一種修船表面噴涂漆霧廢氣收集罩的設計計算

楊學賓，郝森，陸華，陳紀賽，王振剛

(1.東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620；2.南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006；3.南京中船綠洲環保有限公司，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量和較高的生產效率，因此，特別適合船體外板等大面積噴涂工作，可搭載在噴涂機器人[1]上，解決人工操作的高架作業和近漆霧點作業的風險。修船表面涂裝過程為室外無組織排放作業，采用高壓無氣噴涂時會產生大量的噴涂漆霧及可揮發性有機物，噴涂產生的VOCs是灰霾和光化學煙霧的前體物[2]，造成環境污染甚至職業病危害[3]。噴涂表面漆霧和有機廢氣的捕集可采用局部收集的方式，包括局部收集罩、圓形柔性風管、引風機等主要設備部件[4]。對于收集罩設計，首先要了解室外噴涂漆霧的運動特性，目前國內外有關高壓無氣噴涂的研究主要集中在實驗與數值仿真兩個方面[5-8]。

當前亟待解決修船表面室外噴涂漆霧和有機廢氣的捕集處理問題。本文針對爬壁機器人搭載式漆霧和有機廢氣收集罩，討論了收集罩口粒子的受力分析、捕集風量、收集罩尺寸的相關設計計算。

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，同時涂料運動速度逐漸減小，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、布朗擴散，以及靜電力的影響，粒子主要受到重力、抽吸力和流動阻力3個作用力。

圖1 漆霧粒子受力分析

整個噴涂過程中，運動漆霧粒子所受到的空氣流動阻力始終存在，氣體對球形粒子的阻力為

(1)

式中：f為漆霧粒子所受到的空氣流動阻力，N；Cs為牛頓區阻力系數，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為粒子水平方向運動速度，m/s；vv為粒子豎直方向運動速度，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，Pa；A為漆霧粒子流動方向的當量橫截面積，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生的加速度，m/s2。

漆霧粒子完全被收集罩捕集時，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動速度的關系見表2。

表2 不同豎直方向運動速度下粒子水平方向的最小加速度

2 收集罩設計計算

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的最不利有害物散發點上造成適當的空氣流動，從而把有害物吸入罩口內。為防止噴涂漆霧和有機廢氣逃逸至外部大氣環境，罩口處抽吸的空氣必須具有最低的控制風速，同時需要設計計算、罩口至修船表面的最大距離、罩口的最小尺寸、罩口最小排風量。對于船舶高壓無氣噴涂，可采用無邊圓形或橢圓形罩口。

2.1 捕集風量計算

為了盡可能降低罩口吸氣風速對噴涂扇面漆霧空間分布的影響，收集罩設計為內層噴涂和外層排風的雙層結構。高壓無氣噴槍安裝在收集罩內層，收集罩中間夾層連接真空吸氣系統，夾層中實現負壓，利用吸風口和出風口之間的壓力差，實現對可能逃逸的噴涂霧化形成的細小粒徑漆霧、過噴漆霧和未附著向四周擴散漆霧的捕集。

四周無限流圓形收集罩捕集風量為

L=kPSvvv

(8)

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

2.2 收集罩尺寸

漆霧運動特性又與無氣噴涂壓力有著密切關系，噴涂壓力是影響霧化效果的主要因素，隨著壓力的升高，涂料動能越大，其與空氣的相互作用及內部漆霧顆粒之間的相互作用越劇烈，運動范圍越大，從而噴涂扇面寬幅也隨之變大，動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。

收集罩內徑的確定，需要依據噴涂扇面大小，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現對最不利漆霧的回收。對于不同的噴槍噴嘴形狀和噴涂壓力不同的工程，集氣罩內徑大小不同，可以控制罩口風速大小確定外徑大小。

3 計算案例

根據文獻[9]研究結果，噴槍以16 MPa的噴涂壓力進行噴涂，在距離噴嘴0.25 m 處監測面，粒徑集中在60～120 μm范圍內，且粒徑占比峰值分布在90 μm左右。考慮噴涂噴槍的扇形漆霧作用范圍，設定了10組不同內徑、外徑、內外層間距、罩口與修船表面間距的結構形式，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，考慮不同結構型式的收集罩截面積，排風量的計算結果見表4。

表3 不同結構形式的收集罩幾何參數 mm

表4 不同罩口處水平速度下的收集罩捕集風量L(m3/h)

4 結論

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境污染。從漆霧收集罩的設計角度出發，分析了收集罩口粒子的受力，討論了收集罩的設計計算，并針對工程實際案例進行了相關計算。

1)忽略離心力、溫度梯度、布朗擴散及靜電力的影響，粒子主要受到重力、抽吸力和流動阻力。由吸氣壓力帶來的罩口抽吸力，抵消水平方向的流動阻力，產生的加速度使漆霧粒子在一定時間內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，必須在漆霧粒子達到最大豎直位移(罩口的內外徑差值)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)收集罩的最小排風量和最小吸氣壓力，與罩口內外層間距、以及罩口與修船表面間距有關，在進行設計計算時，要考慮一定的安全系數。