敞口吹吸式排風罩的影響分析及經濟計算

劉吉波

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

吹吸式排風罩是利用吹風口吹出的射流，將工業(yè)槽或卸載點內散發(fā)的污染氣流吹向吸風口，在吸風匯流作用下被吸入排風罩內，從而控制敞口槽內散發(fā)出的有毒有害氣體及蒸汽和或粉塵顆粒物的濃度，達到隔斷冷熱空氣、排除污染氣體或煙氣的一種通風方式。敞口槽（爐）吹吸式通風在酸洗、電鍍、金屬熔煉及粉塵處理等生產工藝中得到廣泛的應用。本文介紹敞口吹吸式排風罩的影響因素及經濟計算方法。

1 吹吸式排風罩的作用原理及布置

吹吸式敞口工業(yè)槽排風罩的原理與布置參數，見圖1。其中，H為吹吸口的間距；V、W分別為吹、吸風口法蘭邊高度；b0、b1分別為吹、吸風口的高度。

圖1 敞口工業(yè)槽吹吸式通風的參數及布置

從吹吸罩的機理來分析，排風量的計算主要有兩類方法：一種是只從射流理論來考慮，如風速控制法；另一種是考慮吹吸氣流的聯合作用，如臨界斷面法、流量比法、動量比法等。

2 風速控制法設計計算吹吸式排風罩

巴杜林提出的速度控制法認為吹吸氣流對污染物的控制能力，取決于吹出氣流的速度和作用在吹吸氣流上的污染氣流（橫向干擾氣流）的速度之比，只要吸風口前射流末端的平均速度達到一定大?。ā?.75～1 m/s），就可以保證有效地控制有害物。吹吸系統射流軸線上的最低風速vmin是保證防止擾動泄漏、增加穩(wěn)定性的關鍵。當吹風射流貼服于散發(fā)源表面上時（h/L≤0.15可認為是貼服射流），可根據槽內高溫液體，在熱源上方散發(fā)出的自然對流空氣溫度及溫差來確定最低風速的大小，溫差△t越大，干擾氣流的流速和流量越大，所需射流出口的最低風速也就越大，其影響關系在槽寬H＞2 m時，近似線性增加，見圖2。

圖2 槽內液體溫度與放散氣體的溫差變化

而對于非貼服射流，保證系統穩(wěn)定的條件[1]是：

vmin≥7vB

式中：vmin為槽內橫向干擾氣流的流速，是槽內有害物放散源的高溫有害物流速或室內空氣自燃流動的速度。

矩形有害物源上方的干擾氣流的軸心速度，可以采用謝別列夫[2]的簡化公式計算：

式中：Q為放散源的對流散熱量，kCal/s；L、H分別為工業(yè)槽的長度和寬度，m；h為槽面有害物放散源到吹吸系統軸線的距離，m。

根據上式即可確定吹風口的風速為：

v0≥vmin

巴杜林速度控制法設計吹吸式工業(yè)槽按以下方法計算：

（1）溶液溫度為t的工業(yè)槽，吸風口前射流的平均速度v′1與槽寬H成正比，按圖2或表1選取。

表1 射流平均速度與槽內溶液溫度關系

（2）吹風口氣流速度v0按平面射流計算。

式中：a為吹風口的紊流系數，取1.15～1.2。

（3）吹風口的高度與風量。

（4）吸風口前的射流量。

（5）吸風口氣流速度與排風量。

（6）吸風口的高度。

速度控制法計算簡單，但誤差較大，一般適用于小型吹吸罩的設計；而對于大型吹吸式排風罩的工程設計，采用流量比法更為清潔、經濟、高效。吹吸通風實際上是射流與匯流相互疊加的綜合作用，而速度控制法只考慮射流到射流的作用，而沒有考慮吸風口的作用，不能達到吹、吸氣流的最佳組合，即怎樣使吹風量與吸風量之和（q0+q1）保持最小。而且污染物的實際放散速度，是吹吸式排風罩設計的關鍵[3]，射流在污染氣流側壓作用下，會發(fā)生偏斜而導致氣體的溢出、污染；另外吸氣口匯流動量也對射流到達吸氣口法蘭邊的破碎污染起重要的作用?？拷鼩饪跁r，在吸氣匯流與射流的聯合作用下，氣流量急劇上升，動量增大，抗干擾能力明顯加強，吸速越大，抗側壓歪斜能力越強，忽略這些重要因素得到的吹吸罩參數顯然不夠合理。再者，射流抵抗側壓（流）的能力與射流的速度和流量即射流出口的動量有關，防止有害物泄漏溢散的最有效方法是增加出風口射流的流速及流量，而射流出口風速過大，對槽面有害高溫氣體的擾動過大，容易產生高溫、有害氣體的溢出及污染，對槽面溶液的化學反應也產生一定的影響。因此，既要使射流出口的風速不宜過大，還要使射流在側壓（流）作用下不至于發(fā)生歪斜而泄漏污染，就需要提高射流出口的射流流量與出口高度，保證射流出口有足夠的動量，即足夠大的射流力。

式中：F為射流力；ρ為射流的密度。

顯然射流力F一定時，q0與v0可以有無數的組合，減少v0可以適當的提高q0而不改變射流力的大小。

3 流量比法設計計算吹吸式排風罩

考慮吹吸氣流的聯合作用，林太郎[4]發(fā)明了用流量比法來計算吹吸式排風罩吹、吸風口的風量，并給出了使吹、吸風量之和保持最小的經濟式，其方法如下：

若將即將發(fā)生泄漏時的流量比稱為極限流量比，則排風罩的極限排風量q1L為：

式中：m為安全系數，v0為吹風口風速，m/s；b0為吹風口的高度，m；l為工業(yè)槽長度，m；q1、q1L分別為吸風口的流量與極限流量，m3/s；K、KL分別為流量比與極限流量比；q0為吹風口風量，m3/s；qs為從周圍吸入的空氣量，m3/s；qG為污染氣體量，m3/s。

4 吹吸式排風罩的影響分析

極限流量比KL與罩的形狀、尺寸、罩與污染物的相對位置，以及污染（干擾）氣流的大小等因素有關，即：

式中：b0、b1分別為吹、吸風口的高度，m；H為敞口工業(yè)槽吹、吸風口之間的距離，m；V、W分別為吹、吸風口法蘭邊的高度，m；vG為污染（干擾）氣流的速度，m/s；v0為吹風口氣流的流度，m/s。

利用有限差分法將上述方程進行離散化數值分析，并規(guī)定控制域及邊界條件，可以得出極限流量比KL的影響因素，主要受H/b0、W/b0、vG/v0的影響較大。

4.1 W/b0和V/b0的影響

V/b0＞10時，KL保持不變，不受V/b0的影響，故該項對排風量的影響可忽略，即吹風不設法蘭邊。吸風口法蘭邊對KL的影響卻是較大。當W/b0＜5時（見圖3），KL隨 W/b0的減少而急劇增大；W/b0≥5時（見圖4），KL值趨于穩(wěn)定，突緣高度不會對氣流流線造成顯著影響。故設計時，應盡量使W/b0≥5。

圖4 二維吹吸式氣流V/b0對KL的影響

圖3 二維吹吸式氣流W/b0對KL的影響

4.2 H/b0的影響

KL隨著H/b0的增加而直線上升，就是說，吹吸口之間距離越大，所需的排風量越多。H/b0應小于20～30；吹吸風口的間距H一定時，提高吹風口高度b0，可以減少KL值，從而減少吸風風量的大小。故應適當加大b0高度，采用低速射流，見圖5。

圖5 二維吹吸式氣流H/b0對KL的影響

4.3 vG/v0的影響

vG/v0對KL的影響很大，污染或干擾氣流速度越大，所需的風量也越大。設計時以vG/v0=0.3～2.0為宜，應保證0＜(vG/v0)≤3，即盡可能減少橫向氣流的影響。參考潔凈室、結凈工作臺及相關工作環(huán)境的要求，按平面射流風速的公式計算。

其軸心速度為：

按平面壁上銳緣夾縫，取a=0.12，則在吹吸式風口間距為L處的適宜風速為：vL=0.3～0.5 m/s，最大vL≤1 m/s。吹風口風速v0為：

二維吹吸式氣流vG/v0對KL的影響，見圖6。

圖6 二維吹吸式氣流vG/v0對KL的影響

流量比法使用于大型吹吸式排風罩的工程設計，較之速度控制法的最大特點是減少了射流出口的速度，增大了出口的高度，避免了高速射流導致的吸風口法蘭邊上污染物的溢散；吹吸式通風在不同的吸風速度下，能形成不同控制效果的流場。研究表明[5]，若匯流速度場較弱（v1≤1 m/s）時，射流受上升氣流作用而發(fā)生明顯的向上偏轉，氣流控制效果較差；當v1=1.5～3.0 m/s時，吹吸系統能形成完整的封閉域，具有良好的控制效果。

5 吹吸式排風罩的經濟式計算

在保證通風效果的前提下，進行經濟設計是十分重要的。吹吸式排風罩的經濟式，就是要在確定工業(yè)槽合理的W、V、H等參數的條件下，使(q1+q0)為最小。

吹吸式排風罩極限流量比的計算公式為：

上式可寫成KL=[A][B][C] 的形式。

由圖4可見，V/b0＞10時，V/b0的影響，可以按常數處理，則上式可以簡化為：

因為q1=（1+KL）q0，所以有：

若工業(yè)槽及排風罩有關參數（H、L、W）和污染源放散風量qG等原始條件給出時，將式（12）對H/b0一次偏微分并令其等于零，即：

中間式中(H b0)-0.69值變化很小，可做常數處理，整理得：

把式（12）的二次偏導數代入上式，可以滿足下式要求：

再將式（12）對q0/qG求一價偏微分并令其等于零，即：

整理，得：

把式（12）的二階微分代入上式，可以滿足下式要求：

把式（17）代入式（14）用0.58作為[B]項的代表值，則可得出：

整理得：

將上式帶入式（14），整理得：

因為所以有

式（20）～式（22）即為使(q1+q0)為最小的設計經濟式條件。

為說明速度控制法與流量比法設計方法的特點，以槽寬H=2.1 m，槽長L=5 m，橫向干擾氣流vG=0.5 m/s，槽內液體溫度為40℃的工業(yè)槽進行計算比較，見表2。

表2 速度控制法與流量比法設計比較

表2可以看出，流量比法明顯的增大了吹風口高度，降低了吹風風速和吹風量，增大了吸風口的風量和風速，提高了吸風的作用。

研究表明[6]，吹吸式排風罩當吹吸口間距H≤1.5 m，污染干擾氣流速度vG≤1.5 m/s，吸風風速v1≥4.2 m/s時，吹吸式排風罩的逸散較低，釋放SF6示蹤氣體檢測污染濃度得出的捕集效率可以接近100%。

6 結語

吹吸式通風具有風量小、控制效果好、抗干擾能力強、不妨礙視線、不影響工藝操作等優(yōu)點，對粉塵、高溫熱害及有毒有害氣體等污染物控制排放效果的優(yōu)勢是十分明顯的，在吹吸口的間距較大的寬工業(yè)槽中使用，優(yōu)點尤其突出；在相應領域中如何合理地計算吹吸式排風罩參數，確定合理的流量比和吹、吸經濟流量，是保證安全、經濟、清潔、高 效的前提。

[1]鄭文亨,王怡,唐易達.吹吸式通風技術應用研究現狀[J].暖通空調,2011,41(4):1-5.

[2]張建忠.敞口槽面吹吸式通風特性研究[J].南京建筑工程學院學報,1991(4):1-7.

[3]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.排風罩的分類及技術條件:GB/T16758-2008[S].北京:中國標準出版社,2008.

[4](日)林太郎.工廠通風[M].張本華,孫一堅,譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986.

[5]鄒艷.吹吸式通風系統下敞口槽散發(fā)液滴的蒸發(fā)運動規(guī)律及控制效果研究[D].西安:西安建筑科技大學,2016.

[6]徐華舫.空氣動力學基礎(上冊)[M].北京:北京航空學院出版社,1987.