爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試儀排風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

鄭子龍， 孫康波

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

炸藥性能實(shí)驗(yàn)室是對(duì)炸藥等爆炸品的物理、化學(xué)、爆炸性能進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室［1］。在炸藥性能實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)定炸藥爆發(fā)點(diǎn)儀器是BDY－I爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試儀，其采用伍德合金作金屬浴，是較好的測(cè)試爆發(fā)點(diǎn)的合金材料。但伍德合金的成分含有重金屬，在測(cè)試過程中呈現(xiàn)熔融狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害氣體。另外，炸藥爆炸之后會(huì)產(chǎn)生CO、NO、NO2等有毒氣體。BDY－I爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試儀沒有排風(fēng)裝置，這些有害氣體會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成污染，同時(shí)也會(huì)給測(cè)試人員的身體健康帶來危害。因此，需要設(shè)計(jì)排風(fēng)裝置將氣體及時(shí)排出，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的傷害。

在實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)裝置上主要運(yùn)用的方式有局部排風(fēng)和全面排風(fēng)。局部排風(fēng)是目前公認(rèn)的最有效并被廣泛采用的排除污染物的方法，已成為實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)的發(fā)展趨勢(shì)。

排風(fēng)裝置設(shè)計(jì)包括排風(fēng)罩、排風(fēng)管道和軸流風(fēng)機(jī)3部分的設(shè)計(jì)。

1）排風(fēng)罩：排風(fēng)罩是用于捕捉污染物的設(shè)備，是局部排風(fēng)系統(tǒng)中的重要部件，它的性能對(duì)局部排風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有直接影響。性能良好的局部排風(fēng)罩，如密閉罩，只要較小的風(fēng)量就可以獲得較好的工作效果。

2）風(fēng)管：風(fēng)管在系統(tǒng)中起傳輸污染物的通道作用，根據(jù)污染物的性質(zhì)采用鋼板、玻璃鋼、聚氯乙烯板、混凝土、磚砌體等制作。

3）風(fēng)機(jī)：風(fēng)機(jī)在排風(fēng)系統(tǒng)中消耗機(jī)械能，給空氣提供流動(dòng)所需要的動(dòng)力。

1 爆發(fā)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

1.1 方案的確立

本設(shè)計(jì)針對(duì)BDY－I爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試儀，原有的測(cè)試儀沒有排風(fēng)裝置，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的排風(fēng)裝置，以改善實(shí)驗(yàn)室的操作環(huán)境。排風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)需要考慮，在不影響實(shí)驗(yàn)操作的前提下，既要保證有害物全部排除，還要考慮風(fēng)速對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響。設(shè)計(jì)的排風(fēng)裝置為實(shí)驗(yàn)工作區(qū)提供最小的、不影響實(shí)驗(yàn)效果的風(fēng)速，同時(shí)要滿足環(huán)保及行業(yè)有關(guān)規(guī)范、規(guī)定的要求。

1.2 排風(fēng)罩設(shè)計(jì)

1.2.1 局部排風(fēng)罩的設(shè)計(jì)原則

1）局部排風(fēng)罩應(yīng)盡可能包圍或靠近有害物源，使有害物源局限于較小的局部空間，盡可能地減小吸氣范圍，便于捕集和控制。

2）排風(fēng)罩的吸氣氣流方向應(yīng)盡可能與污染氣流運(yùn)動(dòng)方向一致。

3）已被污染的吸入氣流不允許通過人的呼吸區(qū)。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮操作人員的位置和活動(dòng)范圍。

4）排風(fēng)罩應(yīng)力求簡(jiǎn)單、造價(jià)低，便于安裝和維護(hù)。

5）局部排風(fēng)罩的配置應(yīng)與實(shí)驗(yàn)操作協(xié)調(diào)一致，力求不影響實(shí)驗(yàn)操作。

6）盡可能避免和減弱干擾氣流、穿堂風(fēng)和送風(fēng)氣流等對(duì)吸氣氣流的影響［2］。

1.2.2 排風(fēng)罩類型及材料的選取

根據(jù)爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，有害污染源只在較小的空間內(nèi)產(chǎn)生，且產(chǎn)生的氣體量較少，所以用局部排風(fēng)罩比較合適。根據(jù)通風(fēng)柜的方形立體結(jié)構(gòu)，選取外部吸氣罩比較合理。伍德合金浴是裝在圓形容器內(nèi)的，根據(jù)伍德合金浴容器的形狀來確定外部罩為圓形罩口。不銹鋼有較好的耐熱性、耐腐蝕性，還有較高的硬度，且價(jià)格便宜，故選取不銹鋼比較合理。

1.2.3 排風(fēng)量的計(jì)算

排風(fēng)罩安裝在污染源上方，罩口的流線分布及安裝尺寸如圖1所示。

圖1 冷過程的上吸式排風(fēng)罩

散熱面到罩口距離選為H＝0.3m。在爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試儀中，散熱面為水平面，量取伍德合金浴的最大散熱直徑為0.085m。已選定管道直徑為20cm，傘形罩的擴(kuò)張角選為90°，因此，可以確定排風(fēng)罩的高度為6.25cm。排風(fēng)罩的大小可用圖2表示。

圖2 排風(fēng)罩尺寸

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備有一定的體積，屬于在罩口前面有障礙的情況，所以，應(yīng)該按照有障礙的排風(fēng)量公式來計(jì)算。

排風(fēng)量可按式（1）計(jì)算［3］。

式中：P為排風(fēng)罩口敞開面的周長(zhǎng)，m；Vx為邊緣控制點(diǎn)的控制風(fēng)速，m／s；K為安全系數(shù)，通常K＝1.4。

控制風(fēng)速Vx值與實(shí)驗(yàn)過程和室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)可參考表1確定。

爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)有50mg的炸藥爆炸，其爆炸后氣體會(huì)以較大的速度放散出來，根據(jù)表1可選取最小控制風(fēng)速為1m／s。

將所有數(shù)據(jù)代入式（1）可得排風(fēng)量L＝0.429m3／s。

表1 控制點(diǎn)的控制風(fēng)速（Vx）

1.3 排風(fēng)管道設(shè)計(jì)

1.3.1 排風(fēng)管道類型與材料的選擇

排風(fēng)管道的端面形狀有圓形和矩形2種。由于矩形管道四角存在局部渦流，在同樣的風(fēng)量下，矩形風(fēng)管的壓力損失要比圓形大。因此，在一般情況下，都采用圓形風(fēng)管。只是有時(shí)為了便于和建筑配合才采用矩形風(fēng)管［4］。所以，排風(fēng)管道選擇圓形。

通常用作排風(fēng)管道的材料有普通薄鋼管、鍍鋅鋼管、鋁和鋁合金管、不銹鋼管、塑料復(fù)合鋼管、硬聚氯乙烯塑料管、玻璃鋼。其中，硬聚氯乙烯塑料管具有表面光滑、制作方便等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格便宜，其適用于0℃～60℃的空氣環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)室的溫度滿足此溫度范圍。所以，選用硬聚氯乙烯塑料管作為排風(fēng)管道。

1.3.2 排風(fēng)管道的設(shè)計(jì)計(jì)算

1）沿程損失的計(jì)算

已知排風(fēng)量和管道直徑，計(jì)算風(fēng)速的公式為式（2）。

得風(fēng)速v＝13.66m／s。

根據(jù)排風(fēng)量和直徑，查文獻(xiàn)［3］中附錄5風(fēng)管單位長(zhǎng)度沿程損失線算圖可知，單位長(zhǎng)度摩擦阻力Rm為11Pa／m。

大氣壓力的修正公式為（3）、（4）。

式中：εB為大氣壓力修正系數(shù)；B為實(shí)際的大氣壓力，kPa；R′m為實(shí)際使用條件下的單位長(zhǎng)度沿程損失，Pa／m。

沈陽市大氣壓力為100.07kPa。根據(jù)公式（3）可知εB＝0.989，則單位長(zhǎng)度的沿程損失R′m＝10.879Pa／m。

量取管道的直線長(zhǎng)度l為2.17m（在最后的排風(fēng)裝置圖中表示），則管道沿程損失為：

2）局部損失計(jì)算

由于風(fēng)管中流動(dòng)的空氣速度或方向的變化，使該流體產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng)，在邊界急劇改變的區(qū)域出現(xiàn)漩渦區(qū)和流速重新分布而產(chǎn)生的阻力就是局部阻力?？朔植孔枇Χ鹉芰繐p失時(shí)產(chǎn)生的局部壓力損失，簡(jiǎn)稱局部損失［2］。

局部損失按式（5）計(jì)算。

式中：ΔPj為局部損失，Pa；ζ為局部阻力系數(shù)。

局部阻力系數(shù)［3］可查。在管道設(shè)計(jì)中，用了90°傘形罩1個(gè)，ζ＝0.16；r／d為1.0的90°度彎頭2個(gè)，ζ＝0.24×2＝0.48。

總損失為沿程損失和局部損失之和。

式中：ΔP為管道總損失，Pa。

將計(jì)算出來的沿程損失和局部損失帶入式（6）可得ΔP＝95.28Pa。

通風(fēng)管道水力計(jì)算見表2。

1.4 風(fēng)機(jī)的選擇

考慮到設(shè)備、風(fēng)管的漏風(fēng)，選擇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓時(shí)應(yīng)按式（7）、（8）確定。

式中：Lf為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3／h；L為系統(tǒng)總風(fēng)量，m3／h；Pf為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，Pa；ΔP系統(tǒng)總阻力，Pa；KL為風(fēng)量附加系數(shù)，除塵系統(tǒng)KL＝1.1～1.5。一般排風(fēng)系統(tǒng)KL＝1.1；Kf為風(fēng)壓附加系數(shù)，除塵系統(tǒng)Kf＝1.15～1.20。一般排風(fēng)系統(tǒng)Kf＝1.1～1.15。

表2 通風(fēng)管道水力計(jì)算表

此系統(tǒng)屬于排風(fēng)系統(tǒng)，所以，KL＝1.1，Kf＝1.1。

將各數(shù)據(jù)代入式（7）與（8）中可得：

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可選擇低噪聲軸流風(fēng)機(jī)，其代號(hào)為SF。SF型系列軸流風(fēng)機(jī)具有光滑流線型表面、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、噪聲低、能耗省、風(fēng)量大、結(jié)構(gòu)合理、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。SF型系列風(fēng)機(jī)按使用要求分管道式、固定式、崗位式3種，此設(shè)計(jì)中風(fēng)機(jī)用于管道中，所以選擇管道式軸流風(fēng)機(jī)。

根據(jù)算出的風(fēng)量和風(fēng)壓，可選擇風(fēng)機(jī)的型號(hào)為SF2.5－2。其中，內(nèi)徑260mm，外徑310mm，風(fēng)量2 200m3／h，風(fēng)壓120Pa，電機(jī)功率0.25kW，轉(zhuǎn)速2 800r／min。

排風(fēng)裝置最終的安裝示意圖如圖3所示。

圖3 排風(fēng)裝置示意圖

2 結(jié)論

通過對(duì)火炸藥爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)排風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

1）排風(fēng)裝置由排風(fēng)罩、通風(fēng)管道和風(fēng)機(jī)組成。

2）排風(fēng)罩的材料選擇不銹鋼；形狀選擇傘形罩，罩口直徑325mm，罩口到污染源的距離0.3m；排風(fēng)量為0.429m3／s。

3）排風(fēng)管道的材料選擇硬聚氯乙烯塑料管，直徑200mm。管道的沿程損失為23.63Pa，局部阻力損失71.65Pa。

4）根據(jù)風(fēng)壓104.81Pa和風(fēng)量1 698.84m3／h，風(fēng)機(jī)最后選擇的型號(hào)是SF2.5－2。其參數(shù)為風(fēng)量2 200m3／h，風(fēng)壓120Pa，電機(jī)功率0.25kW，轉(zhuǎn)速2 800r／min。

5）因條件的限制，最終沒有設(shè)計(jì)凈化設(shè)備。如若加上凈化設(shè)備，產(chǎn)生的污染氣體就不會(huì)排到大氣中，則設(shè)計(jì)更加完善。

［1］ 孫康波，任志峰，文昆，等.炸藥性能實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)因素分析及預(yù)防［J］.山西化工，2011，31（5）：52－53.

［2］ 王華男.圓形aaberg排風(fēng)罩的實(shí)用設(shè)計(jì)方法［D］.沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011：3－5.

［3］ 唐中華，錢煒祺.通風(fēng)除塵與凈化［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：30－31.

［4］ 孫一堅(jiān).工業(yè)通風(fēng)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：16－20，226－227.