通風(fēng)房間內(nèi)不同發(fā)射速度的超細(xì)顆粒物濃度分布

劉澤勤 高夢晗 才爽

1 天津冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心

2 天津市制冷技術(shù)重點實驗室

3 天津市制冷技術(shù)工程中心

4 天津商業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院

超細(xì)顆粒物（UFPs）在一些領(lǐng)域中被認(rèn)為是指當(dāng)量粒徑小于0.1 μm 的顆粒物，即PM0.1。超細(xì)顆粒物粒徑小，易在肺內(nèi)沉積，同時其表面積較大，易吸附多種有害物質(zhì)[1]，對人體的心肺系統(tǒng)產(chǎn)生危害。由于醫(yī)藥，生物和電子等工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品越來越精密，有些已經(jīng)達到納米級別，因此生產(chǎn)空間中的超細(xì)顆粒物中的化學(xué)成分可能對生產(chǎn)的產(chǎn)品有影響[2-5]。為研究在通風(fēng)房間內(nèi)不同發(fā)射速度的超細(xì)顆粒物的濃度分布，本文通過實驗研究，探究在相同的送風(fēng)速度下不同粒子發(fā)射速度對室內(nèi)超細(xì)顆粒物的濃度分布的影響。

1 實驗研究

1.1 實驗臺及測點布置

空氣顆粒物控制技術(shù)綜合實驗臺如圖1 所示，實驗臺示意圖如圖2 所示。

圖1 空氣超細(xì)顆粒物特性研究實驗臺

圖2 空氣超細(xì)顆粒物特性研究實驗臺示意圖

空氣顆粒物控制技術(shù)綜合實驗臺，尺寸為3 m×1.5 m×1 m，體積為4.5 m3，各向墻壁以及屋頂厚約為0.1 m，實驗室采用硬質(zhì)聚氨酯鍍鋅夾心板（硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料密度不小于45 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.028 W/(m·℃)。實驗臺送風(fēng)口尺寸為1 m×1.5 m，回風(fēng)口尺寸為1 m×1.5 m。實驗臺一側(cè)設(shè)置送風(fēng)風(fēng)機，調(diào)節(jié)變頻器改變風(fēng)機風(fēng)量以達到實驗要求。回風(fēng)口處添加過濾裝置，回收顆粒物防止產(chǎn)生污染。實驗室的送風(fēng)口與回風(fēng)口的兩個截面前安置不銹鋼孔網(wǎng)，起到了整流器的作用，達到均勻送風(fēng)的效果。

將顆粒物發(fā)生源安置在近送風(fēng)口的位置（2.5 m，0.75 m，0.5 m）處，并根據(jù)需要測定不同平面的顆粒物濃度，設(shè)置顆粒物濃度測試點，平面測點布置如圖3 所示，V1 列測點垂直示意圖如圖4 所示，所有測點在垂直高度上分布一致。

圖3 實驗臺測點位置平面圖（Z=1.1 m）

圖4 V1 列測點位置圖

1.2 實驗過程與設(shè)備

采用粉塵氣溶膠發(fā)生器作為實驗研究的顆粒發(fā)生源，調(diào)節(jié)變頻器改變室內(nèi)流通的風(fēng)量，利用風(fēng)速儀測試實驗環(huán)境的風(fēng)速，調(diào)節(jié)變頻器直至達到實驗所需風(fēng)速，最后，利用微電腦粉塵儀等儀器測定不同工況下室內(nèi)超細(xì)顆粒物的濃度。

粉塵氣溶膠發(fā)生器的規(guī)格為：空氣懸浮粒子輸出范圍為50～2000 ft3/min。在200 ft3/min 流量時，懸浮粒子濃度為100 μg/L。在2000 ft3/min 流量時，懸浮粒子濃度為10 μg/L。產(chǎn)生類型為2 到6 個Laskin Nozzle噴頭。氣溶膠自帶內(nèi)置壓縮機。標(biāo)準(zhǔn)粒子濃度范圍為100 萬顆/ft3到10000 萬顆/ft3。粒徑范圍為0.1～1 μm。

P-5L2C 便攜式微電腦粉塵儀的測量濃度范圍為0～1 g/m3，分辯率為讀數(shù)的0.1%或0.001 mg/m3二者中的較大值。粒徑范圍為0.1～10μm。流量在1.4～2.4 L/min 范圍內(nèi)可調(diào)（正常1.7 L/min）。操作溫度為0～50 ℃。操作濕度為0～95%RH（無冷凝）。數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)點約31000 個，采集間隔為1 s～1 h 內(nèi)可調(diào)整。

采用三相AC380-480（V）通用功能變頻器改變送風(fēng)速度，適配電機功率為11 kW。采用定制型空氣源熱泵，根據(jù)計算，選用制冷量為6 kW。制熱量為6.5 kW。輸入功率為1.8 kW。環(huán)境溫度范圍：-10～50 ℃。在實驗的過程中，風(fēng)機運行產(chǎn)生熱量使庫內(nèi)溫度升高到27 ℃，使用空氣源熱泵調(diào)節(jié)溫度，使室內(nèi)溫度維持在工況設(shè)動溫度21 ℃。

1.3 實驗工況

粒子發(fā)生源坐標(biāo)為（2.5 m，0.75 m，0.5 m）、粒子初始發(fā)生濃度為0.03 kg/m3、送風(fēng)溫度為21 ℃，粒子發(fā)射速度分別為1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s、2.0 m/s、2.2 m/s。分別探究在1 m/s 與3 m/s 兩種送風(fēng)速度下，不同發(fā)射速度的超細(xì)顆粒物在室內(nèi)的濃度分布。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 送風(fēng)速度1 m/s

圖5 給出了送風(fēng)速度為1 m/s 時，不同粒子發(fā)射速度下室內(nèi)六列測點在距地面不同高度上顆粒物濃度分布情況。圖5（a）顯示，V1 列靠近地面處顆粒物濃度為4.0×10-5kg/m3，在距地面0.6 m，粒速為2.2 m/s時，顆粒物濃度達到最大，最大值為3.4×10-4kg/m3，以發(fā)生源所在高度（0.5 m）為中心，V1 列上的測點濃度具有相似的衰減度。圖5（b）顯示，由于V2 列與顆粒發(fā)生源有一段距離，濃度受風(fēng)速的影響向四周擴散，在V2 列的地面處，顆粒濃度達到6.0×10-5kg/m3。在V2列測點，濃度隨著同一縱列測量點的向上延伸而衰減，由于房間高度為2 m，而顆粒發(fā)生源高度為0.5 m，高于1 m 處的顆粒濃度持續(xù)衰減。圖5（c）與（b）中測點與顆粒發(fā)生源成等距離布置，實驗結(jié)果與（b）相似。圖5（d）顯示房間垂直中心線上測點的濃度分布，在靠近地面處顆粒物濃度為8.0 ×10-5kg/m3，在粒速為1.6 m/s，距地面高度為0.4 m 時，顆粒物濃度達到最大，最大值為1.1×10-4kg/m3。圖5（e）顯示，V5 列是靠近回風(fēng)口處與V1 列關(guān)于V4 列對稱的一系列測點，顆粒物濃度最大值出現(xiàn)在粒速為2.2 m/s 時距地面高度為0.4 m 處，為1.3×10-5kg/m3。圖5（f）顯示V6 列各測點與V5 列各測點距回風(fēng)口水平距離相等，由于V5 列位于0.5 m 的測點在發(fā)生源的中心線上，所以V6 列距地面高0.5 m 處的顆粒物濃度較V5 列同一高度測點顆粒物濃度小。V6 列濃度最大值出現(xiàn)在粒速為2.2 m/s 時距地面高度為0.4 m 處，為1.2×10-5kg/m3。

由各個測點不同粒速下的濃度分布可以看出，顆粒物濃度在不同粒子發(fā)射速度下分布趨勢大致相同。

圖5 風(fēng)速為1 m/s 時顆粒物濃度在垂直高度分布圖

2.2 送風(fēng)速度3 m/s

圖6 給出了送風(fēng)速度為3 m/s 時，不同粒子發(fā)射速度下室內(nèi)六列測點在距地面不同高度上顆粒物濃度分布情況。圖6（a）顯示，V1 列靠近地面處顆粒物濃度為1.0×10-8kg/m3，在距地面0.4 m，粒速為2.2 m/s時，顆粒物濃度達到最大，最大值為3.7×10-4kg/m3，以發(fā)生源所在高度（0.5 m）為中心，V1 列上的測點濃度具有相似的衰減度。圖6（b）顯示，由于V2 列與顆粒發(fā)生源有一段距離，濃度受風(fēng)速的影響向四周擴散，在V2 列的地面處，顆粒濃度達到1.0×10-6kg/m3，濃度隨著同一縱列測量點的向上延伸而衰減，由于房間高度為2 m，而顆粒發(fā)生源高度為0.5 m，高于1 m 處的顆粒濃度持續(xù)衰減。圖6（c）與（b）中測點與顆粒發(fā)生源成等距離布置，實驗結(jié)果與（b）相似。圖6（d）顯示房間垂直中心線上測點的濃度分布，在靠近地面處顆粒物濃度為1.0×10-5kg/m3，在粒速為1.6 m/s，距地面高度為0.4 m 時，顆粒物濃度達到最大，最大值為1.1×10-4kg/m3。圖6（e）中，V5 列是靠近回風(fēng)口處與V1 列關(guān)于V4 列對稱的一系列測點，顆粒物濃度最大值出現(xiàn)在粒速為2.0 m/s 時距地面高度為0.4 m 處，為6.2×10-5kg/m3。圖6（f）顯示V6 列各測點與V5 列各測點距回風(fēng)口水平距離相等，由于V5 列0.5 m 的測點在發(fā)生源的中心線上，所以V6 列距地面高0.5 m 處的顆粒物濃度較V5 列同一高度測點顆粒物濃度小。V6 列濃度最大值出現(xiàn)在粒速為1.4 m/s 時距地面高度為0.6 m 處，為4.0×10-5kg/m3。

圖6 風(fēng)速為3 m/s 時顆粒物濃度在垂直高度分布圖

由各個測點不同粒速下的濃度分布可以看出，顆粒物濃度在不同粒子發(fā)射速度下分布趨勢大致相同。對比分析圖5、圖6，當(dāng)風(fēng)速由1 m/s 增至3 m/s，V1 列靠近地面處顆粒物濃度由4.0×10-5kg/m3減小至1.0×10-8kg/m3，V4 列靠近地面處顆粒物濃度由8.0×10-5kg/m3減小至1.0×10-5kg/m3，由此可知，風(fēng)速越大，超細(xì)顆粒物越不易沉降。圖5 中不同粒子發(fā)射速度下的超細(xì)顆粒物濃度分布折線較分散，但趨勢基本相同。圖6中不同粒子發(fā)射速度下的超細(xì)顆粒物濃度分布折線較圖5 重合度更高，由此可知，粒子發(fā)射速度對顆粒物濃度分布影響不大，風(fēng)速越大，粒子發(fā)射速度對顆粒物濃度分布的影響越小。

3 結(jié)論

1）由于空氣流動作用，超細(xì)顆粒物濃度在整個空間內(nèi)發(fā)生變化，呈現(xiàn)出以發(fā)生源所在高度為界限，兩側(cè)濃度均低于發(fā)生源所在高度處的濃度的現(xiàn)象，以發(fā)生源為水平中點的顆粒物向左右等距離擴散，擴散程度基本相似。

2）靠近送風(fēng)口處垂直分布測點的顆粒物濃度最大，最大濃度出現(xiàn)在距地面高度0.4 m 處，其值為3.7×10-4kg/m3。位于房間中心位置的垂直列測點顆粒物濃度處于第二位，其值最大為1.1×10-4kg/m3。送風(fēng)速度不變時，同一測點的濃度波動受粒子發(fā)射速度影響較小，顆粒物濃度在不同粒子發(fā)射速度下分布趨勢大致相同。風(fēng)速越大，粒子發(fā)射速度對顆粒物濃度分布的影響越小。

3）當(dāng)風(fēng)速由1 m/s 增至3 m/s，V1 列靠近地面處顆粒物濃度由4.0×10-5kg/m3減小至1.0×10-8kg/m3，V4列靠近地面處顆粒物濃度由8.0×10-5kg/m3減小至1.0×10-5kg/m3，由此可知，風(fēng)速越大，超細(xì)顆粒物越不易沉降。