劉吉波

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

吹吸式排風(fēng)罩是利用吹風(fēng)口吹出的射流，將工業(yè)槽或卸載點(diǎn)內(nèi)散發(fā)的污染氣流吹向吸風(fēng)口，在吸風(fēng)匯流作用下被吸入排風(fēng)罩內(nèi)，從而控制敞口槽內(nèi)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(dá)到隔斷冷熱空氣、排除污染氣體或煙氣的一種通風(fēng)方式。敞口槽（爐）吹吸式通風(fēng)在酸洗、電鍍、金屬熔煉及粉塵處理等生產(chǎn)工藝中得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹敞口吹吸式排風(fēng)罩的影響因素及經(jīng)濟(jì)計(jì)算方法。

1 吹吸式排風(fēng)罩的作用原理及布置

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

圖1 敞口工業(yè)槽吹吸式通風(fēng)的參數(shù)及布置

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

2 風(fēng)速控制法設(shè)計(jì)計(jì)算吹吸式排風(fēng)罩

巴杜林提出的速度控制法認(rèn)為吹吸氣流對(duì)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(fēng)口前射流末端的平均速度達(dá)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(tǒng)射流軸線上的最低風(fēng)速vmin是保證防止擾動(dòng)泄漏、增加穩(wěn)定性的關(guān)鍵。當(dāng)吹風(fēng)射流貼服于散發(fā)源表面上時(shí)（h/L≤0.15可認(rèn)為是貼服射流），可根據(jù)槽內(nèi)高溫液體，在熱源上方散發(fā)出的自然對(duì)流空氣溫度及溫差來確定最低風(fēng)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(fēng)速也就越大，其影響關(guān)系在槽寬H＞2 m時(shí)，近似線性增加，見圖2。

圖2 槽內(nèi)液體溫度與放散氣體的溫差變化

而對(duì)于非貼服射流，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件[1]是：

vmin≥7vB

式中：vmin為槽內(nèi)橫向干擾氣流的流速，是槽內(nèi)有害物放散源的高溫有害物流速或室內(nèi)空氣自燃流動(dòng)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(jiǎn)化公式計(jì)算：

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

根據(jù)上式即可確定吹風(fēng)口的風(fēng)速為：

v0≥vmin

巴杜林速度控制法設(shè)計(jì)吹吸式工業(yè)槽按以下方法計(jì)算：

（1）溶液溫度為t的工業(yè)槽，吸風(fēng)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(nèi)溶液溫度關(guān)系

（2）吹風(fēng)口氣流速度v0按平面射流計(jì)算。

式中：a為吹風(fēng)口的紊流系數(shù)，取1.15～1.2。

（3）吹風(fēng)口的高度與風(fēng)量。

（4）吸風(fēng)口前的射流量。

（5）吸風(fēng)口氣流速度與排風(fēng)量。

（6）吸風(fēng)口的高度。

速度控制法計(jì)算簡(jiǎn)單，但誤差較大，一般適用于小型吹吸罩的設(shè)計(jì)；而對(duì)于大型吹吸式排風(fēng)罩的工程設(shè)計(jì)，采用流量比法更為清潔、經(jīng)濟(jì)、高效。吹吸通風(fēng)實(shí)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(fēng)口的作用，不能達(dá)到吹、吸氣流的最佳組合，即怎樣使吹風(fēng)量與吸風(fēng)量之和（q0+q1）保持最小。而且污染物的實(shí)際放散速度，是吹吸式排風(fēng)罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]，射流在污染氣流側(cè)壓作用下，會(huì)發(fā)生偏斜而導(dǎo)致氣體的溢出、污染；另外吸氣口匯流動(dòng)量也對(duì)射流到達(dá)吸氣口法蘭邊的破碎污染起重要的作用。靠近吸氣口時(shí)，在吸氣匯流與射流的聯(lián)合作用下，氣流量急劇上升，動(dòng)量增大，抗干擾能力明顯加強(qiáng)，吸速越大，抗側(cè)壓歪斜能力越強(qiáng)，忽略這些重要因素得到的吹吸罩參數(shù)顯然不夠合理。再者，射流抵抗側(cè)壓（流）的能力與射流的速度和流量即射流出口的動(dòng)量有關(guān)，防止有害物泄漏溢散的最有效方法是增加出風(fēng)口射流的流速及流量，而射流出口風(fēng)速過大，對(duì)槽面有害高溫氣體的擾動(dòng)過大，容易產(chǎn)生高溫、有害氣體的溢出及污染，對(duì)槽面溶液的化學(xué)反應(yīng)也產(chǎn)生一定的影響。因此，既要使射流出口的風(fēng)速不宜過大，還要使射流在側(cè)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(dòng)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(shí)，q0與v0可以有無數(shù)的組合，減少v0可以適當(dāng)?shù)奶岣遯0而不改變射流力的大小。

3 流量比法設(shè)計(jì)計(jì)算吹吸式排風(fēng)罩

考慮吹吸氣流的聯(lián)合作用，林太郎[4]發(fā)明了用流量比法來計(jì)算吹吸式排風(fēng)罩吹、吸風(fēng)口的風(fēng)量，并給出了使吹、吸風(fēng)量之和保持最小的經(jīng)濟(jì)式，其方法如下：

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

式中：m為安全系數(shù)，v0為吹風(fēng)口風(fēng)速，m/s；b0為吹風(fēng)口的高度，m；l為工業(yè)槽長(zhǎng)度，m；q1、q1L分別為吸風(fēng)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(fēng)口風(fēng)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(fēng)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(duì)位置，以及污染（干擾）氣流的大小等因素有關(guān)，即：

式中：b0、b1分別為吹、吸風(fēng)口的高度，m；H為敞口工業(yè)槽吹、吸風(fēng)口之間的距離，m；V、W分別為吹、吸風(fēng)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(fēng)口氣流的流度，m/s。

利用有限差分法將上述方程進(jìn)行離散化數(shù)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(shí)，KL保持不變，不受V/b0的影響，故該項(xiàng)對(duì)排風(fēng)量的影響可忽略，即吹風(fēng)不設(shè)法蘭邊。吸風(fēng)口法蘭邊對(duì)KL的影響卻是較大。當(dāng)W/b0＜5時(shí)（見圖3），KL隨 W/b0的減少而急劇增大；W/b0≥5時(shí)（見圖4），KL值趨于穩(wěn)定，突緣高度不會(huì)對(duì)氣流流線造成顯著影響。故設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使W/b0≥5。

圖4 二維吹吸式氣流V/b0對(duì)KL的影響

圖3 二維吹吸式氣流W/b0對(duì)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(fēng)量越多。H/b0應(yīng)小于20～30；吹吸風(fēng)口的間距H一定時(shí)，提高吹風(fēng)口高度b0，可以減少KL值，從而減少吸風(fēng)風(fēng)量的大小。故應(yīng)適當(dāng)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(duì)KL的影響

4.3 vG/v0的影響

vG/v0對(duì)KL的影響很大，污染或干擾氣流速度越大，所需的風(fēng)量也越大。設(shè)計(jì)時(shí)以vG/v0=0.3～2.0為宜，應(yīng)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(jié)凈工作臺(tái)及相關(guān)工作環(huán)境的要求，按平面射流風(fēng)速的公式計(jì)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(fēng)口間距為L(zhǎng)處的適宜風(fēng)速為：vL=0.3～0.5 m/s，最大vL≤1 m/s。吹風(fēng)口風(fēng)速v0為：

二維吹吸式氣流vG/v0對(duì)KL的影響，見圖6。

圖6 二維吹吸式氣流vG/v0對(duì)KL的影響

流量比法使用于大型吹吸式排風(fēng)罩的工程設(shè)計(jì)，較之速度控制法的最大特點(diǎn)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(dǎo)致的吸風(fēng)口法蘭邊上污染物的溢散；吹吸式通風(fēng)在不同的吸風(fēng)速度下，能形成不同控制效果的流場(chǎng)。研究表明[5]，若匯流速度場(chǎng)較弱（v1≤1 m/s）時(shí)，射流受上升氣流作用而發(fā)生明顯的向上偏轉(zhuǎn)，氣流控制效果較差；當(dāng)v1=1.5～3.0 m/s時(shí)，吹吸系統(tǒng)能形成完整的封閉域，具有良好的控制效果。

5 吹吸式排風(fēng)罩的經(jīng)濟(jì)式計(jì)算

在保證通風(fēng)效果的前提下，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)是十分重要的。吹吸式排風(fēng)罩的經(jīng)濟(jì)式，就是要在確定工業(yè)槽合理的W、V、H等參數(shù)的條件下，使(q1+q0)為最小。

吹吸式排風(fēng)罩極限流量比的計(jì)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(shí)，V/b0的影響，可以按常數(shù)處理，則上式可以簡(jiǎn)化為：

因?yàn)閝1=（1+KL）q0，所以有：

若工業(yè)槽及排風(fēng)罩有關(guān)參數(shù)（H、L、W）和污染源放散風(fēng)量qG等原始條件給出時(shí)，將式（12）對(duì)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(shù)處理，整理得：

把式（12）的二次偏導(dǎo)數(shù)代入上式，可以滿足下式要求：

再將式（12）對(duì)q0/qG求一價(jià)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(xiàng)的代表值，則可得出：

整理得：

將上式帶入式（14），整理得：

因?yàn)樗杂?/p>

式（20）～式（22）即為使(q1+q0)為最小的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)式條件。

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

表2 速度控制法與流量比法設(shè)計(jì)比較

表2可以看出，流量比法明顯的增大了吹風(fēng)口高度，降低了吹風(fēng)風(fēng)速和吹風(fēng)量，增大了吸風(fēng)口的風(fēng)量和風(fēng)速，提高了吸風(fēng)的作用。

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

6 結(jié)語

吹吸式通風(fēng)具有風(fēng)量小、控制效果好、抗干擾能力強(qiáng)、不妨礙視線、不影響工藝操作等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)粉塵、高溫?zé)岷坝卸居泻怏w等污染物控制排放效果的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)尤其突出；在相應(yīng)領(lǐng)域中如何合理地計(jì)算吹吸式排風(fēng)罩參數(shù)，確定合理的流量比和吹、吸經(jīng)濟(jì)流量，是保證安全、經(jīng)濟(jì)、清潔、高 效的前提。

[1]鄭文亨,王怡,唐易達(dá).吹吸式通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào),2011,41(4):1-5.

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

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).排風(fēng)罩的分類及技術(shù)條件:GB/T16758-2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

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

[5]鄒艷.吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)下敞口槽散發(fā)液滴的蒸發(fā)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及控制效果研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2016.

[6]徐華舫.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)(上冊(cè))[M].北京:北京航空學(xué)院出版社,1987.