基于CFD技术的文印室排风系统改造

孙勇

中铁上海设计集团有限公司

氨气是一种无色并伴有刺激性气味的轻度有害物质。由于有氨晒图机连续晒图速度快，效果好，部分科研生产单位仍使用有氨晒图机。随着设备老化，有氨晒图机氨气散发量增大，需有组织地快速排除，否则室内氨气浓度升高会损害长期操作设备的员工身心健康[1-2]。笔者在某院文印室排风改造工程设计过程中应用CFD技术模拟污染物扩散及排风气流组织，并加以应用指导设计。

1 模型建立及研究对象的确定

1.1 既有现状建模

本文以某单位文印室既有现状为对象建立模型，该文印室尺寸为 6 m（长）×5 m（宽）×4 m（高），走廊宽2 m。室内设置有氨晒图机两台，周边围护结构为三面内墙，一面外墙，内设风量1200 m3/h排风机一台，按风量折算换气次数约为10次/h。房间与走廊通过门连接，并通过门下部设置的800 mm（宽）×600 mm（高）百叶风口从走廊补风，平面模型如图1。

图1 文印室内平面模型

1.2 文印室内污染现状

实地调查时，晒图机操作员工反应室内氨气刺激性气味强烈，每日员工均佩带口罩上岗作业，走道内也能很容易感觉到刺激性气味。现场勘察发现氨气主要从晒图机背面泄漏，实测单台晒图机满负荷连续生产时氨气散发量约为0.01 kg/h。

1.3 研究对象的确定

取操作人员坐姿口鼻处P1、P2点（见图1）氨气浓度及室内氨气平均浓度等作为研究对象，在室内换气次数均为10次的条件下，则采用室内零方程进行模拟计算。

2 不同方案计算结果对比及分析

2.1 不同方案的风口布置

通风方式采用三种不同方案：下排风方案、上排风方案、局部排气罩方案，则各方案风口具体布置见表1。

表1 各方案的风口布置情况

2.2 计算结果对比分析

在室内换气次数均为10次的条件下分别对既有现状及三个改造方案进行模拟计算，对比分析表2中的计算结果，能得出以下结论：

1）既有现状下操作人员口鼻处氨气平均浓度是14.64 ppmv，约为《工作场所有害因素职业接触限值-化学有害因素》中8h工作日的平均容许接触浓度（26.35 ppmv）的 55%。室内氨气平均浓度是33.84 ppmv，约为容许15分钟短时间接触浓度（39.52 ppmv）的85%，操作人员在此环境下长期工作会对呼吸系统、神经系统造成损害。

表2 室内氨气污染物浓度模拟结果分析表

2）方案3设置局部排风罩的效果最好，操作人员口鼻处氨气平均浓度下降非常明显，室内氨气平均浓度较现状有所降低，说明局部排风罩能有效吸入氨气气体并直接排出。由于排风罩风量较低，未能在发散口附件形成有效控制气流，导致部分氨气气体横向扩散至室内造成浓度偏高。

3）方案1效果较好，原因是该方案下排风口靠近氨气散发口，部分氨气气体能及时有效地从排风口直接排出，但由于氨气气体密度较空气小，有一定数量的氨气上升至房间上部空间并在此过程中与室内空气混合。

4）方案2效果较差，其计算结果与现状区别不大，原因是氨气气体在随着室内气流达到排风口前已充分扩散至全室。

5）少数含有氨气的室内空气会从门下部设置的百叶补风口泄漏至走廊，走廊氨气浓度与室内氨气浓度成正比关系。

3 方案优化及模拟结果

3.1 换气次数的选取

确定采用方案3做为本项目改造方案，设置两台风量局部排风罩，排风罩距地1.8 m，建立几何模型如图2[3]。

图2 方案3室内物理几何模型

图3 氨气平均浓度与换气次数曲线关系

根据文献[4]相关内容，为提高局部排风罩排除污染物的效率，其风量应足够大使得污染物发散口处形成风速大于0.25 m/s的控制气流，故分别采用10次/h、15次 /h、20次 /h、25次 /h、30次 /h、35次 /h换气次数模拟计算。结果如图3所示，从图中可以看出室内氨气平均浓度随着换气次数增加而减少，但变化斜率越来越小，考虑到平时运行的经济性，最终选取室内换气次数25次/h，折算单台排风罩风量为1500 m3/h。

3.2 模拟计算结果

设置单台排风罩风量为1500 m3/h，单台晒图机氨气散发量约为0.01 kg/h进行模拟计算，计算结果如云图4、图5。由图4可见，排风罩吸风口处氨气浓度最高，操作人员口鼻处氨气浓度仅为0.30 ppmv，走廊内氨气浓度为0.002 ppmv。由图5可见，排风系统形成了从走廊至局部排风罩且风速大于0.25 m的流场，有效控制了氨气污染物的扩散范围，确保了局部排风罩的污染物去除效率。

图4 H=1.3 m处室内氨气平均浓度云图

图5 H=1.3 m处室内流场分布云图

4 结论

1）对三个不同方案进行模拟计算，对比结果采用方案3局部排风罩的排除氨气污染物效果最佳。

2）少数氨气气体会从门下部设置的百叶补风口泄漏至走廊，走廊氨气浓度与室内氨气浓度成正比关系，因此只要有效地降低室内氨气浓度就能控走廊的污染物浓度。

3）提高换气次数能有效减少室内氨气浓度，随着换气次数的增大，去除氨气污染物效率逐渐降低，换气次数超过40次/h后，继续增加换气次数已无法有效降低室内氨气浓度。结合考虑通风运营经济性，换气次数取25次/h为最佳。

4）通过对CFD软件模拟计算的后处理功能，能形象生动显示流场及污染物扩散范围，