敞口吹吸式排风罩的影响分析及经济计算

刘吉波

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

吹吸式排风罩是利用吹风口吹出的射流，将工业槽或卸载点内散发的污染气流吹向吸风口，在吸风汇流作用下被吸入排风罩内，从而控制敞口槽内散发出的有毒有害气体及蒸汽和或粉尘颗粒物的浓度，达到隔断冷热空气、排除污染气体或烟气的一种通风方式。敞口槽（炉）吹吸式通风在酸洗、电镀、金属熔炼及粉尘处理等生产工艺中得到广泛的应用。本文介绍敞口吹吸式排风罩的影响因素及经济计算方法。

1 吹吸式排风罩的作用原理及布置

吹吸式敞口工业槽排风罩的原理与布置参数，见图1。其中，H为吹吸口的间距；V、W分别为吹、吸风口法兰边高度；b0、b1分别为吹、吸风口的高度。

图1 敞口工业槽吹吸式通风的参数及布置

从吹吸罩的机理来分析，排风量的计算主要有两类方法：一种是只从射流理论来考虑，如风速控制法；另一种是考虑吹吸气流的联合作用，如临界断面法、流量比法、动量比法等。

2 风速控制法设计计算吹吸式排风罩

巴杜林提出的速度控制法认为吹吸气流对污染物的控制能力，取决于吹出气流的速度和作用在吹吸气流上的污染气流（横向干扰气流）的速度之比，只要吸风口前射流末端的平均速度达到一定大小（≮0.75～1 m/s），就可以保证有效地控制有害物。吹吸系统射流轴线上的最低风速vmin是保证防止扰动泄漏、增加稳定性的关键。当吹风射流贴服于散发源表面上时（h/L≤0.15可认为是贴服射流），可根据槽内高温液体，在热源上方散发出的自然对流空气温度及温差来确定最低风速的大小，温差△t越大，干扰气流的流速和流量越大，所需射流出口的最低风速也就越大，其影响关系在槽宽H＞2 m时，近似线性增加，见图2。

图2 槽内液体温度与放散气体的温差变化

而对于非贴服射流，保证系统稳定的条件[1]是：

vmin≥7vB

式中：vmin为槽内横向干扰气流的流速，是槽内有害物放散源的高温有害物流速或室内空气自燃流动的速度。

矩形有害物源上方的干扰气流的轴心速度，可以采用谢别列夫[2]的简化公式计算：

式中：Q为放散源的对流散热量，kCal/s；L、H分别为工业槽的长度和宽度，m；h为槽面有害物放散源到吹吸系统轴线的距离，m。

根据上式即可确定吹风口的风速为：

v0≥vmin

巴杜林速度控制法设计吹吸式工业槽按以下方法计算：

（1）溶液温度为t的工业槽，吸风口前射流的平均速度v′1与槽宽H成正比，按图2或表1选取。

表1 射流平均速度与槽内溶液温度关系

（2）吹风口气流速度v0按平面射流计算。

式中：a为吹风口的紊流系数，取1.15～1.2。

（3）吹风口的高度与风量。

（4）吸风口前的射流量。

（5）吸风口气流速度与排风量。

（6）吸风口的高度。

速度控制法计算简单，但误差较大，一般适用于小型吹吸罩的设计；而对于大型吹吸式排风罩的工程设计，采用流量比法更为清洁、经济、高效。吹吸通风实际上是射流与汇流相互叠加的综合作用，而速度控制法只考虑射流到射流的作用，而没有考虑吸风口的作用，不能达到吹、吸气流的最佳组合，即怎样使吹风量与吸风量之和（q0+q1）保持最小。而且污染物的实际放散速度，是吹吸式排风罩设计的关键[3]，射流在污染气流侧压作用下，会发生偏斜而导致气体的溢出、污染；另外吸气口汇流动量也对射流到达吸气口法兰边的破碎污染起重要的作用。靠近吸气口时，在吸气汇流与射流的联合作用下，气流量急剧上升，动量增大，抗干扰能力明显加强，吸速越大，抗侧压歪斜能力越强，忽略这些重要因素得到的吹吸罩参数显然不够合理。再者，射流抵抗侧压（流）的能力与射流的速度和流量即射流出口的动量有关，防止有害物泄漏溢散的最有效方法是增加出风口射流的流速及流量，而射流出口风速过大，对槽面有害高温气体的扰动过大，容易产生高温、有害气体的溢出及污染，对槽面溶液的化学反应也产生一定的影响。因此，既要使射流出口的风速不宜过大，还要使射流在侧压（流）作用下不至于发生歪斜而泄漏污染，就需要提高射流出口的射流流量与出口高度，保证射流出口有足够的动量，即足够大的射流力。

式中：F为射流力；ρ为射流的密度。

显然射流力F一定时，q0与v0可以有无数的组合，减少v0可以适当的提高q0而不改变射流力的大小。

3 流量比法设计计算吹吸式排风罩

考虑吹吸气流的联合作用，林太郎[4]发明了用流量比法来计算吹吸式排风罩吹、吸风口的风量，并给出了使吹、吸风量之和保持最小的经济式，其方法如下：

若将即将发生泄漏时的流量比称为极限流量比，则排风罩的极限排风量q1L为：

式中：m为安全系数，v0为吹风口风速，m/s；b0为吹风口的高度，m；l为工业槽长度，m；q1、q1L分别为吸风口的流量与极限流量，m3/s；K、KL分别为流量比与极限流量比；q0为吹风口风量，m3/s；qs为从周围吸入的空气量，m3/s；qG为污染气体量，m3/s。

4 吹吸式排风罩的影响分析

极限流量比KL与罩的形状、尺寸、罩与污染物的相对位置，以及污染（干扰）气流的大小等因素有关，即：

式中：b0、b1分别为吹、吸风口的高度，m；H为敞口工业槽吹、吸风口之间的距离，m；V、W分别为吹、吸风口法兰边的高度，m；vG为污染（干扰）气流的速度，m/s；v0为吹风口气流的流度，m/s。

利用有限差分法将上述方程进行离散化数值分析，并规定控制域及边界条件，可以得出极限流量比KL的影响因素，主要受H/b0、W/b0、vG/v0的影响较大。

4.1 W/b0和V/b0的影响

V/b0＞10时，KL保持不变，不受V/b0的影响，故该项对排风量的影响可忽略，即吹风不设法兰边。吸风口法兰边对KL的影响却是较大。当W/b0＜5时（见图3），KL随 W/b0的减少而急剧增大；W/b0≥5时（见图4），KL值趋于稳定，突缘高度不会对气流流线造成显著影响。故设计时，应尽量使W/b0≥5。

图4 二维吹吸式气流V/b0对KL的影响

图3 二维吹吸式气流W/b0对KL的影响

4.2 H/b0的影响

KL随着H/b0的增加而直线上升，就是说，吹吸口之间距离越大，所需的排风量越多。H/b0应小于20～30；吹吸风口的间距H一定时，提高吹风口高度b0，可以减少KL值，从而减少吸风风量的大小。故应适当加大b0高度，采用低速射流，见图5。

图5 二维吹吸式气流H/b0对KL的影响

4.3 vG/v0的影响

vG/v0对KL的影响很大，污染或干扰气流速度越大，所需的风量也越大。设计时以vG/v0=0.3～2.0为宜，应保证0＜(vG/v0)≤3，即尽可能减少横向气流的影响。参考洁净室、结净工作台及相关工作环境的要求，按平面射流风速的公式计算。

其轴心速度为：

按平面壁上锐缘夹缝，取a=0.12，则在吹吸式风口间距为L处的适宜风速为：vL=0.3～0.5 m/s，最大vL≤1 m/s。吹风口风速v0为：

二维吹吸式气流vG/v0对KL的影响，见图6。

图6 二维吹吸式气流vG/v0对KL的影响

流量比法使用于大型吹吸式排风罩的工程设计，较之速度控制法的最大特点是减少了射流出口的速度，增大了出口的高度，避免了高速射流导致的吸风口法兰边上污染物的溢散；吹吸式通风在不同的吸风速度下，能形成不同控制效果的流场。研究表明[5]，若汇流速度场较弱（v1≤1 m/s）时，射流受上升气流作用而发生明显的向上偏转，气流控制效果较差；当v1=1.5～3.0 m/s时，吹吸系统能形成完整的封闭域，具有良好的控制效果。

5 吹吸式排风罩的经济式计算

在保证通风效果的前提下，进行经济设计是十分重要的。吹吸式排风罩的经济式，就是要在确定工业槽合理的W、V、H等参数的条件下，使(q1+q0)为最小。

吹吸式排风罩极限流量比的计算公式为：

上式可写成KL=[A][B][C] 的形式。

由图4可见，V/b0＞10时，V/b0的影响，可以按常数处理，则上式可以简化为：

因为q1=（1+KL）q0，所以有：

若工业槽及排风罩有关参数（H、L、W）和污染源放散风量qG等原始条件给出时，将式（12）对H/b0一次偏微分并令其等于零，即：

中间式中(H b0)-0.69值变化很小，可做常数处理，整理得：

把式（12）的二次偏导数代入上式，可以满足下式要求：

再将式（12）对q0/qG求一价偏微分并令其等于零，即：

整理，得：

把式（12）的二阶微分代入上式，可以满足下式要求：

把式（17）代入式（14）用0.58作为[B]项的代表值，则可得出：

整理得：

将上式带入式（14），整理得：

因为所以有

式（20）～式（22）即为使(q1+q0)为最小的设计经济式条件。

为说明速度控制法与流量比法设计方法的特点，以槽宽H=2.1 m，槽长L=5 m，横向干扰气流vG=0.5 m/s，槽内液体温度为40℃的工业槽进行计算比较，见表2。

表2 速度控制法与流量比法设计比较

表2可以看出，流量比法明显的增大了吹风口高度，降低了吹风风速和吹风量，增大了吸风口的风量和风速，提高了吸风的作用。

研究表明[6]，吹吸式排风罩当吹吸口间距H≤1.5 m，污染干扰气流速度vG≤1.5 m/s，吸风风速v1≥4.2 m/s时，吹吸式排风罩的逸散较低，释放SF6示踪气体检测污染浓度得出的捕集效率可以接近100%。

6 结语

吹吸式通风具有风量小、控制效果好、抗干扰能力强、不妨碍视线、不影响工艺操作等优点，对粉尘、高温热害及有毒有害气体等污染物控制排放效果的优势是十分明显的，在吹吸口的间距较大的宽工业槽中使用，优点尤其突出；在相应领域中如何合理地计算吹吸式排风罩参数，确定合理的流量比和吹、吸经济流量，是保证安全、经济、清洁、高 效的前提。

[1]郑文亨,王怡,唐易达.吹吸式通风技术应用研究现状[J].暖通空调,2011,41(4):1-5.

[2]张建忠.敞口槽面吹吸式通风特性研究[J].南京建筑工程学院学报,1991(4):1-7.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.排风罩的分类及技术条件:GB/T16758-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[4](日)林太郎.工厂通风[M].张本华,孙一坚,译.北京:中国建筑工业出版社,1986.

[5]邹艳.吹吸式通风系统下敞口槽散发液滴的蒸发运动规律及控制效果研究[D].西安:西安建筑科技大学,2016.

[6]徐华舫.空气动力学基础(上册)[M].北京:北京航空学院出版社,1987.