時(shí)的圓形顆粒。目前國內(nèi)外對(duì)熱噴涂工藝的研究主要集中于工藝本身的改進(jìn)和噴涂新材料的研發(fā)以及涂層性能的改良［6-7］，對(duì)熱噴涂車間粉塵的分布規(guī)律及其影響因素的研究成果較少。

粒徑大于10μm（空氣動(dòng)力學(xué)直徑）的粉塵顆粒受重力影響較大，且熱噴涂車間一般采用機(jī)械通風(fēng)，大粒徑粉塵顆粒會(huì)很快沉降。粒徑大于10μm的顆粒物進(jìn)入鼻孔后，大部分會(huì)被鼻毛阻隔，沉積在鼻腔，不易進(jìn)入人體內(nèi)部，危害相對(duì)較??；粒徑小于10μm的顆粒（簡(jiǎn)稱“PM 10”）一般難沉降，在大氣中易形成氣溶膠，且多懸浮于人體呼吸帶高度，能夠進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)；粒徑小于2.5μm的顆粒物（簡(jiǎn)稱“PM 2.5”）能夠進(jìn)入支氣管和肺部，對(duì)人體呼吸系統(tǒng)重要器官造成損傷，嚴(yán)重危害人體健康［8］。很多研究表明，微納米尺度或納米尺度下的顆粒物還具有常規(guī)尺度顆粒所不具有的生物毒性［9］。某些情況為制備具有特殊功能涂層，熱噴涂粉末成分還含有有毒金屬，如鉻、錳、鉬等［10］，長(zhǎng)期吸入會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。金屬微納米顆粒還可能引起數(shù)控系統(tǒng)電路板短路，影響加工系統(tǒng)穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短機(jī)器設(shè)備使用壽命，甚至引發(fā)安全事故［11］。由此，有必要對(duì)熱噴涂工藝過程中產(chǎn)生的微納米粉塵的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，了解車間呼吸層微納米粉塵濃度分布特點(diǎn)，探索熱噴涂車間微納米粉塵濃度控制方法，進(jìn)而改善從業(yè)人員的工作環(huán)境、減少對(duì)工人健康的危害。

CHANG等［12］通過數(shù)值模擬研究了3種不同通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)PM 10、PM 2.5、PM 1粉塵顆粒去除的影響。OPRYA等［13］研究發(fā)現(xiàn)，電弧焊接過程中在人的呼吸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生3種不同類型的焊接煙塵顆粒：超細(xì)顆粒（小于0.1μm）、粗顆粒（大于10μm）、細(xì)顆粒（在0.1～3μm之間），3種類型顆粒的具體比例取決于焊條類型和焊接溫度。DAHAL等［14］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了焊接工藝過程中焊接煙塵和CO2的擴(kuò)散過程。李艷強(qiáng)［15］研究氣流中粉塵移動(dòng)速率變化發(fā)現(xiàn)，在流體拖曳力的作用下，0～0.2 s時(shí)間內(nèi)，粉塵顆粒的速度基本接近空氣的流速，粒徑越小，趨于風(fēng)流的速度越快。劉志云等［16］研究焊接煙塵濃度分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，自然通風(fēng)條件下，焊接煙塵總體呈倒壺狀分布，且側(cè)吸式通風(fēng)對(duì)于控制焊接煙塵來說效果好于上吸式通風(fēng)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，充分考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨菩?、?jiǎn)單性和有效性，設(shè)計(jì)和建立熱噴涂車間相似模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析熱噴涂車間微納米粉塵顆粒的氣相遷移和濃度分布規(guī)律。

1　熱噴涂車間相似模型的建立

1.1　相似準(zhǔn)則數(shù)的導(dǎo)出

熱噴涂車間微納米粉塵的擴(kuò)散過程本質(zhì)上是氣固兩相流。根據(jù)氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和基本運(yùn)動(dòng)方程分析，涉及的物理量主要有車間空氣密度ρ（gkg/m3）、氣體壓力p（Pa）、氣流速度v（gm/s）、空氣動(dòng)力黏度系數(shù)μ（gPa·s）、顆粒粒徑d（pm）、顆粒密度ρ（pkg/m3）、顆粒運(yùn)動(dòng)速度v（pm/s）、顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間t（s）、重力加速度g（m/s2）、幾何尺寸L（m）等［17］。

運(yùn)用量綱分析π定理導(dǎo)出7個(gè)相似準(zhǔn)則數(shù)：斯托克斯準(zhǔn)則數(shù)Stk=p/(μgL)，均時(shí)性準(zhǔn)則數(shù)Ho=vgt/L，歐拉準(zhǔn)則數(shù)Eu=p/v2gρg，弗勞德準(zhǔn)則數(shù)Fr=vg/(gL，雷諾數(shù)準(zhǔn)則數(shù) Re=vgρgL/μg，氣固相密度準(zhǔn)則數(shù)ρp/ρg，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則數(shù)vp/vg。

1.2　相似準(zhǔn)則簡(jiǎn)化

一般受實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件限制，相似模型與原型同時(shí)滿足所有相似準(zhǔn)則往往難度較大或難以實(shí)現(xiàn)，因此，在保證足夠準(zhǔn)確度的情況下，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)相似準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，即建立近似的相似模型。

歐拉準(zhǔn)則數(shù)Eu是不穩(wěn)定相似準(zhǔn)則數(shù)，對(duì)于不可壓縮黏性流體穩(wěn)定流動(dòng)［18］，有

由此，可排除歐拉準(zhǔn)則數(shù)；實(shí)驗(yàn)過程中假設(shè)熱噴涂車間內(nèi)的流場(chǎng)與模型內(nèi)的流場(chǎng)均處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以忽略均時(shí)性準(zhǔn)則數(shù)Ho；熱噴涂微納米粉塵粒徑小，質(zhì)量輕，受重力影響非常小，而弗勞德準(zhǔn)則數(shù)Fr表示慣性力與重力之比，可不予考慮；微納米塵粒具有較強(qiáng)的跟隨性，能在極短的時(shí)間加速至與氣流相同的速度，顆粒與氣體之間的相對(duì)速度可以忽略不計(jì)，故運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則數(shù)vp/vg可取1；實(shí)驗(yàn)中所使用微納米粉塵是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的粉塵粒徑結(jié)果，購買近似粒徑分布的粉末，所以密度準(zhǔn)則數(shù)ρp/ρg滿足。

假設(shè)按照幾何相似準(zhǔn)則數(shù)δ=4建立熱噴涂車間的相似模型，由雷諾數(shù)準(zhǔn)則數(shù)Re相等可得

式中，下標(biāo)m、y分別表示模型和原型。

相似模型與熱噴涂車間氣流都為空氣，所以密度和黏度相同。將δ=Ly/Lm=4代入式（2），可得

由斯托克斯準(zhǔn)則數(shù)Stk也可推導(dǎo)出相同結(jié)論，即η=vgy/vgm=1 4，因此，斯托克斯準(zhǔn)則數(shù)Stk和雷諾準(zhǔn)則數(shù)Re可簡(jiǎn)化為η。一般保證模型內(nèi)各點(diǎn)氣流速度分布都相似是難以實(shí)現(xiàn)的，假定熱噴涂車間與相似模型抽風(fēng)口速度平均值滿足η，就可認(rèn)為車間內(nèi)流場(chǎng)的分布均滿足η=vgy/vgm=1 4。

結(jié)合熱噴涂車間微納米粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，相似準(zhǔn)則數(shù)可簡(jiǎn)化為幾何相似準(zhǔn)則數(shù)δ和抽風(fēng)口通風(fēng)速率比η。

1.3　相似模型的搭建

遵循相似原理，根據(jù)推導(dǎo)并簡(jiǎn)化后的相似準(zhǔn)則數(shù)，以山東某公司實(shí)際熱噴涂車間為原型，車間長(zhǎng)7 m、寬4 m、高5 m。車間頂部設(shè)有8個(gè)0.6 m×0.6 m的進(jìn)風(fēng)口，側(cè)面留有3個(gè)φ0.5 m除塵器抽風(fēng)口，底部設(shè)有粉塵收集倉，中間隔層為蜂窩式隔板?？紤]相似模型操作的方便性，按照δ=4來設(shè)計(jì)相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，見圖1。

圖1　熱噴涂車間的相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1　Similar experimental model of thermal spraying workshop

熱噴涂車間相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ê?jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)箱”）的布置與實(shí)際車間結(jié)構(gòu)布置一致，上端留有8個(gè)進(jìn)風(fēng)口，側(cè)面留有3個(gè)抽風(fēng)口，其余各面均密封。實(shí)驗(yàn)箱各面均采用無色透明亞克力板（俗稱“有機(jī)玻璃”）制作，各尺寸按照相似模型設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)箱左側(cè)安裝微納米顆粒彌散裝置，用于模擬熱噴涂過程中的產(chǎn)塵源。車間底部采用蜂窩式地板，整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，故對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)箱底部設(shè)置9個(gè)抽風(fēng)口，一端采用離心式抽風(fēng)機(jī)作為負(fù)壓源。

2　材料與方法

2.1　實(shí)驗(yàn)材料與儀器

鋁在空氣中能迅速形成一層致密的氧化鋁膜（Al2O3），因此，鋁涂層具有非常優(yōu)越的耐腐蝕性能，是最常用的耐腐蝕涂層之一。此外，鋁涂層還能在鐵基上擴(kuò)散，與鐵元素發(fā)生作用形成鐵鋁化合物，從而形成耐熱涂層。目前，隨著航天航空和管路輸送（石油等）的高速發(fā)展，熱噴涂鋁工藝扮演了越來越重要的作用。HUANG等［19］對(duì)熱噴涂粉塵成分分析發(fā)現(xiàn)，熱噴涂粉塵多數(shù)金屬元素以氧化物存在。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電弧噴涂鋁工藝過程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)10μm以下的粉塵主要成分為氧化鋁顆粒。為接近真實(shí)情況，實(shí)驗(yàn)直接購買相似粒徑分布的微納米氧化鋁粉末，通過粉塵彌散裝置將其彌散至熱噴涂車間相似模型中，以模擬熱噴涂微納米粉塵持續(xù)產(chǎn)生的過程。采用Malvern MS-2000激光粒度儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)用氧化鋁粉末粒徑分布。

綜上，本文研究的熱噴涂微納米粉塵指的是空氣動(dòng)力學(xué)粒徑小于10μm的氧化鋁粉塵（中位徑dp50為1μm左右）。

采用DYF300低噪聲離心風(fēng)機(jī)和DP200A軸流風(fēng)機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，離心風(fēng)機(jī)通風(fēng)流量為650 m3/h，軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)流量為180 m3/h（采用兩種不同通風(fēng)流量的風(fēng)機(jī)進(jìn)行組合通風(fēng)是考慮降低實(shí)際生產(chǎn)車間的能耗）；采用Smartsensor AR866熱線式風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，測(cè)量范圍為0～30 m/s，測(cè)量精度為0.1 m/s；采用上海富瞻SNC200型手持式粉塵測(cè)試儀持續(xù)監(jiān)測(cè)微納米顆粒物濃度，測(cè)量范圍為0～1 000 mg/m3，測(cè)量精度為0.1 mg/m3；采用FA 2004B型電子分析天平對(duì)實(shí)驗(yàn)用粉末進(jìn)行稱重，測(cè)量范圍為0～200 g，測(cè)量精度為0.1 mg。

2.2　實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)量

熱噴涂工藝過程中，當(dāng)噴涂材料（高純鋁絲）輸送速率、噴涂距離等工藝參數(shù)一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)粉塵產(chǎn)生量也會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定。結(jié)合電弧噴涂工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粉末沉積效率，相似模型實(shí)驗(yàn)中顆粒源釋放速率控制在0.2～0.5 g/min。電弧噴涂工藝過程中，為避免工件表面過熱產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，噴涂過程一般采用間歇式加工方式，每次噴涂的時(shí)間在5～15 min不等，本文實(shí)驗(yàn)過程中微納米粉塵彌散時(shí)間設(shè)定為10 min（平均時(shí)間長(zhǎng)度）。因粉塵測(cè)試儀測(cè)量檢出限為0.1 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本實(shí)驗(yàn)?zāi)M的熱噴涂車間粉塵濃度，故設(shè)定0.1 mg/m3為實(shí)驗(yàn)環(huán)境濃度值，假定實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)各測(cè)點(diǎn)濃度值下降至0.1 mg/m3，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)微納米粉塵全部去除。

在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)呼吸層（鏤空底板正上方0.4 m）高度處布置測(cè)點(diǎn)，并通過粉塵測(cè)試儀對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)呼吸層測(cè)點(diǎn)布置見圖2，圖中測(cè)點(diǎn)布置是根據(jù)從業(yè)人員在噴涂作業(yè)過程中活動(dòng)的區(qū)域選定，各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度與從業(yè)人員工作時(shí)接觸的粉塵濃度直接相關(guān)。為使測(cè)量值盡量接近真實(shí)情況，減小模型實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行至少5次重復(fù)測(cè)量，取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。圖2中，a、b1、b2分別表示側(cè)面抽風(fēng)口的相對(duì)位置，c表示底部抽風(fēng)口的相對(duì)位置。a、c抽風(fēng)口處安裝低噪聲離心風(fēng)機(jī)，b1、b2抽風(fēng)口處安裝軸流風(fēng)機(jī)。

圖2　實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)呼吸層測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2　Layout of measuring points in respiratory level inside experimental box

實(shí)驗(yàn)通過開啟或關(guān)閉安裝在不同抽風(fēng)口位置的風(fēng)機(jī)來改變實(shí)驗(yàn)箱通風(fēng)方式和通風(fēng)速率，進(jìn)而研究不同通風(fēng)方式和通風(fēng)速率條件下，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)呼吸層微納米粉塵顆粒濃度分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見表1、表2。

表1　不同通風(fēng)方式下實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定Tab.1　Experimental parameter settings under different ventilation modes

表2　側(cè)面通風(fēng)條件下不同通風(fēng)速率實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定Tab.2　Experimental parameters setting of different ventilation rates under lateral ventilation conditions

3　結(jié)果與討論

3.1不同通風(fēng)方式下微納米粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律

3.1.1微納米粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖3a可以看出，無風(fēng)條件下，微納米粉塵自由擴(kuò)散20 min后各測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值，其中A2處顆粒濃度最高，為700 mg/m3，各測(cè)點(diǎn)濃度達(dá)最大值后開始進(jìn)入緩慢的下降過程。處于中心對(duì)稱的A5和A 7測(cè)點(diǎn)濃度變化過程基本相同。經(jīng)測(cè)定8 h后A2、A6處的顆粒物濃度值分別為54.4 mg/m3和35.3 mg/m3，遠(yuǎn)高于環(huán)境濃度，進(jìn)一步說明微納米粉塵顆粒能長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，若車間通風(fēng)不佳，從業(yè)人員將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間接觸微納米粉塵顆粒，危害從業(yè)人員的健康。觀察實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)粉塵的擴(kuò)散過程發(fā)現(xiàn)，即便微納米顆粒的最大濃度值高達(dá)700 mg/m3，遠(yuǎn)高于安全閾值，但肉眼并不能分辨出實(shí)驗(yàn)箱空氣中存在懸浮顆粒物。

由圖3b可以看出，側(cè)面通風(fēng)條件下（企業(yè)通風(fēng)參數(shù)），各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度約在2 min達(dá)到最大值，其中A 1測(cè)點(diǎn)處粉塵質(zhì)量濃度最大，為150 mg/m3。2～10 min內(nèi)各測(cè)點(diǎn)濃度并非是穩(wěn)定的，但都是在某一固定范圍內(nèi)波動(dòng)，不同測(cè)點(diǎn)處粉塵質(zhì)量濃度波動(dòng)幅度略有差別。10 min后停止微納米粉末輸送，即結(jié)束噴涂操作，受抽風(fēng)氣流的影響，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)呼吸層各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度均快速下降。約在2 min后實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)微納米粉塵濃度低于短時(shí)間粉塵濃度接觸限值12 mg/m3。

由圖3c可以看出，底部加側(cè)面組合通風(fēng)條件下，各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵的濃度隨時(shí)間變化規(guī)律與側(cè)面通風(fēng)基本相同，但2～10 min內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的濃度值大小及波動(dòng)幅度值發(fā)生變化。10 min后停止微納米粉末輸送，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)微納米粉塵完全去除的時(shí)間縮短。

3.1.2各測(cè)點(diǎn)平均濃度分布

兩種通風(fēng)方式下各測(cè)點(diǎn)平均濃度分布見圖4。側(cè)面通風(fēng)條件下沿顆粒輸送方向（Y=0.5 m），微納米粉塵濃度普遍低于組合通風(fēng)時(shí)的濃度，但沿側(cè)面出風(fēng)口側(cè)（Y=0.25 m），微納米粉塵濃度組合通風(fēng)條件下普遍低于側(cè)面通風(fēng)時(shí)的濃度。說明側(cè)面通風(fēng)和組合通風(fēng)條件對(duì)降低車間微納米粉塵濃度具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1.3各測(cè)點(diǎn)顆粒沉降時(shí)間分布

各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵完全去除時(shí)間分布見圖5。組合通風(fēng)較側(cè)面通風(fēng)車間微納米粉塵顆粒的去除時(shí)間由7 min縮短為4 min。結(jié)合圖4，相同通風(fēng)速率條件下，組合通風(fēng)方式更有利于車間微納米粉塵的去除。

圖3　不同通風(fēng)方式下呼吸層各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.3　Variation regularity of micro/nano dust concentration with time at different measuring points of respiratory level under different ventilation modes

3.2　側(cè)面通風(fēng)不同通風(fēng)參數(shù)條件下微納米粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律

3.2.1不同風(fēng)速條件下微納米粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律見圖6。從圖6a中可以看出，當(dāng)側(cè)面通風(fēng)量較低時(shí)，A3測(cè)點(diǎn)濃度明顯高于其他測(cè)點(diǎn)濃度，最高可達(dá)180 mg/m3。說明車間通風(fēng)量不佳時(shí)，在沿噴射方向某些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)微納米粉塵濃度較高的局部區(qū)域。10 min后停止輸送微納米粉塵，各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度也快速下降，但各測(cè)點(diǎn)降至環(huán)境濃度所需的時(shí)間均很長(zhǎng)，其中A 2處最長(zhǎng)達(dá)23 min。由此，當(dāng)熱噴涂車間通風(fēng)量不足時(shí)，在噴涂結(jié)束后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)微納米濃度仍很高，建議從業(yè)人員在噴涂結(jié)束后不要立即取下口罩，應(yīng)打開車間門窗，繼續(xù)將車間進(jìn)行通風(fēng)除塵10 min以上。

對(duì)比圖6a和6b，增大側(cè)面通風(fēng)速率，各測(cè)點(diǎn)位置微納米粉塵最高濃度均下降，A 1、A 6處下降不明顯，A2處微納米粉塵濃度波動(dòng)幅度增加。說明較高的風(fēng)速可以在一定程度上抑制微納米粉塵的擴(kuò)散，降低車間微納米粉塵濃度的峰值。

圖4　兩種通風(fēng)方式下各測(cè)點(diǎn)平均濃度分布（2～10 min）Fig.4　Average concentration distribution in each measuring point under two ventilation modes（2～10 min）

圖5　各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵完全去除時(shí)間分布Fig.5　Distribution of time to remove micro/nano dust completly in each measuring point

3.2.2不同風(fēng)速條件下各測(cè)點(diǎn)平局濃度分布

不同風(fēng)速條件下各測(cè)點(diǎn)平均濃度分布見圖7。增加側(cè)面通風(fēng)量，各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵的平均濃度均有所下降，其中A 3微納米粉塵平均濃度下降最大。說明增加輔助通風(fēng)b1、b2，可以在一定程度上解決局部區(qū)域微納米粉塵滯留的情況。除A3測(cè)點(diǎn)外，增加側(cè)面通風(fēng)量，2～10 min內(nèi)各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度的高低分布相同，即濃度分布規(guī)律基本保持不變。

3.2.3不同風(fēng)速條件下各測(cè)點(diǎn)顆粒沉降時(shí)間分布

增大側(cè)面通風(fēng)量，車間微納米粉塵的滯留時(shí)間明顯縮短，說明車間的流場(chǎng)對(duì)車間呼吸層微納米顆粒物懸浮時(shí)間影響顯著。

各測(cè)點(diǎn)顆粒沉降時(shí)間分布見圖8。結(jié)合圖7和圖8，側(cè)面通風(fēng)除塵增大通風(fēng)量可以抑制車間微納米粉塵濃度，極大地縮短微納米顆粒在呼吸層的滯留時(shí)間，但對(duì)車間微米粉塵的濃度分布影響較小。

3.2.4實(shí)驗(yàn)箱呼吸層風(fēng)速分布

實(shí)驗(yàn)箱呼吸層風(fēng)速分布見圖9。從圖9中可以看出，側(cè)面通風(fēng)量為650 m3/h時(shí)，在實(shí)驗(yàn)箱的兩側(cè)出現(xiàn)風(fēng)速較低的長(zhǎng)條狀區(qū)域，主要集中在X=0.2 m和X=1.5 m位置。這是該區(qū)域呼吸層微納米粉塵被完全去除的時(shí)間較長(zhǎng)的主要原因。微納米粉塵顆粒進(jìn)入風(fēng)速較低的區(qū)域后進(jìn)行自由擴(kuò)散過程，能長(zhǎng)時(shí)間滯留在該區(qū)域。風(fēng)速分布對(duì)微納米粉塵懸浮滯留時(shí)間影響很大，通過優(yōu)化通風(fēng)口布局來減少或消除車間內(nèi)無風(fēng)區(qū)域或風(fēng)速較低區(qū)域，將有利于車間微納米粉塵顆粒的排除和沉降。

圖6　各測(cè)點(diǎn)微納米粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6　Variation regularity of micro/nano dust concentration with time in each measuring point

圖7　不同風(fēng)速條件下各測(cè)點(diǎn)平均濃度分布圖Fig.7　Distribution map of average concentration of each measuring point under different wind speeds

圖8　各測(cè)點(diǎn)顆粒沉降時(shí)間分布Fig.8　Distribution of particle settlement time in each measuring point

圖9　實(shí)驗(yàn)箱呼吸層風(fēng)速分布（側(cè)面通風(fēng)方式，通風(fēng)量為650 m3/h）Fig.9　Wind speed distribution in respiratory level of experimen tal box

3.3　實(shí)驗(yàn)誤差分析

本文測(cè)量過程中，造成實(shí)驗(yàn)誤差的因素主要有：流場(chǎng)的穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)大氣環(huán)境的溫濕度、人員操作等。實(shí)驗(yàn)過程中風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量并非是恒定不變的，而是始終在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，因而實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)流場(chǎng)并不是穩(wěn)定不變的，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的偏差；噴射裝置在輸送微納米粉末過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小橫向的氣流，會(huì)對(duì)入射口附近的流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)；儀器測(cè)量精度的限制也會(huì)造成一定的誤差。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的空氣溫濕度的變化會(huì)對(duì)微納米粉塵的擴(kuò)散和團(tuán)聚、沉降產(chǎn)生影響，造成一定的粉塵濃度偏差；因?qū)嶒?yàn)過程中每個(gè)步驟均涉及人員操作，所以人員操作造成的累積誤差也是此次實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因。

4　結(jié)論

（1）采用企業(yè)通風(fēng)參數(shù)獲得的呼吸層微納米顆粒濃度最大值為150 mg/m3，遠(yuǎn)低于無風(fēng)條件下的700 mg/m3，說明采用機(jī)械通風(fēng)對(duì)降低作業(yè)空間內(nèi)微納米顆粒物濃度具有明顯效果。在現(xiàn)有側(cè)面通風(fēng)條件下，約在噴涂結(jié)束2 min后滿足企業(yè)短時(shí)間接觸濃度限值，但長(zhǎng)期接觸仍有很大健康風(fēng)險(xiǎn)。

（2）側(cè)面通風(fēng)有利于降低熱噴涂車間寬度中心位置的微納米粉塵濃度，而組合通風(fēng)更有利于降低側(cè)邊位置的微納米粉塵濃度。組合通風(fēng)條件下，在噴涂結(jié)束后實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)微納米粉塵的去除時(shí)間由7 min縮短至4 min。相同通風(fēng)流量條件下，組合通風(fēng)更有利于車間微納米粉塵的排除和沉降。

（3）熱噴涂車間風(fēng)速分布對(duì)呼吸層微納米粉塵懸浮滯留時(shí)間影響很大，可通過優(yōu)化車間的通風(fēng)流量和通風(fēng)布局，減少或消除車間內(nèi)無風(fēng)區(qū)域或風(fēng)速較低區(qū)域，有利于熱噴涂車間微納米粉塵顆粒的排除和沉降。