萬永麗 劉東 皮英俊 王婷婷 張萍

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室使用越來越廣泛，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)于人員的健康性以及安全性正在得到越來越多的關(guān)注和重視。排風(fēng)柜是實(shí)驗(yàn)室中最常見的用來控制污染物擴(kuò)散的設(shè)備。它能較好地控制污染源，使其在擴(kuò)散之前就將污染物捕集并排出室外。常見的排風(fēng)柜有定風(fēng)量排風(fēng)柜、變風(fēng)量排風(fēng)柜以及無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜。無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜以其節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安裝靈活和使用方便等特點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注[1]。

面風(fēng)速是評(píng)價(jià)排風(fēng)柜性能的重要指標(biāo)之一，面風(fēng)速的大小和均勻性關(guān)系到排風(fēng)柜性能的好壞。恒定的面風(fēng)速能有效地控制柜內(nèi)污染物的逸出，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室人員的健康。對(duì)于常規(guī)排風(fēng)柜而言，其面風(fēng)速的影響因素及其性能評(píng)價(jià)已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[2]，由于無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜與常規(guī)排風(fēng)柜在結(jié)構(gòu)上存在較大的差異，其關(guān)鍵性能的影響因素還有待研究。程勇等人采用數(shù)值模擬的方法，分析了面風(fēng)速、操作面設(shè)計(jì)形式、假人高度和位置對(duì)無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜性能的影響[3]，但是并沒有進(jìn)行過實(shí)測驗(yàn)證。本文對(duì)多臺(tái)無風(fēng)管自凈型的面風(fēng)速進(jìn)行實(shí)測分析，得到操作面面風(fēng)速實(shí)際分布情況，并提出了影響無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜面風(fēng)速分布均勻性的因素。

1 無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜面風(fēng)速要求

1.1 面風(fēng)速的要求

JG/T385-2012《無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜》[4]規(guī)定：操作型無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜的操作孔截面風(fēng)速應(yīng)保持于0.4 m/s～0.6 m/s，并應(yīng)配備截面風(fēng)速實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置。

如果面風(fēng)速過大，一方面會(huì)影響實(shí)驗(yàn)操作和導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室能耗的增加，另一方面排風(fēng)柜前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的人員胸前形成負(fù)壓區(qū)，紊流的加劇可能會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)有害物的散逸；如果面風(fēng)速過小，排風(fēng)柜內(nèi)外沒有形成有效的氣流組織，對(duì)外界干擾氣流的抵抗力較弱，可能也會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)有害物的大量逸出。

1.2 面風(fēng)速均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.1 最大偏差與最小偏差

最大偏差是指排風(fēng)柜操作孔的最大測點(diǎn)面風(fēng)速與面風(fēng)速的偏差，最小偏差是指排風(fēng)柜操作孔的最小測點(diǎn)面風(fēng)速與面風(fēng)速的偏差[5]。

JBT 6412-1999《排風(fēng)柜》[6]規(guī)定：排風(fēng)柜的面風(fēng)速應(yīng)分布均勻，其最大值、最小值與算術(shù)平均值的偏差應(yīng)小于15%。

1.2.2 測點(diǎn)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差Vstd

測點(diǎn)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差Vstd是指測點(diǎn)的瞬時(shí)風(fēng)速與該測點(diǎn)平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差[7]，定義為：

式中：Vstd是測點(diǎn)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差；vj是測點(diǎn)j的平均風(fēng)速，m/s；N是每個(gè)測點(diǎn)瞬態(tài)風(fēng)速個(gè)數(shù)，取8；vi是測點(diǎn)的瞬時(shí)風(fēng)速，m/s。

2 無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜面風(fēng)速測試

根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn) JBT 6412-1999《排風(fēng)柜》和JG/T385-2012《無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜》的規(guī)定，對(duì)13臺(tái)同一廠家不同型號(hào)的無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜進(jìn)行面風(fēng)速檢測。

2.1 測試原理

無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜與傳統(tǒng)排風(fēng)柜的結(jié)構(gòu)及工作原理有所不同。其結(jié)構(gòu)主要包括側(cè)壁、后壁、底板，一個(gè)透明的操作面，上面有不規(guī)則或規(guī)則的操作孔。排風(fēng)柜上面有控制面板可以通過調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量。頂部是一個(gè)可以放置過濾器的框架，不同型號(hào)的排風(fēng)柜有其相對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)和過濾器模塊個(gè)數(shù)，過濾器的層數(shù)也不同，對(duì)于單層分子過濾器，風(fēng)機(jī)一般安裝在分子過濾器的后側(cè)；對(duì)于雙層分子過濾器，風(fēng)機(jī)一般安裝在兩個(gè)分子過濾器之間。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜的工作原理是，在排風(fēng)柜頂部風(fēng)機(jī)的抽力作用下，柜內(nèi)形成負(fù)壓，攜帶柜內(nèi)散發(fā)的化學(xué)污染物的空氣經(jīng)過分子過濾器吸附凈化處理后，氣體繼續(xù)在室內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。因此，無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜面風(fēng)速測試比傳統(tǒng)的排風(fēng)柜簡單方便，只需要根據(jù)不同型號(hào)排風(fēng)柜的拉門高度和分子過濾器的個(gè)數(shù)調(diào)整控制面板上風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排風(fēng)量。

式中：Q為排風(fēng)柜的排風(fēng)量，m3/h；v為排風(fēng)柜的面風(fēng)速，m/s；A為排風(fēng)柜操作孔的面積，m2。

圖1 無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜外形圖

2.2 測試條件

測試過程中，測試室門窗緊閉，室內(nèi)無人員走動(dòng)，距離排風(fēng)柜1.5m范圍內(nèi)，無大于0.1m/s的橫向干擾氣流。

針對(duì)不同型號(hào)的排風(fēng)柜，測試工況包括：①1層分子過濾器（1C）；②2層分子過濾器（2C）；③1層高效過濾器+2層分子過濾器（1P2C）。針對(duì)以上三種工況，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為2100rpm、2800rpm及2850rpm，以確保面風(fēng)速在0.4～0.6m/s的范圍內(nèi)。

2.3 測試步驟

根據(jù)操作孔的形狀，將操作孔均勻劃分為數(shù)個(gè)網(wǎng)格，各網(wǎng)格的中心或交點(diǎn)定為面風(fēng)速測試的取樣點(diǎn)，即測點(diǎn)。不同操作口的測點(diǎn)布置見圖2，詳細(xì)測點(diǎn)布置方法請(qǐng)參考文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]。

將風(fēng)速儀用可調(diào)節(jié)支架固定好，其探頭位于個(gè)測點(diǎn)位置，待穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，每個(gè)測點(diǎn)連續(xù)讀數(shù)8次，每個(gè)測點(diǎn)測量時(shí)間約為10s。

圖2 操作孔截面風(fēng)速測點(diǎn)布置

3 面風(fēng)速測試結(jié)果與分析

對(duì)13臺(tái)不同型號(hào)的無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜進(jìn)行面風(fēng)速檢測。這13臺(tái)無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜分別屬于兩個(gè)不同的系列，其中1～9號(hào)排風(fēng)柜測試三種工況（1C、2C、1P2C），10～13號(hào)排風(fēng)柜測試兩種工況（2C、1P2C）。1～9號(hào)排風(fēng)柜的操作孔是固定的，不需要改變；10～13號(hào)排風(fēng)柜的操作孔可以通過調(diào)節(jié)拉門高度改變，這4臺(tái)排風(fēng)柜是在拉門高度350mm的情況下進(jìn)行面風(fēng)速測試。各臺(tái)無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜的面風(fēng)速測試結(jié)果匯總見表1。

根據(jù)表1的測試結(jié)果，在13臺(tái)排風(fēng)柜中，6號(hào)和7號(hào)的平均面風(fēng)速略低于JG/T385-2012要求的0.4m/s的下限，13臺(tái)中沒有平均面風(fēng)速高于0.55m/s的排風(fēng)柜，這說明這13臺(tái)無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜中存在面風(fēng)速設(shè)計(jì)值偏低的問題。9號(hào)在過濾器為1C和1P2C時(shí)面風(fēng)速最大偏差大于15%，雖然最大測點(diǎn)面風(fēng)速?zèng)]有高于0.6m/s的上限，但是說明這臺(tái)排風(fēng)柜面風(fēng)速分布不均勻，可能引起局部的渦流。

3.1 面風(fēng)速分布

圖3顯示除了排風(fēng)柜6和7，其余排風(fēng)柜的平均面風(fēng)速均處于0.4～0.55m/s的合理范圍內(nèi)。各排風(fēng)柜安裝的過濾器類型不同時(shí)，面風(fēng)速分布也不同，即對(duì)于兩層分子過濾器（2C）工況，面風(fēng)速值普遍偏高，這是由于2C工況風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（2800rpm）顯著高于1C工況風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（2100rpm）；而IP2C工況由于在風(fēng)機(jī)入口前加了一層高效過濾器，雖然風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（2850rpm）比2C工況（2800rpm）稍微提高，但是由于排風(fēng)柜整體的阻力增加，面風(fēng)速值仍低于2C工況。

表1 各臺(tái)無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜面風(fēng)速測試結(jié)果

圖3 各排風(fēng)柜平均面風(fēng)速值匯總

從圖4和圖5可以看出，各排風(fēng)柜面風(fēng)速的最大偏差和最小偏差之間不存在明顯的相關(guān)性；9號(hào)排風(fēng)柜面風(fēng)速最大偏差明顯高于其他排風(fēng)柜，超過了15%的上限，說明該排風(fēng)柜面風(fēng)速分布很不均勻，這是由于其風(fēng)機(jī)模塊數(shù)量比較多，各個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)上可能存在差異，從而導(dǎo)致局部面風(fēng)速波動(dòng)。此外，圖4和圖5顯示，面風(fēng)速分布的最大偏差和最小偏差隨著排風(fēng)柜編號(hào)整體呈上升趨勢，這說明隨著風(fēng)機(jī)模塊數(shù)的增多，面風(fēng)速分布越來越不均勻。在實(shí)際測試過程中，從排風(fēng)柜的控制面板上也可以看出，多風(fēng)機(jī)模塊的無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜各個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并不完全一樣，各個(gè)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)上存在差異性。因此，對(duì)于無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜，并聯(lián)的多個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量之間的差異性是導(dǎo)致面風(fēng)速分布不均的重要原因。

圖4 各排風(fēng)柜面風(fēng)速分布最大偏差

圖5 各排風(fēng)柜面風(fēng)速分布最小偏差

3.2 拉門高度的影響

操作孔不固定、拉門高度可以改變的無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜，可以根據(jù)拉門高度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以維持面恒定的風(fēng)速。以11號(hào)排風(fēng)柜安裝兩層分子過濾器的情況下為例，分別測試該排風(fēng)柜在拉門高度為200mm、250mm、300mm、350mm、400mm 下的面風(fēng)速。拉門高度200mm和250mm的情況下布置10個(gè)測點(diǎn)，拉門高度300mm、350mm和400mm情況下布置15個(gè)測點(diǎn)。不同拉門高度下排風(fēng)柜各測點(diǎn)風(fēng)速值匯總見圖6。

圖6不同拉門高度下各測點(diǎn)風(fēng)速值

圖6 顯示了不同拉門高度下排風(fēng)柜各測點(diǎn)風(fēng)速值?？傮w來說，在不同拉門高度下，各測點(diǎn)的風(fēng)速值波動(dòng)不是很大，而且都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.4～0.6m/s的范圍內(nèi)，說明該排風(fēng)柜面風(fēng)速分布比較均勻，拉門高度對(duì)面風(fēng)速的影響不大。換而言之，也說明了該排風(fēng)柜面風(fēng)速自動(dòng)監(jiān)控功能良好，可以根據(jù)拉門高度有效地改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量從而維持恒定的面風(fēng)速。

由于拉門高度改變時(shí)，排風(fēng)柜會(huì)自動(dòng)通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小以維持面風(fēng)速的穩(wěn)定。圖7顯示了拉門高度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出隨著拉門高度增加，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加，這是因?yàn)槔T高度增加時(shí)，操作孔面積增加，為了維持恒定的面風(fēng)速，風(fēng)機(jī)風(fēng)量也必須增加。但是，它們之間并不是完全的線性關(guān)系，也說明了操作面面風(fēng)速會(huì)有小范圍的波動(dòng)。

圖7 拉門高度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

測點(diǎn)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差Vstd可以被認(rèn)為是氣流紊流強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了避免不同面風(fēng)速對(duì)操作孔面風(fēng)速分布的影響，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Vstd/V平均來評(píng)價(jià)不同拉門高度下面風(fēng)速的波動(dòng)情況。將三種拉門高度下（300mm、350mm、400mm）的15個(gè)測點(diǎn)以在操作面上的所在列每三個(gè)為一組進(jìn)行匯總，如圖8所示。從圖8可以看出，拉門高度350mm的情況下排風(fēng)柜測點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)比較小，排風(fēng)柜運(yùn)行性能比較良好；排風(fēng)柜操作面右側(cè)的測點(diǎn)波動(dòng)比左側(cè)大，這可能是由于并排的風(fēng)機(jī)的差異性導(dǎo)致的，右側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行不太平穩(wěn)。

圖8 測點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

4 結(jié)論

1）通過對(duì)多臺(tái)無風(fēng)管自凈型排風(fēng)柜進(jìn)行面風(fēng)速測試，得到的面風(fēng)速值普遍偏低，兩層分子過濾器工況下面風(fēng)速較其他兩種工況高。

2）面風(fēng)速分布的最大偏差和最小偏差隨著排風(fēng)柜風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加而增加，面風(fēng)速分布的均勻性越來越差，說明多個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量之間的差異性是導(dǎo)致面風(fēng)速分布不均的重要原因。

3）拉門高度改變時(shí)，面風(fēng)速波動(dòng)不是很大，說明排風(fēng)柜可以根據(jù)拉門高度有效地改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量從而維持恒定的面風(fēng)速；通過對(duì)不同拉門高度下測點(diǎn)風(fēng)速的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析，得到拉門高度350mm下排風(fēng)柜測點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)比較小，排風(fēng)柜運(yùn)行性能比較良好。

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