实验室排风柜的安全特性及节约能源的效果研究（可编辑）

  实验室排风柜的安全特性及节约能源的效果研究（可编辑）实验室排风柜的安全特性及节约能源的效果研究（可编辑） 实验室排风柜的安全特性及节约能源的效果研究 中请同济大学工学硕上学位论文 实验室排风柜的安全特性及节能效 果研究 培养单位:机械工程学院 一级学科:土木工程 二级学科:供热、供燃气通风及空调工程 研究生:陈静 指导教师:刘传聚教授 副指导教师:李强民教授 二七年三月摘要 摘要 随着实验室的集中化和大型化的发展,我们面临着能耗和人员安全健康两大 问题,这同样也是实验室通风系统设计人员所面临的问题。一个安全节能的 通风 系统建立在设计者对实验室环境充分...

  实验室排风柜的安全特性及节约能源的效果研究（可编辑） 实验室排风柜的安全特性及节能效果研究 中请同济大学工学硕上学位论文 实验室排风柜的安全特性及节能效 果研究 培养单位:机械工程学院 一级学科:土木工程 二级学科:供热、供燃气通风及空调工程 研究生:陈静 指导教师:刘传聚教授 副指导教师:李强民教授 二七年三月摘要 摘要 随着实验室的集中化和大型化的发展,我们面临着能耗和人员安全健康两大 问题,这同样也是实验室通风系统模块设计人员所面临的问题。一个安全节能的 通风 系统建立在设计者对实验室环境充分了解的基础上,而各种局部排风设备在 实验 室中的应用,成为了实验室安全和能耗问题中的不确定因素。排风柜作为实 验室 局部排风设备的代表,对其安全性和节能性的研究。对于解决实验室的安全 和节 能问题是具有很重要的意义的. 本文以排风柜的演变为线索,从职业安全和空调节能两个方面对排风柜进行 论述,力求为排风柜的应用提供足够的信息。首先通过对排风柜结构的简要介绍, 明确了排风柜的概念和运行原理。接着从安全性和节能性两方面对几种主要的排 风柜做分类说明,并通过对比来反映每种排风柜的优缺点以及使用要求. 排风柜是一种通过排出局部区域产生的污染物,从而维持实验室环境安全的 局部排风设备,通过对有害物质的捕集来保护人员安全。但是这种能力是建立在 诸多因素综合作用的基础上的。这些因素有排风柜本身的性能参数,也有外界环 境的影响。只有在充分了解这些因素对排风柜安全性能所造成影响的性质、大小 的基础上,才能在实际应用中保证排风柜发挥应有的作用。 排风柜必须维持持续排风来保证其对污染物的捕集能力,因此排风柜可谓是 实验室内的耗能大户。实验室新风负荷通常是民用建筑空调负荷的~倍。因 此,研究排风柜的节能性成为必然. 本文首先通过工程实例对排风柜的能耗作了定量的分析,指出排风柜节能的 必要性。接着对迄今为止出现过的排风柜控制

  分别给予说明。排风柜的控制, 关键是控制排风量根据需要发生变化。不同的控制方法因为控制原理,控制 元件 的不同,控制的精确性和灵敏性都是不同的。而排风柜的控制又是实验室通 风控 制系统中不可或缺的一部分,因此只有在充分了解各种方法的原理,运行条 件和 优缺点的前提下,才可以设计出满足需要的实验室通风系统. 关键词:排风柜 职业安全 空调节能 影响因素 控制方法蝴 ? , , . . . ,邪 。. , ,. . . ,. , ... ,. , , .. ,. : , , , ,?学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定, 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前 提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名:砖、衔 岬年易月朋同济大学学位论文原创性

  本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位做作者签名.诗、留第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展,实验研究的逐步深入,实验室已经越来越多地存 在于化学、生物、光学、微电子和核材料等高新技术领域。实验室已经不是 我们 过去所认识的那种传统的实验室,而是高

  的现代实验室。在实验室内, 总是 进行着各种试验,在实验过程中,伴随着大量有害物质如气体、蒸气、粉尘和悬 浮颗粒甚至是放射性物质等的产生,严重地威胁着试验人员的身体健康,不适当 的排放还会污染大气环境. 防止有害物污染室内空气的最有效方法是:在有害物产生地点直接将它们捕 集起来,经过净化处理,排至室外,这种通风方法称为局部通风.在现代实验室 中有很多这类的设备,例如排风柜,万向排气罩等,我们称为局部排风设备. .身体危害定义 在试验过程中,会产生大量的有害性化学物质.化学物质的危害性大小与化 学物质的组成、所进行的操作以及生理和毒物效应有关,也与个人暴露程度、暴 露时间等有关。依据有害物质对人体的危害程度大小,可将有害性物质大体上分 为五个等级,如表所示。等级数越大,对人体危害程度越大。 表 身体危害定义 级别 危害定义 微量就能致命或即使在经快速医学处理后也会残留伤痕。此等级包括: ?可以穿透一般普通橡皮保护衣服的物质 ?通过呼吸或其它接触形式在正常或火灾情况下释放的极其有害的物质例如 有毒 性或是腐蚀性物质 在短时间暴露接触之后,即使经快速医学处理也会有严重的暂时的或残留伤痕。这 个等级包括: ?释放的毒害性极高的可燃性物质 ?对生命体有害的腐蚀性或有毒性物质 经过此化学物质强烈的或短暂的暴露之后,若未经迅速的医疗处理,会导致暂时的 无能或残留的伤痕。这个等级包括: ?释放有毒燃烧产物的物质 ?释放极度恶心燃烧产物的物质 ?在正常或火灾情况下释放没有警告特性的有毒蒸汽的物质 这种物质会产生令人恶心的味道,若不注意医疗处理会有小的残留伤痕。 这个等级包括: ?在火灾情况下释放令人恶心产物的物质 ?造成皮肤瘙痒但不引起皮肤损伤的物质 在火灾情况下除了本可燃物质外不产生有害物质的物质第一章绪论 .排风柜简介 为了保护实验室人员安全,人们设计出各种局部排风设备来消除局部产生的 有害物质。排风柜作为实验室内最常见同时也是最具有代表意义的局部排风设 备,通过对实验室内的局部污染源包括试验中使用和产生的有害物质进行控 制,从而保护实验室周围环境和实验人员安全。它是“一个封闭的通风操作空间, 用以捕集、包容、排除封闭空间内产生的气态污染物”,其工作原理是通过吸入 柜内的气流,产生卷吸作用带走柜内的污染物,经过排风系统而排出室外,从而 维持室内安全的工作环境。 根据排风柜使用的场所,排风柜可以分为化学排风柜、高氯酸排风柜、生物 安全柜、核辐射排风柜以及其他特殊用途的排风柜。其中,化学排风柜最常见, 它广泛应用于大量的研究实验中,是当今化学实验室中不可或缺的重要设备。 按照排风柜的运行模式,化学排风柜可分为定风量排风柜,变风量排风柜和 无管排风柜。其中无管排风柜是指不需要排风管道系统,靠过滤器直接吸收实验 产生的有害物质的排风柜。 悉数排风柜的发展过程,首先出现的是标准型排风柜,即定风量排风柜。它 是现在所有类型排风柜的鼻祖,现有的各种不同类型的排风柜都是在其基础上发 展而来的。然后在保持原有的基本结构不变的基础上针对其存在的问题作了一系 列的改进,这就是旁通型和补风型排风柜的出现。然后在综合这两种排风柜的优 势为基础,导致了一种新型的排风柜的出现,这就是变风量排风柜,直到现在出 现专门为化学实验而设计的无管排风柜的诞生,整个排风柜的发展史,是在不断 的满足实验室需要的多变性的基础上发展起来的。 排风柜的发展过程可以由下图来表示: 图卜捧风柜的发展史 .本课题背景和目的 ..课题背景 伴随着化学等工业的发展,实验室不仅起到了举足轻重的作用,同时也得到 充分发展。此过程中实验室逐渐向着集中化,大型化发展。因此,我们必须面对 第一章绪论 和解决两个重要问题:一是能耗问题:二是实验人员的安全健康问题。 根据美国国家标准,实验室通风采用全新风系统,不使用再循环空气.因此 对新风处理能耗非常惊人.一般情况下,实验室单位面积的能耗是办公楼的~ 倍。有些特殊实验室,像洁净室或大负荷实验室的单位空间的能耗约是公共 建筑或商业建筑的倍。美国环境保护局曾经做过估算:假设美国一 半的实验室节约能耗%,那么全美国每年就要节约能耗亿,这相当 于个家庭的能耗.按照这样的节约方式,每年将会节约.亿美元和减 少.亿顿二氧化碳的释放量,从环境效应讲,这就相当于减少了万辆轿 车的烟气排放量或者阻止了万棵树被砍伐. 排风柜作为一种重要的实验室局部通风设备,得到了非常广泛的应用。根椐 加尼福利亚大学的的调查嘲,在美 国约有一百万台排风柜在各种不同的实验室内使用,在中国也有八千台排风柜被 用来保护实验室人员的安全。 虽然排风柜可以更好的保护试验人员的安全,但是它的能耗也是惊人的。为 了确保实验室人员安全,安装在实验室内的排风柜往往要求在实验室有人时持续 运行,即使没有进行试验也要保证持续的排风量。送入实验室内的空气很大一部 分都被排风柜排走了,而没有起到消除室内负荷并带走实验室内污染物的目的。 考虑到送入实验室内的空气都是经过处理的,也就是说实验室空调系统的能耗绝 大部分都是被排风柜消耗掉了,考虑现代实验室惊人的能耗,这个数字是令人吃 惊的. 理想的排风柜性能应定义为使用者、化学卫生官员和应用工程师这些人联 合努力的结果。实验室排风柜对有害物质的捕集主要基于以下原则:气流进入排 风柜的开口,经过封闭结构在排气端排出,防止污染物的逃逸房间。 但在实际情况中,排风柜捕集有害物质的性能受到许多方面的影响; ?罩面风速 ?开口尺寸 ?拉门位置 ?入口形状及构造 ?任何中间截面的形状 ?与开口相关联的工作区域的内部尺寸及位置 ?排风柜内部检修安装的位置 ?排风口的尺寸及数目 ?后部挡板及排风静压箱的位置 ?旁通设置指旁通型排风柜 ?补风指补风型排风柜 第一章绪论 ?置换送风口的布置和类型 ?排风柜附近风速 ?排风柜开口到实验室室外空间的距离 ?排风柜内部试验人员的运动指可进入排风柜 ?排风柜内部试验仪器的位置、大小和类型 ?仪器到试验人员呼吸带的距离 任何一个因素出现了问题都可能导致排风柜对污染物的控制能力变差,使实 验产生的污染物对试验人员造成伤害. 由此可见,要解决针对实验室当前我们所面临的两大难题,都应该以解决实 验室排风柜的这两大难题为基础。 ..国内外对捧风柜的研究现状 国外。二十世纪五十年代,由海米昂,.,达拉凡里 ,.和勃朗特,.等较早采用控制风速法来确定排风柜的风 量;六、七十年代,美国联邦卫生工业委员会,美国国家标准又完善了 这一方法。八十年代,美国、德国、法国等发达国家已将实验室通风作为建筑通 风的一部分单独编写,美国 对实验室通风

  作了详尽说明, 将实验室排风柜罩面风速作为评价排风柜性能的主要指标.美国学者扎罗里 ..和墨克..及其他学者把计算机引入到排风柜的 辅助设计中。美国学者纽曼对实验室的设计所考虑的实验设施负荷、 排风柜的工作时间、实验室的动力特性以及实验室的能耗作了较为深入的研究。 美国学者戴维斯,..和本杰明.已将变风量通风系统 应用到实验室.美国学者,..已经对实验室通风控制系统有较深入的研 究。前面研究表明“排风柜性能取决于气流特性及风量”,然而对气流特性强调 不够,而太过于强调对风量要求。九十年代,国外大多数学者集中在对排风柜性 能的研究上,如美国的..,..等人使用模拟人呼吸带浓度来 评价排风柜的性能,瑞典的.使用外逸安全值评价排风柜性能。美 国的..、日本的国吉光等人从排风柜结构上研究其对排风柜性能的影 响。美国在原有实验室通风规范的基础上重新编制了实验室排风柜测试方法的标 准 ,对定风量排风柜性能的试验程序作了详细说明,并以排风 柜前实验人员呼吸带有害物的浓度作为衡量排风柜性能的主要指标。德国实验室 标准 在不降低安全等级的前提下作了很大改进,尤其是面风速的减小。 美国学者奥斯马?阿迈德 将神经网络技术应用到实验室通风控 制上,对实验室压力、温度、送排风的控制作了详尽的阐述。随着计算流体力学 的发展,各种模拟软件在通风空调领域应用越来越广泛。美国学者 第一章绪论 .等人对实验室排风柜的气流特性进行了模拟,对不同拉门开度和 排风柜前有操作人员时气流特性作了比较.同时,欧洲排风柜标准 对变风量排风柜的性能测试提出了预案稿,强调了变风量排风框对污染物控制结 果的评价方法和要求. 国内,二十世纪六十年代,中国医学科学院劳动卫生环境卫生营养卫生研究 所纽式如、绍强和沈彦彬对不同结构形式的排风柜作了实验比较.九十年代初, 同济大学李强民教授利用气流显示技术对补风式排风柜的气流特性进行了 分析, 认为补风式排风柜对实验人员的气流特性造成很大影响,一定量和一定气流方向 的外补风对减少试验人员呼吸带有害物质浓度有明显的效果;九十年代后期,他 还主编了我国机械行业标准《排风柜》/,它对定风量排风柜性能 试验作了详尽的描述,并将实验人员呼吸带有害物质浓度作为排风柜性能的主要 指标;年至年又将进行‘变风量排风柜》标准的制定。但是,我国对 实验室通风并未引起足够的重视,实验室通风设计规范并未作详尽的描述。现有 的‘科学实验建筑设计规范》,《机械工厂采暖通风与空调设计规范》 ?对实验室 ,修订后的‘采暖通风与空气调节设计规范》 通风只是作了简要的讲述,不具备完整的设计指导,更何况实验室通风要求与民 用建筑通风要求是完全不同的,从而造成实验室工程设计中许多不妥之处。因此, 这些方面还有许多研究工作要做。 ..课题的目的 虽然国内外现在存在各种规范都对排风柜作了一定的论述,但是这些论述 往往把排风柜作为实验室的辅助设备之一提出来的,其目的还是为实验室设 计提 供一定的参考和依据。此外对排风柜的控制也是作为对实验室通风系统的控制的 一部分而提出,没有一个完全针对排风柜本身所作的论述。本文的目的就是针对 排风柜的结构,性质,性能参数,实验方法和控制手段做一个综合的分析研究, 希望可以对排风柜在我国更好的应用提供一定的帮助和参考。 .本文的研究思路 本文研究思路的框架见图卜:第一章绪论 图?研究思路框架 .本文主要研究内容 第一:排风柜发展到今天,经过了漫长的变化过程,其结构和运行方式上都 在不断的发生变化。本文中将对到目前为止出现的,得到了或是曾经得到广泛应 用的排风柜做一个详细地介绍。包括其结构,运行方式,显著特点和各自具有的 优缺点。 第二:作为试验室最重要的局部排风设备之一,排风柜承担着排出试验产生 的有害物质保护人员安全的重要责任.但是如果对排风柜的性能做一个定性的评 价,这就需要对可以反映排风柜性能的参数进行研究。这些参数在衡量排风 柜的 性能中起到什么样的作用,以及通过怎样的方法来确定这些参数都是值得探讨 的。此外除了排风柜本身的参数外,其安全性能还受到诸多因素的影响,这些因 素有内部的也有外界的,影响效果也有大有小。哪些因素会对排风柜的安全性能 产生关键性的影响,以及这些因素是通过怎样的方式对排风柜产生影响的和影响 的大小,都是在对排风柜进行研究时需要特别注意的. 第三:在强调节能降耗的今天,实验室节能成为了当前实验室研究的一个热 第一章绪论 点.排风柜作为实验室内的耗能大户,其节能性研究对整个实验室通风系统的设 计具有非常重要的意义.但是需要注意的是,不能因为节能而无限度的减少排风 柜的排风量,排风柜的节能研究是建立在保证其安全性的基础上的。如何在确保 安全性的同时尽可能的减少排风量才是研究的关键,现阶段主要是通过各种控制 手段来使排风柜的排风量可以根据使用情况的变化而变化。充分了解这些方法不 仅可以更好地实现对排风柜的控制,同时也是整个实验室控制中不可忽略的 重要 组成部分,具有深远的意义. 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 第二章实验室排风柜的基本结构以及特点 作为化学实验室中最为常见的一种设备,排风柜基本上包括侧壁、后壁、上 部封闭平板,一个底板,一个称为“罩面”的开放入口,一个挡板,一个排风、 加压、通风、配有作为气流分布的导流板系统,进口导流翼面装置,空气旁通 等。图为排风柜的基本结构示意图. 拉门 室内 图捧风柜基本结构示意图 在其发展过程中,排风柜的形式从标准型到旁通型和补风型以及到现在的变 风量型和无管型,在实际应用中安全性,经济型,实用性和灵活性等四个方 面, 它们之间有着很大的差别,结构上也有所变化。下面分别简单介绍一下这几 种形 式. .定风量型 它又分为传统型和旁通型。 传统型??总排风量基本上保持恒定,而面风速随着柜门水平或竖直方向的 移动而变化;其初投资低,但运行费用高昂,从长远来看经济型偏低;由于总 风 量恒定始终保持了面风速需求,因此具有很高的安全型。但当柜门接近关闭位置 时,面风速会增至.~. /,高速气流可能会吹翻实验仪器、吹熄火焰、 降低蒸馏速率、吹散试样材料等干扰柜内进行的实验或在排风柜内产生气流紊 乱,造成污染物在柜内的滞留及外溢。 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 旁通型??总捧风量和面风速基本上保持不交,而柜门只能在竖直方向移 动,在柜门的上方或下方设置进风百叶即旁通口,通过柜门的开度来调节进风口 百叶的进风量;通常进风百叶的进风面积是为了保持面风速的最小变化率要求而 确定的,这样可以有效的降低柜内气流的紊乱程度改善传统型定风量排风柜的气 流特性,提高了安全性.图?对旁通型排风柜运行时柜内气流的流向作了一 个比较明确地说明. 图旁通型排风柜运行情况 ??排风管;??后部挡板;??固定中间狭缝;??可调下部狭缝;?? 工作台;??进口导流翼面装置;??拉门;??旁通口;??灯. 口不带污染物的空气 ? 带污染物的空气 定风量排风柜虽然具有成本低,结构简单,性能稳定的特点,但巨大的运 行能耗一直是它的最大缺点。在能源紧张的今天,它已渐渐呈现出萎缩之势,但 因为其低廉的价格,在一些使用频率不高或者特殊的场合中还有应用. 作为传统型排风柜的完善,旁通型定风量排风柜技术目前也在发展,有资 料表明:持续型旁通排风柜比传统 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 旁通排风柜更能有效的降低靠近柜门处的污染物浓度,从而减少 污染物外溢的危害及可能.持续型旁通排风柜在柜内顶部设有一个旁通送风口, 始终有旁通气流送入,其速度会随着柜门的开度有略微变化;而传统型旁通排风 柜是在柜门的正上方设有一个百叶风口,其旁通风量跟柜门的开度有密切相关, 当柜门全开时,百叶风口被关闭。 此外还出现了一种旁通型排风柜的改良版,在安全性和经济型方面都有了较 大的改善:它没有柜门限位块 或水平滑动柜门 来确保柜门的有限开度,在保证安全的同时降低排风量,通常可以减少 %;利用柜门的位置和流量传感器来控制排风柜后部导流板的开闭;双层导流板 结构配有宽度可调的条缝,能在排风柜内形成层流气流,这样面风速保持在 ./也能满足使用要求,既节省了能源又可以在室内送风不充足的情况下代 替补风型排风柜。 .补风型 这一类型的排风柜是在排风柜上方或是下方设置专门的送风,通过补风系 统补入了一部分室外新风,从而减少了室内空调区域的排风量。补风型排风 柜实 质上也是定风量排风柜的一种,因为系统的排风量在整个过程中仍然是保持 不变 的,只是其中部分气流的来源发生了变化。 根据补风送风风口的位置,补风型排风柜可分为柜内补风和柜外补风两种. 补风型排风柜的优点在理论上主要有两方面:安全性,它利用室外新风冲刷 呼吸区,可使原来产生于柜内前操作人员胸部的涡流下移至腹部,并能稀释 带走 污染物,保证了人员安全;经济性,最高可达总排风量%的补风不必处理 即可送至柜门,若扣除送风能耗则可节约%以上的能耗,大大降低了运行费 用。图介绍了补风型排风柜节能的原因。 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 图柜外补风型排风柜运行情况 ??排风管;??后部挡板;??固定中间狭缝;??可调下部狭缝;?? 工作台;??进口导流翼面装置;??拉门;??旁通口;??灯;??柜 外部风管; ??补风送风口。 不带污染物的空气 带污染物的空气 口? 尽管采用%的外补风可以使原来产生在操作人员胸部的涡流下移.保证了 操作者的安全,还可以节省大量空调能耗。但是在实际应用中,这种形式的排风 柜并没有达到预期的效果。 首先,补风型排风柜引入的大量补风基本上很少和室内空气混合而直接被排 风柜吸走,这就使得房间其他空间区域可能存在的污染物只能通过少量的送风进 行稀释,这本身减少了安全性。而柜前的补风会严重影响柜面处的气流,扰动加 剧,很可能导致有害物溢出.而柜内补风,通过柜面的风量就会减少而导致风速 下降,同样可能导致严重的后果。第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 其次,最初的节能是考虑不对新风处理这一前提而提出的,但是国外文献都 指出,为了确保温度的一致性和操作者的舒适性,补风温度和房间温度差值不宜 过高,一般应小于?,这一要求使得原来建立在新风不处理直接送入的节能效 果大打折扣。另外,一般的补风型排风柜都会在操作者头部、肩部引起吹风感, 使人感到不适,而且补风在冷表面上还会出现结冷凝水的情况。 通常补风型排风柜需要两台风机和两套风管,其初投资较高,从经济性角度 来说并不可取。据手册介绍,美国工业卫生协会标准.就不 鼓励使用补风型捧风柜。补风型排风柜逐渐被市场所淘汰,当然在一些对安全性 等要求不高的地方还会有一定的应用。 为了解决补风型排风柜存在的问题,一种新的补风型排风柜应运而生。这种 排风柜是补风型排风柜与空气幕技术结合的产物,被称为气幕式排风柜。它充分 利用射流能量密集程度高,速度衰减慢,抗干扰能力强的优点,依靠稳定的吹、 吸气流联合作用,通过气幕把有害物质控制在排风柜内,并把它排走,起到了非 常好的隔断,转移污染气流的效果。 气幕式排风柜主要由柜体,均匀送排风装置,导流板和内部排风装置几部分 组成。 图 气幕式捧风柜结构示意图 一集流器;一送风机;一均匀送风挡板;一送风口;一捧风口; 一下吸气条缝;一上吸气条缝;一接排风机和排风处理嚣:一气幕. 根据送风口位置的不同,把气幕式排风柜分为上送气幕式排风柜和下送气幕 式排风柜。当送风气流从送风口均匀送出,排风机从排风柜把送风射流及有害物 质排走,这时操作口处必存在一压力差,或者说在操作口处必有一外来风速 作用 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 于射流,射流在这一压力差或者外来风速作用下必发生偏转,要使射流正好 把排 风柜操作口完全封闭,必存在如下关系: 。 其中:??气幕式排风柜的排风量,?讥; 幺??排风柜内有害物的发生量,/; ’??射流在操作口断面的流量,/. ’ 其中:??射流到达操作口断面时卷吸空气的总量,/; ??送风口的送风量,/。 则: 包 鲮/ 其中:么??射流到达操作断面时卷吸空气的总量与柜内有害物的发生量之 和,/。 令 包/有 吃/一 则为气幕式排风框的极限流量比,也成为吹吸流量比.它是评价气幕式排风 柜的重要参数,当。过小,污染气体会发生泄漏;。过大,排风过量,造成没有 必要的浪费。 气幕式排风柜的诞生很好的解决了补风型排风柜存在的问题。射流把操作口 完全封闭,最大程度的保证了柜内的污染物可以被排走;操作人员只有胳膊和射 流接触,因此射流不会对人体的舒适性产生影响。当室内无干扰风速时,由于射 流的封闭作用以及操作者作为操作口前的障碍物所引起的气流扰动很小,操作者 站在操作前,不会对气幕式排风柜的运行产生影响。此外,气幕式排风柜关键 在于射流可以完全封闭操作口,因此风速是随着操作口的变化而变化的,在一定 的程度上大大的实现了节能的目的.据研究结果显示嘲,气幕式排风柜相比于传 统型排风柜,最大可以节能%以上. .变风量型 变风量排风柜是排风柜发展史上一次质的飞跃,它第一次明确提出排风量 应根据需要变化。在结构上,变风量排风柜具有常规型排风柜所有特征;不同之 处在于变风量排风柜上连接的风机是可变转速的或者排风管上的阀门开度可调, 排风柜上拉门的大小可根据风速自动调节并保证其罩面风速维持在一个定值。捧 风柜设有当操作门关闭时提供规定最小风量的旁通进风百叶。恒定的罩面风 速可 使排风柜内操作空间的有害物质的外溢减少到最低程度,从而使排风柜前操 作人 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 员的安全健康得到最大保证. 变风量排风柜的排风量可以用下式表示:? 式中:??变风量排风柜的罩面风速,/; ??变风量排风柜的拉门开启面积,岔: ,??分别是变风量排风柜开宽度和拉门高度. 变风量排风柜有其自身优点:送风热湿处理能耗的减少;当排风柜拉 门部分或全部关闭后送、排风风机能耗的减少;在变风量系统设计时就已经 考虑到了设备使用的参差性从而减小了建筑机械设备容量。譬如,变风量排 风柜 由于减少%的排风量因而排风机上可以节能%,因为风机功率能耗与流 量或风机转速之间是立方关系,如下方程所示: , 、, , 、, 丑;盟:亟 昱 其中,一功率?;?风机转速/;一流量/: 一状态;一状态。 因此,最近几年变风量排风柜系统、热回收系统正逐步应用于实际工程中。 持续型旁通也可以运用在一般的变风量排风柜上,既能稀释柜门涡流中的污 染 物,又能改善柜内气流组织,降低紊流度。 .无管型 无论是定风量还是变风量排风柜,排放的含污染物的空气最终都是进入大 气,如果不对这部分空气进行净化处理,会严重污染大气环境。同时,不同实验 室排放出的不同物质可能会在大气中结合发生化学反应,形成有毒的物质.因此 在使用排风柜时往往需要考虑到排气的处理问题。 无管排风柜,又称安全净气性通风柜,是近两年来兴起的小型的适用于 中小规模且相对固定的实验操作的局部排风设备,把对有害物质的排放与处理完 整的结合在了一起。其工作原理是采用分子过滤器代替复杂的排风管道系统,含 有污染物的气体经过过滤后直接进入室内再循环,在保证安全的同时充分实现节 能的目的。图?是现在市面上比较常见的两种无管捧风柜。 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 图无管捧风柜 ..基本结构 与前两种排风柜的结构有所不同,无管排风柜的结构基本上包括侧壁、后壁、 底板,一个透明的操作面,上面有不规则或是规则的操作孔,在安放实验设备 时 拉门可以全部打开.没有挡板和狭缝。顶部是一个可放置过滤器的框架,使用时 根据所需要进行的试验放入对应的过滤器。前端安装有照明设备、便易取样装置, 顶部有排气孔。柜内安装有风机和风速仪。其结构示意图如下: 排气孔 便易取样装置 过滤器 操作孔 图无管排风柜结构示意图 相对于标准排风柜和变风量排风柜,无管排风柜结构上的主要特点如下: 顶部装有分子过滤器。顶板上有排风口,方便过滤后的气体直接进入室内. 风机安装在无管排风柜的上端,在工作时在柜内形成负压区。第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 用带操作孔的透明操作面代替了拉门.操作面可以完全打开,方便试验前放 入试验设备,在试验时通过操作孔进行操作。梯形操作孔减少了横向气流对流场 的干扰. 柜内自带风速仪,直接显示面风速。无管排风柜的面风速范围与前两类相同, 都应该控制在.~.钿/的范围内。 ..基本概念 无管排风柜的四个工作阶段 正常操作阶段:无风管排风柜在化学实验正常操作时,过滤器能吸附实验时 所 散发的气体。 检测阶段;无风管排风柜在正常操作至检测到过滤器已饱和的阶段. 安全操作阶段;无风管排风柜在从检测阶段到实验完成而无安全风险的阶 段. 意外操作阶段:无风管排风柜在安全操作阶段后发生化学品意外溢等情况, 操作人员仍可安全操作的阶段。 无管排风柜的类型 无管排风柜按分子过滤器层数分为一级无管排风柜带两层分子过滤器和 二级无管排风柜带一层分子过滤器两种。按过滤气体中的微粒成分分为带亚 高效过滤器或带高效过滤器及不带过滤器. 吸附量:在检测阶段,当测试气体在经过第级别的无管排风柜过滤后,在出 风口检测到其职业性接触限值,意为吸入的各种化学品达到损害人体 康的浓度水平值的%及第级别的无管排风柜经过过滤后,在出风口检测到其 .值的时,此时过滤器吸附的该化学试剂的质量. 过滤效率:过滤效率的定义与传统定义一致,排风柜的过滤系统针对在柜内 使用的化学物质,其过滤效果应符合下列要求: 第一等级的排风柜在正常操作阶段的过滤效果为经过滤后,排出气体中的 值应小于%。 第二等级的排风柜在正常操作阶段的过滤效果为经过滤后,排出气体中的 值应小于%. 第一等级无管排风柜的其它阶段过滤效率要求 一在检测阶段时,不超过该种化学品的的%被释放出来 一在安全操作阶段时,不超过该种化学品的的被释放出来 一完成实验时,如发生意外,不超过该种化学品的的%被释放出 来 第二等级无管排风柜的其它阶段过滤效率要求 第二章实验室捧风柜的基本结构以及特点 一在检测阶段时,排出气体中的值应小于. ..主要优缺点 无管排风柜的优点主要体现在两个方面:节能性。根据尺寸大小,无管 排风柜的排风量很小,仅为一般排风柜排风量的三分之一不到;排风经过过滤器 过滤后再次进入室内再循环,无管排风柜可视为零排放,同时实验室空调系统的 能耗也会大大降低.灵活性.无管排风柜结构小巧,安装方便,移动灵活, 方便随时使用.同时没有复杂的排风管道系统,也不需要对风机和外界管道系统 进行维护. 而其主要缺陷在于:只适用于中小规模且相对固定的化学实验操作.过 滤器对污染物的吸收具有针对性和限量性,一种类型的过滤器只能吸收某一类的 物质,且有吸收上限。因此当柜内所使用的化学物质品种繁多且量大时,不适宜 选用该种排风柜;当过滤器接近饱和时,无管排风柜的过虑效率会相应下降, 无管排风柜没有类似于风量报警监测控制面板一类的监控装置,为了确保试验人 员的安全,就需要定期检查过滤器的饱和度,当过滤器接近饱和时,需要及时更 换新的过滤器,否则无法保证人员的安全;当前,无管排风柜所用的过滤器 的价格还比较高,一般在两千元以上。而一台无管排风柜一般一年需要消耗两个 过滤器,因此在排风柜的数量较多时,初投资也是比较大的。 第三章实验室律风柜的安全性研究 第三章实验室排风柜的安全性研究 随着科学技术的发展和时代的进步,实验室已经应用到越来越多的领域。从 研究、教学到质量控制,从科研院所到工矿企业,从物理、化学、工程材料到生 命科学,都普遍设有供试验研究用的实验室。为了确保实验室内人员的职业安全, 需要对排风柜的安全性予以分析研究。 .影响排风柜安全性能的要素分析 ..评价排风柜安全性的参数 排风柜是为了保护试验人员安全而被设计出来,因为评价排风柜安全性能 的最佳指标便是对试验人员的保护能力的高低。参考各国相关标准,都认为排风 柜前试验人员呼吸带浓度水平是评价实验室排风柜性能的主要指标。 在我国的排风柜标准中,这个参数被称为控制浓度 , 其具体意义是指当捧风柜正常运行时,将排风柜内示踪气体释放器的流量调到 . /,在排风柜前操作人员呼吸带测得的示踪气体浓度。测试控制浓度的 具体方法见参考文献。 控制浓度作为排风柜的最要性能指标之一,是评价排风柜是否可以正常发挥 其保护作用的重要依据。在美国标准/矾中,规定控制浓度是决定 排风柜是否可以投入市场的主要依据,所有的制造商都应该对自己的产品进行控 制浓度试验。 有专家认为,排风柜的安全性还与捧风柜的安装,例如安装在哪里和如何安 装,以及在使用过程中操作人员的习惯有关。因此,在任何一个实验室中的任何 一台捧风柜,都代表了一种独有的运行情况,都应该进行控制浓度试验来确保安 全的工作环境。 除了用操作人员呼吸带前示踪气体的浓度来判断排风柜的安全性能外,国外 专家还提出了一个专门用于评价排风柜安全性的参数??安全系数 。它是指由在操作人员呼吸带所测得的示踪气体的浓度与柜内可能产生 的有害物的释放速度的乘积再除以示踪气体在短时间内的值与流量释放速 度的乘积.有害物质的释放速度由经验值决定?,把所有在排风柜内进行的试验 过程进行冷热划分。冷过程例如从烧杯中倒出溶液认为释放速度是 ./,热过程例如加热酸认为释放速度是./. 根据这个方法计算出来的安全系数可以更好的对排风柜的安全性进行定性 的分析。当计算出来某种污染物的安全系数低于标准中给定的值时,这种污染物 在使用中的安全性就不能得到保证。 虽然控制浓度试验是评价排风柜安全性的最有效的方法,但是考虑到进行该第三章实验室捧风柜的安全性研究 试验的初投资比较大,并不适合在大范围内推广使用,更不用说对实验室中的每 一台排风柜都进行控制浓度试验了.在很多情况下,用面风速试验和流动显示试 验代替控制浓度试验来对排风柜的安全性进行评价。 ..影响排风柜安全性能的要素分析 影响排风柜性能的要素可以分为内因、外因两部分. 内因主要是指排风柜本身结构上存在的缺陷或是排风柜本来具有的一些与 安全性能直接相关的重要性能参数.结构上的原因主要指挡板和排风管道的设 置:包括挡板的形式,位置、排风管道的管径和安装位置。 不同类型的排风柜决定安全性能的参数也各不相同,主要包括: 面风速:越来越多的研究表明,面风速的大小是保证排风柜前操作人员安全 性的决定性因素,目前认为面风速在.~. /之间都是可以接受的,而一 /。 般取. 极限流量比:极限流量比其实是一个由多种因素共同决定的变量,是内外因 素对气幕式排风柜综合作用的集中体现。 分子过滤器的过滤效率:它是决定无管排风柜性能的最重要的参数。过滤器 的过滤效率则直接影响到实验人员的安全和健康。 响应时间:响应时间是变风量排风柜特有的性能参数,它是指变风量排风柜 控制器系统的响应时间,即系统发生变化到再次稳定所需要的时间。 外因则是因为排风柜所处的环境对其造成的影响,在综合诸多因素之后分析 可知对排风柜造成影响最大的主要是以下因素: 送风气流:在所有影响排风柜的外部因素中,送风气流的影响最为重要.它 主要体现在送风气流到达排风柜柜面处的速度大小,而影响这一数值的包括 送风 速度、送风口布置和形式, 柜门的移动:柜门的移动速度确实会对排风柜的性能产生影响,即对柜门处 的气流产生扰动,移动越快,扰动就越大;设定面风速越高,扰动影响就越小。 房间门的开启和人员的走动:在门打开时进入房间的气流会和送风气流一样 影响排风柜的性能,特别是在实验室送风量很小的场合。 .定风量排风柜安全性能研究 ..挡板和排风管道的设置对捧风柜的影响 排风柜气流特征,通常都是通过排风柜后部的挡板和上部的排风管来实现 的。设置良好挡板和排风管可以使柜内气流充分稀释并带走有害气体,而设置不 当,则不仅无法带走有害物确保实验者安全,还可能造成较大的噪声。 第三章实验室捧风柜的安全性研究 通过对内部挡板和排风口不同设置时排风柜内流场的分析,参考文献, 可以得到以下结论: 相对于挡板的设置,捧风管道的管径对柜内气流的影响并不是很大 挡板较少时,很容易形成一个类似于边界层的区域,危害性气体容易在这一区域 积聚,外溢的可能性变大 挡板较多时,入口气流的水平射程较远,因此可以更好的对有害物进行有效稀释 并排除。 ..面风速对安全性能的影响 作为排风柜最为重要的安全因素之一,面风速的大小与排风柜的保护效果直 接相关。面风速过大或是过小都会带来一系列的问题。面风速过小,会造成污染 物在柜内的积聚,最终可能出现污染物外溢的问题。面风速过大,带来更多的问 题。主要体现在:实验人员站在柜前操作,柜面入口处的气流会绕着人体产 生涡流,并上升至呼吸区。入口速度越大,涡流强度也越高;入口面风速过 大,柜内气流发生短路滚动,污染物在某个角度积聚,引发不安全因素;入 口面风速过大,使房间送风量也相应增大,送风速度增大,而考虑到送风气流对 排风柜入口风速的干扰影响,送风速度不宜过高;过高的入口风速,意味着 通过排风柜排出的气流量过大,而这些空气都是经过空调处理过的室内空气,无 形中浪费了能源. 传统的定风量排风柜就是因为当拉门位置过低时,面风速会增大到.~ ./,造成了诸多不利影响才逐渐被市场所淘汰。而在其基础上发展起来的旁 通型和变风量排风柜,都要求面风速维持在一定的范围内。结合节能要求和操作 安全要求,某恒定的面风速能够有效地控制排风柜内有害物质的外逸,从而使排 风柜前操作人员的安全健康得到保证。表给出了各国的排风柜的面风速标准; 表各国捧风柜面风速标准 国家及行业标准 面风速/ .~. 美国职业安全与卫生管理局 加拿大国家标准 . . 澳大利亚标准 . 英国标准 . 瑞典标准 . 日本标准 . 德国工业标准 .~. 中国行业标准第三章实验室捧风柜的安全性研究 一般建议面风速在.~./范围内.如果面风速过小,那么人经过罩面 的气流会把污染物带出,如图所示;如果面风速过大,那么操作时人的胸前 会形成涡流从而把污染物带出,如图所示. 图面风速太小的后果 图.面风速太大的后果 实验室排风柜通过对面风速的控制达到对柜内污染物进行控制的目的,因此 拌风柜罩面风速的实测结果是非常有意义的。旁通型排风柜和变风量排风柜 罩面 风速的测试方法是完全相同的. 对面风速的具体测量方法,可参见参考文献,在这里不多做说明。只对 面风速测量的相关参数做一个说明。 平均面风速:指某拉门开度下整个排风柜罩面风速的平均值,定义为 ;:幽. 面风速相对偏差口;指每种罩面开度下面风速值与平均值之间的相对偏差, 定义为口:,,尤其是最大值相对偏差。 ?面风速不均匀度‖:指排风柜罩面某开度下所测得的面风速标准偏差与平 均 面风速的商值,定义为‖ ;它是面风速均匀性或空间变化的评价 指标。 当雠值不大于%,‖值不大于%时,面风速的分布较为合理,不会 对排风柜的安全性能造成影响。当结果显示面风速不均匀以及某些位置测点 风速 偏离较大时,可能是排风柜内部结构的原因或实验室送风对排风柜面风速的 影 第三章实验室捧风柜的安全性研究 响,具体原因应该在对排风柜所处的环境进行分析后确定. ..极限流量比对排风柜安全性能的影响 极限流量比是气幕式排风柜特有的性能参数,影响极限流量比的主要因素 有: 厂送风位置,口,, 式中:?送风口的紊流系数: ?送风口的半宽度,; 一排风柜操作口的高度,. 当送风位置以及送风口扩散性能一定时,吒,日厂争即气幕 式排风柜的极限流量比只与瓦有关。当排风量一定时,随着送风口宽度的增加, 所需要的送风量逐渐增加,置值越来越小,这是由于在相同的送风量的情况下, 送风口越宽,其射流抗弯能力越低,卷吸空气越小的缘故.在送风口宽度,排风 量一定时,随着排风柜操作口高度的增加,:工值呈增加趋势。即射流卷入的空 气量增大,冷量或热量消耗也大。 无论是上送风还是下送风,其极限流量比都随着的增大而增大,并且在 其他条件相同的情况下,下送要大于上送. 此外,室内空气风速大小和方向同样会对极限流量比造成影响。随着外来 风速的增大,气幕式排风柜的极限流量比越小,这是由于射流在外来风速的作用 下,射流将更加弯曲,不足以封闭操作口,这时必须增大送风量,以提高射流抗 弯能力,重新将操作口封闭,所以必会引起蚝的下降,随外来风速的增大气逐 渐减小。 ..送风对摔风柜安全性能的影响 实验室排风柜的主要目的是控制实验过程中柜内污染物的溢出,防止危害第三章实验室捧风柜的安全性研究 操作人员的安全和健康。目前强调控制排风柜面风速来达到控制危害物不溢出的 目的.而室内送风可能会对面风速造成影响,从而破坏排风柜对危害物的控制, 对排风柜的安全性造成影响.此外,当送风口的位置距排风柜比较近时,除了对 面风速的影响外,还使送风大部分被排风柜直接排走,造成能量的浪费。 在评价送风对面风速造成的影响时,选取与面风速相关的几个参数作为评价 指标. 平均面风速:定义与前面提到的相同.平均面风速的取样测量值不能 偏离面风速的设定值很大,它是以下几个指标的基础。 面风速范围,血,.,一:指排风柜罩面上面风速的分布范围。最小面 风速不能过小,同时最大面风速不能过大。否则会引起排风柜内气流的“滚动”, 形成涡流,从而会导致污染物容易溢出. 面风速相对偏差秽:定义与前面一致.需要注意的是最大相对偏差。面 风速相对偏差越小越好,从而过冲面风速就越小,这样面风速就越稳定。 面风速不均匀度‖:定义同前面一致。 评价排风柜性能好坏和干扰气流对排风柜气流影响大小要综合考虑这几个 指标,不能光看某个指标. 在改变送风速度,送风口与排风柜的距离,送风口类型和实验室送风方式的 条件下,研究送风对排风柜面风速的影响,可以得到如下结论: 在相同的送风距离下,出风口速度越大引起周围气流扰动就越大,从而 对排风柜的面风速分布影响越大. 由于风口出风速度较低及气流特性流向和流态的优势,低速孔板送 风口比四面出风方形散流器、三面出风方形散流器更适用于实验室通风系统。在 出风速度基本相同的条件下,三面出风方形散流器并非比四面出风方形散流器的 整体效果好,尤其三面出风方形散流器对排风柜罩面内两侧边缘附近的局部气流 影响更大 不同型式送风口的送风气流对排风柜面风速的影响均随着送风距离的增 大而减小。 从安全角度考虑,实验室内应当保持适当的低速送风。在排风柜密度相第三章实验室捧风柜的安全性研究 对较大的空间且送风量较大时应当增大单个风口有效出风面积或增加风口数量, 譬如使用孔板送风口、穿孔顶棚和大风量辐射型散流器等. ..房间门开启和人员走动对排风柜安全性能的影响 实验室房间门窗的开启、人员的走动以及实验人员的活动一般会产生强烈的 气流扰动,从而会影响排风柜气流对污染物的控制.人员活动的空间和实验室内 排风柜与捧风柜、工作台、门窗、立柱和安全通道之间的相对位置有着直接 关系. 如果这些相对位置及大小不恰当,那么人员活动就会对排风柜气流控制产生不同 程度的影响。 人员的活动往往会在实验室内产生横向气流,排风柜罩面采样平均面风速 采样、面风速均匀度、采样面风速范围和面风速最大相对偏差都是随着横向 干扰气流:增大而变大? 既然横向干扰气流对排风柜面风速影响很大,就要尽量减少横向干扰气流 源,减小干扰气流速度大小。因此使实验室排风柜与其它物体包括排风柜、工 作台、建筑立柱、墙体、门窗等等之间保持恰当的相对位置和参考距离,可以 使干扰气流的影响降到最低;同时应该考虑到人流线路对排风柜气流控制的破坏 性,选择影响最小的线路 .变风量排风柜安全性能研究 变风量排风柜是在定风量的基础上发展起来的,两者在结构上,基本原理上 均有诸多相同之处,因此在影响安全性能的要素上也大致相同。但是在决定排风 柜安全性能的参数中,除了以前提到过的面风速分布状况之外,变风量排风柜还 有一个自身所独有的性能参数一响应时间。 ..响应时间的定义和讨论 “响应时间”是变风量排风柜独有的性能参数,它实际上是指变风量排风 柜控制器系统的响应时间。美国标准/ ?定义的变风量 排风柜控制器系统响应时间是指当拉门以./~./的速度从%拉 门高度开启至全开状态面风速达到设定值允许偏差在士%以内所需要的时 间。 定义的变风量排风柜控制器系统响应时间是指流量或面风速第三章实验室 捧风柜的安全性研究 等参数从某设定值变化后重新达到且维持在该值允许偏差在 以内所需 要的时间。我国目前给予响应时间的定义是变风量排风柜拉门位置变化后, 面风 速重新达到设定值时所需要的时间。 响应时间是实验室变风量排风柜的主要指标。响应时问愈短排风柜泄漏风险 愈小。然而在现在各国标准在定义响应时间的起始时刻,拉门移动到位的时 间, 拉门移动速度,响应时间的数值等方面尚不统一。 变风量排风柜拉门位置,排风量与响应时间的关系如图?所示: , % . 慨。一 、 / 八一 ?卜一 , 、 ., 、 、 拉门位置 、 排风量 , % 拉门最小时捧 ’ , 风量设定值 、 , 、 , ? / , ,~ % ’ 『 一.%时间 图?交风量捧风柜拉门位置,捧风量与响应时问的关系 图中纵坐标表示拉门位置及排风量,横坐标表示时间。横坐标中的点表示 拉门开始向上拉动的时刻,点表示拉门拉到最大位置的时刻,点表示排风量 到达设定值允许偏差?%的时刻,、及表示拉门向下拉动的相应 时刻。瑞典,美国,

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