平行流吹吸式通风气流特性与控制技术研究

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由于污染源面积大,控制距离远,干扰气流强和敞开式作业的原因,导致有机溶剂调配、洗版、粘胶等场所毒物浓度严重超标,对劳动者的职业健康造成巨大伤害。平行流吹吸式通风可有效解决上述问题,但大面积低风速平行流吹吸式通风气流运动规律与控制技术目前尚不清楚。因此,本文采用数值模拟、理论分析、试验测试和实际应用等方法,开展平行流通风气流运动机理研究,以及均匀送风、均匀排风和平行吹吸式通风气流控制技术研究,并对主要研究成果进行实际应用与验证。运用流体力学等基础理论知识,分析了送风气流、排风气流运动机理,以及平行流吹吸式通风换气区域内气流运动特征及污染物控制机理。利用数值模拟和无量纲化处理方法,分析了轴心风速与罩口短边、罩口长边和罩口当量直径之间的变化关系,发现无论均匀送风还是均匀排风均是轴心风速比(v/v0)与罩口当量直径距离比(L/d)的相关性最好,消除了罩口风速和罩口几何尺寸对轴心风速变化规律的影响。研究结果表明:均匀送风罩口轴心风速在0≤L/d<2.5的范围内基本维持罩口风速不变,在2.5≤L/d≤25的范围内符合“v/v0=-0.0409(L/d)+ 1.0933”等式的变化规律,当L/d>25时风速比基本为0。而均匀排风罩口轴心风速在L/d≤2的范围内符合“v/v0=-0.02777(L/d)3+1.246(L/d)2-1.8773(L/d)+1.0176”等式的变化规律,当L/d>2时风速比基本为0。利用数值模拟的方法,对均匀侧排风和均匀下排风罩口风速均匀分布气流控制技术进行了研究,提出了特定尺寸均匀排风气流控制技术。研究结果表明:当侧排风罩尺寸为0.7m长×0.7m高×0.25m厚时,在排风罩内设置2个垂直型挡板,挡板在高度方向上将罩口面积三等分,在距罩口 19cm处设置一个8cm高的前导流板,19cm至25cm之间为顶部排风区域,该区域由两块垂直挡板进行三等分,且在每个区域上方均设置多孔孔板,在距罩口 12cm处设置前部多孔孔板,此时侧排风罩口风速分布均匀性最佳。当下排风工作台为2.5m长×1.2m宽×0.55m高时,在工作台内设5个条缝口,条缝两侧挡板扩张角为83°,从工作台排风口向右条缝口宽度依次为4cm、4.5cm、5cm、7cm、9.5cm,工作台底板倾角为5°,工作台顶部整流段高度为5cm,工作台表面设孔径为2mm、圆孔60°错排的多孔孔板,此时下排风罩口风速分布均匀性最佳。以0.7m长×0.7m高×0.25m厚送风罩为研究对象,开展均匀送风气流控制技术实验研究,研究结果表明:该送风罩采用“3mm蜂窝体+冲孔板+冲孔板+两个风机”的组合方案时,罩口气流分布均匀性最好,其中3mm蜂窝体为铝箔厚1mm、铝蜂窝板孔洞为边长为3mm的正六边形、铝蜂窝板厚度为20mm;冲孔板为孔径2mm、孔间距2mm、60°错排、1mm厚不锈钢孔板。利用数值模拟的方法开展了平行流吹吸式通风气流控制技术研究,研究结果表明:平行流吹吸式通风系统虽然可有效增加污染物的控制距离,但不适宜应用于L/d≥6的情况。在1.5≤L/d≤5.0范围内,流量比(k)是平行流吹吸式通风气流控制的关键参数,当L/d保持不变时,采用不同k值,吹吸式通风换气区域内气流形态可分为“强送”、“协同控制”和“强排”三种状态。当吹吸式气流为“强送”状态时,吹吸式通风不仅不能有效控制污染物,反而由于送风作用增加了污染物的扩散;当吹吸式气流为“强排”状态时,污染物浓度均可得到有效控制,但k值越大,排风系统能耗越高;只有设置适宜的k值才能实现吹吸气流的协同控制,揭示了在1.5≤L/d≤5.0范围内最佳 k值与 L/d 的关系符合“k=0.1675(L/d)3-1.318(L/d)2+3.6085(L/d)-1.5352”等式的变化规律。利用试验测试方法对本文数值模拟和理论推导结果逐一进行试验验证,结果表明数值模拟和理论推导结果是可信的。以使用三氯甲烷进行疫苗纯化的车间为应用场景,将本文主要研究成果进行了实际应用,结果表明本文研究结果是科学的。应用后三氯甲烷浓度降低了 93.8%,充分证明了平行流吹吸式通风的污染物防护效果。污染源面积大,控制距离远,干扰气流强和敞开式作业的场所在多个行业多个工序大量存在,本文研究成果可为上述场所污染物的防控提供基础理论和关键技术支撑,预计具有广泛的应用前景和良好的经济社会效益。
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