设计实验室排气系统需要考虑的问题

发布日期:2021-02-14 来源:软旗科技 分类: 技术文章

 作为化学研究设施的组成部分,实验室通风柜排气系统通常被认为是理所当然的。然而,在设计或配置实验室时,排气系统的选择可能会对实验室建筑物以及附近建筑物的人员的安全产生巨大影响。通风柜排气系统的选择也会影响建筑物的长期运行成本。
 对各种类型的排气系统及其操作有更深入的了解,可以消除将来可能出现的重大安全问题,同时优化建筑物的效率和系统的可靠性。

排气系统基本原理

 

 

 

 

 

 实验室通风柜排气系统的主要目的是去除化学蒸汽,化学反应和其他实验室活动产生的污染空气。系统必须在使用尽可能少的空气的同时提供最大的保护。它必须控制两种空气的流量:实验室排气和替代它的清洁空气。

 在设计新的实验室设施或升级现有实验室设施时,关于通风柜排气系统最重要的考虑因素是安全性(关于将实验室废气二次夹带到建筑物或邻近建筑物中)和室内空气质量以保护建筑物居民。此外,该系统符合适当的污染控制标准(包括消除排放流中难闻的气味)的能力也是关键考虑因素。
 其他重要的考虑因素包括:系统效率,初期和运营成本以及屋顶美感(图1)。例如,安静,无振动的性能对于保护精密的实验室仪器很重要。
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图1.选择实验室设备的通风柜排气系统时,屋顶的美观是众多考虑因素之一

 在选择实验室通风柜排气系统之前,应仔细考虑通风柜的位置。它的位置会严重影响效率和安全性。例如,实验室中的人员只需走过通风柜就可以产生空气湍流,从而将污染物拉到其控制空间之外。对于在通风柜正上方设计有空气扩散器的工作区,明显的空气湍流会导致污染物逸出进入实验室。
 此外,流入实验室的气流将影响通风柜排气系统的性能。由于实验室应保持相对于外部的负气压,因此在正常操作期间,门,窗,通风孔和其他开口应保持关闭状态,以确保污染物通过通风柜排出,而不是通过其他实验室开口排出。
 实验室通风柜排气系统的有效性可以通过提供的安全性来评估。原则上的设计参数是允许从操作员和实验室人员安全地清除烟雾。从房间进入通风柜的空气速度是实现这种安全性的关键因素。如果流速太低,烟雾会逸出通风柜并进入房间。如果速度太高,则在拉门处会发生空气湍流,这可能会将烟气推入房间。优化安全性的气流速度可能因制造商而异,但通常在100 ft / min(0.5 m/s)的范围内。
 通风柜的废气流量应大于送风量,以产生由外而内的空气运动,从而捕获并控制空气中的污染物。
实验室通风柜排气系统可以是恒定风量(CAV)或可变风量(VAV)设计。CAV通风柜以恒定的速率排出空气,气流速度随着窗扇的降低而增加。VAV通风柜试图通过改变从通风柜排出的空气量来消除可变速度。这样做可以减少排气总量,并有助于降低运营成本。VAV通风柜使用闭环排气系统来监视排出的空气量,以维持所需的平均工作面风速。该控制系统还有助于监视污染物的存在。此外,许多VAV通风柜使用视觉和听觉警报及风速监测来警告空气速度不足或排气系统故障。

排气系统风机

 

 

 

 

 

 实验室可以根据设施的要求从多种通风柜排气系统设计中进行选择。排气系统依赖于隐藏但必不可少的子系统,包括风机和通风系统。

 通风柜的排气系统通常采用风管网络(通风管),通向屋顶安装的排气系统,该系统由以下三种风机技术之一驱动:轴流式,离心式和混合流式叶轮。这些类别中的每一个风机都可以是直接驱动设计,风机叶轮直接安装在电机轴上,也可以是皮带驱动,风机叶轮安装在单独的驱动轴上,并通过一个或者更多皮带驱动。
 轴流风机系统-轴流风机叶片将空气吸入风机壳体,并沿相同的轴向排出空气-非常适合在低压下按照额定流量或额定静压下排出大量空气。轴流风机中使用的风机叶片通常是塑料,铝,不锈钢或玻璃纤维。用于工业应用的不同类型的轴流风机包括:壁挂式风机,壁式风机安装在墙壁上以将空气吸入房间,或将空气从房间中排出;管式轴流风机,其连接到一系列管道系统上,以排出受污染的空气或热空气。
 离心风机系统-离心风机的叶轮安装在壳体内。叶片可以向前弯曲,向后弯曲或笔直。排气被吸入鼓风机壳体的入口,并被风机叶片偏转成螺旋形。这些气流然后由涡旋壳体聚焦并引导到单个出口气流中。气流以与外壳组件的轴线成直角的方式离开风机的外壳。管状离心式风机是传统的离心式涡旋式风机外壳的一种变型,它使用的是圆柱形外壳,而不是涡旋式外壳和截止组件。
 离心风机的设计目的是每分钟以相当高的转速运转,并带有高高的安装在屋顶的排气烟囱,以便将排气以足够的高度排放到设施上方,以防止二次夹带污染(及其有害的烟气或难闻的气味)进入建筑物和周围的设施。由于烟囱的大小和高度,它需要昂贵且复杂的安装硬件才能保持稳定性并最大程度地减少振动。其中包括弯头,柔性连接器,弹簧隔振器和支撑拉线。
 混流叶轮系统-混流叶轮风机通常提供比离心风机更大的气流,并提供比轴流风机更大的气压。这些系统可消除废气和异味对设施和周围建筑物的二次夹带污染,提高室内空气质量(IAQ)。与其他技术相比,该技术通常将低矮的,屋顶安装的排气系统与低速风机结合在一起。为了最大程度地降低噪音水平,这些系统采用了低振动的直驱式电动机,从实验室通风柜中排出废气。
带有离心式风机的排气系统与带有混流式叶轮的排气系统之间的显着区别是排气烟囱的高度:混流式叶轮系统具有较小的外观和较小的占地面积(图2)。此特性在适应空间和重量限制以及美学品质方面具有明显的价值(越来越多的社区通过了限制建筑物总高度(包括屋顶附属品)的法令)。
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图2.排气系统类型之间的差异是屋顶烟囱的高度,该特征具有可容纳空间和重量限制的价值

 顾名思义,混流叶轮系统结合了轴向和离心空气移动技术的最佳特性。采用这种方法的叶轮效率高,能耗少并且通常更安静。此外,真正的混流技术在整个叶轮性能曲线中都很稳定。因此,这些叶轮没有失速或性能不稳定的区域,如在较高压力区域的轴向和离心风机曲线上所见。令人担忧的是,在此不稳定性能区域或附近运行的系统可能会引起严重的性能,声音和振动问题。
 混流式叶轮将实验室通风柜中的废气与外部环境空气混合,以降低受污染颗粒物的浓度(以百万分之一(ppm)或毫克每立方米(mg / m 3)计量)可以安全合法地排入大气。这些风机将废气吸入管道网络中,然后将其输送到设施的外部,通常输送到屋顶,在屋顶与周围的空气混合。在某些情况下,特别是在当地法令规定了屋顶外观的情况下,可以在封闭的设备中安装混流叶轮系统(通常出于美观原因这样做)。
使用安装在基座上的旁路风门,混流式叶轮可吸入的新鲜空气是废气的两倍,从而可降低实验室通风柜中要处理的污染物和引起气味的物质浓度。

释放到大气

 

 

 

 

 
 即使在风机转速相当低的情况下,混流式叶轮排气系统也可以产生较高的排放速度,因为当空气通过喷嘴将其从屋顶烟囱中排出时,额外的新鲜空气会被带入排气混合物中。这种机制会在排出的废气混合物周围形成保护层,并使周围的空气保持静止以改善二次夹带污染的问题。这些逸出气体的出口速度可以超过6300英尺/分钟(32 米/秒),甚至可以向稳定的侧风向空气中排放超过120英尺(36.5 米)的烟羽。当然,多种因素可以决定系统的有效性,包括建筑结构,周围地形甚至天气条件。
 例如,以80,000 立方英尺/分钟(135921 立方米/小时)移动排气和清洁空气混合物的混流叶轮通常会产生6,300英尺/分钟的出口速度。根据风洞研究,即使以3,000 英尺/分钟的出口速度(ANSI Z9.5标准规定的用于清除实验室通风系统中化学污染物的最小速度),额外的空气也会通过抽吸被夹带到气流中。
 皮带驱动的离心风机排气系统和管道网络也可以像混合流叶轮一样混合污染和清洁的空气,当释放到大气中时具有有用的稀释作用。但是,离心风机的方法要求屋顶烟囱高度足够高,有时甚至高达40英尺(12.2米)或更高。对于相同的稀释度和运行效率,混流叶轮系统通常只会在屋顶上方约15英尺(4.6米)高。由于高度较低,混流叶轮排气系统将不需要离心风机排气系统所需的额外稳定硬件。
 高高的排气管并不是与离心风机系统相关的唯一结构。通常,离心风机系统还需要屋顶顶层顶层机房,主要是为了保护维修人员。由于离心风机系统依靠皮带驱动马达(与更可靠的混流叶轮直接驱动马达相反),需要定期维护以调整皮带张力或更换皮带轮或失效皮带。顶层机房为维护人员提供了安全,可操作的条件。
 在可靠性方面,与典型的离心式和轴流式风机系统的皮带驱动风机相比,基于混合流叶轮的实验室通风柜排气系统相对简单且无需维护。皮带驱动系统中仅皮带会随着时间的流逝而伸展,松弛和断裂,因此需要定期维护和修理,从而缩短了预期的使用寿命。例如,皮带驱动系统中轴承的最小预期寿命(L10)通常为40,000 h,而对于某些混流叶轮系统,直驱电机轴承的预期工作寿命至少为200,000 h。

噪音的解决方案

 

 

 

 

 
 噪声管理也是大多数实验室和地区的重要考虑因素-在某些情况下,要求公司在其性能线上进行噪声研究,以确定设施的各种系统(包括实验室排气系统)的噪声水平。与轴流式和离心式风机系统相比,混流式叶轮排气系统中的直接驱动电动机具有较低的速度和固有的安静设计配置,通常可降低噪声和振动水平。此外,对于必须严格控制噪声的应用,可以设计带有集成式噪声衰减器的混流叶轮系统,而这些噪声衰减器不会增加屋顶排气扇的整体高度。
 轴流和离心式风机排气系统也可以在排气烟囱上配备降噪附件,例如排气消音器。但是,这增加了已经很高的烟囱高度,并需要额外的安装硬件以最小化建筑物中引起的振动。即使在较低的电动机速度下,混流叶轮的性能也几乎没有牺牲。它可以在较低的转速下提供比离心风机更大的气流,并提供比轴流风机更大的气压。
 与皮带驱动的离心风机和轴流风机相比,直接驱动的混流式叶轮风机是通风柜的节能且经济高效的选择,与皮带驱动的离心风机系统相比,其能效高出约25%。在皮带驱动系统中,轴,皮带轮,枕形块和电动机的排列不正确会剥夺它的动力,并可能带来可靠性问题。同样,即使在较低的风机转速和相应降低的功率要求下,混流式叶轮系统的出口喷嘴也可以设计成具有较高的排出速度。
 为了进一步提高能源效率,可能需要指定一个变速驱动系统。使用变速驱动器可降低能源成本,在实验室闲置时以较低的风机转速运行。此外,如果一个风机在多风机排气系统中发生故障,则其余风机会提高速度以进行补偿。这在许多必须强制冗余的生物安全级别(BSL)实验室中至关重要。
 此外,还可以通过回收通常通过排气而损失的一些热量来节省能源。混流式叶轮可配备独特的热量回收模块,该模块可从废气流中提取温暖的空气,并将热能传递到建筑物通风系统的进气口,从而显着降低建筑物的供热燃料成本(每增加1ºF的热量) ,相应减少了3%的取暖燃料成本)。

无管道实验室通风柜

 

 

 

 

 
 到目前为止,讨论的三个主要的实验室通风柜排气系统均假定使用管道网络从实验室排出受污染的空气。近年来,无管道实验室通风柜已成为通风柜部分的替代品。在无管道设计中,通风柜装有碳床或其他类型的过滤器,以去除和控制污染物。过滤介质必须与实验室中使用的化学物质类型匹配。通用过滤器将吸收一定百分比的大多数化学物质和气体,而某些应用可能需要使用颗粒物过滤器。在某些情况下,过滤器中可能需要浸渍化学物质,以将目标化学物质更改为危害较小的材料。
 无管道实验室通风柜除电源线外没有其他外部连接,这使其极为便携,对需要进行不定期重新设计的设施非常有用。电源线连接到监视气流和过滤器状况的电子系统,以确保操作员安全,并在需要时提供视觉和听觉警报。无管道方法不能替代所有管道系统,并且绝对不能在任何化学结果未知的化学实验室中使用(过滤器可能无法工作)。诚然,无管道实验室通风柜为便携性而牺牲了效率,特别是与离心式或混流式叶轮系统相比,它们需要仔细监控碳过滤器的状况,以便一旦过滤器饱和就可以更换。

本文作者:Paul A. Tetley

本文翻译:ICT2-林和虎

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