CN107633757B - 一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，包括集气系统、透明的扩散箱、多个温度传感器、多个气体浓度传感器、数据采集分析系统和吹吸式通风系统；扩散箱顶部和底部分别设有通风口；集气系统的进气口设置在焊接平台的上方；集气系统的排气口连通输气管；输气管远离集气系统的一端伸入扩散箱内部，并设有喷嘴；喷嘴处设有加热装置；多个温度传感器和多个气体浓度传感器均布在扩散箱内，并分别电连接数据采集分析系统；吹吸式通风系统包括鼓风机和轴流风机，鼓风机出风端与扩散箱底部通风口连通，轴流风机安装在扩散箱顶部通风口内。优点：实验结果准确可靠，可为电焊烟尘的扩散机理和吹吸式通风控制效果的研究提供科学依据。

Description

一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置

技术领域

本发明涉及电焊烟尘扩散研究技术领域，特别涉及一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置。

背景技术

焊接作业是一种以加热、高温或高压的方式接合金属或者其他热塑性材料的制造工艺及技术，几乎涉及所有的工业领域。焊接作业的种类有很多，如手工电弧焊、气体保护焊、氢弧焊等。由于焊接种类不同，焊接过程中会产生不同的电焊烟尘。研究表明，电焊烟尘属呼吸性粉尘，其粒径分布在10μm以下的占99.4％，其中94.2％小于5μm。同时，电焊烟尘含有大量有毒有害物质，以微小的固体颗粒向厂方上部空间扩散，在通风状态不佳的情况下，焊接烟尘在厂房车间空气中滞留，极易造成作业环境卫生条件不达标，危害工人的职业健康。

随着国家对工业场所环境卫生的要求越来越严，焊接烟尘的治理越来越受到重视。然而，由于电焊烟尘粒径小易扩散、焊接工位多变捕尘困难、焊接烟尘热气流滞留特性等使得电焊烟尘的治理成为一项国际性技术难题，每年仍有大量焊接作业人员受到职业病危害。

通风控制是电焊烟尘治理的重要技术手段。当前针对电焊烟尘扩散和通风的研究主要有实验研究、理论分析及数值模拟等，研究的困难主要表现在：由于电焊烟尘扩散规律极其复杂，既涉及湍流扩散形式，也涉分子扩散及其他的运动形式，使得电焊烟尘扩散机理的研究较为困难；通常使用自然通风或置换通风解决焊接厂房的通风问题，但焊接烟尘本身具有一定的升力，且焊接点布置比较灵活，采用吹吸式通风可以节省部分能量，而当前还没有针对焊接烟尘吹吸式通风研究的实验装置；电焊烟尘热气流滞留特性明显，在扩散机理未明确的情况下运用计算流体动力学CFD软件进行通风效果的数值模拟，且缺乏实验对比，易出现模拟结果不准确的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种包括集气系统、透明的扩散箱、多个温度传感器、多个气体浓度传感器、数据采集分析系统和吹吸式通风系统；

上述扩散箱顶部和底部分别设有通风口；

上述集气系统的进气口设置在上述焊接平台的上方，用以收集焊接平台焊接时产生的电焊烟尘；

上述集气系统的排气口连通有输气管；

上述输气管远离集气系统的一端穿过上述扩散箱侧壁并伸入上述扩散箱内部下端，并连通设有喷嘴；

上述喷嘴处设有用以对喷嘴加热的加热装置；

多个上述温度传感器和多个上述气体浓度传感器分别均布在上述扩散箱内，并分别电连接上述数据采集分析系统；

上述吹吸式通风系统包括鼓风机和轴流风机，上述鼓风机的出风端通过管道可拆卸的与上述扩散箱底部的通风口连接并连通，上述轴流风机可拆卸的安装在上述扩散箱顶部的通风口内。

本发明的有益效果是：装置结构简单，操作使用方便，实验结果准确可靠的特点，可为电焊烟尘的扩散机理和吹吸式通风控制效果的研究提供科学依据，有利于在电焊烟尘治理与通风控制研究领域推广应用。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述集气系统包括集气罩、离心式风机和烟气缓存器，上述集气罩设置在上述焊接平台的上方，其内部中空下端敞口，上述集气罩上端具有出气口，上述出气口通过管道与上述离心式风机的进风口连通，上述集气罩的下端敞口构成上述集气系统的进气口，上述离心式风机的出风口通过管道连通上述烟气缓存器，上述烟气缓存器上设有连通其的上述排气口。

采用上述进一步方案的有益效果是集气系统结构简单，可有效的对电焊烟气进行缓存并调整烟气浓度，利于后续实验，操作也比较简单。

进一步，上述烟气缓存器上设有用以检测其内部烟尘浓度的气体浓度检测仪。

采用上述进一步方案的有益效果是便于检测烟气缓存器内的电焊烟气浓度，利于后续实验。

进一步，上述输气管上设有第一阀门和第一气体流速测速器。

采用上述进一步方案的有益效果是通过第一阀门可灵活的调整输气管内烟气的输出状态，通过第一气体流速测速器可实时的检测输气管内的电焊烟气流量大小，利于实验数据的分析及研究。

进一步，多个温度传感器和多个气体浓度传感器分别竖向均匀等间距间隔的布置在上述扩散箱内，并分别排成两列。

采用上述进一步方案的有益效果是该设计使得温度传感器和气体浓度传感器分布均匀，测量数据准确度较高。

进一步，上述数据采集分析系统包括温度采集器、浓度采集器和后台电脑，上述温度采集器和浓度采集器分别电连接上述后台电脑，上述温度传感器和气体浓度传感器分别电连接上述温度采集器和浓度采集器。

采用上述进一步方案的有益效果是利于分别对电焊烟气温度及电焊烟气浓度的采集及分析。

进一步，上述鼓风机与上述扩散箱底部的通风口连通的管道上分别设有第二阀门和第二气体流速测速器。

采用上述进一步方案的有益效果是通过第二阀门方便调节鼓风机向扩散箱内的通风的状态(流量)，通过第二气体流速测速器可实时的检测鼓风机吹风的的气体流量大小，利于实验数据的分析及研究。

进一步，上述扩散箱底部为横截面面积由上至下逐渐减小的漏斗状，上述通风口设置在上述扩散箱底部的中间位置。

采用上述进一步方案的有益效果是该设计使得鼓风机吹入扩散箱内的气体能够在扩散箱底部漏斗状处扩散，使气流较为平缓，利于扩散箱内电焊烟尘的扩散稳定。

进一步，上述扩散箱外侧壁上竖直设有标尺。

采用上述进一步方案的有益效果是通过标尺可以直观的观测到扩散箱内点焊烟尘的扩散状况。

附图说明

图1为本发明的电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、集气系统，2、扩散箱，3、温度传感器，4、气体浓度传感器，5、焊接平台，6、输气管，7、喷嘴，8、加热装置，9、鼓风机，10、轴流风机，11、集气罩，12、离心式风机，13、烟气缓存器，61、第一阀门，62、第一气体流速测速器，91、第二阀门，92、第二气体流速测速器，131、气体浓度检测仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一：如图1所示，本实施例的电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置包括集气系统1、透明的扩散箱2、多个温度传感器3、多个气体浓度传感器4、数据采集分析系统和吹吸式通风系统；

上述扩散箱2顶部和底部分别设有通风口；

上述集气系统1的进气口设置在上述焊接平台5的上方，用以收集焊接平台5焊接时产生的电焊烟尘；

上述集气系统1的排气口连通有输气管6；

上述输气管6远离集气系统1的一端穿过上述扩散箱2侧壁并伸入上述扩散箱2内部下端，并连通设有喷嘴7；

上述喷嘴7处设有用以对喷嘴7加热的加热装置8；

多个上述温度传感器3和多个上述气体浓度传感器4分别均布在上述扩散箱2内，并分别电连接上述数据采集分析系统；

上述吹吸式通风系统包括鼓风机9和轴流风机10，上述鼓风机9的出风端通过管道可拆卸的与上述扩散箱2底部的通风口连接并连通，上述轴流风机10可拆卸的安装在上述扩散箱2顶部的通风口内。

上述加热装置8为电热丝，并缠绕围设在喷嘴7的四周，用以对喷嘴7进行加热，从而对喷嘴7内经过的电焊烟尘进行加热，电热丝外接电源。

本实施例的实验过程如下：

步骤一、电焊烟尘的收集与发出装置启动

1)在焊接平台5上做好连续焊接作业准备，将加热装置8接通电源，并将温度加热到设定温度；

2)在焊接平台5上进行连续焊接作业，启动离心式风机12，通过集气罩11和管道将电焊烟尘收集入烟气缓存器13中；

3)通过观测烟气缓存器13上气体浓度检测仪131检测沿其缓存器13内的电焊烟尘浓度，使焊接烟尘的浓度设定达到要求；

4)通过调节离心式风机12控制烟气缓存器13中的烟气浓度；

5)当加热装置8加热到设定温度且气体浓度检测仪131显示达到设定浓度后后，打开第一阀门61，使电焊烟尘通过喷嘴7的作用喷入扩散箱2内部。

步骤二、工况控制与设置

1)在焊接烟气通入扩散箱2内之前，开启第二阀门91，确保鼓风机9与扩散箱2底部的通风口连接的管道处于畅通状态；

2)待焊接烟气通入扩散箱2内部后，通过数据采集分析系统设置温度传感器3以及气体浓度传感器4记录参数的时间间隔，启动温度传感器3以及气体浓度传感器4；

3)通过标尺观测电焊烟尘在扩散箱2内的扩散状态稳定后，通过数据采集分析系统进行验证，当数据采集分析系统分析的结果显示烟气流动稳定后，调节鼓风机9设定一种吹吸式通风工况，必要时可利用轴流风机10同步调节。

步骤三、电焊烟尘扩散参数的测量

1)工况设置好后启动鼓风机9，必要时启动轴流风机10，扩散箱2内电焊烟尘进入吹吸通风初步扩散阶段，通过温度传感器3和气体浓度传感器4连续测量并存储扩散参数。同时，通过标尺观测，记录非稳定扩散的现象和时间，以便与数据采集分析系统测量参数进行对照分析；

2)一段时间后，扩散箱2内该工况下的电焊烟尘扩散状态进入稳定阶段，继续通过温度传感器3和气体浓度传感器4连续测量并存储扩散参数。同时，通过标尺观测，记录稳态的现象和时间，以便与数据采集分析系统测量参数进行对照分析；

3)待扩散箱2内电焊烟尘扩散状态稳定并到达规定时间后，即可关闭温度传感器3和气体浓度传感器4，停止焊接作业。并依次关闭鼓风机9、轴流风机10、加热装置8、第一阀门61、离心式风机12等电器元件；

4)通过数据采集分析系统存储的该工况下电焊烟尘的扩散参数基础数据，绘制该工况下电焊烟尘的扩散趋势，分析时空扩散规律，计算该工况下的吹吸式通风效果；

5)重复上述步骤，设置不同工况，得到不同工况下电焊烟尘的吹吸式通风效果，并进行对比分析，得到最优的吹吸式通风方案参数。

较佳的，上述集气系统1包括集气罩11、离心式风机12和烟气缓存器13，上述集气罩11设置在上述焊接平台5的上方，其内部中空下端敞口，上述集气罩11上端具有出气口，上述出气口通过管道与上述离心式风机12的进风口连通，上述集气罩11的下端敞口构成上述集气系统1的进气口，上述离心式风机12的出风口通过管道连通上述烟气缓存器13，上述烟气缓存器13上设有连通其的上述排气口，整个机器系统结构简单，其工作过程中如下：

步骤一2)中，在焊接平台5上进行连续焊接作业，启动离心式风机12，通过集气罩11和管道将电焊烟尘收集入烟气缓存器13中，并检测离心式风机12内电焊烟尘浓度，直至烟气缓存器13中内电焊烟尘浓度达到设定要求。

较佳的，上述烟气缓存器13上设有用以检测其内部烟尘浓度的气体浓度检测仪131，该设计合理，利用气体浓度检测仪131可直观的检测到烟气缓存器13内电焊烟尘的浓度信息，利于后续实验的进行。

上述气体浓度检测仪131最佳的选用电子气体浓度检测仪，并与数据采集分析系统电连接，可将采集到的气体浓度信息直接发送至数据采集分析系统进行处理分析，以便实验人员能够更好的进行实验。

较佳的，上述输气管6上设有第一阀门61和第一气体流速测速器62，通过第一阀门61可灵活的控制烟气缓存器13内电焊烟尘向输气管6输送，确保输气管6内进入的点焊烟尘浓度达到设定要求，利于烟气缓存器13对电焊烟尘的缓存；此外，第一气体流速测速器62可直观的检测到输气管6内气体的流量信息，利于实验结果测量的准确度。

上述第一气体流速测速器62为电子气体流速测速器，可将检测到的气体流速信息直接发送至数据采集分析系统，数据采集分析系统根据管道的管径大小可计算得出管道内气体单位时间内的流量，利于后续的实验研究。

需要说明的是，上述输气管6是由扩散箱2侧壁接近底部的位置穿过并水平延伸至扩散箱2内，也就是说喷嘴7是位于扩散箱2内接近底部的位置，利于扩散箱2内进入的电焊烟气由下至上的扩散。

较佳的，多个温度传感器3和多个气体浓度传感器4分别竖向均匀等间距间隔的布置在上述扩散箱2内，并分别排成两列，该设计使得温度传感器3和气体浓度传感器5能够辐射到扩散箱2内部任何扩散的方位(烟气由下至上逐渐扩散)，利于实验测试的准确度。

上述每列的温度传感器3均设有6只，间隔0.25m；上述浓度传感器设置箱体内在垂直方向，共有两列，每列8只，间隔0.2m。

较佳的，上述数据采集分析系统包括温度采集器、浓度采集器和后台电脑，上述温度采集器和浓度采集器分别电连接上述后台电脑，上述温度传感器3和气体浓度传感器4分别电连接上述温度采集器和浓度采集器，能够精确的检测每个温度传感器及气体浓度传感器所采集到的温度及气体浓度信息，利于最终实验数据的分析研究。

较佳的，上述鼓风机9与上述扩散箱2底部的通风口连通的管道上分别设有第二阀门91和第二气体流速测速器92，通过第二阀门91可灵活的控制鼓风机9与扩散箱2之间的通风状态，便于对扩散过程中吹吸式通风对电焊烟尘扩散影响的研究，此外，第二气体流速测速器92可直观的检测到鼓风机9的吹风量，利于实验结果测量的准确度。

上述第二气体流速测速器92为电子气体流速测速器，可将检测到的气体流速信息直接发送至数据采集分析系统，数据采集分析系统根据鼓风机9与扩散箱2连通的管道的管径大小可计算得出管道内气体单位时间内的流量，利于后续的实验研究。

较佳的，上述扩散箱2底部为横截面面积由上至下逐渐减小的漏斗状，上述通风口设置在上述扩散箱2底部的中间位置，该设计使得气流进入扩散箱2内后能够以较平缓的流速向上流动，更能促进扩散箱2内电焊烟尘扩散的稳定。

上述扩散箱2的顶部为横截面面积由下至上逐渐减小的漏斗状，该设计利于烟尘的排出。

较佳的，上述扩散箱2外侧壁上竖直设有标尺，标尺可以是分别设置在扩散箱2两侧外壁上，高2m，最小单位0.1m。

上述扩散箱2的底部边沿处还设有至少三根均匀布置的支撑腿，方便扩散箱2安装于地面上，同时也利于扩散箱2底部通风口的通风。

本实施例旨在研究吹吸式通风状态下电焊烟尘的扩散现象，通过集气罩11对焊接平台5产生的电焊烟尘进行充分收集，经烟气缓存器13后从喷嘴7喷出，通过离心式风机12和加热装置8，可以有效控制焊接烟尘的尘源；通过调节鼓风机9与扩散箱2底部通风口之间连通管道上的第二阀门91，可以控制鼓风机9向扩散箱2内吹风的状态，从而实现电焊烟尘扩散机理实验与吹吸式通风实验之间的转换，经济成本低且操作方便；通过对鼓风机9和轴流式风机10的调节，可以设置不同的吹吸式通风工况，且与鼓风机9出风端相连的管道上安装了第二气体流速测速装置92，保障了通风工况的设置效果；通过扩散箱2中温度传感器3和气体浓度传感器4，可以准确连续地测量电焊烟尘在不同工况下扩散的重要参数，提高了扩散参数测量的效率和准确度，具有操作简单、维护方便、实验结果准确可靠的特点，可为电焊烟尘的扩散机理和吹吸式通风控制效果的研究提供科学依据，有利于在电焊烟尘治理与通风控制研究领域推广应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：包括集气系统(1)、透明的扩散箱(2)、多个温度传感器(3)、多个气体浓度传感器(4)、数据采集分析系统和吹吸式通风系统；

所述扩散箱(2)顶部和底部分别设有通风口；

所述集气系统(1)的进气口设置在焊接平台(5)的上方，用以收集焊接平台(5)焊接时产生的电焊烟尘；

所述集气系统(1)的排气口连通有输气管(6)；

所述集气系统(1)包括烟气缓存器(13)，所述烟气缓存器(13)上设有所述排气口；

所述烟气缓存器(13)上设有用以检测其内部烟尘浓度的气体浓度检测仪(131)，所述气体浓度检测仪(131)电连接所述数据采集分析系统；

所述输气管(6)远离集气系统(1)的一端穿过所述扩散箱(2)侧壁并伸入所述扩散箱(2)内部下端，并连通设有喷嘴(7)；

所述喷嘴(7)处设有用以对喷嘴(7)加热的加热装置(8)；

多个所述温度传感器(3)和多个所述气体浓度传感器(4)分别均布在所述扩散箱(2)内，并分别电连接所述数据采集分析系统；

所述吹吸式通风系统包括鼓风机(9)和轴流风机(10)，所述鼓风机(9)的出风端通过管道可拆卸的与所述扩散箱(2)底部的通风口连接并连通，所述轴流风机(10)可拆卸的安装在所述扩散箱(2)顶部的通风口内。

2.根据权利要求1所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：所述集气系统(1)包括集气罩(11)、离心式风机(12)和所述烟气缓存器(13)，所述集气罩(11)设置在所述焊接平台(5)的上方，其内部中空下端敞口，所述集气罩(11)上端具有出气口，所述出气口通过管道与所述离心式风机(12)的进风口连通，所述集气罩(11)的下端敞口构成所述集气系统(1)的进气口，所述离心式风机(12)的出风口通过管道连通所述烟气缓存器(13)。

3.根据权利要求2所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：所述输气管(6)上设有第一阀门(61)和第一气体流速测速器(62)。

4.根据权利要求1所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：多个温度传感器(3)和多个气体浓度传感器(4)分别竖向均匀等间距间隔的布置在所述扩散箱(2)内，并分别排成两列。

5.根据权利要求4所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：所述数据采集分析系统包括温度采集器、浓度采集器和后台电脑，所述温度采集器和浓度采集器分别电连接所述后台电脑，所述温度传感器(3)和气体浓度传感器(4)分别电连接所述温度采集器和浓度采集器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：所述鼓风机(9)与所述扩散箱(2)底部的通风口连通的管道上分别设有第二阀门(91)和第二气体流速测速器(92)。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：所述扩散箱(2)底部为横截面面积由上至下逐渐减小的漏斗状，所述扩散箱(2)底部的通风口设置在扩散箱(2)底部的中间位置。

8.根据权利要求1至5任一项所述的一种电焊烟尘扩散与吹吸式通风控制模拟实验装置，其特征在于：所述扩散箱(2)外侧壁上竖直设有标尺。