散流器送風口位置對排風柜性能的影響研究

張顯相 劉東

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

近些年，隨著全社會對公共衛生安全問題的重視，實驗室及其安全成了人們關注的一個焦點。理化實驗室主要是利用現代科學技術手段對物質的物理性能和化學成分進行檢測分析的實驗室，其安全性主要體現在實驗室內部空氣品質是否得到保證。試驗中產生的一些揮發氣體對人體有各種刺激作用，一些有毒有害物如笨、甲醛已被確定對人體有致癌性[1]。危險的工作環境對實驗人員的生命健康造成巨大威脅。美國職業安全衛生管理局統計顯示，實驗室人員壽命比社會平均壽命少10 年[2]。排風柜是實驗室內重要的局部通風設備，其提供一個封閉的通風操作空間，通過在內部形成負壓，環境以捕集、排出煙氣，顆粒等有害物質，從源頭對污染物進行控制，保證實驗人員安全。

實驗室送風的作用時稀釋室內污染物及維持相鄰房間壓力差，而送風口位置不當時，其會對排風柜形成不同程度的干擾，所以實驗室送風應同時考慮其通風效率和對排風柜性能的影響，本文特別針對實驗室常用的散流器送風口在不同布置位置的工況下對排風柜面風速，濃度的影響情況，來研究送風對排風柜性能的影響。

1 實驗設施介紹

1.1 實驗室介紹

同濟大學排風柜全性能測試平臺中，標準型排風柜背靠墻放置于封閉的實驗室內，實驗室尺寸（長×寬×高）為4 m×4 m×3.5 m（圖1），本次實驗所涉及風口為實驗室唯一送風，排風依靠排風柜排風，實驗室全面排風口關閉，房間微負壓。

圖2 風口支架示意圖

圖2 為風口支架示意圖。圖中，1 為移動輪（可滾動改變支架位置），2 為支柱，3 為滑軌，4 為支撐條（每個支撐條可在滑軌上單獨滑動和固定），5 為風口（可固定在支撐條上）。

1.2 實驗儀器介紹

采用Testo 425 高精度配合風速儀支架進行面風速測試，采用Thermo ScientificTMMIRAN SapphIRe 便攜式環境空氣分析儀實現一臺儀器對多種氣體的精確檢測。

2 散流器不同位置對排風柜性能影響研究

2.1 散流器風口特征

在暖通設計領域，方形散流器具有良好的散流特性和美觀的外形，結構形式多樣，有1～4 個方向散流的形式，能滿足不同類型天花板的要求，而且散流器內外框可以自由分離，拆裝容易，便于調節風量，因此被廣泛應用于空調通風系統的送風口[3]。其氣流屬于貼附（平送）型，多用于層高較矮、人員較密集的房間，可以作為送風口，一般情況下送風距離3～4 m 左右[4]。故很多帶吊頂的實驗室會選擇散流器作為送風風口。本次實驗選用的散流器面板由外邊框和可拆卸風口內芯組成，固定式葉片用于水平送風，結合靜壓箱使用，效果良好，風口內芯可通過置于外邊框內的彈簧裝置定位或拆除。材質邊框和內芯均采用鋁合金6063-T5，表面用靜電粉末噴涂。圖3 為方散三視圖，規格為525 mm（L）×525 mm（H），其中，X=672 mm，Y=522.8 mm。

圖3 方散三視圖

2.2 正交試驗

正交試驗設計是研究多因素多水平問題的有效方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分具有代表性的點進行實驗，具有高效，快速和經濟的特點，因而廣泛應用于科學試驗和生產實踐中。

本文采用正交試驗設計方法，通過極差分析和方差分析處理試驗結果，得出最優解。

散流器風口對排風柜性能影響的研究中，各個因素及水平如表所示，三個因素分別為相對排風柜左右位置，相對排風柜前后位置，風口高度。每個因素設置三個水平，選用正交表L9（34），各因素相對位置描述。

因素A：相對排風柜左右位置，如圖4 所示：

圖4 相對排風柜的左右位置

因素B：相對排風柜前后位置，如圖5 所示：

圖5 相對排風柜的前后位置

因素C：風口的高低位置，如圖6 所示：

圖6 風口高低位置

表1 為正交試驗表。

表1 正交試驗表

2.3 結果分析（確定最佳的安裝距離和安裝高度）

對于排風柜的研究，面風速和控制濃度是排風柜的重要性能參數。對排風柜進行測試，排風柜靜尺寸（長×寬×高）為1250 mm×860 mm×2200 mm，排風口為300 mm。拉門高度設在500 mm，排風量取整為1200 m3/h，送風量1100 m3/h。測試是在某實驗室內進行，測試時實驗門窗關閉。

2.3.1 面風速測定

面風速測試時，排風柜操作面均勻劃分為12 個測點，測點布置如圖7 所示：按照標準中的測試方法，使用風速溫度測量儀測量各測點的風速。

圖7 面風速測試點位圖

根據正交試驗表所列的實驗工況，保證送風、排風風量不變的情況下，調整散流器的位置測量不同工況下的面風速數據，通過分析各個測點20 組數據的標準差均值和各個測點20 組數據的均值的標準差反映不同工況下面風速的波動性和均勻性。

本文實驗設計對每組實驗的面風速進行測試，對排風柜操作面均勻劃分為12 個測點，每個測點讀取20 組數據，波動性分析先計算每個測點20 組數據的標準差，然后再對12 個測點的標準差數據求平均值，得出面風速標準差的均值，反映了面風速的波動性（表2）。

表2 面風速波動性

表2 中，T1，T2和T3這三行數據分別是各因素同一水平結果之和。例如，T1行A 因素列的數據0.177 是A 因素3 個1 水平的實驗值的和，而A 因素3 個1 水平分別在第1、2、3 號實驗，所以

注意到，在上述計算中，B 因素的3 個水平各參加了一次計算，C 因素的3 個水平也各參加了一次計算。

其他的求和數據計算方式和上述方式相似，然后對T1，T2和T3這三行分別除以3 得到三行新的數據表示各因素在每一水平下的平均波動性。用各因素標準差均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優方案為A1B2C1。

圖8 各因素面風速波動性的影響

表3 反映面風速均勻性的測試和計算結果。通過對波動性的研究方法，可以得出面風速均勻性最好的方案為A3B3C3。

表3 面風速均勻性測試和計算結果

圖9 各因素面風速均勻性的影響

2.3.2 濃度測定

在排風柜工作臺面、內側壁面上畫平行于柜門的直線，在距柜門均為150 mm 的地方釋放微量煙氣。對于一個典型的帶有垂直柜門的臺式排風柜，需要三個位置：左、中、右。左邊位置時，引射器的中心距離左側壁300 mm。中間位置與左右兩側壁等距。右邊位置距離右邊側壁300 mm。假人著實驗室衣服，呼吸帶距排風柜柜面垂直高度550 mm，距柜面水平距離75 mm（圖10）。

圖10 假人位置

待房間背景濃度達到測試標準時，對每個工況每個位置下的污染物（假人吸入）濃度測試，每秒記錄一次讀數，共記錄360 組數據。對各工況下數據進行分析，如表4 所示。

表4 濃度測試和計算結果

表4 中，T1，T2和T3這三行數據分別是各因素同一水平結果之和。例如，T1行A 因素列的數據7.055 是A 因素3 個1 水平的實驗值的和，而A 因素3 個1 水平分別在第1、2、3 號實驗，所以

注意到，在上述計算中，B 因素的3 個水平各參加了一次計算，C 因素的3 個水平也各參加了一次計算。其他的求和數據計算方式和上述方式相似，然后對T1，T2和T3這三行分別除以3 得到三行新的數據和表示各因素在每一水平下的平均濃度。用各因素均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優方案為A1B2C1。

圖11 各因素對濃度的影響

通過對濃度與面風速分析結果的對比分析，最優組合信息如表5 所示：

表5 面風速與濃度的對比

從表5 可得出如下結論：散流器風口工況下，風口的位置最優組合為A1B2C1，面風速的波動性與濃度相關性大。

3 結論

通過對面風速波動性的研究，可以得出最優方案為A1B2C1，比較極差得到，A 因素的極差RA=0.031最大，表明A 因素對波動性的影響程度最大。B 因素的極差RB=0.012 最小，說明B 因素對面風速波動性的影響程度不大。影響大小順序依次是A＞C＞B。

同樣對波動性的研究方法，可以得出面風速均勻性最好的方案為A3B3C3。影響大小順序依次是C＞A＞B。

通過對濃度的分析，用各因素均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優方案為A1B2C1。比較極差得到C 因素的極差RC=6.233 最小，說明該風口的工況下C 因素對濃度的影響程度不大。影響大小順序依次是B＞A＞C。