無風管自凈型排風柜面風速實測分析與研究

萬永麗 劉東 皮英俊 王婷婷 張萍

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

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

面風速是評價排風柜性能的重要指標之一，面風速的大小和均勻性關系到排風柜性能的好壞。恒定的面風速能有效地控制柜內(nèi)污染物的逸出，保護實驗室人員的健康。對于常規(guī)排風柜而言，其面風速的影響因素及其性能評價已有不少學者進行了相關研究[2]，由于無風管自凈型排風柜與常規(guī)排風柜在結構上存在較大的差異，其關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，分析了面風速、操作面設計形式、假人高度和位置對無風管自凈型排風柜性能的影響[3]，但是并沒有進行過實測驗證。本文對多臺無風管自凈型的面風速進行實測分析，得到操作面面風速實際分布情況，并提出了影響無風管自凈型排風柜面風速分布均勻性的因素。

1 無風管自凈型排風柜面風速要求

1.1 面風速的要求

JG/T385-2012《無風管自凈型排風柜》[4]規(guī)定：操作型無風管自凈型排風柜的操作孔截面風速應保持于0.4 m/s～0.6 m/s，并應配備截面風速實時監(jiān)測裝置。

如果面風速過大，一方面會影響實驗操作和導致實驗室能耗的增加，另一方面排風柜前進行實驗操作的人員胸前形成負壓區(qū)，紊流的加劇可能會導致柜內(nèi)有害物的散逸；如果面風速過小，排風柜內(nèi)外沒有形成有效的氣流組織，對外界干擾氣流的抵抗力較弱，可能也會導致柜內(nèi)有害物的大量逸出。

1.2 面風速均勻性評價指標

1.2.1 最大偏差與最小偏差

最大偏差是指排風柜操作孔的最大測點面風速與面風速的偏差，最小偏差是指排風柜操作孔的最小測點面風速與面風速的偏差[5]。

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

1.2.2 測點風速的標準偏差Vstd

測點風速的標準偏差Vstd是指測點的瞬時風速與該測點平均風速的標準差[7]，定義為：

式中：Vstd是測點風速的標準偏差；vj是測點j的平均風速，m/s；N是每個測點瞬態(tài)風速個數(shù)，取8；vi是測點的瞬時風速，m/s。

2 無風管自凈型排風柜面風速測試

根據(jù)中國標準 JBT 6412-1999《排風柜》和JG/T385-2012《無風管自凈型排風柜》的規(guī)定，對13臺同一廠家不同型號的無風管自凈型排風柜進行面風速檢測。

2.1 測試原理

無風管自凈型排風柜與傳統(tǒng)排風柜的結構及工作原理有所不同。其結構主要包括側壁、后壁、底板，一個透明的操作面，上面有不規(guī)則或規(guī)則的操作孔。排風柜上面有控制面板可以通過調(diào)整風機的轉速來調(diào)節(jié)風量。頂部是一個可以放置過濾器的框架，不同型號的排風柜有其相對應的風機和過濾器模塊個數(shù)，過濾器的層數(shù)也不同，對于單層分子過濾器，風機一般安裝在分子過濾器的后側；對于雙層分子過濾器，風機一般安裝在兩個分子過濾器之間。其結構示意圖如圖1。

無風管自凈型排風柜的工作原理是，在排風柜頂部風機的抽力作用下，柜內(nèi)形成負壓，攜帶柜內(nèi)散發(fā)的化學污染物的空氣經(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。因此，無風管自凈型排風柜面風速測試比傳統(tǒng)的排風柜簡單方便，只需要根據(jù)不同型號排風柜的拉門高度和分子過濾器的個數(shù)調(diào)整控制面板上風機的轉速來調(diào)節(jié)排風量。

式中：Q為排風柜的排風量，m3/h；v為排風柜的面風速，m/s；A為排風柜操作孔的面積，m2。

圖1 無風管自凈型排風柜外形圖

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，距離排風柜1.5m范圍內(nèi)，無大于0.1m/s的橫向干擾氣流。

針對不同型號的排風柜，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）。針對以上三種工況，風機轉速分別調(diào)整為2100rpm、2800rpm及2850rpm，以確保面風速在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)個網(wǎng)格，各網(wǎng)格的中心或交點定為面風速測試的取樣點，即測點。不同操作口的測點布置見圖2，詳細測點布置方法請參考文獻[4]和文獻[6]。

將風速儀用可調(diào)節(jié)支架固定好，其探頭位于個測點位置，待穩(wěn)定后進行讀數(shù)，每個測點連續(xù)讀數(shù)8次，每個測點測量時間約為10s。

圖2 操作孔截面風速測點布置

3 面風速測試結果與分析

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

根據(jù)表1的測試結果，在13臺排風柜中，6號和7號的平均面風速略低于JG/T385-2012要求的0.4m/s的下限，13臺中沒有平均面風速高于0.55m/s的排風柜，這說明這13臺無風管自凈型排風柜中存在面風速設計值偏低的問題。9號在過濾器為1C和1P2C時面風速最大偏差大于15%，雖然最大測點面風速沒有高于0.6m/s的上限，但是說明這臺排風柜面風速分布不均勻，可能引起局部的渦流。

3.1 面風速分布

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

表1 各臺無風管自凈型排風柜面風速測試結果

圖3 各排風柜平均面風速值匯總

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

圖4 各排風柜面風速分布最大偏差

圖5 各排風柜面風速分布最小偏差

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管自凈型排風柜，可以根據(jù)拉門高度自動調(diào)節(jié)風機的轉速以維持面恒定的風速。以11號排風柜安裝兩層分子過濾器的情況下為例，分別測試該排風柜在拉門高度為200mm、250mm、300mm、350mm、400mm 下的面風速。拉門高度200mm和250mm的情況下布置10個測點，拉門高度300mm、350mm和400mm情況下布置15個測點。不同拉門高度下排風柜各測點風速值匯總見圖6。

圖6不同拉門高度下各測點風速值

圖6 顯示了不同拉門高度下排風柜各測點風速值?？傮w來說，在不同拉門高度下，各測點的風速值波動不是很大，而且都在標準規(guī)定的0.4～0.6m/s的范圍內(nèi)，說明該排風柜面風速分布比較均勻，拉門高度對面風速的影響不大。換而言之，也說明了該排風柜面風速自動監(jiān)控功能良好，可以根據(jù)拉門高度有效地改變風機風量從而維持恒定的面風速。

由于拉門高度改變時，排風柜會自動通過改變風機的轉速調(diào)節(jié)風量的大小以維持面風速的穩(wěn)定。圖7顯示了拉門高度與風機轉速之間的對應關系，可以看出隨著拉門高度增加，風機轉速也相應增加，這是因為拉門高度增加時，操作孔面積增加，為了維持恒定的面風速，風機風量也必須增加。但是，它們之間并不是完全的線性關系，也說明了操作面面風速會有小范圍的波動。

圖7 拉門高度與風機轉速的關系

測點風速的標準偏差Vstd可以被認為是氣流紊流強度的評價指標。為了避免不同面風速對操作孔面風速分布的影響，采用相對標準偏差Vstd/V平均來評價不同拉門高度下面風速的波動情況。將三種拉門高度下（300mm、350mm、400mm）的15個測點以在操作面上的所在列每三個為一組進行匯總，如圖8所示。從圖8可以看出，拉門高度350mm的情況下排風柜測點風速波動比較小，排風柜運行性能比較良好；排風柜操作面右側的測點波動比左側大，這可能是由于并排的風機的差異性導致的，右側風機運行不太平穩(wěn)。

圖8 測點風速波動的相對標準偏差分布

4 結論

1）通過對多臺無風管自凈型排風柜進行面風速測試，得到的面風速值普遍偏低，兩層分子過濾器工況下面風速較其他兩種工況高。

2）面風速分布的最大偏差和最小偏差隨著排風柜風機數(shù)量的增加而增加，面風速分布的均勻性越來越差，說明多個風機風量之間的差異性是導致面風速分布不均的重要原因。

3）拉門高度改變時，面風速波動不是很大，說明排風柜可以根據(jù)拉門高度有效地改變風機風量從而維持恒定的面風速；通過對不同拉門高度下測點風速的相對標準偏差進行分析，得到拉門高度350mm下排風柜測點風速波動比較小，排風柜運行性能比較良好。

[1]劉東,程勇,李斯瑋,等.再循環(huán)自凈型排風柜檢測方法的分析研究[J].潔凈與空調(diào)技術,2011,(2):1-5

[2]程勇,劉東,王婷婷,等.實驗室排風柜面風速要求與實測分析[J].暖通空調(diào),2012,42(8):84-88

[3]程勇,劉東,李斯瑋,等.再循環(huán)自凈型排風柜面風速范圍的最優(yōu)化研究[J].暖通空調(diào),2011,41(4):79-84

[4]同濟大學.無風管自凈型排風柜(JG/T 385-2012)[S].北京:中國標準出版社,2012

[5]陳道俊.變風量排風柜的面風速控制研究[D].上海:同濟大學,2005

[6]同濟大學,宜興市展宏環(huán)保設備有限公司.排風柜(JB/T6412-1 999)[S].北京:機械工業(yè)出版社,1999

[7]Li-Ching Tseng,Rong Fung Huang,Chih-Chieh Chen.Significan-ce of face velocity in relation to laboratory fume hood performan-ce[J].Industrial Health,2010,48:43-51