張雁翔

文章編號(hào)：2095-6835（2016）13-0103-02

摘 要：不管是專業(yè)的科研人員，還是步入理科學(xué)堂的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室并不是一個(gè)陌生的地方，然而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)一些有害的氣體，因此，如何保障我們實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)人員不受到這些有害氣體的傷害，一直是我們排風(fēng)柜研究人員的首要問(wèn)題。其根本原理就是對(duì)風(fēng)速進(jìn)行控制，從而控制空氣當(dāng)中的污染收集與排放。主要闡述國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的幾種類型的排風(fēng)柜和其工作原理，并提出一些設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；變風(fēng)量排風(fēng)柜；罩面風(fēng)速；控制策略

中圖分類號(hào)：TU834.6+35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.103

我們都知道，想要控制污染氣體不侵害實(shí)驗(yàn)人員，就需要控制排風(fēng)柜罩面的風(fēng)速。但是在實(shí)際中，我們實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存在很多會(huì)干擾排風(fēng)柜罩面風(fēng)速的干擾氣流，這些氣流產(chǎn)生的原因非常多，最常見(jiàn)的原因有：門窗的開(kāi)關(guān)、人員的走動(dòng)、室內(nèi)送風(fēng)系統(tǒng)等。雖然我們的排風(fēng)柜目前已經(jīng)能控制大部分污染氣體，但是因?yàn)橐恍┢渌蓴_原因的存在，其控制效果還是受到制約。那么，如何才能提高排風(fēng)柜對(duì)污染氣體的控制性能？下面將逐一進(jìn)行分析。

1 控制變風(fēng)量排風(fēng)柜罩面風(fēng)速的意義

我們實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)系統(tǒng)造價(jià)一般是普通建筑空調(diào)系統(tǒng)的造價(jià)的3～6倍，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也相對(duì)高出許多。目前，為了保證實(shí)驗(yàn)有害氣體能收集完全并合理排放，我們一般都采用新風(fēng)系統(tǒng)。但是，其造價(jià)非常高昂，而變風(fēng)量的排風(fēng)系統(tǒng)是我們降低空調(diào)系統(tǒng)造價(jià)與使用費(fèi)用的一個(gè)有效途徑。

以往的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的排風(fēng)柜的排風(fēng)量是定量的，其運(yùn)行消耗也是定量的，一般其風(fēng)量統(tǒng)一定為最大排風(fēng)量，拉門大小改變并不會(huì)改變其排風(fēng)量大小。而變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)能根據(jù)其拉門是改變而改變罩面風(fēng)速。比如說(shuō)，其最小風(fēng)速為0.5 m/s，那么當(dāng)拉門打開(kāi)1/4時(shí)，其罩面風(fēng)速就增加到2 m/s。當(dāng)整個(gè)拉門完全打開(kāi)，其罩面風(fēng)速能夠立刻增加到10 m/s。但是，過(guò)高的罩面風(fēng)速可能會(huì)導(dǎo)致我們?cè)囼?yàn)臺(tái)的上方氣流劇烈變化，然后還是可能會(huì)導(dǎo)致污染氣體在柜內(nèi)某一處聚集，還可能吹滅我們實(shí)驗(yàn)火焰，破壞實(shí)驗(yàn)的效果。但是罩面風(fēng)速如果不夠，污染氣體不能即使排除，又會(huì)導(dǎo)致我們的實(shí)驗(yàn)人員有吸入有害氣體危險(xiǎn)。所以，我們排風(fēng)系統(tǒng)一定要根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)上的具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行來(lái)調(diào)節(jié)，考慮試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)實(shí)況、室內(nèi)壓力等情況。隨風(fēng)柜拉門大小變化而變化罩面風(fēng)速，并保持在一定范圍能大大地減少我們的實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗。變風(fēng)量的排風(fēng)系統(tǒng)比定量的排風(fēng)系統(tǒng)能節(jié)能20%左右，比如說(shuō)需要換氣6～60ACH的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。如果采用變風(fēng)量的通風(fēng)系統(tǒng)，能節(jié)約非?？捎^的能源。所以，我們的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該普遍采用變風(fēng)量的排氣系統(tǒng)。

2 變風(fēng)量排風(fēng)柜罩面風(fēng)速控制原理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)來(lái)選擇不同規(guī)格的排風(fēng)柜。目前，普遍采用的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7258）中明確規(guī)定了不同性質(zhì)實(shí)驗(yàn)需要的罩面風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)推薦表如表1所示。

表1 英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7258）常規(guī)推薦表

罩面風(fēng)速/（m/s） 排風(fēng)柜的使用實(shí)驗(yàn)類型

Min0.7 帶有放射性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)操作

Min0.5 常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作

Min0.2 化學(xué)物品儲(chǔ)存操作

從表1可以看出，化學(xué)物品儲(chǔ)存的實(shí)驗(yàn)對(duì)于罩面風(fēng)速要求最低，最小為0.2 m/s。如果罩面風(fēng)速過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物品的性質(zhì)發(fā)生變化，不便于儲(chǔ)存操作。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作的最小罩面風(fēng)速為0.5 m/s。這個(gè)要求定量風(fēng)柜能完成。帶有放射性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)操作對(duì)于罩面風(fēng)速的要求比較高，最小達(dá)到0.7m/s。以上實(shí)驗(yàn)類型的排風(fēng)柜都是專門定制出來(lái)的。這種定量排風(fēng)柜使用，造成實(shí)驗(yàn)室的分類過(guò)多，實(shí)驗(yàn)室的利用率降低。而使用變量風(fēng)速控制的排風(fēng)系統(tǒng)，則能滿足不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)操作需求。改變拉門的大小，就可以調(diào)節(jié)其罩面風(fēng)速。將排風(fēng)柜換氣范圍內(nèi)的有害氣體逃逸可能性降到最低，保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)上人員的呼吸安全。

3 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣流控制介紹

經(jīng)過(guò)了40年的實(shí)驗(yàn)室的氣流控制技術(shù)不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)從原始的定風(fēng)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成變風(fēng)量、雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，現(xiàn)階段已經(jīng)不斷完善發(fā)展成了自適應(yīng)性控制系統(tǒng)。這保障了實(shí)驗(yàn)室人員的安全，并且更加節(jié)能，系統(tǒng)控制更加穩(wěn)定性。

3.1 定風(fēng)量控制（CV）

1940年CV誕生，這個(gè)系統(tǒng)的送風(fēng)量是固定的，不會(huì)隨著通風(fēng)柜窗開(kāi)度調(diào)節(jié)而變化。系統(tǒng)特性：控制非常簡(jiǎn)單，安全性能很差，適應(yīng)性不強(qiáng)，且能耗驚人，不能滿足復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的要求。定風(fēng)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.2 雙穩(wěn)態(tài)控制（Two-State）

定風(fēng)量控制系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)的排風(fēng)需求，其安全性和能耗缺陷受到人們的重視，雙穩(wěn)態(tài)控制也就應(yīng)運(yùn)而生了。這個(gè)系統(tǒng)相對(duì)定風(fēng)控制有了一定的改進(jìn)，可以在高風(fēng)、低風(fēng)量之間進(jìn)行選擇，比如一些排風(fēng)量需求小的實(shí)驗(yàn)，或在實(shí)驗(yàn)室夜間休眠期選擇低風(fēng)量檔位運(yùn)行，降低了排風(fēng)系統(tǒng)的能耗，但是與定風(fēng)量系統(tǒng)相似，這個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力差，適應(yīng)性不強(qiáng)。雙穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

3.3 變風(fēng)量控制（VAV）

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了變風(fēng)量控制系統(tǒng)。這種風(fēng)速控制法一般是在排風(fēng)柜的排風(fēng)口設(shè)置一個(gè)風(fēng)速檢測(cè)儀器（比如熱球風(fēng)速檢測(cè)儀、熱線風(fēng)速檢測(cè)儀）來(lái)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行檢測(cè)。將檢測(cè)出來(lái)的罩面風(fēng)速值傳入排風(fēng)系統(tǒng)的控制器內(nèi)，根據(jù)要求的風(fēng)速進(jìn)行控制排風(fēng)門的大小或排風(fēng)馬達(dá)的功率。其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低，缺點(diǎn)是對(duì)閥門的控制精度和反應(yīng)速度的要求高。

3.4 自適應(yīng)控制（UBC）

通過(guò)在拉門上安裝磁鐵距離檢測(cè)器或可變電阻器來(lái)確定排風(fēng)柜拉門的高度。排風(fēng)量根據(jù)我們實(shí)際拉門高度通過(guò)計(jì)算得出。排風(fēng)柜的罩面風(fēng)速普遍采用下式計(jì)算：

v= Q/A= Q/bh. （1）

3.5 通風(fēng)柜氣流控制

HCS的通風(fēng)柜氣流控制采用位移傳感+精確風(fēng)量控制閥的控制系統(tǒng)。只要在排風(fēng)口邊緣安裝一個(gè)罩面風(fēng)速測(cè)量器即可。但是，這個(gè)檢測(cè)的風(fēng)速一般是排風(fēng)口處的風(fēng)速，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)的罩面風(fēng)速與試驗(yàn)臺(tái)上的風(fēng)速不同。所以，采用直接風(fēng)速測(cè)量控制法還是存在一些不足之處，對(duì)于風(fēng)速高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室不推薦使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們的實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)的不斷提高和科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)于一些特殊性質(zhì)的化學(xué)品的深入研究，要求我們現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室對(duì)于通風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)的控制性能不斷提高。罩面風(fēng)速是我們必須重點(diǎn)關(guān)注和研究的，因?yàn)檫@直接關(guān)系到一個(gè)實(shí)驗(yàn)室能否安全進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)支出。以往，我們只通過(guò)檢測(cè)罩面風(fēng)速大小來(lái)判斷一個(gè)排風(fēng)柜的性能好壞，但這種方法是不科學(xué)的，因?yàn)椴煌再|(zhì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)于罩面風(fēng)速的需求也是不同，高風(fēng)速對(duì)于化學(xué)品儲(chǔ)存操作就很大的坡滑行。所以，我們需要因地制宜，根據(jù)實(shí)際需求來(lái)調(diào)整罩面風(fēng)速。比如說(shuō)，我們一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室需要先檢測(cè)實(shí)驗(yàn)人員的呼吸濃度，從而評(píng)判這個(gè)排風(fēng)柜質(zhì)量的好壞。所以，應(yīng)該普遍推廣變風(fēng)量排風(fēng)柜，并深入研究其性質(zhì)，使得我們的變風(fēng)控制技術(shù)水平更高，能更好地保護(hù)我們實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：胡雪飛〕