无风管自净型排风柜面风速实测分析与研究

万永丽 刘东 皮英俊 王婷婷 张萍

同济大学机械与能源工程学院

0 引言

随着现代科学技术的迅速发展，实验室使用越来越广泛，实验室环境对于人员的健康性以及安全性正在得到越来越多的关注和重视。排风柜是实验室中最常见的用来控制污染物扩散的设备。它能较好地控制污染源，使其在扩散之前就将污染物捕集并排出室外。常见的排风柜有定风量排风柜、变风量排风柜以及无风管自净型排风柜。无风管自净型排风柜以其节能、经济、安装灵活和使用方便等特点受到越来越多的关注[1]。

面风速是评价排风柜性能的重要指标之一，面风速的大小和均匀性关系到排风柜性能的好坏。恒定的面风速能有效地控制柜内污染物的逸出，保护实验室人员的健康。对于常规排风柜而言，其面风速的影响因素及其性能评价已有不少学者进行了相关研究[2]，由于无风管自净型排风柜与常规排风柜在结构上存在较大的差异，其关键性能的影响因素还有待研究。程勇等人采用数值模拟的方法，分析了面风速、操作面设计形式、假人高度和位置对无风管自净型排风柜性能的影响[3]，但是并没有进行过实测验证。本文对多台无风管自净型的面风速进行实测分析，得到操作面面风速实际分布情况，并提出了影响无风管自净型排风柜面风速分布均匀性的因素。

1 无风管自净型排风柜面风速要求

1.1 面风速的要求

JG/T385-2012《无风管自净型排风柜》[4]规定：操作型无风管自净型排风柜的操作孔截面风速应保持于0.4 m/s～0.6 m/s，并应配备截面风速实时监测装置。

如果面风速过大，一方面会影响实验操作和导致实验室能耗的增加，另一方面排风柜前进行实验操作的人员胸前形成负压区，紊流的加剧可能会导致柜内有害物的散逸；如果面风速过小，排风柜内外没有形成有效的气流组织，对外界干扰气流的抵抗力较弱，可能也会导致柜内有害物的大量逸出。

1.2 面风速均匀性评价指标

1.2.1 最大偏差与最小偏差

最大偏差是指排风柜操作孔的最大测点面风速与面风速的偏差，最小偏差是指排风柜操作孔的最小测点面风速与面风速的偏差[5]。

JBT 6412-1999《排风柜》[6]规定：排风柜的面风速应分布均匀，其最大值、最小值与算术平均值的偏差应小于15%。

1.2.2 测点风速的标准偏差Vstd

测点风速的标准偏差Vstd是指测点的瞬时风速与该测点平均风速的标准差[7]，定义为：

式中：Vstd是测点风速的标准偏差；vj是测点j的平均风速，m/s；N是每个测点瞬态风速个数，取8；vi是测点的瞬时风速，m/s。

2 无风管自净型排风柜面风速测试

根据中国标准 JBT 6412-1999《排风柜》和JG/T385-2012《无风管自净型排风柜》的规定，对13台同一厂家不同型号的无风管自净型排风柜进行面风速检测。

2.1 测试原理

无风管自净型排风柜与传统排风柜的结构及工作原理有所不同。其结构主要包括侧壁、后壁、底板，一个透明的操作面，上面有不规则或规则的操作孔。排风柜上面有控制面板可以通过调整风机的转速来调节风量。顶部是一个可以放置过滤器的框架，不同型号的排风柜有其相对应的风机和过滤器模块个数，过滤器的层数也不同，对于单层分子过滤器，风机一般安装在分子过滤器的后侧；对于双层分子过滤器，风机一般安装在两个分子过滤器之间。其结构示意图如图1。

无风管自净型排风柜的工作原理是，在排风柜顶部风机的抽力作用下，柜内形成负压，携带柜内散发的化学污染物的空气经过分子过滤器吸附净化处理后，气体继续在室内循环流动。因此，无风管自净型排风柜面风速测试比传统的排风柜简单方便，只需要根据不同型号排风柜的拉门高度和分子过滤器的个数调整控制面板上风机的转速来调节排风量。

式中：Q为排风柜的排风量，m3/h；v为排风柜的面风速，m/s；A为排风柜操作孔的面积，m2。

图1 无风管自净型排风柜外形图

2.2 测试条件

测试过程中，测试室门窗紧闭，室内无人员走动，距离排风柜1.5m范围内，无大于0.1m/s的横向干扰气流。

针对不同型号的排风柜，测试工况包括：①1层分子过滤器（1C）；②2层分子过滤器（2C）；③1层高效过滤器+2层分子过滤器（1P2C）。针对以上三种工况，风机转速分别调整为2100rpm、2800rpm及2850rpm，以确保面风速在0.4～0.6m/s的范围内。

2.3 测试步骤

根据操作孔的形状，将操作孔均匀划分为数个网格，各网格的中心或交点定为面风速测试的取样点，即测点。不同操作口的测点布置见图2，详细测点布置方法请参考文献[4]和文献[6]。

将风速仪用可调节支架固定好，其探头位于个测点位置，待稳定后进行读数，每个测点连续读数8次，每个测点测量时间约为10s。

图2 操作孔截面风速测点布置

3 面风速测试结果与分析

对13台不同型号的无风管自净型排风柜进行面风速检测。这13台无风管自净型排风柜分别属于两个不同的系列，其中1～9号排风柜测试三种工况（1C、2C、1P2C），10～13号排风柜测试两种工况（2C、1P2C）。1～9号排风柜的操作孔是固定的，不需要改变；10～13号排风柜的操作孔可以通过调节拉门高度改变，这4台排风柜是在拉门高度350mm的情况下进行面风速测试。各台无风管自净型排风柜的面风速测试结果汇总见表1。

根据表1的测试结果，在13台排风柜中，6号和7号的平均面风速略低于JG/T385-2012要求的0.4m/s的下限，13台中没有平均面风速高于0.55m/s的排风柜，这说明这13台无风管自净型排风柜中存在面风速设计值偏低的问题。9号在过滤器为1C和1P2C时面风速最大偏差大于15%，虽然最大测点面风速没有高于0.6m/s的上限，但是说明这台排风柜面风速分布不均匀，可能引起局部的涡流。

3.1 面风速分布

图3显示除了排风柜6和7，其余排风柜的平均面风速均处于0.4～0.55m/s的合理范围内。各排风柜安装的过滤器类型不同时，面风速分布也不同，即对于两层分子过滤器（2C）工况，面风速值普遍偏高，这是由于2C工况风机转速（2800rpm）显著高于1C工况风机转速（2100rpm）；而IP2C工况由于在风机入口前加了一层高效过滤器，虽然风机转速（2850rpm）比2C工况（2800rpm）稍微提高，但是由于排风柜整体的阻力增加，面风速值仍低于2C工况。

表1 各台无风管自净型排风柜面风速测试结果

图3 各排风柜平均面风速值汇总

从图4和图5可以看出，各排风柜面风速的最大偏差和最小偏差之间不存在明显的相关性；9号排风柜面风速最大偏差明显高于其他排风柜，超过了15%的上限，说明该排风柜面风速分布很不均匀，这是由于其风机模块数量比较多，各个风机风量调节上可能存在差异，从而导致局部面风速波动。此外，图4和图5显示，面风速分布的最大偏差和最小偏差随着排风柜编号整体呈上升趋势，这说明随着风机模块数的增多，面风速分布越来越不均匀。在实际测试过程中，从排风柜的控制面板上也可以看出，多风机模块的无风管自净型排风柜各个风机的转速并不完全一样，各个风机调节上存在差异性。因此，对于无风管自净型排风柜，并联的多个风机风量之间的差异性是导致面风速分布不均的重要原因。

图4 各排风柜面风速分布最大偏差

图5 各排风柜面风速分布最小偏差

3.2 拉门高度的影响

操作孔不固定、拉门高度可以改变的无风管自净型排风柜，可以根据拉门高度自动调节风机的转速以维持面恒定的风速。以11号排风柜安装两层分子过滤器的情况下为例，分别测试该排风柜在拉门高度为200mm、250mm、300mm、350mm、400mm 下的面风速。拉门高度200mm和250mm的情况下布置10个测点，拉门高度300mm、350mm和400mm情况下布置15个测点。不同拉门高度下排风柜各测点风速值汇总见图6。

图6不同拉门高度下各测点风速值

图6 显示了不同拉门高度下排风柜各测点风速值。总体来说，在不同拉门高度下，各测点的风速值波动不是很大，而且都在标准规定的0.4～0.6m/s的范围内，说明该排风柜面风速分布比较均匀，拉门高度对面风速的影响不大。换而言之，也说明了该排风柜面风速自动监控功能良好，可以根据拉门高度有效地改变风机风量从而维持恒定的面风速。

由于拉门高度改变时，排风柜会自动通过改变风机的转速调节风量的大小以维持面风速的稳定。图7显示了拉门高度与风机转速之间的对应关系，可以看出随着拉门高度增加，风机转速也相应增加，这是因为拉门高度增加时，操作孔面积增加，为了维持恒定的面风速，风机风量也必须增加。但是，它们之间并不是完全的线性关系，也说明了操作面面风速会有小范围的波动。

图7 拉门高度与风机转速的关系

测点风速的标准偏差Vstd可以被认为是气流紊流强度的评价指标。为了避免不同面风速对操作孔面风速分布的影响，采用相对标准偏差Vstd/V平均来评价不同拉门高度下面风速的波动情况。将三种拉门高度下（300mm、350mm、400mm）的15个测点以在操作面上的所在列每三个为一组进行汇总，如图8所示。从图8可以看出，拉门高度350mm的情况下排风柜测点风速波动比较小，排风柜运行性能比较良好；排风柜操作面右侧的测点波动比左侧大，这可能是由于并排的风机的差异性导致的，右侧风机运行不太平稳。

图8 测点风速波动的相对标准偏差分布

4 结论

1）通过对多台无风管自净型排风柜进行面风速测试，得到的面风速值普遍偏低，两层分子过滤器工况下面风速较其他两种工况高。

2）面风速分布的最大偏差和最小偏差随着排风柜风机数量的增加而增加，面风速分布的均匀性越来越差，说明多个风机风量之间的差异性是导致面风速分布不均的重要原因。

3）拉门高度改变时，面风速波动不是很大，说明排风柜可以根据拉门高度有效地改变风机风量从而维持恒定的面风速；通过对不同拉门高度下测点风速的相对标准偏差进行分析，得到拉门高度350mm下排风柜测点风速波动比较小，排风柜运行性能比较良好。

[1]刘东,程勇,李斯玮,等.再循环自净型排风柜检测方法的分析研究[J].洁净与空调技术,2011,(2):1-5

[2]程勇,刘东,王婷婷,等.实验室排风柜面风速要求与实测分析[J].暖通空调,2012,42(8):84-88

[3]程勇,刘东,李斯玮,等.再循环自净型排风柜面风速范围的最优化研究[J].暖通空调,2011,41(4):79-84

[4]同济大学.无风管自净型排风柜(JG/T 385-2012)[S].北京:中国标准出版社,2012

[5]陈道俊.变风量排风柜的面风速控制研究[D].上海:同济大学,2005

[6]同济大学,宜兴市展宏环保设备有限公司.排风柜(JB/T6412-1 999)[S].北京:机械工业出版社,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