一種吹吸式槽邊排風(fēng)罩的運(yùn)行成本研究

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110168）

污染物的控制越來越受到重視[1]。最初使用抽吸設(shè)備排除工業(yè)污染物[2]，但其污染物控制效果受到安裝方式、工業(yè)設(shè)備大小、污染物產(chǎn)生量、工作人員的舒適性等限制。因此，出現(xiàn)了吹吸式局部排風(fēng)[3]，在吸風(fēng)氣流的基礎(chǔ)上加入吹風(fēng)氣流，共同承擔(dān)控制和誘導(dǎo)污染物流動(dòng)方向的作用。經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)單側(cè)吹吸式排風(fēng)罩（一側(cè)吹風(fēng)，一側(cè)吸風(fēng)的排風(fēng)罩）吹出的氣流會(huì)卷吸大量空氣，使排風(fēng)量增大并加大耗能[4]。根據(jù)節(jié)約能耗的原則，對(duì)雙側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過試驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證模擬的正確性，為電解槽局部排風(fēng)提供新思路。

1 建立數(shù)值模型

本文研究的雙側(cè)對(duì)稱吹吸式工業(yè)槽邊排風(fēng)罩在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱設(shè)置的條縫式吹風(fēng)口與吸風(fēng)口，空氣通過變頻器控制頻率的吹風(fēng)機(jī)進(jìn)入均壓箱，再由吹風(fēng)口吹出，封住槽內(nèi)液面散發(fā)的氣態(tài)污染物；被封在液面上方的污染氣體經(jīng)吸風(fēng)口抽出后處理。設(shè)定條縫式吹風(fēng)口與吸風(fēng)口長(zhǎng)度方向?yàn)椴鄣拈L(zhǎng)度，取2.0 m，即吹吸風(fēng)口長(zhǎng)度為2.0 m；吹風(fēng)口吹出的氣流方向?yàn)椴鄣膶挾龋?.4 m。其中，吹吸風(fēng)口各自的高度、吹吸風(fēng)口之間的間距、槽寬可調(diào)節(jié)。可根據(jù)這三個(gè)數(shù)值的不同調(diào)節(jié)吹風(fēng)口吹風(fēng)風(fēng)速、吸風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓，達(dá)到控制污染物的目的。模型截面簡(jiǎn)圖如圖1所示，計(jì)算區(qū)域模型圖如圖2所示。

圖1 模型截面簡(jiǎn)圖

圖2 計(jì)算區(qū)域模型圖

選取電解槽液面上方至排風(fēng)罩頂部空間作為數(shù)值模擬研究的計(jì)算區(qū)域，分別設(shè)置風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)與污染物質(zhì)量濃度測(cè)量點(diǎn)，研究計(jì)算區(qū)域內(nèi)的速度、壓力與濃度云圖，分析氣體流動(dòng)規(guī)律。

2 試驗(yàn)研究

對(duì)照模型，搭建相同結(jié)構(gòu)尺寸的試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)前后為透明的亞克力板，兩側(cè)為對(duì)稱設(shè)置的吹風(fēng)箱與吸風(fēng)箱，風(fēng)箱上分別設(shè)有吹風(fēng)口與吸風(fēng)口，風(fēng)箱后方連接風(fēng)機(jī)與變頻器。

試驗(yàn)使用泰克曼分體式數(shù)字風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，由于模擬使用的污染氣體為一氧化碳，具有毒性。因此，使用肥皂泡作為污染物的示蹤，用以判斷污染物的控制效果。

在吹吸風(fēng)口間距為0.30 m、吹風(fēng)風(fēng)速為5.0 m/s、吸風(fēng)壓力為-10.0 Pa的工況下，對(duì)P1、P2、P3觀測(cè)點(diǎn)的速度進(jìn)行測(cè)量?？紤]到風(fēng)速儀只能精確到小數(shù)點(diǎn)后一位以及試驗(yàn)誤差，進(jìn)行4次測(cè)量后取平均值，保留小數(shù)點(diǎn)后兩位，與此工況下模擬的風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)風(fēng)速與模擬風(fēng)速存在一定誤差，但整體貼合度良好，認(rèn)為該試驗(yàn)臺(tái)搭建基本符合模擬驗(yàn)證的需求。

3 影響污染物控制效果的因素

經(jīng)過對(duì)模型內(nèi)氣體流動(dòng)過程的分析，認(rèn)為影響污染物控制效果的因素有吹吸風(fēng)口的尺寸大小、吹吸風(fēng)口的間距、吹風(fēng)口的風(fēng)速、吸風(fēng)口處負(fù)壓、槽寬、槽長(zhǎng)、吸風(fēng)口距液面距離、吹風(fēng)口距排風(fēng)罩罩頂?shù)木嚯x、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣象條件、污染物的散發(fā)速度以及散發(fā)量等。目前，主要研究吹吸風(fēng)口的尺寸大小、吹吸風(fēng)口的間距、槽寬、吸風(fēng)口距液面距離、吹風(fēng)口距排風(fēng)罩罩頂?shù)木嚯x等長(zhǎng)度類別的因素，其他因素作為定值考慮?？筛鶕?jù)流量比法將吹吸風(fēng)口的尺寸大小轉(zhuǎn)化為吹吸風(fēng)量的比值考慮，即對(duì)吸風(fēng)口尺寸決定的吸風(fēng)風(fēng)量、吹風(fēng)口尺寸決定的吹風(fēng)風(fēng)量取一個(gè)比值，稱為風(fēng)量比。從氣體流動(dòng)規(guī)律上考量，由于槽長(zhǎng)方向與吹吸風(fēng)口長(zhǎng)度方向一致，認(rèn)為吹吸風(fēng)氣流在槽長(zhǎng)方向基本不發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，槽長(zhǎng)對(duì)污染物的控制影響甚微；吸風(fēng)口距液面距離主要考慮到吸風(fēng)口處的氣體流動(dòng)導(dǎo)致的電解槽液面波動(dòng)，這個(gè)數(shù)值只需要根據(jù)吸風(fēng)口處流速大小確定一個(gè)最小值即可。吹風(fēng)口距排風(fēng)罩罩頂?shù)木嚯x受到人員操作的限制，能為吹風(fēng)氣流減少來自外界氣體的干擾，可以取一個(gè)最小值。

其中，在吹風(fēng)口高0.015 m、吸風(fēng)口高0.070 m、吹風(fēng)口距罩頂距離為0.15 m、吸風(fēng)口距液面距離0.10 m、吹吸風(fēng)口間距0.30 m、吹風(fēng)速度為5.0 m/s、壓力為-9.5 Pa的工況下，污染物氣體回收效果較好。

4 分析與結(jié)論

在同樣的電解槽尺寸以及同樣的污染物散發(fā)狀況下，對(duì)比本研究中的槽邊排風(fēng)罩和單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩在達(dá)到同樣控制效果時(shí)的能耗情況。單側(cè)槽邊排風(fēng)罩氣流軌跡如圖3所示，雙側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩如圖4所示。

圖3 單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩

圖4 雙側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩

對(duì)于單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩，先使用美國(guó)聯(lián)邦工業(yè)衛(wèi)生委員會(huì)（ACGIH）推薦的方法初步得出風(fēng)量，再用林太郎提出的流量比法核算。假設(shè)單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩吹出氣流的擴(kuò)展角ɑ=10°，吹風(fēng)口出流速度7.5 m/s，可計(jì)算得出吹風(fēng)量0.20 m3/s，吸風(fēng)量為3.42 m3/s。

本文研究的槽邊排風(fēng)罩設(shè)定的吹風(fēng)口風(fēng)速為5.0 m/s，滿足污染物控制要求時(shí)，吸風(fēng)口風(fēng)速在吹吸風(fēng)口間距為0.30 m以及設(shè)定的邊界條件下，測(cè)得數(shù)值為4.13 m/s。根據(jù)吹吸風(fēng)口尺寸0.015、0.075m，計(jì)算得出吹風(fēng)量為0.30 m3/s，吸風(fēng)量為1.24 m3/s。

假設(shè)單側(cè)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)吹風(fēng)側(cè)與吸風(fēng)側(cè)的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓大小一致，將此風(fēng)壓設(shè)為P1，假設(shè)雙側(cè)對(duì)稱吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)吹風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為P2，吸風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為P'2，并假設(shè)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與風(fēng)管管路總阻力大小相等；假設(shè)單側(cè)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)與本文研究的雙側(cè)對(duì)稱吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)所用的吹風(fēng)側(cè)、吸風(fēng)側(cè)的管路系統(tǒng)一致。

設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)的吹風(fēng)側(cè)管道截面積為A，單側(cè)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)管道風(fēng)速為S1，雙側(cè)對(duì)稱吹吸式式排風(fēng)系統(tǒng)管道風(fēng)速為S2，根據(jù)風(fēng)管系統(tǒng)的連續(xù)性方程可知S1/S2=0.67，根據(jù)風(fēng)管管路總阻力計(jì)算方法可知，P1/P2=(S1/S2)2=0.45。設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)的吸風(fēng)側(cè)管道截面積為B，單側(cè)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)管道風(fēng)速為，雙側(cè)對(duì)稱吹吸式式排風(fēng)系統(tǒng)管道風(fēng)速為，根據(jù)風(fēng)管系統(tǒng)的連續(xù)性方程可知，根據(jù)風(fēng)管管路總阻力計(jì)算方法可知，。

風(fēng)機(jī)功率計(jì)算如下：

式中：N——電機(jī)的功率（W）；K——電機(jī)容量安全系數(shù)，取1.5；L——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量（m3/s）；P——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓（Pa）；η——全壓效率，取0.67；ηm——通風(fēng)機(jī)機(jī)械效率，取1。

分別將P2=P1/0.45和=P1/7.62以及兩個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)量代入式（1），計(jì)算得出單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩的吹風(fēng)機(jī)功率為0.45P1、吸風(fēng)機(jī)功率為7.66P1；本文研究的雙側(cè)對(duì)稱吹吸式槽邊排風(fēng)罩的吹風(fēng)機(jī)功率為0.96P1、吸風(fēng)機(jī)功率為0.24P1。

節(jié)能率計(jì)算如下：

式中：E——本文研究的槽邊排風(fēng)罩相對(duì)于單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩的節(jié)能率（%）；N1——單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩吹、吸側(cè)風(fēng)機(jī)功率之和（W）；N2——雙側(cè)對(duì)稱吹吸式槽邊排風(fēng)罩吹、吸側(cè)風(fēng)機(jī)功率之和（W）。

由此，可以看出當(dāng)風(fēng)機(jī)管道等初投資相同的情況下，本文研究的槽邊排風(fēng)罩相對(duì)于單側(cè)吹吸式槽邊排風(fēng)罩節(jié)能率E為85.2%，能有效減少運(yùn)行成本。

在實(shí)際運(yùn)用過程中，可以適當(dāng)犧牲節(jié)能率降低雙側(cè)對(duì)稱吹吸式槽邊排風(fēng)罩的初始投資。