CC BY
34
Оригинальная статья / Original article УДК 628.8
DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-94-100
О ВЕНТИЛЯЦИИ ОКРАСОЧНО-СУШИЛЬНЫХ КАМЕР. СООБЩЕНИЕ 2 ©А.М. Зиганшин, Р.Г. Сафиуллин, В.Н. Посохин
Резюме. Цель. Представлены результаты моделирования процесса распространения ксилола в камере для окраски крупногабаритных изделий. Краска наносится с помощью краскопульта. Методы. Поставленная задача решается численно в программной среде FLUENT. Результаты. Получены данные о полях скорости воздуха и концентрации загрязнителя внутри камеры с «активными» и «пассивными» модулями. Рассмотрены варианты с продувкой и без продувки «пассивных» модулей. Задача решается в 3D постановке для стационарного и нестационарного режимов испарения. Опасные концентрации паров растворителя локализуются вблизи мест подачи аэрозоля краски и не выходят за пределы «активных» модулей. Выводы. Продувка «пассивных» модулей исключает возникновение циркуляционных зон.
Ключевые слова: окрасочно-сушильная камера, вентиляция, концентрации растворителя, вычислительная гидродинамика, трехмерная постановка.
Формат цитирования: Зиганшин А.М., Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. О вентиляции окрасочно-сушильных камер. Сообщение 2 // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 4 (19). С. 94-100. DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-94100
ABOUT VENTILATION OF PAINTING BAKE OVENS. MESSAGE 2 © A.M. Ziganshin, R.G. Saphiullin, V.N. Posokhin
Abstract. Purpose. We presented the results of modeling the process of xylol spread in the cylinder for painting large dimension products. The paint is covered with the help of paint remote control. Methods. The set task is solved numerically in the program sphere FLUENT. Results. We received data about fields of air speed and contaminator concentration inside the camera with "active" and "passive" modules. We considered the variants with ventilation and without ventilation of "passive" modules. The task is solved in 3D setting for stationary and non-stationary regimes of evaporation. Dangerous concentrations of solvent fumes are localized near places where aerosol supplies paint and do not go out of the borders of "active" modules. Conclusions. Blowing of "passive" modules excludes appearance of circulation zones.
Keywords: painting bake oven, ventilation, solvent concentration, accounting hydrodynamics, 3D setting
For citation: Ziganshin A.M., Saphiullin R.G., Posokhin V.N. About ventilation of painting bake ovens. Message 2. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate], 2016, no. 4 (19), pp. 94-100. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-94-100
Введение
В предыдущем сообщении рассматривалась вентиляция окрасочно-сушильных камер (ОСК) при разных вариантах расположения и загрузки «активных» модулей и при разных способах подвода паров растворителя в объем ОСК. Задача о распределении паров
решалась как стационарная двумерная. На основании выполненных расчетов можно сделать следующие выводы:
- для всех ситуаций, когда в ОСК моделируется действие пульверизационного распылителя (подача смеси воздуха с растворителем через компактную часть границы пленума), изолиния концентрации 8,8 г/м3 либо незначительно попадала в «пассивную» зону, либо находилась в непосредственной близости от ее границы. Это означает, что при нарушении условий, сформулированных в численной модели, например, при некотором увеличении количества растворителя, увеличении подвижности воздуха в «пассивной» зоне и т.п. концентрация паров превысит 20 % нижнего концентрационного предела распространения пламени (НКПРП);
- для случаев «максимального загромождения» при моделировании испарения с поверхности изделия концентрация выше 20 % НКПРП в пассивных зонах наблюдается всегда.
Необходимо отметить важный момент, влияющий на структуру потоков и распределение концентраций, которые не могут быть отражены в 2D модели, - это наличие зон обслуживания, делающих течение существенно трехмерным. Поэтому расположение, размеры циркуляционных зон и фактическая концентрация в них паров могут отличаться от расчетных [1, 2]. Из-за высокой погрешности 2D модель не применима при моделировании процесса окраски крупногабаритных изделий, занимающих по длине несколько модулей ОСК, так как скорость обтекания вблизи торцов изделия резко увеличивается. Имеются примеры решения сложных задач распространения примеси из пульверизатора [3] и течения воздуха в камерах с распределенной подачей [4] методами CFD в 3D постановке. Поэтому для ОСК, в которых окрашиваются крупногабаритные изделия, в программе FLUENT была сформулирована и решена трехмерная краевая задача.
Материал и методы исследования
Рассматривалась ОСК (рис. 1), состоящая из восьми модулей шириной 1,5 м (ось x), глубиной (ось у) и высотой (ось z) 5 м. Основная часть воздуха подается и удаляется в «активной» зоне (модули № 1-4) со скоростью 0,25 м/с. В «пассивных» модулях (№ 5-8) рассматривались варианты с продувкой (скорость - 0,05 и 0,25 м/с) и без продувки.
Рис. 1. Расчетная модель окрасочно-сушильных камер с «активными» и «пассивными» модулями для окраски крупногабаритных изделий Fig. 1. Accounting model of painting bake ovens with «active» and «passive» modules for painting products of large dimension
Краскопульт находится на высоте 0,3 м над окрашиваемым изделием посередине ОСК по глубине и в двух возможных положениях по ее длине: на границе модулей № 3 и 4 внутри «активной» зоны (х = 4,5 м) или между модулями № 4 и 5 на границе «активной» и «пассивной» зон (х = 6 м). Сопло краскопульта имеет диаметр 1,4 мм, вокруг сопла находится кольцевая щель для выпуска воздуха. В модели для упрощения построения расчетной сетки в качестве границы для выпуска смеси воздуха и растворителя принят квадрат размером 2x2 см, соответствующий по площади реальным габаритам краскопульта. Скорость выхода газо-воздушной смеси - 15,9 м/с (расход - 0,005 м3/с), концентрация растворителя в смеси - 0,167 кг/м3. Такие граничные условия использовались при стационарной постановке задачи. При решении задачи в нестационарной постановке в качестве начальных условий принято равенство нулю всех переменных задачи - скоростей, избыточного давления, концентраций во всей расчетной области, за исключением границ, где условия были аналогичны описанным выше для стационарного решения. Для устранения влияния размеров ячеек расчетной сетки на получаемое решение было осуществлено решение ряда задач с последовательно измельченной сеткой. Сетка измельчалась в области с наиболее существенным изменением основных параметров - вокруг сопла, при этом для каждой сетки проводилось решение до уменьшения невязок в уравнениях менее Ы0"5. В каждой задаче контролировалось изменение величины средневзвешенной концентрации по оси струи, а также положение изолинии 8,8 г/м3. Первоначальная сетка имела следующие параметры: размер минимальной ячейки - 1,54-10"6 м3, количество ячеек - 1,6 млн. Для пятой по счету сетки указанный контрольный параметр отличался от предыдущего решения не более чем на 8 %, а изолинии уже полностью совпадали, что говорит об отсутствии «сеточной» зависимости. Параметры окончательной сетки: размер минимальной ячейки - 3,76-10"10 м3, количество ячеек - 5,4 млн.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 приведено распределение концентраций и траектории движения частиц (изолинии модулей скорости) для случая, когда краскораспылитель (КРП) расположен на границе 3-го и 4-го «активных» модулей. «Пассивные» модули № 5-8 - без продувки. Видно, что «опасная» концентрация ксилола весьма локальна, она лишь немного выходит за границы 4-го и 5-го модулей. У торца изделия формируется устойчивая циркуляционная зона, где концентрация может возрастать со временем.
Продувка «пассивных» модулей со скоростью V = 0,25 м/с слабо влияет на распределение концентрации, но практически исключает опасность возникновения циркуляционных зон. Расчет варианта с малой скоростью продувки 0,05 м/с показал ту же характерную картину (рис. 3), что позволяет рекомендовать этот режим для уменьшения энергопотребления в ОСК.
При перемещении КРП ближе к торцу изделия зона «опасных» концентраций остается локальной, но если краскораспылитель расположен вблизи торца, то существует возможность появления здесь «опасных» концентраций, и продувка этих зон становится актуальной. Иначе говоря, в энергоэффективных ОСК необходима регулируемая подача воздуха, автоматически связанная с перемещением КРП [5, 6].
На рис. 4 приведены результаты расчета поля концентраций в нестационарном режиме испарения, когда краскораспылитель находится на границе 4-го и 5-го модулей. Продувка со скоростью V = 0,05 м/с - в «пассивных» модулях № 5-8. Видно, что распределение концентраций слабо зависит от времени. «Опасная» зона локализована у поверхности изделия вблизи краскопульта и приближается к стационарному состоянию уже через 1-2 сек. Но в целом загрязненный факел со временем расширяется.
Рис. 2. Поле концентрации ксилола, г/м3, и модуля скорости, м/с, в поперечном (а) и продольном (б) сечениях камеры. Сопло распылителя располагается между 3-им и 4-ым «активными» модулями. «Пассивные» модули № 5—8 — без
продувки
Fig. 2. Field of xylol concentration, g/m3, and speed module, m/s, in a cross (a) and horizontal (б) cuts of the oven. Spray valve is situated between 3d and 4th «active» modules. «Passive» modules № 5-8 - without blowing
0 2 4 6 8 10 12
3
Рис. 3. Поле концентрации ксилола, г/м , и модуля скорости, м/с, в поперечном (а) и продольном (б) сечениях камеры. В «пассивных» модулях № 5-8 — продувка со
скоростью v = 0,05 м/с Fig. 3 Field of xylol concentration, g/m , and speed module, m/s, in a cross (a) and horizontal (б) cuts of the oven. In «passive» modules № 5-8 - blowing with the speed
v = 0,05 m/s
3.5 4 4.5 5 5.5 3.5 4 4.5 5 5.5
Рис. 4. Поле концентрации ксилола, г/м3, вблизи сопла. В пассивной зоне продувка 0,05 м/с. Время после включения краскопульта: а - 0,1 с; б - 0,2 с; в - 1,0 с; г - 2,0 с;
д - 1 мин; е - 5,5 мин
Fig. 4. Field of xylol concentration, g/m , near the valve. In the passive zone blowing is
0.05 m/s. Time after turning on the paint control: а - 0,1 s; б - 0,2 s; в -1,0 s;
г - 2,0 s; д -1 min; е - 5,5 min
Выводы
Во всех рассмотренных вариантах в объеме ОСК отсутствуют зоны с концентрацией ксилола более 20 % НКПРП. Этот результат показывает, что модернизация ОСК с применением «пассивных» зон с низкой скоростью подачи является допустимой и соответствует требованиям пожарной безопасности.
Результаты расчетов, полученные с использованием 3D модели, показали необходимость незначительного (на 20 %) расширения всех зон камеры, а также необходимость обеспечения подачи чистого воздуха со скоростью порядка 0,05 м/сек с целью ликвидации возможных застойных явлений в подиуме «пассивных» зон. Результаты проведенных численных исследований могут быть использованы при разработке экспериментального образца окрасочной камеры с энергосберегающей системой зонной подачи воздуха.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Said M.R., Nor Halim Hasan, Leman A.M., Majahar Abd Rahman. Baseline Inspection and Measurement of Local Exhaust Ventilation (LEV) Systems at Spray Booth in Manufacturing
Plant // Digital Proceeding of the ICOEST'2013 - Nevsehir, Turkey, June 18-21, 2013. P. 637-647.
2. Flynn M.R., Sills E.D. On the use of computational fluid dynamics in the prediction and control of exposure to airborne contaminants - an illustration using spray painting // Annals of Occupational Hygiene. 2000. Vol. 44, № 3. P. 191-202.
3. Ye Q., Shen B., Tiedje O., Domnick J. Investigations of Spray Painting Processes Using an Airless Spray Gun // J. Energy Power Eng. 2013. Vol. 7. P. 74-81.
4. Zhang C., Kristensen M.H., Jensen J.S., Pomianowski M. Parametrical analysis on the diffuse ceiling ventilation by experimental and numerical studies // Energy Build. 2016. Vol. 111. P. 87-97. DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.11.041
5. Powell M. Maximizing Efficiency in Spray Booths and Curing Ovens // Met. Finish. 2011. Vol. 109, № 6. P. 26-27. DOI: 10.1016/S0026-0576(13)70020-5
6. Rohdin P., Johansson M., Lofberg J., Ottosson M. Energy efficient process ventilation in paint shops in the car industry: Experiences and an evaluation of a full-scale implementation at Saab Automobile in Sweden // 10th Int. Conf. Ind. Vent. Paris, 2012. P. 4-9.
REFERENCES
1. Said M.R., Nor Halim Hasan, Leman A.M., Majahar Abd Rahman. Baseline Inspection and Measurement of Local Exhaust Ventilation (LEV) Systems at Spray Booth in Manufacturing Plant. Digital Proceeding Of The ICOEST'2013 - Nevsehir, Turkey, June 18-21, 2013, pp. 637-647.
2. Flynn M.R., Sills E.D. On the use of computational fluid dynamics in the prediction and control of exposure to airborne contaminants - an illustration using spray painting. Annals of Occupational Hygiene, 2000, vol. 44, no. 3, pp. 191-202.
3. Ye Q., Shen B., Tiedje O., Domnick J. Investigations of Spray Painting Processes Using an Airless Spray Gun. J. Energy Power Eng., 2013, vol. 7, pp. 74-81.
4. Zhang C., Kristensen M.H., Jensen J.S., Pomianowski M. Parametrical analysis on the diffuse ceiling ventilation by experimental and numerical studies. Energy Build, 2016, vol. 111, pp. 87-97. DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.11.041
5. Powell M. Maximizing Efficiency in Spray Booths and Curing Ovens. Met. Finish, 2011, vol. 109, no. 6, pp. 26-27. DOI: 10.1016/S0026-0576(13)70020-5
6. Rohdin P., Johansson M., Lofberg J., Ottosson M. Energy efficient process ventilation in paint shops in the car industry: Experiences and an evaluation of a full-scale implementation at Saab Automobile in Sweden. 10th Int. Conf. Ind. Vent. Paris, 2012, pp. 4-9.
Информация об авторах
Зиганшин Арслан Маликович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции, тел.: +7 (843) 5104735, e-mail: amziganshin@kgasu.ru; Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, 1.
Сафиуллин Ринат Габдуллович, доктор технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции, тел.: +7 (843) 5104735, e-mail: safiullin_rinat@mail.ru; Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, 1.
Посохин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, советник ректората Казанского государственного архитектурно-строительного университета, тел.: +7 (843) 5104735, e-mail: posohin@kgasu.ru; Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, 1.
Критерии авторства
Зиганшин А.М., Сафиуллин Р.Г., Посохин В.Н. имеют равные авторские права. Зи-ганшин А.М. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Information about the authors
Ziganshin A.M., candidate of technical sciences, associate professor, Department of the chair of heat supply, gas supply and ventilation, tel: +7(843)5104735, е-mail: amziganshin@kgasu.ru; Kazan State University of Architecture and Engineering, 1 Zelenaya St., Kazan, 420043, Russia.
Saphiullin R.G., doctor of technical sciences, associate professor, Department of the chair of heat supply, gas supply and ventilation, tel: +7(843)5104735, е-mail: safiullin_rinat@mail.ru; Kazan State University of Architecture and Engineering, 1 Zelenaya St., Kazan, 420043, Russia.
Posokhin V.N., doctor of technical sciences, professor, rector's adviser, tel: +7(843)5104735, е-mail: posohin@kgasu.ru; Kazan State University of Architecture and Engineering, 1 Zelenaya St., Kazan, 420043, Russia.
Contribution
Ziganshin A.M., Saphiullin R.G., Posokhin V.N. have equal author's rights. Ziganshin A.M. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this
article.
Статья поступила 22.09.2016 г.
The article was received 22 September 2016
