【毕业学位论文】（Word原稿）排气柜气流特性量测与分析-电机工程

圣约翰技术学院专题研究 题目：排气柜气流特性量测与分析 单位：机械系 职级：副教授 姓名：吴顺治 日期：民国 92年 12月 31日 i 摘 要 近年来，化学相关实验室或工厂陆续设置排气柜，其中尤以研发与检验部门数量最多。排气柜是一种包围式气罩，柜内有化学物品与实验装置放置空间、可调整操作开口大小之拉门与透明窗，以及可将污染气体排出的排气风管等元件；排气风管下游安装空气清净装置，各排气柜所抽出之污染气体汇集后经空气清净装置处理，再由排气机排至户外。排气柜之设计首重安全，尚须考虑以下 因素： 1. 开口面之风速分须尽可能均匀且其平均风速最好维持于 s 左右， 2. 内部空间之气流漩涡现象必须尽量避免， 3. 开口面大小改变时，排气量须能随之调整至最适风量，以维持排气柜性能于最佳状态。以上三个条件都是描述排气柜内部流场特征的参数，其中又以简便易量测的排气柜开口风速为最常受到利用的参数。 排气柜开口平均风速若太小，则无法以足够的风量稀释空气有害物，太高又易浪费能源。目前国内对于排气柜开口平均风速之简易量测方式尚无明确规定，学术上亦少有学者进行相关研究或探讨。本计画结合流体力学之数值模拟技术 与实体模型实验，实际量测排气柜开口平均风速，考虑开口面积与压力回授讯号，以数个较重要案例将实验结果与流场模拟之数值结果印证，以维持排气柜之性能于合理状态。此外，利用实验过程与实际量测累积之经验，本计画完成两种自动控制系统，可调整排气机之马达频率与风量，进而达到自动调整风速 、 节省电源之目的。 关键词： 排气柜、风速量测、自动调速系统 he of to is &D A is as an of a is a in of a of is of a to to . is in to of to a be is A 1. on is as as an at .5 m/s. 2. is or 3. of is to of to in on is it is to be of be to on At t a of on of a a In as as to on a of be to if of a be of a to of on be by a be of 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 目录 . 错误 !未定义书签。 图目录 . 错误 !未定义书签。 表目录 . 错误 !未定义书签。 第一章 计画概述 . 错误 !未定义书签。 第一节 前言 . 错误 !未定义书签。 第二节 计画背景与目的 . 错误 !未定义书签。 第三节 工作项目 . 错误 !未定义书签。 第二章 开回路风速控制实验 . 错误 !未定义书签。 第一节 引言 . 错误 !未定义书签。 第二节 常见的一对一开回路排气柜系统 . 错误 !未定义书签。 第三节 一对一开回路排气柜系统模型设计 . 错误 !未定义书签。 第四节 开回路控制原理：非接触式门位回授讯号 . 12 第五节 开回路控制原理：排气机频率与门位之关系 . 16 第六节 运转程式与系统组合 . 错误 !未定义书签。 第七节 风速计之校正与定位 . 错误 !未定义书签。 第八节 初步实验设计 . 错误 !未定义书签。 第九节 初步实验结果与讨论 . 错误 !未定义书签。 第三章 数值模拟 . 错误 !未定义书签。 第一节 数值方法 . 错误 !未定义书签。 第二节 物理模型 . 错误 !未定义书签。 第三节 统御方程式 . 错误 !未定义书签。 第四节 流场分析结果 . 错误 !未定义书签。 第五节 排气柜开口之开度对流场之影响 . 错误 !未定义书签。 第六节 排气柜开口平均风速变化对流场之影响 . 错误 !未定义书签。 四章 闭回路风速控制实验 . 错误 !未定义书签。 第一节 前言 . 错误 !未定义书签。 第二节 设计推论 . 错误 !未定义书签。 第三节 排气柜开口风速与静压感应点气压之关系 . 错误 !未定义书签。 第四节 闭回路控制系统之构成 . 错误 !未定义书签。 第五节 闭回路控制实验准备与设计 . 错误 !未定义书签。 第六节 闭回路控制实验结果 . 错误 !未定义书签。 第五章 结论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 v 图目录 图一 呼吸防护具（左）及密闭操作手套箱（右） . 1 图二 排气柜 之外观（左）与工作原理（右） . 2 图三 一对一开回路排气柜系统模型（室外拍摄） . 7 图四 一对一开回路排气柜系统模型（室内拍摄，左 图为正面，右图为侧面） . 8 图五 排气柜后方之拉门位置平衡装置（室内后方拍 摄） . 8 图六 排气柜内上 、 中 、 下三块挡板之安装装置 . 9 图七 本计画使用之排气机尺寸与特性略图 . 10 图八 排气机及空气清净装置实景 （上）与设计图（下） . 11 图九 自动侦测排气柜开口大小之原理 . 13 图十 排气柜开口位置数位指示板之设计原理 . 15 图十一 控制排气机运转特性之电路系统外观接线情形 . 16 图十二 排气柜开口平均风速量测之九点定位（开口宽 度不变，高度可变） . 21 图十三 自制雷射光页产生器之原理 . 21 图十四 风速计挟持架之设计 . 21 图十五 两部自制雷射光页产生器实际产生定位光页情 形 . 22 图十六 排气柜开口极大时，风速计之实际定位情形 . 22 图十七 排气柜开口为原开尺寸三分之一时，风速计定 位点之指定情形 . 23 图十八 排气柜风速风速量测实验之进行实况 . 23 图十九 排气柜开口风速易发生逆流之位置 . 25 图二十 雷射光页产生器观察到的排气柜开口角隅局部 逆流现象 . 25 图二十一 雷射光页产生器观察到排气柜开口边缘之气流 无外泄倾向 . 26 图二十二 排气柜数值模拟流场分析范围 . 37 图二十三 排气柜数值流场局部图 . 37 图二十四 排气柜上半部几何形状 . 38 图二十五 排气柜下半部几何形状 . 38 图二十六 整体流场之非结构性网格分布情形 . 39 图二十七 排气柜附近局部流场之网格分布图 . 39 图二十八 排气柜上半部局部流场网格分布图 . 40 图二十九 排气柜下半部局部流场网格分布图 . 40 三十 排气柜附近风速向量图 (开口 1/4、开口风速 ) . 41 图三十一 排气柜上半部风速向量图（开口 1/4、开口风速 ) . 41 图三十二 排气柜下半部风速向量图 （开口 1/4、开口风速 ) . 42 图三十三 排气柜开口面风速向量图 （开口 1/4、开口风速 ) . 42 图三十四 排气柜下分风板附近风速向量图 （开口 1/4、开口风速 ) . 43 图三十五 排气柜上分风板附近风速向量 图 （开口 1/4、开口风速 ) . 43 图三十六 排气柜附近之风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 44 图三十七 排气柜上半部流场之风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 44 图三十八 排气柜下半部流场之风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 45 图三十九 排气柜开口流场之风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 45 图四十 排气柜上分风板上方风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 46 图四十一 排气柜上下分风板间间隙风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 46 图四十二 排气柜下分风板下方风速大小分布图 （开 口 1/4、开口风速 ) . 47 图四十三 排气管内风速大小分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 47 图四十四 排气柜附近静压变化分布图 （开口 1/4、开口风速 ) . 48 图四十五 排气柜上半部静压变化分布图（开口 1/4、开口风速 ) . 48 图 四十六 排气柜排气管附近静压变化分布图（开口 1/4、开口风速 ) . 49 图四十七 排气柜下半部静压变化分布图（开口 1/4、开口风速 ） . 49 图四十八 不同开口条件之整体计算模型比较图 . 50 图四十九 不同开口条件之局部计算模型 (排气柜附近 )比较图 . 51 图五 十 不同开口条件之局部计算网格分布 (排气柜附近 )比较图 . 52 图五十一 不同开口条件局部计算网格分布 (排气柜开口 )比较图 . 53 图五十二 不同开口条件排气柜附近风速向量图 (开口风速 ) . 54 图五十三 不同开口条件排气柜入口面风速分布图 (开口 1/4) . 55 图五十 四 不同开口条件排气柜开口上半部风速向量图 (开口 1/4) . 56 图五十五 不同开口条件排气柜开口下半部风速向量图 (开口 1/4) . 57 图五十六 不同开口条件排气柜附近之风速大小分布图 . 58 图五十七 不同开口条件排气柜上半部之风速大小分布图 . 59 图五十八 不同开口条件排气柜 下半部之风速大小分布图 . 60 图五十九 不同开口条件排气柜开口附近之风速大小分布 图 . 61 图六十 不同开口条件排气柜之静压分布图 . 62 六十一 不同开口条件排气柜下半部之静压分布图 . 63 图六十二 不同开口条件排气柜开口附近之静压分布图 . 64 图六十三 开口风速 时，静压感应点之静压值与开度变化关系 . 65 图六十四 开口风速 时，静压感应点之静压值与开度变化关系 . 65 图六十五 开口风速 时，静压感应点之静压值与开度变化关系 . 66 图六十六 不同开口平均风速下排气柜开口附近之风速向 量图 . 67 图六十七 不同开口平均风速下排气柜开口附近之风速大 小分布图 . 68 图六十八 不同开口平均风速下排气柜开口附近之静压分 布图 . 69 图六十九 排气柜开度 1/4 时静压感应点之静静压值与入口风速关系图 . 70 图七十 排气柜开度 2/4 时静压感应点之静静压值与入口风速关系图 . 70 图七十一 排气柜开度 3/4 时静压感应点之静静压值与入口风速关系图 . 71 图七十二 静压感应点之静压值与入口动压关系图 . 71 图七十三 排气柜开口大小与频率、最低气压区气压之实 测关系 . 79 图七十四 修正后排气柜开口大小与静压感应点之静压关 系 . 80 图七十五 排气 柜开口风速闭回路控制系统构成示意图 . 83 图七十六 排气柜开口风速与频率、最低气压区气压之实 测关系 . 87 图七十七 排气柜开口风速与频率、最低气压区气压之实 测关系 . 88 目录 表一 本计画使用之排气机规格 . 10 表二 排气柜开口位置数位指 示板对应之光电开关讯号 . 14 表三 大多数市售变频器之外部讯号十五段变频设定 方式 . 17 表四 不同量测点数（ 9 点与 16 点）之结果比对 . 27 表五 不同门窗开启情形（开或关）之结果比对 . 27 表六 不稳定室外风场下系统性能之综合量测结果 . 28 表七 开度、静压感应值、排气柜开口平均风速之关 系 . 35 表八 排气柜开口风速与频率、最低气压区气压之关 系 . 78 表九 三种不同方法取得之静压感测点之静压比较 . 79 1 第一章 计画概述 第一節 前言 劳工作业过程中若因必要因素而不得不产生空气有害物质，目前已知有多种方式可以避免劳工吸入空气有害物，如使用呼吸防护具（ 图 一 左） 、 密闭作业手套箱（ 图 一 右），或以其他有效的工程手段控制空气有害物质流动方向，使空气有害物空气有害物不致入侵劳工呼吸带的空气，藉此降低劳工的暴露风险 。 图 一 呼吸防护具（左）及密闭操作手套箱（右） 使用呼吸防护具当然是有效可行的危害控制方法，但亦有以下问题： 1. 一般呼吸防护具之空气流动压损不低，劳工无论呼气或吸气，都须额外用力。 2. 附止回阀（ 呼吸防 护具可有效减低呼气压损，但吸气时仍有空气流动压损，劳工吸气时须额外用力。 3. 劳工长期 佩戴呼吸防护具时，呼吸防护具与身体接触部位可能因流汗或皮肤发炎过敏等问题而感到不适。 基于以上原因，呼吸防护具较适合用在非常态性、短时间的空气有害物暴露情况，目前安全卫生专家大多不建议劳工长时间佩带呼吸防护具工作，反而建议雇主应主动提供更安全、更理想的作业环境，例如提供密闭作业手套箱、排气柜等设施，以避免或减轻劳工使用呼吸防护具时所承受的生理负担。 2 密闭作业手套箱示意如 图 一 右，是一种刚 性密闭的箱体，将劳工身体与有害物作彻底隔绝，防护作用良好。然而使用手套箱进行有害化学物质之容器启闭、倾倒混合、反应控制时，因手套与箱体的限制，手眼协调较不灵活，可能引发骨胳肌肉伤害，不易满足常态性作业需要，故较常使用于高污染性、高毒性、高危害性等作业。 与密闭作业手套箱的复杂作业程序相较，排气柜之操作程序更简单，操作时的舒适度更高，但其防护能力较低。排气柜外观与工作原理示意图如 图 二 所示，其内部空间用以放置能产生空气有害物的化学物质容器等物品，正面则安装附透明观察窗 的上下（或左右）拉门；排气柜上方或后方适当位置接有排气风管，利用排气机产生的静压迫使新鲜空气自排气柜开口流入排气柜内部，与排气柜内部空间之空气有害物混合后，沿排气风管流经空气清净装置与排气机，然后排向室外。 劳工操作排气柜时通常站立于排气柜正面，将手伸入拉门下方开口进入排气柜内部作业，并利用透明观察窗观察作业情形。 图 二 排气柜 之外观（左）与工作原理（右） 3 由于排气柜并非完全密闭，而在设备上有一接近操作者身体的无动力开口与作业环境空气连通，倘若设计、 运转或操作时有不当的条件，则排气柜内部的空气有害物有机会透过此一开口扩散到作业环境中的操作者呼吸带，对操作者的健康构成威胁 。排气柜的硬体设计与正确操作方法长期以来均为各界瞩目焦点，已有多位学者专家投入相关研究（详参考文献） 。 前述研究虽已获得许多成果，但大多牵涉到较复杂的验证技术与较昂贵的仪器，对现场操作者而言，尚难实际应用于每日例行性的检点作业，故形成 验证技术可行，但复杂昂贵不易实施的断层，有待进一步解决。 第二節 计画背景与目的 如上节所述，由于近年来化学相关实验室或工厂陆续设置排气柜，而排气柜属局部排 气装置之包围式气罩，为保障操作者之健康，除须将作业环境中的污染气体有效排出之外，排气柜尚须考虑以下因素： 1. 开口面之风速分布必须尽可能均匀， 2. 内部空间之气流漩涡现象必须尽量避免， 3. 开口面大小改变时，排气量须能随之调整至最适风量， 4. 开口面平均风速依经验最好维持于 s 左右。 由前段说法可知排气柜开口面之平均风速乃是排气柜设计的重要参数之一，若太小则无法将污染气体完全排除，太高又易形成排气柜内部之气流漩涡且浪费能源，可惜目前国内尚未建立排气柜开口平均风速之简易量测方式，学术上亦少有学者进行相关研究或探讨，使排气柜管理单位感到困扰，不知如何以快速实用的方式进行每日检点，始能维护操作者的健康。 本计画目的系为了解并设法改善排气柜开口风速分布状况，尽可能提高排除空气有害物之性能，以 降低排气柜作业人员之暴露风险 。本计画拟针对排气柜之设计重点与一般使用条件，结合流场数值模拟技术与全比例实体模型，透过数值模拟与实际量测之方式印证开口面平均风速之分布情形。此外本计画将提出一种妥协性的排气柜开口面平均风速量测法，再根据控制点所代表之风量设法发展自动控制系统，以调整排气机马达运转频率，进而达到弹性调变排气风 量 、 节约能源之目的。 4 第三節 工作项目 本计画之工作项目可概要的分为七项，分别说明如下： 1. 排气柜实体模型实验组件设计制作：结合市售无动力简单排气柜 、排气动力机械、变频器 等，实际建构出完整实验平台供后续研究使用。 2. 建立风速与静压量测系统：依照排气柜实体模型实验组件之特性，设计并制造相应之实体风速与静压量测机构，配合市售手提式风速气压量测仪器，以组成堪用的风速与静压量测系统。 3. 建构可视化流场观测技术：结合数位照相机、自行设计之雷射光页产生器、各种烟雾施放工具等，实际完成可视化流场观测元件组，并建构对应的观测技术 。 4. 建立自动控制系统：依照两种或两种以上低成本控制原理，结合自动控制核心组件、自行设计之辅助件与控制电路、自行开发之控制程式，实际完成可变风量、近似定风速之自动调速控制系统，并比较其性能之差异。 5. 建立数值模拟物理模型：利用流场数值分析软体，分别建构适用之物理模型，以分析排气柜开口风速分布之特性。 6. 数值模拟之设计参数效应研究：利用各种参数之变化，以流场数值分析软体分析排气柜内部与排气柜开口的流场变化情形，从中找出较有利的设计或操作方针。 7. 归纳出一种妥协性的排气柜开口面平均风速量测法：由前述六项工作结果，分别考虑量测所需仪器设备之复杂度 、 操作所需时间，以及量测结果之正确度，归纳出一种妥协性的排气柜开口面平均风速量测法，使排气柜使用者在可承担的有限风险范围内，尽量做到有效的排气柜开口风速监测 。 5 第二章 开回路风速控制实验 第一節 引言 在各种排气柜开口风速控制方法中，开回路（ 速控制法最为普遍 。在本计画中， 开回路控制之意义为预先取得排气机运转频率与排气柜开口大小之关系，考虑空气清净装置之阻塞所造成的静压损失后，透过控制技术指定不同排气柜开口大小与排气机电源频率之关系，造成排气机之运转条件改变，以适应不 同的排气柜开口大小，维持开口平均风速于预期的变动范围内 。本章将说明此一控制方法之原理，以及在本计画中实际的规划运用情形。 第二節 常见的一对一开回路排气柜系统 由于排气机、风管、空气清净装置等市售工业用机具材料的单价都不高，且同一个事业单位或学校实验室并不需要大量（十部以上）的排气柜，因此目前台湾地区的排气柜动力设计大多采用每一部排气柜均配备一部专属排气机的方式，以避免某个排气柜内的空气有害物沿着风管向其他排气柜所在室内空间扩散。 这种普遍的一对一式排气柜系统运作原理，系由排气柜开口自室内环境吸入空气， 与排气柜内的空气有害物混合后进入排气风管，沿着风管将混合气体输送到建筑物楼顶，经空气清净装置处理后，再经排气机、垂直排气道排往大气。大多数的一对一设计，系以手调旋钮来调整排气机电源频率（即开回路控制方法），排气机之电源频率改变后，转数、风量、静压亦随之改变，因此能达到间接调整排气柜开口风速的目的。在这样的规划下，建筑物楼顶常可见到排气机与排气管呈阵列状林立分布的情景。此种一对一、使用开回路控制技术、结构简单且常见的排气柜装置，在本计画中称为 一对一开回路排气柜系统 。 6 一对一开回路排气柜系统 最担忧的问题， 就是系统压损（空气流动阻抗）的非预期变化。以下说明可能发生非预期变化的压损项目： 1. 过滤压损：若空气清净装置为滤材式，如活性碳过滤器 、 滤纸 式过滤器、多层过滤网等，则随着排气柜使用时间的延长，滤材将发生阻塞而使过滤压损升高；若滤材替换安装时发生疏失而导致泄漏，则不仅有污染疑虑，且过滤压损将异常降低。 2. 流入压损： 若排气柜原开口大小经人为调整，则排气柜开口流入压损将发生变化；排气柜所在室内空间之门窗或对外开口大小若未经妥善控制，则排气柜开口流入压损亦将发生变化 。 3. 排出压损：室外环境风速、风向、大气压力若发生变化， 则建筑物楼顶排气出口的排出压损也将变化 。 若前述三项压损变化之和占系统总压损之比例过高，则意味着系统总压损的大小容易发生变化，或排气柜开口风速为不稳定。举例而言，若在接近建筑物楼顶之楼层安装一对一式开回路控制排气柜系统，则因风管延伸至建筑物楼顶的长度不够长，使得大小相对较稳定的风管摩擦压损占系统总压损之比例过低，这么一来前述三项可能发生变化的压损将成为主导系统总压损大小的显著（ 素，排气柜开口的风速也将因此不为稳定。 7 第三節 一对一开回路排气柜系统模型设计 本计画所使用之一对一开回路 排气柜系统模型室外照片如 图 三 ，室内正面与侧面照片如 图 四 ，模型设计目的在刻意突显此一常见控制方式（以国外进口产品为主）可能存在的各种问题。系统主要组成元件说明如下： 图 三 一对一开回路排气柜系统模型（室外拍摄） 1. 排气柜：使用国产无动力普通市售低价商品。此一全尺寸排气柜模型内部以耐酸碱材质为衬，玻璃拉门可垂直拉动，并以机械式平衡锤平衡开口位置（ 图 五 ） 。排气柜开口水平宽度为 100口完全开启时之垂直开口高度为 71由使用者自行决定开口大小。排气柜内部深处以三块挡板（ 图 六 ）分隔为上、中、下三个吸气口，以尽可能对排气柜内部空间作均匀换气。依传统设计经验 1，中 8 图 四 一对一开回路排气柜系统模型（室内拍摄，左图为正面，右图为侧面） 图 五 排气柜后方之拉门位置平衡装置（室内后方拍摄） 9 图 六 排气柜内上 、 中 、 下三块挡板之安装装置 2. 排气风管：连结排气柜与排气机之风管内径 10 英吋，为突显问题而刻意将风管设计为总长 4m 的短管，由两个 90 度弯管元件及短于 1m 的直管直结而成（ 图 三 、图 四 ） 。由于排气风管内之平均风速不高，且管路内部平滑，故 排气风管之总空气流 动压损极低（小于 1实际运转时可以忽略 。 3. 空气清净装置：如 图 三 、 图 八 ，为系统主要压损来源 。本计画 使用低过滤压损的滤纸式中级空气过滤器以凸显室外大气风场之干扰效应，该过滤器之粒子过滤效率75%，额定过滤压损 10 4. 排气机：如 图 三 、 图 八 ，为系统动力来源 。为 考量日后技术推广时对使用单位造成的安装费用负担，本计画系采用一般实验室常见 的单相 220源来驱动国产翼式排气机。该排气机额定功率 1额定静压 63627 最大风量 10 图 七 本计画使用之排气机尺寸与特性略图 表 一 本计画使用之排气机规格 排气机 型号 额定电压 V 电源频率 数 电流 A 功率 压 量 20 60 1 8 3/1790 743 11 图 八 排气机及空气清净装置实景（上 ）与设计图（下） 12 第四節 开回路控制原理：非接触式门位回授讯号 排气柜拉门之上下位置决定排气柜开口大小，拉门向上拉起时使开口变大，拉门拉下时使开口变小。为使排气柜拉门之位置能依使用者之意愿维持于任意位置，一般国产低价排气柜大多使用如 图 五 所示的机械式平衡装置，其内容包括一可调整质量的铅制平衡锤 、 连接 平衡锤 与拉门之钢索，以及支撑钢索的滑轮组 。为防止平衡锤左右摇晃而发生机械故障，排气柜均附有