基于VAV技术的磨粉粉尘收集设备的研究

任鑫森 王晓建 赵一奇 沈雷鸣

摘 要：通过对烟草科研实验室磨粉室内粉尘组成及其气流组织的测定和分析，运用CAV（定风量）技术及VAV（变风量）技术对不同粉尘采取分类方式收集，对比分析了这两种排风技术在粉尘收集的试验结果，并从噪音和能耗两个方面进行了比较分析。结果表明，VAV（变风量）技术有效捕获磨粉粉尘的性能更好，在相同的工作时间内，VAV（变风量）技术的设备能耗及噪音要低于CAV（定风量）技术。

关键词：烟草科研实验室;磨粉粉尘收集设备;VAV性能试验;实验室

中图分类号：TS43        文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0133-05

Research on Grinding Dust Collection Equipment Based on VAV Technology

Ren Xinsen， Wang Xiaojian， Zhao Yiqi， Shen Leiming

（Shanghai Tobacco Group Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China）

Abstract：Through the measurement and analysis of the dust composition and airflow organization in the milling room of the tobacco research laboratory， and the CAV （constant air volume） technology and VAV （variable air volume） technology are used to collect different dusts in a classified manner， and the two are compared and analyzed. The test results of exhaust air technology in dust collection are compared and analyzed in terms of noise and energy consumption. The results show that the VAV （Variable Air Volume） technology has better performance in effectively capturing grinding dust. In the same working time， the equipment energy consumption and noise of the VAV （Variable Air Volume） technology are lower than the CAV （Constant Air Volume） technology.

Key words：tobacco research laboratory， pulverized dust collection equipment， VAV performance test， laboratory

0 引言

隨着磨粉设备在烟草科研实验室内的大量应用，粉尘收集设备的适配性变得尤为重要。粉尘收集设备虽然品类众多，但是不同粉尘对设备的要求不尽相同，必须加强收集污染物的结合内容，提升试验场所的稳定性与操作性，实验室的特性需要以实验人员为主改善安全与保证实验的顺利结合，实现磨粉实验的稳定进程。

不断加强对收集污染物的处理能力，结合到最新标准与最新技术处理好实验场地的粉尘收集保护与具体作用的融合，实现粉尘处理实验的有效发展与可持续进程，保证粉尘实验室中具体信息融合与实验的顺利发展，切实保证磨粉实验的顺利完成。多台不同品牌和不同规格的磨粉设备，这些磨粉设备在加工过程中稍有操作不当就会有烟丝物料以粉尘状喷出，使用粉尘收集系统可以将这些粉尘状的烟丝物料及时的、不间断的通过管道吸入到收集袋中，这对于保证磨粉加工的正常进行、提升工作效率、保障操作人员的职业健康安全、控制实验室环境污染等都有十分重要的意义。在当今能源紧缺的环境下，变风量系统的应用在保证空气品质优秀的情况下，很大程度的降低HVAC系统中风系统的能耗，充分体现舒适且节能的特点。但在具体应用中，应该视项目情况而异，系统设计、设备选型、控制逻辑都应充分重视。本文通过试验研究了CAV（定风量）技术及VAV（变风量）技术在粉尘收集的试验结果，并从噪音和能耗两个方面进行了比较分析。

1 磨粉粉尘收集设备的组成及原理

通过调研烟草系统多个类似磨粉实验室并走访了部分磨粉实验人员，了解到在磨粉过程中由于现阶段大多采用的是人工投料的方式进行磨粉的操作，因此在所难免的存在投料的不稳定性，当投料一出现不稳定的情况（主要是超过磨粉机能容纳的上限），就有可能出现粉尘外散的现象。同时由于一直以来磨粉粉尘的环境影响没有引起足够的重视，各实验室采用的磨粉粉尘收集装置都比较简单，集尘效果也是相当的不理想。

一类比较通用的磨粉粉尘收集装置是在磨粉操作区域上方安装不锈钢原子抽风罩，再结合管道和风机产生的负压将粉尘吸入到集尘袋中，为了便于实验室人员的磨粉操作往往将不锈钢原子抽风罩安装在以不碰实验室人员头部为基准上方的位置，这样就导致罩口离设备的距离较远。我们知道，磨粉过程产生的是粉尘颗粒不是原子吸收分光光度计做化学分析时挥发出来的化学气味，因此磨粉过程中的集尘效果总是不太理想。加大风机的排风量也不是可取之处，毕竟会增加资金投入、增加运行能耗和室内噪音，同时设备的占地也是需要考虑的问题。

另一类改进型的方式是在操作区域上方悬吊万向排风罩来进行局部排风，我们知道万向排风罩活动半径大，灵活性比不锈钢原子抽风罩要好很多，其局部排风效果还是比较可取的，但是其本身三段式的关节，管道压损比较高，对系统的压损要求比不锈钢原子抽风罩要高。同时三段式关节要想停留在一个排风效果比较理想的位置时，对操作区域的影响还是较大。

当然还有一种最为简单的方法就是在进行磨粉操作的时候由两名工作人员共同参与，其中一名工作人员进行磨粉加料操作，另外一名工作人员用普通吸尘器进行除尘作业，这样就算两人配合相当默契，吸尘器的噪音问题也会令两名工作人员相当不舒服，不是长期除尘的有效选择。为此，我们在综合了前面调研的几款磨粉粉尘收集设备后，经过实验确定了一款主要由操作平台、通风及过滤装置、变频控制系统三部分组成的磨粉粉尘收集设备。所述操作平台包含带万向福马轮的金属箱体及后排风箱体，并配有一件耐磨的大理石桌面。金属箱体内壁自带隔音材料，可有效降低风机运转时产生的噪音对磨粉操作人员的影响。操作平台预留有粉尘清扫收集口，与箱体内粉尘收集桶相连，便于平台桌面的粉尘清扫清洁。万向福马轮可根据地面调节桌面水平固定在一个区域使用，也可以任意移动到所需要的区域使用。所述通风系统包括可任意定位的万向竹节集尘管（含集尘口）、伸缩软管、可变频除尘风机。气流发展与入口位置的操作保持高度一致，并实现气流的有效转动与持续供给，通过粉尘沉降方法的一致，提升口罩气体吸入与过滤的高效一致。集尘口可悬停于操作平台的任意位置，满足不同磨粉设备的吸尘需求;除液晶触摸控制面板控制风机启停、风量大小调节功能外，在集尘罩口处自带手动风量调节阀，可手动调节风量大小。管壁平滑、粉尘通过性好、不易积尘、易清洁、风阻小、可有效降噪。所述过滤装置包括粉尘收集布袋、过滤棉及腔体。通过定期更换的过滤棉、集尘袋及腔体可有效阻止吸入粉尘的二次污染，尾气经过滤后接近零粉尘排放。所述变频控制系统包括变频控制器、压差传感器、PLC编程模块、液晶触碰屏幕的基础信息与控制面板需要相互结合。系统风机安装以及除尘器的设计都需要结合到工作环境的基础内容，并保持除尘效果的有效性，保持滤袋的位置正确。通过PLC编程的变频控制器与液晶触摸控制面板相连接，在控制面板上可根据不同工况实现风机的变频运转。集尘管与伸缩软管相连处设有压差传感器，随时感应管道内的压力波动，并实时将结果反馈到控制面板上，通过监测管道压力变化的数据以确定过滤棉及集尘袋的更换时间。同时液晶触摸控制面板具备风机启停按键、风量调节按键、风机运行状态显示、管道压力显示、风速显示、风量显示、故障显示等功能。

CAV（定风量）技术利用开关信号控制定频风机的启停，不能调节风量的大小，风机恒定模式运转。VAV（变风量）技术利用变频风机+变频控制器+PLC编程来实现VAV变风量技术，通过可视化的液晶触摸控制面板来显示实时的风量、风速和管道压力等运行情况，以及控制风机的启停、风量大小的无级调节。VAV变风量技术的应用，根据负荷变化或要求参数的变化，自动调节系统风量及风机的动力耗能，追求以较少的能耗来满足风量的需求。

2 性能实验

CAV（定风量）技术只要维持风机风量恒定即可，無变化需求及控制需求。为保证风量恒定，风机的工作频率、转速均按初建设时满负荷运行在恒定的设计值上，高风量、高风压、高转速将产生高的能量消耗，能源浪费比较严重。通常不会额外加装自动管理设备，需要排风时启动风机，不需要排风时关停风机，无法进行风量的调节。当然，CAV（定风量）技术的排风参数一经确定可以作为VAV（变风量）技术的最大排风参数，为此我们初步实验还是从CAV（定风量）技术开始。通过前期的不断走访给我们在设备选型前明确了以下3点非常重要的参数：

（1）磨粉粉尘设备的集尘口直径不需要太大，在75～150mm即可。

（2）烟草颗粒物料吸口面风速3～5m/s。

（3）风管内风速选15～16m/s更适宜。

结合以上数据，我们首先将磨粉粉尘设备的集尘口直径确定在100mm， 烟草粉尘物料吸口面风速定在5m/s，根据圆型风管的风量计算公式：Q=3600VA

式中：Q为风量，m3/h;V为风速，m/s;A为截面积，m2。

计算出风量Q=3600×5×0.00785=141.3m3/h，再结合管道压损我们选择了一台HF-100P斜流增压管道风机，具体参数如表1所示。

设备通电运行后，采用美国TSI便携式热线热球风速仪对集尘口进行面风速测定，集尘口面风速可稳定运行在3m/s±0.5范围内，同时采用福禄克噪音计进行操作区域的噪音测定，工作区域周边的噪音只有31db±1，由此可推断排风系统是符合要求的，但是出现一个问题是，磨粉过程中根本就吸不动漂散在磨粉机上方的粉尘，我们去除掉除尘滤袋后再次测定集尘口面风速为7m/s，但依然无法有效吸入磨粉粉尘。为此我们只能更换风量更大的风机，第二次我们选用了一台HF-150P斜流增压管道风机，具体参数如表2所示。

继续通电运行并测定，集尘口面风速可达到9m/s，除尘效果较上一台风机有明显改观但还是不能完全吸走磨粉粉尘。我们只能继续更换风量更大的风机，这次我们直接选用了一台HF-315P的斜流增压管道风机，具体参数如表3所示。

继续通电运行并测定，集尘口面风速达到34m/s，工作区域周边噪音为61db，不论是磨粉时漂散出来的粉尘还是突然投料过大喷散出来的颗粒物料都可以被有效吸走，除尘性能得到磨粉工作人员的一致认可，因此该型风机被确定选用，随后投入到VAV（变风量）技术的测定中去。

VAV的涵义指的是变风量可持续发展角度下的除尘系统风格的生产方式，按照周期性以及规律性变化为主，改善液晶触摸控制面板的有效调整节奏，并结合到工作频率进行风机的工作效率改善，加强转速、风量进行调节，实现节能运行。由于侧吸罩不能完全贴合磨粉设备，只能设置在设备近旁，依靠罩口的抽吸作用在控制点附近形成一定的风速来捕获粉尘，同时，我们知道罩口风速与距离成几何倍衰减，物料投入均需人员操作，在集尘罩口附近一直会有扰动的气流波动，为了提高粉尘捕集率和控制效果，集尘罩口及排风主管必须保持风速不低于10m/s。表4为不同工况下的性能测定数据汇总。

通过对表中的实测数据进行比较，综合工况下的设备能耗比全负荷运行下的设备能耗降低近50%，节能效果相当显著。同时工作噪声大大降低了，接近25%左右。实证显示CAV（定风量）技术控制方式下，系统运转过程中排风量是保持恒定不可变的，能量消耗也是恒定的。只有采用VAV（变风量）技术的控制方式下，可以通过变频器调节风机工作频率、转速的方式对风量进行调节，达到节能效果。根据具体数据综合结果来看，风机的转速与发展动力保持与风量的持续供给配比一致，对于功率和消耗而言，风压变化实现了正常进度环境下的风量与风压的配合，这一点导致了高风量、高风压、高转速的风机能够处理目前状况下的信息记录与整合。

通过对烟草科研实验室内的粉尘收集设备使用情况进行了一段时间的实验并对实验过程进行了记录，结果表明在这一段时间内磨粉实验在每一天当中并没有太多规律，但是我们可以从每次的使用情况当中能找出一些规律，比如磨粉过程中和清洁清扫时属于粉尘传播峰值需要通过全功率大风量运转除尘，而在其它时间段并不需要设备保持在饱和运转状态，因此VAV系统大多数情况下是工作在部分负荷下的，平均工作在峰值负荷的50%左右。在工况发生变化的同时通过可视化的液晶触摸控制面板实时的调节运行模式，通过变频器实时接受、显示、处理信号，并把处理后的信号及时传达给执行器调节风机工作频率、转速的方式对风量进行调节，实现节能运行（保证气流组织在不受明显影响的前提下减小风量）是完全可以实现的。按照一般人的认知得出了具体结合到VAV系统本身的一种有效发展认知，并承担起相关的维护费用，成本相当之高。在粉尘的收集部分根据设备的具體定位以及推广的经验来看，VAV实际上是严密结合到风速与CAV的安全角度进行定位的一种精细化的信号处理与转速结合的有效运作模式，并按照操作者的工作量与具体工作成本内容减少了成本与设备的容量维护成本，提高了运行的效率与价值。

系统中每个部件对噪声都有一定的影响。设计时采取的降噪措施是在噪声发生地和在其直接的周边环境内降低噪声源的声波能量。降低产品噪声的技术措施是降低空气的振动，产品的降噪应重点考虑在产品护罩上采用降噪措施。因此，为了降低噪声，需要考虑多个方面的因素（管道风速和压力要设计合理、风速变化范围不宜过大、管道及风机的密封性和避震一定要到位、管道与风机衔接处尽量用柔性连接，避免产生共振。在风机固定时参照待减振风机的振动频率范围选用合适的橡胶减振元件，这种减振措施可减少振动传导达90%。消减空气振动噪声的吸音材料主要采用微孔型材料，例如塑料、矿物棉或植物棉。它们主要用于腔体、消声器或机器的吸音外罩。材料消减声音能量的能力用吸音系数α来表示（α=1时相当于最大吸音程度），纤维织物的吸音系数如表5所示。

吸音材料的有效性能取决于材料层厚和待消除的振动噪声频率。频率越高，吸音材料的厚度应越厚（尽量等于噪声声波波长的1/4）。当然，噪声被吸收的前提是噪声声波应尽量无阻碍地直接进入吸音材料。当这一前提条件由于技术或结构方面的原因受到了限制时，为了保证足够的吸音能力，噪声直接进入吸音材料的面积不应小于吸音材料表面积的30%。

在工作频率及能耗降低的同时经过实测数据表明噪音也成正比下降，从而为实验室工作人员提供一个更为舒适和安静的工作环境也成为现实。

3 基于VAV技术的磨粉粉尘收集设备的发展展望

随着烟草科研实验室的现代化、科技化的发展，无论从规模还是装备制造水平看，烟草科研实验室内的粉尘收集设备正处于高速发展阶段，加强节能技术的应用和管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境上友好的措施，推进烟草科研实验室内的粉尘收集设备的结构优化，技术进步，贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，也是推进产生发展和维护行业利益的必然选择。在国家大力倡导节能减排的趋势下，职业健康体系的逐步完善下，必将成为基于VAV技术的磨粉粉尘收集设备发展的推动力，从而进一步推动烟草科研实验室除尘技术的发展。

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