實(shí)驗(yàn)室氣流控制的安全性設(shè)計(jì)

于承志 倪訓(xùn)松

摘要：潔凈實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程中，氣流控制的效果直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)室的安全標(biāo)準(zhǔn)能否實(shí)現(xiàn)。本文從暖通自控的角度重點(diǎn)闡述了實(shí)驗(yàn)室氣流控制需要考慮的幾個(gè)重要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：氣流控制 面風(fēng)速 響應(yīng)時(shí)間 負(fù)壓 壓力無關(guān)

目前，在我國(guó)潔凈實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中對(duì)通風(fēng)控制有著嚴(yán)格的要求，潔凈度、壓力、自控等都圍繞暖通來展開，這是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程中的重要一環(huán)，也是實(shí)驗(yàn)室安全保障建設(shè)的重要方面。

實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)計(jì)首要解決的問題是安全性問題，通風(fēng)柜的捕捉集塵能力要符合一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，氣流方向?yàn)榱飨驅(qū)嶒?yàn)室，實(shí)驗(yàn)室要隨時(shí)保持負(fù)壓。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室控制方式采用的是定風(fēng)量控制方式。70年代，又出現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)控制方式，通過不同工況下的氣流控制以提高效益，例如降低夜間設(shè)定值。80年代出現(xiàn)的變風(fēng)量控制方式是更加復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室氣流控制方法，在這種方式下，空氣流量根據(jù)通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門位置進(jìn)行變化。目前，新的控制方式是適應(yīng)性的控制方式，氣流速率保持在最低安全限上，根據(jù)使用者的狀態(tài)進(jìn)而調(diào)整通風(fēng)柜的工況，系統(tǒng)響應(yīng)靈敏，控制精確，確保人員安全，盡量降低能源消耗及維護(hù)費(fèi)用。為了確保操作人員及環(huán)境的安全，以下幾點(diǎn)是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要重點(diǎn)考慮的因素。

一、穩(wěn)定的通風(fēng)柜面風(fēng)速

在定風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)中，當(dāng)調(diào)節(jié)門降低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多余的面風(fēng)速，從而產(chǎn)生渦流干擾，影響通風(fēng)柜集塵能力，釋放出有毒顆粒。變風(fēng)量的通風(fēng)控制系統(tǒng)中，排風(fēng)量和調(diào)節(jié)門開度為線性函數(shù)關(guān)系，如60%的流量對(duì)應(yīng)60%的調(diào)節(jié)門開度，通過這一閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以保持通風(fēng)柜開口的面風(fēng)速恒定，消除面風(fēng)速過大產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

通風(fēng)柜有效的面風(fēng)速設(shè)定值，通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是60—100fpm（0.3—0.6m/s），一般100pfm(0.5m/s)被接受作為安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。圖1所示，操作人員的移動(dòng)在面風(fēng)速80—100 fpm時(shí)對(duì)集塵幾乎沒有影響，但在80 fpm以下時(shí)會(huì)有擾動(dòng)影響。在沒有操作人員移動(dòng)時(shí)，60 fpm 以下一般性集塵可以實(shí)現(xiàn)。

圖1 操作人員對(duì)通風(fēng)柜保護(hù)性能的影響

二、快速的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

該響應(yīng)時(shí)間主要是指實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)通風(fēng)柜及其閥門調(diào)節(jié)系統(tǒng)。響應(yīng)時(shí)間的大小將直接決定氣流控制的效果。快速、穩(wěn)定的控制會(huì)防止有毒顆粒跟隨調(diào)節(jié)過程可能產(chǎn)生的振蕩或過沖逸出通風(fēng)柜。排風(fēng)量對(duì)調(diào)節(jié)門開度的快速響應(yīng)時(shí)間必須在調(diào)節(jié)門到位后1秒鐘內(nèi)達(dá)到其指令值，有效保證通風(fēng)柜的集塵能力。圖2中從調(diào)節(jié)門移動(dòng)到通風(fēng)柜排風(fēng)量的總的響應(yīng)時(shí)間大約0.6秒。緩慢的響應(yīng)時(shí)間將會(huì)產(chǎn)生多余的面風(fēng)速，危害到實(shí)驗(yàn)的安全，例如燃燒器被吹滅，器皿被吹翻，或者藥品等受到損失。

圖2通風(fēng)柜響應(yīng)速度測(cè)試

三、保證房間壓力

房間凈負(fù)壓主要控制房間氣流由外到內(nèi)的流動(dòng)，防止房間外部被污染，是實(shí)驗(yàn)室安全控制的一個(gè)重要指標(biāo)。負(fù)壓的產(chǎn)生也就是房間的排風(fēng)量或補(bǔ)風(fēng)量和送風(fēng)量之差等于房間的余風(fēng)量。余風(fēng)量是送風(fēng)以外從房間門、傳遞窗或其他縫隙進(jìn)入房間的空氣量。

當(dāng)房間溫度調(diào)節(jié)與通風(fēng)所需氣流量大于通風(fēng)柜所需氣流量的時(shí)候，房間的送風(fēng)量增加了，這就要求控制系統(tǒng)還必須把這部分“過剩”的送風(fēng)量排出去，以保證房間負(fù)壓。實(shí)驗(yàn)室總的空氣交換率由總的排風(fēng)、制冷負(fù)荷和最低通風(fēng)率決定。最小通風(fēng)速率一般為占用時(shí)每小時(shí) 6–10 次換氣。這可通過增大房間綜合排風(fēng)閥門的開度來實(shí)現(xiàn)，該控制涉及房間總送風(fēng)量和排風(fēng)量的計(jì)算，以及信息采集、風(fēng)機(jī)變頻的控制等，系統(tǒng)調(diào)試的難度大為增加。

四、壓力無關(guān)性

通風(fēng)柜調(diào)節(jié)門的移動(dòng)造成風(fēng)量快速變化導(dǎo)致風(fēng)道靜壓發(fā)生變化，或者在通風(fēng)柜面風(fēng)速未要求變化時(shí)，總管中風(fēng)壓的變化也會(huì)引起排風(fēng)柜上部支排風(fēng)管道中風(fēng)壓的變化，如果此時(shí)風(fēng)量控制系統(tǒng)不能化解管道的風(fēng)壓變化，就會(huì)使排風(fēng)柜的排風(fēng)量變大或變小，進(jìn)而影響此時(shí)本該穩(wěn)定的面風(fēng)速。

傳統(tǒng)的變風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)管道的壓差反饋信號(hào)進(jìn)行排風(fēng)量的調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度一般在20~30s之間，為了保證實(shí)驗(yàn)室的安全性，實(shí)驗(yàn)室氣流控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間必須控制在1s之內(nèi)。目前，采用文丘里閥的通風(fēng)柜控制系統(tǒng)可以很好的解決這一問題。

閥門是一個(gè)椎形的構(gòu)造，內(nèi)置不銹鋼彈簧，根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化調(diào)整文丘里打開的面積，以維持固定的空氣流量。壓力降低時(shí)，彈簧張開，閥芯分離，增大通風(fēng)量，如圖3；壓力增大時(shí)，彈簧壓縮，閥芯接近，減少通風(fēng)量，如圖4。

圖3圖4

五、精確的控制系統(tǒng)

系統(tǒng)排風(fēng)量控制如果不能跟隨風(fēng)管內(nèi)靜壓的變化快速、精確的變化 ，就會(huì)造成排風(fēng)柜流量無法精確控制，而產(chǎn)生振蕩（如圖5），將會(huì)使房間壓力變成正壓或者增大房間余風(fēng)量的要求。風(fēng)速的不穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生大量的平衡問題，波動(dòng)的送、排風(fēng)系統(tǒng)使氣流平衡復(fù)雜化，自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能將變得更加困難。

面風(fēng)速要在一個(gè)大的風(fēng)量控制范圍內(nèi)得到精確控制。在達(dá)到理想的控制值時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)保證調(diào)節(jié)的過調(diào)量和欠調(diào)量小于5％，確保通風(fēng)柜的集塵能力及操作人員的安全。

圖5氣流的振蕩

完備的通風(fēng)及控制系統(tǒng)確保實(shí)驗(yàn)室的安全性，這也是關(guān)系到實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成敗的關(guān)鍵。因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備的配置等必須滿足以上所講到的幾點(diǎn)基本要求，但高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室不僅僅局限于此，還要解決好溫度、氣流、噪音的問題，同時(shí)要保證最低的能源消耗，系統(tǒng)穩(wěn)定，容易控制，易于操作管理。簡(jiǎn)而言之就是要從安全、舒適、節(jié)能、可靠運(yùn)行方面進(jìn)行全盤的考慮設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。