集气罩及管道设计

1 第八章集气罩及管道设计 2 主要内容 通风排气系统设计的基本内容通风排气系统的分类局部排气系统全面通风系统事故排气系统集气罩的设计集气罩罩口气流运动的规律集气罩的基本形式集气罩的主要性能集气罩的设计方法管道系统的设计管道内气体流动的压力损失和压力分布管道计算管道布置与部件管道的保温及防爆措施 3 8 1通风排气系统设计的基本内容 用通风的方法改善车间空气环境 简单地说 就是在局部地点或整个车间把不符合卫生标准的污浊空气排至室外 把新鲜空气或经过净化符合卫生标准要求的空气送入室内 前者称为排风 后者称为进风 防止工业有害物污染室内空气在有效的方法是 在有害物产生地点直接把它们捕集起来 经过净化处理 排至室外 这种通风方法称为局部排风 局部排风系统需要的风量小 效果好 设计时要优先考虑 如果受生产条件限制 有害物排放源不固定等原因 不能采用局部排风 或者采用局部排风后 室内有害物浓度仍超过卫生标准 在这种情况下可以采用全面通风 全面通风是对整个车间进行通风换气 本章只简单介绍全面通风的一般原理 详细讨论局部排风系统的有关组成部分的结构和通风排气系统的设计计算问题 4 8 1 1通风排气系统的分类按照通风排气量的大小来划分 有局部排气系统 全面排气系统和事故排气系统三种 它们的处理风量依次递增 按照通风动力的不同 可以分为机械通风和自然通风二种 8 1 2局部排气系统空气污染物能够在车间内扩散 原因是污染物可以依附于气流运动而扩散 对于生产过程散发到车间空气中的污染物 只要控制住室内二次气流的运动 就可以控制污染物的扩散和飞扬 从而达到改善车间内外空气环境质量的目的 这就是采用局部排气通风方法控制污染物扩散的依据 控制空气污染物在车间内外扩散的局部通风方法 简单地说 就是在局部污染源设置集气罩 把污染空气捕集起来并经净化后排至室外 这是生产车间控制空气污染的最有效 最常用的方法 5 图8 1局部排气净化系统示意图集气罩 2 风管 3 净化设备 4 风机 5 烟囱 6 1 局部排气净化系统的组成局部排气净化系统由集气罩 风管 净化设备 通风机和烟囱五个部分组成 集气罩集气罩是用以捕集污染气流的 其性能对净化系统的技术经济指标有直接影响 由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同 集气罩的形式是多种多样的 风管在净化系统中用以输送气流的管道称为风管 通过风管使系统的设备和部件连成一个整体 7 净化设备为了防止大气污染 当排气中污染物含量超过排放标准时 必须采用净化设备进行处理 达到排放标准后 才能排人大气 通风机通风机是系统中气体流动的动力设备 为了防止通风机的磨损和腐蚀 通常把风机设在净化设备后面 烟囱烟囱是净化系统的排气装置 由于净化后烟气中仍含有一定量的污染物 这些污染物在大气中扩散 稀释 悬浮或沉降到地面 为了保证污染物的地面浓度不超过环境空气质量标准 烟囱必须具有一定高度 为了满足系统正常运行的需要 应针对处理污染物的特性 完成局部排气系统上述五个组成部分的设计 8 2 局部排气净化系统的设计集气罩设计集气罩设计内容主要包括集气罩结构形式 安装位置以及性能参数确定等内容 本章后面将要详细介绍 输送管道系统设计输送管道系统设计主要包括管道布置 管内气体流速确定 管径选择 压力损失计算及通风机选择等内容 本章后面将要详细介绍 净化设备选择或设计各种净化设备选择或设计在本课程的前面已经介绍过了 概括起来一般按以下程序进行 工程调查 认真收集有关资料 全面考虑影响设备性能的各种因素 9 根据排放标准和生产要求 计算需要达到的净化效率 根据污染物性质和操作条件确定净化方法和决定净化设备的选择范围 对设备的技术指标和经济指标进行全面比较 选定最适宜的净化装置 确定净化设备的型号规格及运行参数 排放烟囱设计排放烟囱设计如第四章所介绍 主要内容包括结构尺寸及工艺参数 烟囱高度 出口直径 喷出速度等 设计 10 8 1 3全面通风系统全面通风也称稀释通风 它一方面用清洁空气稀释室内空气中的有害物浓度 同时不断地把污染空气排至室外 使室内空气中有害物浓度不超过卫生标准的规定 全面通风的效果不仅与通风量有关 而且与通风气流的组织有关 合理地组织气流很重要 方案一 方案二 人的工作位置 有害物质发生位置 11 1 全面通风量的确定室内有害物浓度随通风时间的变化规律通过理论推导 可以求得通风量一定时 任意时刻室内的有害物浓度的计算公式 工业通风孙一坚主编 中国建筑工业出版社 室内有害物浓度随通风时间的变化按指数规律增加或减少 稳定状态下全面通风量的计算公式稳定状态下全面通风量可根据有害物的容许浓度 消除余热 消除余湿等三个公式进行计算 容许浓度的计算公式为 式中 Q 需要的全面通风量 m3 s q 有害物散发量 g s Cu 排放时有害物浓度 mg m3 C0 通风流体的本底浓度 mg m3 12 消除余热的计算公式为 式中 Q 需要的全面通风量 m3 s R 室内余热量 KJ s tP 排放空气温度 t0 进入空气温度 Cp 空气的质量比热 其值为1 01KJ Kg 消除余湿的计算公式为 式中 Q 需要的全面通风量 m3 s W 余湿量 g s dP 排放空气的含湿量 g Kg干空气 d 进入空气的含湿量 g Kg干空气 13 安全系数实际上 室内有害物浓度的分布及通风气流是不可能非常均匀的 混合过程也不可能在瞬时完成 即使室内平均有害物浓度符合卫生标准 有害物源附近空气中的有害物浓度仍然会比室内平均浓度高得多 为了保证有害物源附近工人呼吸带的有害物浓度控制在容许值以下 实际所需的全面通风量要比公式的计算值大得多 因此需要引入一个安全系数K 即全面通风量的计算应为 式中符号含义同前 安全系数K要考虑多方面的因素 如有害物的毒性 有害物源的分布及其散发的不均匀性 室内气流组织及通风的有效性等 按经验在3 10范围内 国外文献资料建议 进行全面通风时K值应不小于6 14 2 全面通风量计算的原则同时散发数种有害物时 全面通风量应分别计算稀释到卫生标准浓度以下的各有害物所需的风量 然后取最大值 当散发到室内的有害物量无法具体计算时 全面通风量可按类似房间换气次数值进行计算 换气次数就是全面通风量与房间体积的比值 次 h 各种房间的换气次数 可从有关的资料中查得 3 全面通风量计算的特殊规定根据卫生标准的规定 当数种溶剂 苯及其同系物或醇类 醋酸类 的蒸气 或者数种刺激性气体 三氧化二硫 三氧化硫或氟化氢及其盐类等 同时在室内散发时 由于它们对人体的作用是相同的 全面通风量应按各种气体分别稀释到卫生标准浓度以下所需的风量的总和计算 15 4 送排风方式 气流组织形式全面通风的效果与通风房间气流组织有关 一般房间气流组织的形式有 上送下排 下送上排和中间送上下排等多种形式 设计时 要根据有害物源的布置 操作位置 有害物的性质以及浓度分布等情况才能决定 选择气流组织形式的原则排风口尽量靠近有害源或者有害物质浓度高的区域 送风口尽量靠近操作地点 尽量使进风气流均匀分布 减少涡流 避免有害物质在局部地区积聚 工程设计中通常采用的气流组织形式如果散发的有害气体温度比周围空气高 采用下进上排方式 没有热气流 散发的有害气体密度比周围空气小 采用下进上排方式 散发的有害气体密度比周围空气大 采用下 上排中间进风方式 16 8 1 4事故通风当生产设备发生偶然事故或者故障时 会突然散发大量有害气体或者有爆炸性气体 这样的生产车间应该设置事故排风 以备急需时使用 1 事故通风量的确定事故排风所必须的换气量应由事故通风系统和经常使用的排风系统共同保证 当有害气体的最高容许浓度大于5mg m3时 换气次数不应小于 车间高度在6m及6m以下 8次 h 车间高度在6m以上 5次 h 当有害气体的最高容许浓度小于或等于5mg m3时 应在上述的换气次数的基础上乘以1 5 17 2 设置事故通风的注意事项事故排风排出的气体不设专门的进风系统去加以补偿 排出的气体一般不进行净化或其它处理 排出剧毒的有害物时 排放高度应该大于15m 并采取必要的化学处理措施 事故通风设施必须设置在有害物散发的地点 其控制措施 如风机开关等 应分布安装在室内和室外便于操作的位置 18 8 2集气罩 在生产车间设置集气罩的目的就是要通过集气罩罩口来控制污染气流的运动 来控制工业有害物在室内的扩散和传播 集气罩的性能对局部排气系统的技术经济指标有直接影响 设计完善的集气罩能在不影响生产工艺和生产操作的前提下 用较小的排气量获得最佳的效果 保证工作区有害物浓度不超过卫生标准的规定 本节主要介绍集气罩罩口的气流运动规律和集气罩的设计计算方法 8 2 1集气罩罩口气流运动的规律集气罩罩口气流的运动状态直接影响集气罩的性能 集气罩罩口气流运动的规律是集气罩设计必须了解的基础知识之一 研究集气罩罩口气流运动的规律对于有效捕集污染物是十分重要的 集气罩罩口气流运动方式有两种 一种是吸气口气流的吸入流动 另一种是吹气口气流的吹出流动 19 1 吸入气流汇流与点汇当吸气口吸气时 在吸气口附近形成负压 周围空气从四面八方流向吸气口 形成吸入气流或汇流 当吸气口面积很小时可视为点汇等速面吸气口外速度相等的点的集合 或者吸气口外速度相等的点形成的空间曲面 根据物质不灭定律 通过每个等速面的吸气量相等 都等于等速面的面积乘以该等速面上的气流速度 图8 2点汇气流流动情况 20 吸气口气流速度分布图 图8 3图8 4四周无边圆形吸气口的速度分布图四周有边圆形吸气口的速度分布图 21 吸气口气流速度分布的特点吸气口气流速度分布具有以下三个特点 在吸气口附近的等速面近似与吸气口平行 随离吸气口距离X的增大 逐渐变成椭圆面 而在1倍吸气口直径d处已接近为球面 吸气口气流速度衰减较快 当X d 1时 该点气流速度大约降至吸气口流速的7 5 对于结构一定的吸气口 不论吸气口风速大小如何 其等速面形状大致相同 而吸气口结构形式不同 其气流衰减规律也不同 22 2 吹出气流空气从吹气口吹出时 在空间形成的一股气流称为吹出气流或射流 吹出气流的类型吹出口可以是圆形 矩形和扁矩形 按吹出口形状可以将射流分为圆射流和扁射流 根据空间界壁对射流的约束条件 射流可分为自由射流和受限射流 按射流内部温度的变化情况可分为等温射流和非等温射流 23 等温圆射流等温圆射流又称等温自由射流 等温自由射流是自由射流中的常见流型 其结构如图8 5 极点边境面是圆锥面射流核心段射流起始段过渡断面射流基本段图8 5射流结构示意图在集气罩设计中常用到的等温圆射流和扁射流的设计参数计算公式列于教材P509 510的表13 1中 24 等温自由射流特征 射流边缘有卷吸周围空气的作用 这主要是由于湍流动量交换引起的 由于射流边缘的卷吸作用 射流断面不断扩大 其扩散角 约为15 20 射流流量随射流长度增加而增大 射流核心段呈锥形不断缩小 对于扁射流 x 2b0 2 5以前为核心段 核心段以后 射流速度逐渐下降 射流各断面的速度值虽不同 但其无因次速度分布相似 射流中的静压与周围静止空气的压强相同 射流各断面动量相等 射流主体段的断面速度分布不是均匀的 25 图8 6吹出气流与吸人气流 26 吸入气流与吹出气流主要差异吸入气流与吹出气流的差异主要有以下两点 吹出气流由于卷吸作用 沿射流方向流量不断增加 射流呈锥形 吸入气体的等速面为椭球面 通过各等速面的流量相等 并等于吸入口的流量 射流轴线上的速度基本上与射程成反比 而吸气区内气流速度与距吸气口的距离的平方成反比 所以吸气口能量衰减很快 其作用范围较小 吹出气流在较远处仍能保持其能量密度 吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度就急剧下降 总之 吸入气流和吹出气流的流动特性是不同的 这亦表明 吹出气流的控制能力大 而吸入气流则有利于接受 因此 可以利用吹出气流作为动力 把污染物输送到吸气口再捕集 或者利用吹出气流阻挡 控制污染物的扩散 这种把吹气和吸气结合起来的集气方式称为吹吸气流 27 吹吸气流吹吸气流是两股气流组合而成的合成气流 其流动状况随吹气口和吸气口的尺寸比以及流量比的不同而变化 三种基本形式的吹吸气流的断面形状如图8 7 图8 7吹吸气流的形状 注 H D115 v1 v3较小为好 v1 0 2m s F3较小为好 F1 D1较好 采用经济设计方式 使Q3或 Q1 Q3 最小 28 图中H表示吹气口和吸气口的距离 D1 D3 F1 F3分别表示吹气口 吸气口的尺寸及其法兰边宽度 Q1 Q2 Q3分别表示吹气口的吹气量 吸入的室内空气量和吸气口的总排风量 v1 v3分别为吹气口和吸气口的气流速度 如果把图8 7a b c简单地看作三个木制品 若从横向箭头方向去推 a立即倒下 b c则难以推倒 吹吸气流的情况亦基本相同 吹气口宽度大 抵抗以箭头表示的侧风 侧压的能力就大 所以现在已把H D1 30定为吹吸式集气罩的设计基准值 从图8 7还可以看出 当吹气量Q1一定时 图8 7a的吹气口宽度D1a小 吹气速度v1a比b c大 动力消耗大 而且噪声 振动也大 当排风量Q3一定时 图8 7b的吸气口宽度D3b小 吸入速度v3b比a c大 动力消耗大 亦不理想 综上所述 从抵抗侧风 侧压能力大 动力消耗小等各方面要求综合评价 图8 7 c 的流动形式较好 29 8 2 2集气罩的基本类型集气罩的形式和分类名目繁多 归结起来 吸气式集气罩可分为 密闭罩密闭罩是将污染源的局部或整体密闭起来的一种集气罩 其作用原理是使污染物的扩散限制在一个很小的密闭空间内 仅在必须留出的罩上开口缝隙处吸入若干室内空气 使罩内保持一定负压 达到防止污染物外逸的目的 密闭罩的特点是 与其他类型集气罩相比 所需排风量最小 控制效果最好 且不受室内横向气流的干扰 所以 在设计中应优先考虑选用 一般来说 密闭罩多用于粉尘发生源 常称为防尘密闭罩 按密闭罩的围挡范围和结构特点 可将其分为局部密闭罩 图8 8 整体密闭罩 图8 9 和大容积密闭罩 图8 10 三种 30 图8 8局部密闭罩 图8 9整体密闭罩图8 10大容积密闭罩 31 排气柜排气柜也称箱式集气罩 由于生产工艺操作的需要 在罩上开有较大的操作孔 操作时 通过孔口吸人的气流来控制污染物外逸 其捕集机理和密闭罩相类似 即将有害气体发生源围挡在柜状空间内 可视为开有较大孔口的密闭罩 化学实验室的通风柜和小零件喷漆箱就是排气柜的典型代表 排气柜的特点是控制效果好 排风量比密闭罩大 而小于其他型式集气罩 排气框排气点位置 对于有效地排除有害气体 不使之从操作口泄出有着重要影响 用于冷污染源或产生有害气体密度较大的场合 排气点宜设在排气柜的下部 图8 11a 用于热污染源或产生有害气体密度较小的场合 排气点宜设在排气柜的上部 图8 11b 对于排气柜内产热不稳定的场合 为适应各种不同工艺和操作情况 应在柜内空间的上 下部均设置排气点 并装设调节阀 以便调节上 下部排风量的比例 图8 11c 32 图8 11排气柜a 排气点设于下部的排气柜 b 排气点设于上部的排气柜 c 上下部均设排气点的排气柜 33 外部集气罩外部集气罩依靠罩口外吸人气流的运动而实现捕集污染物 外部集气罩型式多样 按集气罩与污染源的相对位置可将其分为四类 上部集气罩 侧吸罩和槽边集气罩 见图8 12 由于外部集气罩吸气方向与污染气流运动方向往往不一致 一般需要较大风量才能控制污染气流的扩散 而且容易受室内横向气流的干扰 致使捕集效率降低 图8 12外部集气罩a 上部集气罩 b 下部集气罩 c 侧吸罩 d 槽边集气罩 34 接受集气罩有些生产过程或设备本身会产生或诱导气流运动 并带动污染物一起运动 如由于加热或惯性作用形成的污染气流 接受式集气罩即沿污染气流流线方向设置吸气罩口 污染气流便可借助自身的流动能量进入罩口 图8 13a为热源上部的伞形接受罩 图8 13b为捕集砂轮磨削时抛出的磨屑及粉尘的接受式集气罩 图8 13接受式集气罩 35 吹吸式集气罩当外部集气罩与污染源距离较大 单纯依靠罩口的抽吸作用往往控制不了污染物的扩散 则可以在外部集气罩的对面设置吹气口 将污染气流吹向外部集气罩的吸气口 以提高控制效果 一般把这类依靠吹吸气流的综合作用来控制污染气流扩散的集气方式称为吹吸式集气罩 图8 14 由于吹出气流的速度衰减得慢 以及气幕的作用 使室内空气混入量大为减少 所以达到同样的控制效果时 要比单纯采用外部集气罩节约风量 且不易受室内横向气流的干扰 图8 14吹吸式集气罩 36 8 2 3集气罩的主要性能表示集气罩性能优劣的主要技术经济指标为排风量和压力损失 1 排风量的测定实测罩口上的平均吸气速度和罩口面积 P517 2 排风量的计算方法在工程设计中 常用控制速度法和流量比法计算集气罩必须的排风量 控制速度法a 控制速度 控制点和控制距离的定义 控制速度在罩口前污染物扩散方向的任意点上均能使污染物随吸人气流流人罩内并将其捕集所必须的最小吸气速度 控制点吸气气流有效作用范围内的最远点 控制距离控制点距罩口的距离 37 b 根据控制速度求集气罩的排气量的计算思路计算集气罩排风量时 首先应根据工艺设备及操作要求 确定集气罩形状及尺寸 由此可确定罩口面积 其次根据控制要求安排罩口与污染源相对位置 确定罩口几何中心与控制点的距离 在工程设计中 当确定控制速度后即可根据不同型式集气罩罩口的气流衰减规律求得罩口上气流速度 罩口面积乘上气流速度即为集气罩排风量 图8 15控制速度法 38 c 控制速度法的适用范围控制速度法一般适用于污染物发生量较小的冷过程的外部集气罩设计 d 控制速度法的关键采用控制速度法计算集气罩的排风量 关键在于确定控制速度和集气罩结构 安设位置及周围气流运动情况 一般通过现场实测确定 如果缺乏现场实测数据 设计时可参考表8 1 表8 2确定 表8 1污染源的控制速度 39 表8 2考虑周围气流情况及污染物危害性选择控制速度流量比法基本思路是 把集气罩的排风量Q3看作是污染气流量Q1和从罩口周围吸人室内空气量Q2之和 即 Q3 Q1 Q2 Q1 1 Q2 Q1 Q1 1 K 比值Q2 Q1 K称为流量比 K值越大 污染物越不易溢出罩外 但集气罩排风量Q3也随之增大 考虑到设计的经济合理性 把能保证污染物不溢出罩外的最小K值称为临界流量比或极限流量比 用Kv表示 Kv Q2 Q1 limit 40 如上所述 Kv值是决定集气罩控制效果的主要因素 这种依据Kv值计算集气罩排风量的设计方法称为流量比法 工程设计中采用的Kv计算公式需要通过实验研究求出 实验的研究结果表明 Kv与污染物发生量无关 只与污染源和集气罩的相对尺寸有关 当污染气流与周围空气有一定温差时 Kv值会相应增大 当 t 200 时 按下式计算 Kv t Kv t o 0 0012 t考虑到室内横向气流的影响 在设计时应增加适当的安全系数 则集气罩排风量计算式可写成如下形式 Q3 Q1 1 mKv t m3 s 式中 m 考虑干扰气流影响的安全系数 按表8 3确定 表8 3流量比法的安全系数 41 3 集气罩的压力损失P521 5228 24集气罩的设计方法 1 集气罩的设计原则集气罩应尽可能将污染源包围起来 使污染物扩散限制在最小范围内 以便防止横向气流干扰 减少排风量 集气罩的吸气方向尽可能与污染流运动方向一致 充分利用污染气流动初始动能 尽量减少集气罩的开口面积 以减少排风量 集气罩的吸气气流不允许先经过人工的呼吸区再进入罩内 集气罩的结构不应妨碍工人操作和设备检修 42 2 密闭罩设计密闭罩的布置要求 尽可能将污染源密闭 以隔断污染气流与室内气流的联系 防止污染物随室内气流扩散 罩上的观察孔和检修孔应尽量小些 并躲开气流正压较高的位置 密闭罩内应保持一定的均匀负压 避免污染物从罩上缝隙外逸 为此需合理地组织罩内气流和正确地选择吸风点的位置 吸风点位置不宜设在物料集中地点和飞溅区内 避免把大量物料吸人净化系统 处理热物料时 吸风点宜设在罩子顶部 同时适当加大罩子容积 设计密闭罩 应不妨碍工艺生产操作和方便检修 密闭罩排风量的确定P523 按开口或缝隙处空气的吸入速度计算 按经验公式或数据确定排风量 43 3 外部集气罩的设计外部集气罩设计的方法和程序目前国内多用控制流速法计算外部集气罩排风量 工程设计中 一般先通过对现场操作情况和污染物散发情况的观察和测定 确定罩型 罩口尺寸和控制点至罩口的距离以及控制速度 若已知外部集气罩罩口气流速度衰减公式 即可计算出罩口的吸入速度 再根据罩口面积和罩口气流速度便可求得外部集气罩的排风量 圆形或矩形侧吸罩对于圆形或矩形侧吸罩 沿罩口轴线的气流速度衰减公式P524计算例题P524例13 1冷过程上部集气罩P525 44 外部集气罩设计应注意的问题 为提高集气罩的控制效果 减少无效气流的吸人 罩口应加设法兰边 上部集气罩的吸人气流易受横向气流的影响 最好靠墙布置 或在罩口四周加设活动挡板 图8 16 为保证罩口吸气速度均匀 集气罩的扩张角 不应大于60o 当污染源的平面尺寸较大时 为降低罩高度 可以将罩分割成几个小罩子 图8 17a 还可以在罩口加设挡板或气流分布板 以保证罩口气流速度分布均匀 图8 17b 图8 16设有活动挡板的伞形罩 图8 17保证罩口气流分布均匀的技术措施 45 4 槽边集气罩的设计槽边集气罩是外部集气罩的一种特殊形式 专门用于各种工业槽的污染控制 它有二种基本形式 平口式和条缝式 平口式一般在吸气口不设法兰边 故吸气范围大 排风量亦大 但当槽靠墙布置时 如同设置了法兰边 减少了排风量 条缝式的结构特点是吸气管截面高度E较大 E 250mm的称为高截面 E 250mm的称为低截面 增大截面高度 如同在吸气口处设置了法兰边 减少了吸气范围 因此 其排风量比平口式小 且罩口气流速度分布易均匀 条缝口应保持较高的吸气速度 一般采用6 9m s 图8 19条缝式槽边集气罩 图8 18平口式双侧槽边集气罩 46 周边式槽边吸气罩 槽边集气罩的布置可分为单侧和双侧两种 单侧适用于槽宽B 700mm B 700mm时用双侧 条缝式槽边集气罩还可以按图8 20的形式布置 称为周边式槽边吸气罩 图8 20周边型槽边集气罩 47 各种类型的槽边集气罩的排风量计算公式 高截面单侧排风 Q 2VxAB B A 0 2 m3 s 低截面单侧排风 Q 3VxAB B A 0 2 m3 s 高截面双侧排风 总风量 Q 2VxAB B 2A 0 2 m3 s 低截面双侧排风 总风量 Q 2VxAB B 2A 0 2 m3 s 高截面周边环型排风 Q 1 57VxD2 m3 s 低截面周边环型排风 Q 2 36VxD2 m3 s 式中 A 槽长 m B 槽宽 m D 圆槽直径 m Vx 控制速度 m s 48 槽边集气罩局部阻力计算槽边集气罩局部阻力 P可按下式计算 P Pa 式中 集气罩局部阻力系数 一般取 2 34 污染气流的气体密度 kg m3 v0 通过罩口的气流速度 m s 49 5 热源上部接受式集气罩的设计接受式集气罩 简称接受罩 的特点是直接接受生产过程产生或诱导出来的污染气流 其排风量取决于接受的污染气流量 因此 在设计接受罩时 首先应确定污染气流量的大小 并考虑横向气流干扰等影响 适当加大接受罩的罩口尺寸和排风量 生产过程产生或诱导出来的污染气流 主要是指热源上部的热射流和粉状物料在高速运动时所诱导的气流 而后者的影响因素较为复杂 通常按经验数据确定 热源上部的热射流亦有两种形式 一种是生产设备本身散发的热气流 如炼钢电弧炉炉顶的热烟气 一种是高温设备表面对流散热时形成的热射流 对流气流 对于前者 一般通过现场实测或有关工艺计算经验公式求得热气流的起始流量 这里主要介绍热源对流散热形成热射流流量的计算方法以及热源上部接受罩的设计方法 50 高悬罩与低悬罩图8 21表示设置在热源上部的接受罩以及罩下热设备加热周围空气而产生的热射流的一般形态 热射流在上升过程中 由于不断混入周围空气 其流量和横断面积会不断增大 若热源的水平投影面积用A表示 当热射流上升高度H 1 5A0 5 或H1 5A0 5的接受罩称为 高悬罩 图8 21热源上部接受罩 51 低悬罩热射流起始流量计算当H 1 5时 其热射流起始流量Q0可按下式计算 Q0 0 381 qHA2 1 3 m3 s 式中 q 热源水平表面对流散热量 kW H 罩口离热源水平面的距离 m A 热源水平面投影面积 m2 热源水平表面对流散热量计算热源水平表面对流散热量可按下式计算 Q 0 0025 t1 25A kW 式中 t 热源水平表面与周围空气温度差 K P530例题13 3 52 高悬罩热射流起始流量计算当热射流的上升高度H 1 5时 其流量和横断面积会显著增大 则热射流不同上升高度上的流量 流速及其断面直径可按下列公式计算 参看图8 21 Qz 8 07 10 2Z1 5q1 3Dz 0 45Z0 88Vz 0 51Z 0 29q1 3式中 QZ 计算断面上热射流流量 m3 s Dz 计算断面上热射流横面断面直径 m Vz 计算断面上热射流平均流速 m s 上述公式是以点热源为基础按热射流极点计算而得出的 当热源具有一定尺寸时 必须先用外延法求得热射流极点 热射流极点位于热射流轴线上 在热源下面2d0处 热射流的大致界限的确定方法 是自极点引两条经过热源两侧边缘的辐射线 极点至计算断面的有效距离Z可按下式计算 Z H 2d0 m 式中 d0 热源的当量直径 m H 热源至计算断面的距离 m 53 热源上部接受罩的设计在工程设计中 考虑到横向气流的影响 接受罩的断面尺寸应大于罩口断面上热射流的尺寸 接受罩的排风量应大于罩口断面上的热射流流量 低悬罩罩口每边尺寸需比热设备尺寸增加150 200mm 高悬罩罩口尺寸按下式确定 D Dz 0 8H m 低悬罩排风量按下式计算 Q Q0 v F m3 s 高悬罩排风量按下式计算 Q Qz十v F m3 s 式中 Q 考虑横向气流影响的接受罩排风量 m3 s F 考虑横向气流影响 罩口扩大的面积 即罩口面积减去热射流的断面积 m2 v 罩口扩大面积上空气的吸入速度 通常取0 5 0 75m s 54 6 吹吸式集气罩的设计要使吹吸式集气罩在经济合理的前提下获得最佳的使用效果 必须依据吹吸气流的运动规律 使两股气流有效结合 协调一致 吹吸罩的计算方法大致可归纳为两类 一类是从射流理论出发而提出的控制速度法 另一类则是依据吹吸气流的联合作用而提出的各种计算方法 如临界断面法等 下面仅对临界断面法的计算作一介绍 吹吸气流是由射流和汇流两股气流合成的 射流的速度随离吹气口距离增加而逐渐减小 而汇流的速度随靠近吸气口而急剧增加 吹吸气流的控制能力必然随离吹气口距离增加而逐渐减弱 靠近吸气口又逐渐增强 所以吹吸气口之间必然存在一个射流和汇流控制能力皆最弱的断面 即临界断面 图8 22 临界断面一般发生在x H 0 6 0 8之间 一般近似认为 在临界断面前吹出气流基本是按射流规律扩展的 在临界断面后 由于吸人气流的影响 断面逐渐收缩 这就是说 吸气口的影响主要发生在临界断面之后 55 从控制污染物外逸的角度出发 临界断面上的气流速度 称为临界速度 应取为1 2m s或更大些 并且要大于污染物的扩散速度 为防止吹气口堵塞 吹气口宽度应大于5mm 而吸气口宽度一般应大于50mm 设计槽边吹吸罩 为防止液面波动 吹气口气流速度应限制在10m s以下 根据临界断面法 可按以下公式设计吹吸罩 临界断面位置 x KH m 吹气口吹风量 Q1 K1HL1VL2 V1 m3 s 吹气口宽度 D1 K1H VL V1 2 m 吸气口排风量 Q3 K2HL3VL m3 s 吸气口宽度 D3 K3H m 图8 22临界断面法 56 式中 H 吹气口至吸气口的距离 m L1 D1 吹气口长度 宽度 m L3 D3 吸气口长度 宽度 m VL 临界速度 m s V1 吹气口气流平均速度 一般取8 10m s K1 K2 K3 K4均为系数 由表8 4查得 表中数值是在湍流系数 0 2的条件下得出的 表8 4临界断面法有关系数 57 8 3管道系统的设计 8 3 1管道系统的压力损失计算管道内气体流动的压力损失有两种 一种是由于气体本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的压力损失 另一种是气体流经管道系统中某些局部构件时 由于流速大小和方向改变形成涡流而产生的压力损失 前者称为摩擦压力损失或沿程压力损失 后者称为局部压力损失 1 摩擦压力损失摩擦压力损失产生的原因气体本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦 58 摩擦压力损失的计算公式根据流体力学的原理 气体流经断面不变的直管时 摩擦压力损失 pL可按下式计算 pL l 4Rs v2 2 lRm Pa Rm 4Rs v2 2 式中 Rm 单位长度管道的摩擦压力损失 简称比压损 Pa m l 直管段长度 m 摩擦压损系数 v 管道内气体的平均流速 m s 管道内气体的密度 kg m3 Rs 管道的水力半径 m 59 管道的水力半径它是指流体流经直管段时 流体的断面积A m2 与润湿周边x m 之比 即Rs A x对于气体充满直径为d的圆形管道的水力半径 Rs d2 4 d d 4 Rm d v2 2 圆形管道比压损的确定 值的确定是计算Rm值 比压损 的关键 值是管道中气体的流动状态 Re准数 及管道相对粗糙度 K d 的函数 P537公式 全国通用通风管道计算表 以下简称 计算表 是根据我国制定的通风管道统一规格而相应编制的计算表 计算表的适应条件 使用方法P537 60 矩形管道比压损的确定 流速当量直径计算法矩形管道的流速当量直径定义为 若矩形管道和某圆形管道的压损系数相等 管道内流速相等和管道比压损相等时 则将圆形管道的直径称为该矩形管道的流速当量直径 以dv表示 由上述定义 经推导可以得到边长为d 凸的矩形管道流速当量直径的计算式为 dv 2ab a十b 求得dv值后 再由dv和矩形管道内的实际流速去查圆形管道的比压损计算表 得到的Rm值或 d值即可作为矩形管道的计算值 必须指出 在这种计算方法中 以dv表示管径的圆形管道中的流量与矩形管道中的实际流量是不相等的 故不能用矩形管道的实际流量去查表 而只能用矩形管道的实际流速和dv来查表 用 计算表 直接计算上述的 计算表 已专门作出了矩形风管压损计算表 可根据已知的流量和选取的流速在 计算表 中直接查出需要设计的管道尺寸和Rm值 61 2 局部压力损失局部压力损失产生的原因气体流经管道系统中某些局部构件时 由于流速大小和方向改变形成涡流 产生了能量损失 局部压力损失的计算公式局部压力损失 pm一般用动压头的倍数表示 即 pm v2 2 Pa 式中 局部压损系数 v 异形管件处管道断面平均流速 m s 局部压损系数局部压损系数 通常是通过实验确定的 各种管件的局部压损系数在有关设计手册中可以查到 62 3 管道内流动气体的压力分布相对压力的表示方法全压 静压 动压 负压 正压等相对压力表示的物理意义 气体在管道内的流动过程中 压力在不断发生变化 在管道系统设计中 可以通过管道内压力分布图来分析设计是否合理 从而改进设计 对于已经运行的系统 也可根据它去分析存在问题 以便提出改进措施 一般说来 风机的压力等于净化系统的全部压力损失 风机吸入段的全压和静压均为负值 压出段为正值 净化系统总压力损失等于各串联部分压力损失之和 并联的各管道的压力损失相等 63 4 管道计算管道计算的目的管道计算的目的主要是确定管道直径和系统压力损失 并由系统的总风量和总压力损失选择适当的风机和电机 管道计算的常用方法管道计算的常用方法是流速控制法 也称比摩阻法 即以管道内气流速度作为控制因素 据此计算管径和压力损失 管道计算的步骤 确定各抽风点位置和风量 净化装置 风机和其他部件的型号规格 风管材料等 根据现场实际情况布置管道 绘制管道系统轴测图 进行管段编号 标注长度和风量 管段长度一般按两管件中心线间距离计算 不扣除管件 如三通 弯头 本身长度 64 确定管道内的气体流速当气体流量一定时 若流速选高了 则管道断面尺寸小 材料消耗少 一次投资减少 但系统压损增大 噪声增大 动力消耗增大 运转费用增高 对于除尘管道 还会增加管道的磨损 反之 若流速选低了 噪声和运转费用降低 但一次投资增加 对于除尘管道 流速过低 还可能发生粉尘沉积而堵塞管道 因此 要使管道系统设计经济合理 必须选择适当的流速 使投资和运行费的总和最小 P539表14 2所列为除尘管道内最低气流速度 可供设计参考 根据系统各管段的风量和选择的流速确定各管段的断面尺寸对于圆形管道 在已知流量Q和预先选取流速v的前提下 管道内径可按下式计算 d 18 8 Q v 0 5或d 1 88 W v 0 5式中 Q 体积流量 m3 h W 质量流量 kg h 对于除尘管道 为防止积尘堵塞 管径不得小于下列数值 输送细粉尘 如筛分和研磨的细粉 d 80mm 输送较粗粉尘 如木屑 d 100mm 输送粗粉尘 有小块物 d 130mm 确定管道断面尺寸时 应尽量采用 计算表 中所列的全国通用通风管道的统一规格 以利于工业化加工制作 65 计算压损风管断面尺寸确定后 按管内实际流速计算压损 压损计算应从最不利环路 系统中压损最大的环路 开始 并联管道压力平衡计算对并联管道进行压力平衡计算两分支管段的压力差应满足以下要求 除尘系统应小于10 其他通风系统应小于15 否则 必须进行管径调整或增设调压装置 阀门 阻力圈等 使之满足上述要求 调整管径平衡压力 可按下式计算 d2 d1 p1 p2 0 225式中 d2 调整后的管径 mm d1 调整前的管径 mm p1 管径调整前的压力损失 Pa p2 压力平衡基准值 若调整支管管径 即为干管的压力损失 Pa 计算管道系统的总压力损失 即系统中最不利环路的总压力损失 以上计算内容可列表进行 66 根据系统的总风量 总压损选择通风机和电动机选择通风机的风量按下式计算 Q0 1 K1 Q m3 h 式中 Q 管道计算的总风量 m3 h K1 系统漏风安全系数 一般管道取K1 0 1 除尘管道取K1 0 1 0 15 选择通风机的风压按下式计算 p0 1 K2 p 0 1 K2 pTp0 T0p 式中 p 管道计算的总压力损失 Pa K2 考虑管道计算误差及系统漏风等因素所采用的安全系数 一般管道取K2 0 1 0 15 除尘管道取K2 0 15 0 2 0 p0 T0 通风机性能表中给出的标定状态的空气密度 压力 温度 一般说 p0 101 3kPa 对于通风机T0 20 0 1 2kg m3 对于引风机T0 200 0 0 745kg m3 p T 运行工况下进入风机时的气体密度 压力和温度 67 选择通风机的型号规格计算出Q0和 p0后 即可按通风机产品样本给出的性能曲线或表格选择所需通风机的型号规格 计算电动机所需的功率所需电动机的功率Ne可按下式计算Ne Q0 p0K 3 6 106 1 2 KW 式中 K 电动机备用系数 对于通风机 电机功率为2 5KW时 取1 2 大于5KW时取1 15 对于引风机取1 3 1 通风机全压效率 可由通风机样本中查得 一般为0 5 0 7 2 机械传动效率 对于直联传动为1 联轴器传动为0 98 皮带传动为0 95 68 风机 风机是对气体压缩和气体输送机械的习惯简称 通常所说的风机包括通风机 鼓风机 压缩机以及罗茨鼓风机 离心式风机 回转式风机 水环式风机 但是不包括活塞压缩机等容积式鼓风机和压缩机 风机主要由风叶 百叶窗 开窗机构 电机 皮带轮 进风罩 内框架 机壳 安全网等部件组成 开机时由电机驱动风叶旋转 并使开窗机构打开百叶窗排风 停机时百叶窗自动关闭 69 风机分类 按使用材质分类 铁壳风机 普通风机 玻璃钢风机 塑料风机 不锈钢风机等 根据气流进入叶轮后的流动方向分为 轴流式风机 离心式风机和斜流 混流 式风机 按用途分为 压入式局部风机和隔爆电动机置于流道外或在流道内 隔爆电动机置于防爆密封腔的抽出式局部风机 按照加压的形式可分为 单级 多级加压风机 如4 72是单级加压 罗茨风机则是多级加压风机 按压力可分为 低压风机 中压风机 高压风机 70 高压风机 71 4 72风机 72 锅炉引风机 73 高压风机的性能参数 74 风机运行的注意事项 风机允许全压起动或降压起动 但应注意 全压起动时的电流约为5 7倍的额定电流 降压起动转距与电流平方成正比 当电网容量不足时 应采用降压起动 风机在试车时 应认真阅读产品说明书 检查接线方法是否同接线图相符 应认真检查供给风机电源的工作电压是否符合要求 电源是否缺相或同相位 所配电器元件的容量是否符合要求 试车时人数不少于两人 一人控制电源 一人观察风机运转情况 发现异常现象立即停机检查 首先检查旋转方向是否正确 风机开始运转后 应立即检查运转电流是否平衡 电流是否超过额定电流 若不有正常现象 应停机检查 运转五分钟后 停机检查风机是否有异常现象 确认无异常现象再开机运转 双速风机试车时 应先起动低速 并检查旋转方向是否正确 起动高速成时必须待风机静止后再起动 以防高速反向旋转 引起开关跳闸及电机受损 75 风机运行的注意事项 续 风机达到正常转速时 应检测风机输入电流是否正常 风机的运行电流不能超过其额定电流 若运行电流超过其额定电流 应检查供给风机的电压是否正常 风机所需电机功率是指在一定工况下 对离心风机和风机箱 进风口全开时所需功率较大 若进风口全开进行运转 则电机有损坏的可能 风机试车时最好将风机进口或出口管路上的阀门关闭 运转后将阀门渐渐开启 达到所需工况为止 并注意风机的运转电流是否超过额定电流 风机外壳或电机外壳的接地必须可靠 禁止反方向旋转 禁止超额定电流运行 禁止缺相运行 禁止在运转中维护风机 76 选择风机的原则 在选择通风机前 应了解国内通风机的生产和产品质量情况 如生产的通风机品种 规格和各种产品的特殊用途 新产品的发展和推广情况等 还应充分考虑环保的要求 以便择优选用风机 根据通风机输送气体的物理 化学性质的不同 选择不同用途的通风机 如输送有爆炸和易燃气体的应选防爆通风机 排尘或输送煤粉的应选择排尘或煤粉通风机 输送有腐蚀性气体的应选择防腐通风机 在高温场合下工作或输送高温气体的应选择高温通风机等 在通风机选择性能图表上查得有二种以上的通风机可供选择时 应优先选择效率较高 机号较小 调节范围较大的一种 当然还应加以比较 权衡利弊而决定 如果选定的风机叶轮直径较原有风机的叶轮直径偏大很多时 为了利用原有电动机轴 轴承及支座等 必须对电动机启动时间 风机原有部件的强度及轴的临界转速等进行核算 77 选择风机的原则 续 选择离心式通风机时 当其配用的电机功率小于或等于75KW时 可不装设仅为启动用的阀门 当排送高温烟气或空气而选择离心锅炉引风机时 应设启动用的阀门 以防冷态运转时造成过载 对有消声要求的通风系统 应首先选择效率高 叶轮圆周速度低的通风机 且使其在最高效率点工作 还应根据通风系统产生的噪声和振动的传播方式 采取相应的消声和减振措施 通风机和电动机的减振措施 一般可采用减振基础 如弹簧减振器或橡胶减振器等 在选择通风机时 应尽量避免采用通风机并联或串联工作 当不可避免时 应选择同型号 同性能的通风机联合工作 当采用串联时 第一级通风机到第二级通风机之间应有一定的管路联结 所选用的新风机应考虑充分利用原有设备 适合现场制作安装及安全运行等问题 78 8 3 2管道系统布置及部件一 管道系统布置管道系统布置主要包括系统划分 管网配置和管道布置等内容 1 系统划分原则系统划分应充分考虑管道输送气体 粉尘 的性质 操作制度 相互距离 回收处理等因素 以确保管道系统的正常运转 符合以下条件者 可以合为一个管道系统 污染物性质相同 生产设备同时运转 便于污染物统一集中处理的场合 污染物性质不同 生产设备同时运转 但允许不同污染物混合或污染物无回收价值的场合 尽可能将同一生产工序中同时操作的污染设备排风点合为一个系统 79 凡发生下列几种情况之一者不能合为一个系统 不同排风点的污染物混合后会引起燃烧或爆炸危险 或形成毒性更大的污染物的场合 不同温度和湿度的污染气流 混合后会引起管道内结露和堵塞的场合 因粉尘或气体性质不同 共用一个系统会影响回收或净化效率者 2 管网配置方式管网布置的一个重要问题就是要实现各支管间的压力平衡 以保证各吸气点达到设计风量 实现控制污染物扩散的效果 为保证多分支管系统管网中各支管间压力平衡 常用的管网布置有三种方式 干管配管方式 图8 23a 与其他方式相比 管网布置紧凑 占地小 投资省 施工方便 应用较广泛 但各支管间压力计算比较繁琐 给设计增加一定的工作量 80 个别配管方式 图8 23b 吸气 尘 点多的系统管网 可采用大断面的集合管连接各分支管 集合管内流速不宜超过3 6m s 水平集合管 3m s 垂直集合管 6m s 以利各支管间压力平衡 对于除尘系统 集合管还能起初净化作用 但管底应设清除积灰的装置 环状配管方式 图8 23c 亦称对称性管网布置方式 显然 对于支管多和复杂管网系统 支管间压力易于平衡 但会带来管路较长 系统阻力增加等问题 图8 23管网布置的三种方式 81 3 管道布置的原则管道布置应从系统总体布局出发 既要考虑系统的技术经济合理性 又要与总图 工艺 土建等有关专业密切配合 统一规划 力求简单 紧凑 缩短管线 减少占地和空间 节省投资 不影响工艺操作 调节和维修 管道布置一般原则输送不同介质的管道 布置原则不完全相同 取其共性作为管道布置的一般原则 管道敷设分明装和暗设 应尽量明装 以便检修 管道应尽量集中成列 平行敷设 尽量沿墙或柱敷设 管道与梁 柱 墙 设备及管道之间应留有足够距离 以满足施工 运行 检修和热胀冷缩的要求 一般间距不应小于100 150mm 管道通过人行横道时 与地面净距不应小于2m 横过公路时不应小于4 5m 横过铁路时与轨面净距不得小于6m 水平管道敷设应有一定的坡度 以便于放气 放水 疏水和防止积尘 一般坡度不小于0 005 坡度应考虑斜向风机方向 并应在风管的最低点和风机底部装设水封泄液管 捕集含有剧毒 易燃 易爆物质的管道系统 其正压段一般不应穿过其他房间 穿过其他房间时 该段管道上不宜设法兰或阀门 82 除尘管道布置原则除尘管道布置除应遵守上述一般原则外 还应满足以下要求 除尘管道力求顺直 保证气流通畅 当必须水平敷设时 要有足够的流速以防止积尘 对易产生积灰的管道 必须设置清灰孔 为减轻风机磨损 特别当气体含尘浓度较高时 大于3g m3时 应将净化装置设在风机的吸入段 分支管与水平管或倾斜主干管连接时 应从上部或侧面接入 三通管的夹角一般不大于30 当有几个分支管汇合于同一主干管时 汇合点最好不设在同一断面上 输送气体中含磨琢性强的粉尘时 在局部压力较大的地方应采取防磨措施 并在设计中考虑到管件的检修方便 高温烟气的管段应设置伸缩装置 83 二 管道和部件 1 管道材料和连接管道材料 制作管道的材料一般有砖 混凝土 炉渣石膏板 钢板 木板 胶合板或纤维板 石棉板 硬聚氯乙烯板等 其中最常用