基于VAV技術(shù)的磨粉粉塵收集設(shè)備的研究

任鑫森 王曉建 趙一奇 沈雷鳴

摘 要：通過對煙草科研實驗室磨粉室內(nèi)粉塵組成及其氣流組織的測定和分析，運用CAV（定風(fēng)量）技術(shù)及VAV（變風(fēng)量）技術(shù)對不同粉塵采取分類方式收集，對比分析了這兩種排風(fēng)技術(shù)在粉塵收集的試驗結(jié)果，并從噪音和能耗兩個方面進行了比較分析。結(jié)果表明，VAV（變風(fēng)量）技術(shù)有效捕獲磨粉粉塵的性能更好，在相同的工作時間內(nèi)，VAV（變風(fēng)量）技術(shù)的設(shè)備能耗及噪音要低于CAV（定風(fēng)量）技術(shù)。

關(guān)鍵詞：煙草科研實驗室;磨粉粉塵收集設(shè)備;VAV性能試驗;實驗室

中圖分類號：TS43? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0133-05

Research on Grinding Dust Collection Equipment Based on VAV Technology

Ren Xinsen， Wang Xiaojian， Zhao Yiqi， Shen Leiming

（Shanghai Tobacco Group Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China）

Abstract：Through the measurement and analysis of the dust composition and airflow organization in the milling room of the tobacco research laboratory， and the CAV （constant air volume） technology and VAV （variable air volume） technology are used to collect different dusts in a classified manner， and the two are compared and analyzed. The test results of exhaust air technology in dust collection are compared and analyzed in terms of noise and energy consumption. The results show that the VAV （Variable Air Volume） technology has better performance in effectively capturing grinding dust. In the same working time， the equipment energy consumption and noise of the VAV （Variable Air Volume） technology are lower than the CAV （Constant Air Volume） technology.

Key words：tobacco research laboratory， pulverized dust collection equipment， VAV performance test， laboratory

0 引言

隨著磨粉設(shè)備在煙草科研實驗室內(nèi)的大量應(yīng)用，粉塵收集設(shè)備的適配性變得尤為重要。粉塵收集設(shè)備雖然品類眾多，但是不同粉塵對設(shè)備的要求不盡相同，必須加強收集污染物的結(jié)合內(nèi)容，提升試驗場所的穩(wěn)定性與操作性，實驗室的特性需要以實驗人員為主改善安全與保證實驗的順利結(jié)合，實現(xiàn)磨粉實驗的穩(wěn)定進程。

不斷加強對收集污染物的處理能力，結(jié)合到最新標準與最新技術(shù)處理好實驗場地的粉塵收集保護與具體作用的融合，實現(xiàn)粉塵處理實驗的有效發(fā)展與可持續(xù)進程，保證粉塵實驗室中具體信息融合與實驗的順利發(fā)展，切實保證磨粉實驗的順利完成。多臺不同品牌和不同規(guī)格的磨粉設(shè)備，這些磨粉設(shè)備在加工過程中稍有操作不當就會有煙絲物料以粉塵狀噴出，使用粉塵收集系統(tǒng)可以將這些粉塵狀的煙絲物料及時的、不間斷的通過管道吸入到收集袋中，這對于保證磨粉加工的正常進行、提升工作效率、保障操作人員的職業(yè)健康安全、控制實驗室環(huán)境污染等都有十分重要的意義。在當今能源緊缺的環(huán)境下，變風(fēng)量系統(tǒng)的應(yīng)用在保證空氣品質(zhì)優(yōu)秀的情況下，很大程度的降低HVAC系統(tǒng)中風(fēng)系統(tǒng)的能耗，充分體現(xiàn)舒適且節(jié)能的特點。但在具體應(yīng)用中，應(yīng)該視項目情況而異，系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、控制邏輯都應(yīng)充分重視。本文通過試驗研究了CAV（定風(fēng)量）技術(shù)及VAV（變風(fēng)量）技術(shù)在粉塵收集的試驗結(jié)果，并從噪音和能耗兩個方面進行了比較分析。

1 磨粉粉塵收集設(shè)備的組成及原理

通過調(diào)研煙草系統(tǒng)多個類似磨粉實驗室并走訪了部分磨粉實驗人員，了解到在磨粉過程中由于現(xiàn)階段大多采用的是人工投料的方式進行磨粉的操作，因此在所難免的存在投料的不穩(wěn)定性，當投料一出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況（主要是超過磨粉機能容納的上限），就有可能出現(xiàn)粉塵外散的現(xiàn)象。同時由于一直以來磨粉粉塵的環(huán)境影響沒有引起足夠的重視，各實驗室采用的磨粉粉塵收集裝置都比較簡單，集塵效果也是相當?shù)牟焕硐搿?/p>

一類比較通用的磨粉粉塵收集裝置是在磨粉操作區(qū)域上方安裝不銹鋼原子抽風(fēng)罩，再結(jié)合管道和風(fēng)機產(chǎn)生的負壓將粉塵吸入到集塵袋中，為了便于實驗室人員的磨粉操作往往將不銹鋼原子抽風(fēng)罩安裝在以不碰實驗室人員頭部為基準上方的位置，這樣就導(dǎo)致罩口離設(shè)備的距離較遠。我們知道，磨粉過程產(chǎn)生的是粉塵顆粒不是原子吸收分光光度計做化學(xué)分析時揮發(fā)出來的化學(xué)氣味，因此磨粉過程中的集塵效果總是不太理想。加大風(fēng)機的排風(fēng)量也不是可取之處，畢竟會增加資金投入、增加運行能耗和室內(nèi)噪音，同時設(shè)備的占地也是需要考慮的問題。

另一類改進型的方式是在操作區(qū)域上方懸吊萬向排風(fēng)罩來進行局部排風(fēng)，我們知道萬向排風(fēng)罩活動半徑大，靈活性比不銹鋼原子抽風(fēng)罩要好很多，其局部排風(fēng)效果還是比較可取的，但是其本身三段式的關(guān)節(jié)，管道壓損比較高，對系統(tǒng)的壓損要求比不銹鋼原子抽風(fēng)罩要高。同時三段式關(guān)節(jié)要想停留在一個排風(fēng)效果比較理想的位置時，對操作區(qū)域的影響還是較大。

當然還有一種最為簡單的方法就是在進行磨粉操作的時候由兩名工作人員共同參與，其中一名工作人員進行磨粉加料操作，另外一名工作人員用普通吸塵器進行除塵作業(yè)，這樣就算兩人配合相當默契，吸塵器的噪音問題也會令兩名工作人員相當不舒服，不是長期除塵的有效選擇。為此，我們在綜合了前面調(diào)研的幾款磨粉粉塵收集設(shè)備后，經(jīng)過實驗確定了一款主要由操作平臺、通風(fēng)及過濾裝置、變頻控制系統(tǒng)三部分組成的磨粉粉塵收集設(shè)備。所述操作平臺包含帶萬向福馬輪的金屬箱體及后排風(fēng)箱體，并配有一件耐磨的大理石桌面。金屬箱體內(nèi)壁自帶隔音材料，可有效降低風(fēng)機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的噪音對磨粉操作人員的影響。操作平臺預(yù)留有粉塵清掃收集口，與箱體內(nèi)粉塵收集桶相連，便于平臺桌面的粉塵清掃清潔。萬向福馬輪可根據(jù)地面調(diào)節(jié)桌面水平固定在一個區(qū)域使用，也可以任意移動到所需要的區(qū)域使用。所述通風(fēng)系統(tǒng)包括可任意定位的萬向竹節(jié)集塵管（含集塵口）、伸縮軟管、可變頻除塵風(fēng)機。氣流發(fā)展與入口位置的操作保持高度一致，并實現(xiàn)氣流的有效轉(zhuǎn)動與持續(xù)供給，通過粉塵沉降方法的一致，提升口罩氣體吸入與過濾的高效一致。集塵口可懸停于操作平臺的任意位置，滿足不同磨粉設(shè)備的吸塵需求;除液晶觸摸控制面板控制風(fēng)機啟停、風(fēng)量大小調(diào)節(jié)功能外，在集塵罩口處自帶手動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，可手動調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。管壁平滑、粉塵通過性好、不易積塵、易清潔、風(fēng)阻小、可有效降噪。所述過濾裝置包括粉塵收集布袋、過濾棉及腔體。通過定期更換的過濾棉、集塵袋及腔體可有效阻止吸入粉塵的二次污染，尾氣經(jīng)過濾后接近零粉塵排放。所述變頻控制系統(tǒng)包括變頻控制器、壓差傳感器、PLC編程模塊、液晶觸碰屏幕的基礎(chǔ)信息與控制面板需要相互結(jié)合。系統(tǒng)風(fēng)機安裝以及除塵器的設(shè)計都需要結(jié)合到工作環(huán)境的基礎(chǔ)內(nèi)容，并保持除塵效果的有效性，保持濾袋的位置正確。通過PLC編程的變頻控制器與液晶觸摸控制面板相連接，在控制面板上可根據(jù)不同工況實現(xiàn)風(fēng)機的變頻運轉(zhuǎn)。集塵管與伸縮軟管相連處設(shè)有壓差傳感器，隨時感應(yīng)管道內(nèi)的壓力波動，并實時將結(jié)果反饋到控制面板上，通過監(jiān)測管道壓力變化的數(shù)據(jù)以確定過濾棉及集塵袋的更換時間。同時液晶觸摸控制面板具備風(fēng)機啟停按鍵、風(fēng)量調(diào)節(jié)按鍵、風(fēng)機運行狀態(tài)顯示、管道壓力顯示、風(fēng)速顯示、風(fēng)量顯示、故障顯示等功能。

CAV（定風(fēng)量）技術(shù)利用開關(guān)信號控制定頻風(fēng)機的啟停，不能調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，風(fēng)機恒定模式運轉(zhuǎn)。VAV（變風(fēng)量）技術(shù)利用變頻風(fēng)機+變頻控制器+PLC編程來實現(xiàn)VAV變風(fēng)量技術(shù)，通過可視化的液晶觸摸控制面板來顯示實時的風(fēng)量、風(fēng)速和管道壓力等運行情況，以及控制風(fēng)機的啟停、風(fēng)量大小的無級調(diào)節(jié)。VAV變風(fēng)量技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)負荷變化或要求參數(shù)的變化，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量及風(fēng)機的動力耗能，追求以較少的能耗來滿足風(fēng)量的需求。

2 性能實驗

CAV（定風(fēng)量）技術(shù)只要維持風(fēng)機風(fēng)量恒定即可，無變化需求及控制需求。為保證風(fēng)量恒定，風(fēng)機的工作頻率、轉(zhuǎn)速均按初建設(shè)時滿負荷運行在恒定的設(shè)計值上，高風(fēng)量、高風(fēng)壓、高轉(zhuǎn)速將產(chǎn)生高的能量消耗，能源浪費比較嚴重。通常不會額外加裝自動管理設(shè)備，需要排風(fēng)時啟動風(fēng)機，不需要排風(fēng)時關(guān)停風(fēng)機，無法進行風(fēng)量的調(diào)節(jié)。當然，CAV（定風(fēng)量）技術(shù)的排風(fēng)參數(shù)一經(jīng)確定可以作為VAV（變風(fēng)量）技術(shù)的最大排風(fēng)參數(shù)，為此我們初步實驗還是從CAV（定風(fēng)量）技術(shù)開始。通過前期的不斷走訪給我們在設(shè)備選型前明確了以下3點非常重要的參數(shù)：

（1）磨粉粉塵設(shè)備的集塵口直徑不需要太大，在75～150mm即可。

（2）煙草顆粒物料吸口面風(fēng)速3～5m/s。

（3）風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速選15～16m/s更適宜。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，我們首先將磨粉粉塵設(shè)備的集塵口直徑確定在100mm， 煙草粉塵物料吸口面風(fēng)速定在5m/s，根據(jù)圓型風(fēng)管的風(fēng)量計算公式：Q=3600VA

式中：Q為風(fēng)量，m3/h;V為風(fēng)速，m/s;A為截面積，m2。

計算出風(fēng)量Q=3600×5×0.00785=141.3m3/h，再結(jié)合管道壓損我們選擇了一臺HF-100P斜流增壓管道風(fēng)機，具體參數(shù)如表1所示。

設(shè)備通電運行后，采用美國TSI便攜式熱線熱球風(fēng)速儀對集塵口進行面風(fēng)速測定，集塵口面風(fēng)速可穩(wěn)定運行在3m/s±0.5范圍內(nèi)，同時采用福祿克噪音計進行操作區(qū)域的噪音測定，工作區(qū)域周邊的噪音只有31db±1，由此可推斷排風(fēng)系統(tǒng)是符合要求的，但是出現(xiàn)一個問題是，磨粉過程中根本就吸不動漂散在磨粉機上方的粉塵，我們?nèi)コ舫龎m濾袋后再次測定集塵口面風(fēng)速為7m/s，但依然無法有效吸入磨粉粉塵。為此我們只能更換風(fēng)量更大的風(fēng)機，第二次我們選用了一臺HF-150P斜流增壓管道風(fēng)機，具體參數(shù)如表2所示。

繼續(xù)通電運行并測定，集塵口面風(fēng)速可達到9m/s，除塵效果較上一臺風(fēng)機有明顯改觀但還是不能完全吸走磨粉粉塵。我們只能繼續(xù)更換風(fēng)量更大的風(fēng)機，這次我們直接選用了一臺HF-315P的斜流增壓管道風(fēng)機，具體參數(shù)如表3所示。

繼續(xù)通電運行并測定，集塵口面風(fēng)速達到34m/s，工作區(qū)域周邊噪音為61db，不論是磨粉時漂散出來的粉塵還是突然投料過大噴散出來的顆粒物料都可以被有效吸走，除塵性能得到磨粉工作人員的一致認可，因此該型風(fēng)機被確定選用，隨后投入到VAV（變風(fēng)量）技術(shù)的測定中去。

VAV的涵義指的是變風(fēng)量可持續(xù)發(fā)展角度下的除塵系統(tǒng)風(fēng)格的生產(chǎn)方式，按照周期性以及規(guī)律性變化為主，改善液晶觸摸控制面板的有效調(diào)整節(jié)奏，并結(jié)合到工作頻率進行風(fēng)機的工作效率改善，加強轉(zhuǎn)速、風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能運行。由于側(cè)吸罩不能完全貼合磨粉設(shè)備，只能設(shè)置在設(shè)備近旁，依靠罩口的抽吸作用在控制點附近形成一定的風(fēng)速來捕獲粉塵，同時，我們知道罩口風(fēng)速與距離成幾何倍衰減，物料投入均需人員操作，在集塵罩口附近一直會有擾動的氣流波動，為了提高粉塵捕集率和控制效果，集塵罩口及排風(fēng)主管必須保持風(fēng)速不低于10m/s。表4為不同工況下的性能測定數(shù)據(jù)匯總。

通過對表中的實測數(shù)據(jù)進行比較，綜合工況下的設(shè)備能耗比全負荷運行下的設(shè)備能耗降低近50%，節(jié)能效果相當顯著。同時工作噪聲大大降低了，接近25%左右。實證顯示CAV（定風(fēng)量）技術(shù)控制方式下，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中排風(fēng)量是保持恒定不可變的，能量消耗也是恒定的。只有采用VAV（變風(fēng)量）技術(shù)的控制方式下，可以通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機工作頻率、轉(zhuǎn)速的方式對風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，達到節(jié)能效果。根據(jù)具體數(shù)據(jù)綜合結(jié)果來看，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與發(fā)展動力保持與風(fēng)量的持續(xù)供給配比一致，對于功率和消耗而言，風(fēng)壓變化實現(xiàn)了正常進度環(huán)境下的風(fēng)量與風(fēng)壓的配合，這一點導(dǎo)致了高風(fēng)量、高風(fēng)壓、高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機能夠處理目前狀況下的信息記錄與整合。

通過對煙草科研實驗室內(nèi)的粉塵收集設(shè)備使用情況進行了一段時間的實驗并對實驗過程進行了記錄，結(jié)果表明在這一段時間內(nèi)磨粉實驗在每一天當中并沒有太多規(guī)律，但是我們可以從每次的使用情況當中能找出一些規(guī)律，比如磨粉過程中和清潔清掃時屬于粉塵傳播峰值需要通過全功率大風(fēng)量運轉(zhuǎn)除塵，而在其它時間段并不需要設(shè)備保持在飽和運轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此VAV系統(tǒng)大多數(shù)情況下是工作在部分負荷下的，平均工作在峰值負荷的50%左右。在工況發(fā)生變化的同時通過可視化的液晶觸摸控制面板實時的調(diào)節(jié)運行模式，通過變頻器實時接受、顯示、處理信號，并把處理后的信號及時傳達給執(zhí)行器調(diào)節(jié)風(fēng)機工作頻率、轉(zhuǎn)速的方式對風(fēng)量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能運行（保證氣流組織在不受明顯影響的前提下減小風(fēng)量）是完全可以實現(xiàn)的。按照一般人的認知得出了具體結(jié)合到VAV系統(tǒng)本身的一種有效發(fā)展認知，并承擔起相關(guān)的維護費用，成本相當之高。在粉塵的收集部分根據(jù)設(shè)備的具體定位以及推廣的經(jīng)驗來看，VAV實際上是嚴密結(jié)合到風(fēng)速與CAV的安全角度進行定位的一種精細化的信號處理與轉(zhuǎn)速結(jié)合的有效運作模式，并按照操作者的工作量與具體工作成本內(nèi)容減少了成本與設(shè)備的容量維護成本，提高了運行的效率與價值。

系統(tǒng)中每個部件對噪聲都有一定的影響。設(shè)計時采取的降噪措施是在噪聲發(fā)生地和在其直接的周邊環(huán)境內(nèi)降低噪聲源的聲波能量。降低產(chǎn)品噪聲的技術(shù)措施是降低空氣的振動，產(chǎn)品的降噪應(yīng)重點考慮在產(chǎn)品護罩上采用降噪措施。因此，為了降低噪聲，需要考慮多個方面的因素（管道風(fēng)速和壓力要設(shè)計合理、風(fēng)速變化范圍不宜過大、管道及風(fēng)機的密封性和避震一定要到位、管道與風(fēng)機銜接處盡量用柔性連接，避免產(chǎn)生共振。在風(fēng)機固定時參照待減振風(fēng)機的振動頻率范圍選用合適的橡膠減振元件，這種減振措施可減少振動傳導(dǎo)達90%。消減空氣振動噪聲的吸音材料主要采用微孔型材料，例如塑料、礦物棉或植物棉。它們主要用于腔體、消聲器或機器的吸音外罩。材料消減聲音能量的能力用吸音系數(shù)α來表示（α=1時相當于最大吸音程度），纖維織物的吸音系數(shù)如表5所示。

吸音材料的有效性能取決于材料層厚和待消除的振動噪聲頻率。頻率越高，吸音材料的厚度應(yīng)越厚（盡量等于噪聲聲波波長的1/4）。當然，噪聲被吸收的前提是噪聲聲波應(yīng)盡量無阻礙地直接進入吸音材料。當這一前提條件由于技術(shù)或結(jié)構(gòu)方面的原因受到了限制時，為了保證足夠的吸音能力，噪聲直接進入吸音材料的面積不應(yīng)小于吸音材料表面積的30%。

在工作頻率及能耗降低的同時經(jīng)過實測數(shù)據(jù)表明噪音也成正比下降，從而為實驗室工作人員提供一個更為舒適和安靜的工作環(huán)境也成為現(xiàn)實。

3 基于VAV技術(shù)的磨粉粉塵收集設(shè)備的發(fā)展展望

隨著煙草科研實驗室的現(xiàn)代化、科技化的發(fā)展，無論從規(guī)模還是裝備制造水平看，煙草科研實驗室內(nèi)的粉塵收集設(shè)備正處于高速發(fā)展階段，加強節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理以及環(huán)境上友好的措施，推進煙草科研實驗室內(nèi)的粉塵收集設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，技術(shù)進步，貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措，也是推進產(chǎn)生發(fā)展和維護行業(yè)利益的必然選擇。在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的趨勢下，職業(yè)健康體系的逐步完善下，必將成為基于VAV技術(shù)的磨粉粉塵收集設(shè)備發(fā)展的推動力，從而進一步推動煙草科研實驗室除塵技術(shù)的發(fā)展。

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