一種修船表面噴涂漆霧廢氣收集罩的設(shè)計(jì)計(jì)算

楊學(xué)賓，郝森，陸華，陳紀(jì)賽，王振剛

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；3.南京中船綠洲環(huán)保有限公司，南京 210039)

修船表面涂裝噴涂涂覆油漆的方式有刷涂法、滾涂法、噴涂法，以及無氣噴涂法。由于無氣噴涂法具有良好的涂層質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率，因此，特別適合船體外板等大面積噴涂工作，可搭載在噴涂機(jī)器人[1]上，解決人工操作的高架作業(yè)和近漆霧點(diǎn)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。修船表面涂裝過程為室外無組織排放作業(yè)，采用高壓無氣噴涂時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的噴涂漆霧及可揮發(fā)性有機(jī)物，噴涂產(chǎn)生的VOCs是灰霾和光化學(xué)煙霧的前體物[2]，造成環(huán)境污染甚至職業(yè)病危害[3]。噴涂表面漆霧和有機(jī)廢氣的捕集可采用局部收集的方式，包括局部收集罩、圓形柔性風(fēng)管、引風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備部件[4]。對(duì)于收集罩設(shè)計(jì)，首先要了解室外噴涂漆霧的運(yùn)動(dòng)特性，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)高壓無氣噴涂的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真兩個(gè)方面[5-8]。

當(dāng)前亟待解決修船表面室外噴涂漆霧和有機(jī)廢氣的捕集處理問題。本文針對(duì)爬壁機(jī)器人搭載式漆霧和有機(jī)廢氣收集罩，討論了收集罩口粒子的受力分析、捕集風(fēng)量、收集罩尺寸的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 收集罩口粒子受力分析

高壓無氣噴涂是將涂料增壓后由噴嘴噴出，在與空氣相互作用下涂料破碎霧化成液滴顆粒，同時(shí)涂料運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，最終一部分漆霧顆粒噴射粘附在船體外板上形成漆膜，而另一部分涂料由于液滴動(dòng)能過大與外板碰撞，破碎成粒徑更小的顆粒在空氣氣流的作用下發(fā)生逸散。

漆霧粒子在修船表面的受力分析見圖1。忽略離心力、溫度梯度、布朗擴(kuò)散，以及靜電力的影響，粒子主要受到重力、抽吸力和流動(dòng)阻力3個(gè)作用力。

圖1 漆霧粒子受力分析

整個(gè)噴涂過程中，運(yùn)動(dòng)漆霧粒子所受到的空氣流動(dòng)阻力始終存在，氣體對(duì)球形粒子的阻力為

(1)

式中：f為漆霧粒子所受到的空氣流動(dòng)阻力，N；Cs為牛頓區(qū)阻力系數(shù)，取值為0.44，500

重力方向與矢量速度方向的夾角余弦值為

(2)

式中：vh為粒子水平方向運(yùn)動(dòng)速度，m/s；vv為粒子豎直方向運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

抽吸力為

(3)

式中：F為漆霧粒子所受到的抽吸力，N；P為集氣罩口吸氣壓強(qiáng)，Pa；A為漆霧粒子流動(dòng)方向的當(dāng)量橫截面積，m2。

水平方向的受力分析為

F-fsinθ=mah

(4)

式中：ah為粒子受力后水平方向產(chǎn)生的加速度，m/s2。

漆霧粒子完全被收集罩捕集時(shí)，水平方向位移滿足式(5)。不同罩口吸氣壓力和不同粒子直徑下的粒子水平方向加速度見表1。

表1 不同罩口吸氣壓力和不同粒子直徑下的粒子水平方向加速度

(5)

式中：t為粒子的最大逃逸時(shí)間，s；Sh為收集罩口到噴涂表面的距離，m。

豎直方向位移滿足

(6)

式中：Sv為收集罩口的豎直方向的尺寸大小，m。

Sh取值為40 mm，Sv取值為30 mm，粒子水平方向最小加速度與豎直方向運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系見表2。

表2 不同豎直方向運(yùn)動(dòng)速度下粒子水平方向的最小加速度

2 收集罩設(shè)計(jì)計(jì)算

采用外部吸氣的形式，通過罩口的抽吸作用在距離吸氣口最遠(yuǎn)的最不利有害物散發(fā)點(diǎn)上造成適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)，從而把有害物吸入罩口內(nèi)。為防止噴涂漆霧和有機(jī)廢氣逃逸至外部大氣環(huán)境，罩口處抽吸的空氣必須具有最低的控制風(fēng)速，同時(shí)需要設(shè)計(jì)計(jì)算、罩口至修船表面的最大距離、罩口的最小尺寸、罩口最小排風(fēng)量。對(duì)于船舶高壓無氣噴涂，可采用無邊圓形或橢圓形罩口。

2.1 捕集風(fēng)量計(jì)算

為了盡可能降低罩口吸氣風(fēng)速對(duì)噴涂扇面漆霧空間分布的影響，收集罩設(shè)計(jì)為內(nèi)層噴涂和外層排風(fēng)的雙層結(jié)構(gòu)。高壓無氣噴槍安裝在收集罩內(nèi)層，收集罩中間夾層連接真空吸氣系統(tǒng)，夾層中實(shí)現(xiàn)負(fù)壓，利用吸風(fēng)口和出風(fēng)口之間的壓力差，實(shí)現(xiàn)對(duì)可能逃逸的噴涂霧化形成的細(xì)小粒徑漆霧、過噴漆霧和未附著向四周擴(kuò)散漆霧的捕集。

四周無限流圓形收集罩捕集風(fēng)量為

L=kPSvvv

(8)

式中：L為收集罩捕集風(fēng)量，m3/h；K為考慮速度分布不均勻的安全系數(shù)；P為排風(fēng)罩口敞開面周長(zhǎng)，m。

2.2 收集罩尺寸

漆霧運(yùn)動(dòng)特性又與無氣噴涂壓力有著密切關(guān)系，噴涂壓力是影響霧化效果的主要因素，隨著壓力的升高，涂料動(dòng)能越大，其與空氣的相互作用及內(nèi)部漆霧顆粒之間的相互作用越劇烈，運(yùn)動(dòng)范圍越大，從而噴涂扇面寬幅也隨之變大，動(dòng)量大的漆霧顆粒與外板碰撞后破碎成粒徑小速度低的漆霧。

收集罩內(nèi)徑的確定，需要依據(jù)噴涂扇面大小，找到最不利漆霧顆粒所在的位置，在確保不影響噴涂的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)最不利漆霧的回收。對(duì)于不同的噴槍噴嘴形狀和噴涂壓力不同的工程，集氣罩內(nèi)徑大小不同，可以控制罩口風(fēng)速大小確定外徑大小。

3 計(jì)算案例

根據(jù)文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果，噴槍以16 MPa的噴涂壓力進(jìn)行噴涂，在距離噴嘴0.25 m 處監(jiān)測(cè)面，粒徑集中在60～120 μm范圍內(nèi)，且粒徑占比峰值分布在90 μm左右?？紤]噴涂噴槍的扇形漆霧作用范圍，設(shè)定了10組不同內(nèi)徑、外徑、內(nèi)外層間距、罩口與修船表面間距的結(jié)構(gòu)形式，見表3。不同逃逸速度下，要保證漆霧能夠被有效捕集，罩口處具有最小水平速度，考慮不同結(jié)構(gòu)型式的收集罩截面積，排風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 不同結(jié)構(gòu)形式的收集罩幾何參數(shù) mm

表4 不同罩口處水平速度下的收集罩捕集風(fēng)量L(m3/h)

4 結(jié)論

修船表面室外高壓噴涂，因噴涂漆霧的飛逸和無效噴涂容易造成環(huán)境污染。從漆霧收集罩的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析了收集罩口粒子的受力，討論了收集罩的設(shè)計(jì)計(jì)算，并針對(duì)工程實(shí)際案例進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。

1)忽略離心力、溫度梯度、布朗擴(kuò)散及靜電力的影響，粒子主要受到重力、抽吸力和流動(dòng)阻力。由吸氣壓力帶來的罩口抽吸力，抵消水平方向的流動(dòng)阻力，產(chǎn)生的加速度使漆霧粒子在一定時(shí)間內(nèi)具有足夠大的水平位移。

2)收集罩口必須有足夠的吸氣壓力，必須在漆霧粒子達(dá)到最大豎直位移(罩口的內(nèi)外徑差值)前，水平位移大于罩口至噴涂表面的距離，保證漆霧能夠被吸入收集罩。

3)收集罩的最小排風(fēng)量和最小吸氣壓力，與罩口內(nèi)外層間距、以及罩口與修船表面間距有關(guān)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要考慮一定的安全系數(shù)。