一种吹吸式槽边排风罩的运行成本研究

（沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168）

污染物的控制越来越受到重视[1]。最初使用抽吸设备排除工业污染物[2]，但其污染物控制效果受到安装方式、工业设备大小、污染物产生量、工作人员的舒适性等限制。因此，出现了吹吸式局部排风[3]，在吸风气流的基础上加入吹风气流，共同承担控制和诱导污染物流动方向的作用。经过大量研究发现单侧吹吸式排风罩（一侧吹风，一侧吸风的排风罩）吹出的气流会卷吸大量空气，使排风量增大并加大耗能[4]。根据节约能耗的原则，对双侧吹吸式槽边排风罩进行了数值模拟研究，通过试验测量验证模拟的正确性，为电解槽局部排风提供新思路。

1 建立数值模型

本文研究的双侧对称吹吸式工业槽边排风罩在结构上具有对称设置的条缝式吹风口与吸风口，空气通过变频器控制频率的吹风机进入均压箱，再由吹风口吹出，封住槽内液面散发的气态污染物；被封在液面上方的污染气体经吸风口抽出后处理。设定条缝式吹风口与吸风口长度方向为槽的长度，取2.0 m，即吹吸风口长度为2.0 m；吹风口吹出的气流方向为槽的宽度，取1.4 m。其中，吹吸风口各自的高度、吹吸风口之间的间距、槽宽可调节。可根据这三个数值的不同调节吹风口吹风风速、吸风机提供的负压，达到控制污染物的目的。模型截面简图如图1所示，计算区域模型图如图2所示。

图1 模型截面简图

图2 计算区域模型图

选取电解槽液面上方至排风罩顶部空间作为数值模拟研究的计算区域，分别设置风速测量点与污染物质量浓度测量点，研究计算区域内的速度、压力与浓度云图，分析气体流动规律。

2 试验研究

对照模型，搭建相同结构尺寸的试验台。试验台前后为透明的亚克力板，两侧为对称设置的吹风箱与吸风箱，风箱上分别设有吹风口与吸风口，风箱后方连接风机与变频器。

试验使用泰克曼分体式数字风速仪测量风速，由于模拟使用的污染气体为一氧化碳，具有毒性。因此，使用肥皂泡作为污染物的示踪，用以判断污染物的控制效果。

在吹吸风口间距为0.30 m、吹风风速为5.0 m/s、吸风压力为-10.0 Pa的工况下，对P1、P2、P3观测点的速度进行测量。考虑到风速仪只能精确到小数点后一位以及试验误差，进行4次测量后取平均值，保留小数点后两位，与此工况下模拟的风速进行对比。

试验风速与模拟风速存在一定误差，但整体贴合度良好，认为该试验台搭建基本符合模拟验证的需求。

3 影响污染物控制效果的因素

经过对模型内气体流动过程的分析，认为影响污染物控制效果的因素有吹吸风口的尺寸大小、吹吸风口的间距、吹风口的风速、吸风口处负压、槽宽、槽长、吸风口距液面距离、吹风口距排风罩罩顶的距离、实验室内气象条件、污染物的散发速度以及散发量等。目前，主要研究吹吸风口的尺寸大小、吹吸风口的间距、槽宽、吸风口距液面距离、吹风口距排风罩罩顶的距离等长度类别的因素，其他因素作为定值考虑。可根据流量比法将吹吸风口的尺寸大小转化为吹吸风量的比值考虑，即对吸风口尺寸决定的吸风风量、吹风口尺寸决定的吹风风量取一个比值，称为风量比。从气体流动规律上考量，由于槽长方向与吹吸风口长度方向一致，认为吹吸风气流在槽长方向基本不发生扩散运动，槽长对污染物的控制影响甚微；吸风口距液面距离主要考虑到吸风口处的气体流动导致的电解槽液面波动，这个数值只需要根据吸风口处流速大小确定一个最小值即可。吹风口距排风罩罩顶的距离受到人员操作的限制，能为吹风气流减少来自外界气体的干扰，可以取一个最小值。

其中，在吹风口高0.015 m、吸风口高0.070 m、吹风口距罩顶距离为0.15 m、吸风口距液面距离0.10 m、吹吸风口间距0.30 m、吹风速度为5.0 m/s、压力为-9.5 Pa的工况下，污染物气体回收效果较好。

4 分析与结论

在同样的电解槽尺寸以及同样的污染物散发状况下，对比本研究中的槽边排风罩和单侧吹吸式槽边排风罩在达到同样控制效果时的能耗情况。单侧槽边排风罩气流轨迹如图3所示，双侧吹吸式槽边排风罩如图4所示。

图3 单侧吹吸式槽边排风罩

图4 双侧吹吸式槽边排风罩

对于单侧吹吸式槽边排风罩，先使用美国联邦工业卫生委员会（ACGIH）推荐的方法初步得出风量，再用林太郎提出的流量比法核算。假设单侧吹吸式槽边排风罩吹出气流的扩展角ɑ=10°，吹风口出流速度7.5 m/s，可计算得出吹风量0.20 m³/s，吸风量为3.42 m³/s。

本文研究的槽边排风罩设定的吹风口风速为5.0 m/s，满足污染物控制要求时，吸风口风速在吹吸风口间距为0.30 m以及设定的边界条件下，测得数值为4.13 m/s。根据吹吸风口尺寸0.015、0.075m，计算得出吹风量为0.30 m³/s，吸风量为1.24 m³/s。

假设单侧吹吸式排风系统吹风侧与吸风侧的风机风压大小一致，将此风压设为P1，假设双侧对称吹吸式排风系统吹风侧风压为P2，吸风侧风压为P'2，并假设风机风压与风管管路总阻力大小相等；假设单侧吹吸式排风系统与本文研究的双侧对称吹吸式排风系统所用的吹风侧、吸风侧的管路系统一致。

设两个系统的吹风侧管道截面积为A，单侧吹吸式排风系统管道风速为S1，双侧对称吹吸式式排风系统管道风速为S2，根据风管系统的连续性方程可知S1/S2=0.67，根据风管管路总阻力计算方法可知，P1/P2=(S1/S2)2=0.45。设两个系统的吸风侧管道截面积为B，单侧吹吸式排风系统管道风速为，双侧对称吹吸式式排风系统管道风速为，根据风管系统的连续性方程可知，根据风管管路总阻力计算方法可知，。

风机功率计算如下：

式中：N——电机的功率（W）；K——电机容量安全系数，取1.5；L——通风机的风量（m³/s）；P——通风机的风压（Pa）；η——全压效率，取0.67；ηm——通风机机械效率，取1。

分别将P2=P1/0.45和=P1/7.62以及两个系统的风量代入式（1），计算得出单侧吹吸式槽边排风罩的吹风机功率为0.45P1、吸风机功率为7.66P1；本文研究的双侧对称吹吸式槽边排风罩的吹风机功率为0.96P1、吸风机功率为0.24P1。

节能率计算如下：

式中：E——本文研究的槽边排风罩相对于单侧吹吸式槽边排风罩的节能率（%）；N1——单侧吹吸式槽边排风罩吹、吸侧风机功率之和（W）；N2——双侧对称吹吸式槽边排风罩吹、吸侧风机功率之和（W）。

由此，可以看出当风机管道等初投资相同的情况下，本文研究的槽边排风罩相对于单侧吹吸式槽边排风罩节能率E为85.2%，能有效减少运行成本。

在实际运用过程中，可以适当牺牲节能率降低双侧对称吹吸式槽边排风罩的初始投资。