影響Ⅱ級(jí)B2 型生物安全柜排風(fēng)的關(guān)鍵因素

蘇建程，王會(huì)如

北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 （北京 101111）

Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜流入氣流的狀態(tài)直接影響其運(yùn)行狀態(tài)，而排風(fēng)系統(tǒng)是流入氣流狀態(tài)修正的唯一技術(shù)保障。但由于安裝Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜的場(chǎng)地條件復(fù)雜多樣，工況可重現(xiàn)性低，所以建造Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜的排風(fēng)系統(tǒng)時(shí)無(wú)統(tǒng)一的施工方案。本研究鑒于排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)與生物安全柜的性能良好兼容是保證Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，綜合思考工業(yè)通風(fēng)的設(shè)計(jì)理論與安全柜的設(shè)備特性，提出具有實(shí)踐意義的觀(guān)點(diǎn)。

1 Ⅱ級(jí)B2 型生物安全柜排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量

Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜排風(fēng)系統(tǒng)重要的輸入?yún)?shù)之一是排風(fēng)量，排風(fēng)量計(jì)算公式如下：

式中，Q為排風(fēng)量，Qd為下降氣流流量，Qi為流入氣流流量[1]。

1.1 下降氣流流量

下降氣流流量計(jì)算公式如下：

式中，Qd為下降氣流流量，v為下降氣流平均流速，A為送風(fēng)面截面積。

根據(jù)Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜的下降氣流平均流速應(yīng)在下降氣流標(biāo)稱(chēng)值±0.025 m/s 之間的要求，推導(dǎo)出公式如下：

式中，QdMAX為下降氣流流量最大值，QdMIN為下降氣流流量最小值，v標(biāo)為下降氣流標(biāo)稱(chēng)值，A為送風(fēng)面截面積。

1.2 流入氣流流量

流入氣流流量計(jì)算公式如下：

式中，Qi為流入氣流流量，v為流入氣流平均流速，h為前窗操作口高度，w為前窗操作口寬度。

根據(jù)Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜的流入氣流平均流速應(yīng)在流入氣流標(biāo)稱(chēng)值±0.025 m/s 之間的要求，推導(dǎo)出公式如下：

式中，QiMAX為流入氣流流量最大值，QiMIN為流入氣流流量最小值，v標(biāo)為流入氣流標(biāo)稱(chēng)值，h為前窗操作口高度，w為前窗操作口寬度。

1.3 排風(fēng)量

根據(jù)下降氣流流量、流入氣流流量的最大值和最小值，推導(dǎo)出Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜的排風(fēng)量應(yīng)滿(mǎn)足正常運(yùn)行狀態(tài)下的工作參數(shù)Q，QiMAX+QdMAX≥Q≥QiMIN+QdMIN。

2 Ⅱ級(jí)B2 型生物安全柜排風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成

Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜排風(fēng)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)和管路組成，風(fēng)機(jī)為流體提供動(dòng)能，管路為流體提供導(dǎo)流。流體在管路導(dǎo)流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生阻力，風(fēng)機(jī)動(dòng)能除需克服管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力外，還需克服生物安全柜排風(fēng)過(guò)濾器的阻力。排風(fēng)過(guò)濾器雖然被安裝在生物安全柜內(nèi)部，但不應(yīng)被忽視，其阻力會(huì)隨著生物安全柜運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。相比于排風(fēng)過(guò)濾器的阻力，管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力才是排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的核心，其專(zhuān)業(yè)性和復(fù)雜性直接關(guān)乎排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。

管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力主要由沿程阻力和局部阻力疊加而成[2]，根據(jù)達(dá)西公式分析影響管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力的主要因素，達(dá)西公式如下：

式中，H為管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力，λ為沿程阻力系數(shù)，l為管路長(zhǎng)度，d為管路直徑，υ為管路內(nèi)平均流速，g為重力加速度

2.1 沿程阻力

沿程阻力是指流體流過(guò)管路時(shí)由于流體內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的阻力[3]。由于沿程阻力與沿程阻力系數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，且沿程阻力系數(shù)隨管路內(nèi)壁粗糙度的增加而增大[4]，因此，控制管路內(nèi)壁粗糙度可降低管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力；同時(shí)，由于沿程阻力與管路長(zhǎng)度呈線(xiàn)性關(guān)系，因此，控制管路長(zhǎng)度可降低管路導(dǎo)流過(guò)程中產(chǎn)生的阻力。

2.2 局部阻力

局部阻力是流體通過(guò)管路中的局部障礙時(shí)導(dǎo)致邊界層分離產(chǎn)生旋渦而造成的能量損失。在排風(fēng)系統(tǒng)中，局部障礙主要是管路的變向和變徑，其中，彎頭是主要的變向構(gòu)件，90°接頭造成的局部阻力遠(yuǎn)高于直管段或其他管件[5]，其原因?yàn)椋苈返倪^(guò)渡不夠通暢，流體在慣性的作用下會(huì)直接沖擊外壁面，部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，導(dǎo)致在局部區(qū)域內(nèi)的壓力場(chǎng)失衡，形成的旋渦消耗能量[6]；工程中應(yīng)用的管件或閥門(mén)會(huì)導(dǎo)致局部管徑變化，控制管徑變化的正偏差，有利于降低局部阻力，此外，管路的通風(fēng)阻力與截面積的三次冪成反比，管徑變大可降低阻力，當(dāng)截面積增加10%時(shí)，阻力至少可降低25%[7]，且管路的通風(fēng)阻力與流速的平方成正比[8]，管徑變小可增加阻力，相同的風(fēng)量通過(guò)的截面越小流速越高。

3 Ⅱ級(jí)B2 型生物安全柜排風(fēng)系統(tǒng)的性能

3.1 安全性

為保證生物安全柜的安全運(yùn)行，排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量必須在QMAX≥Q≥QMIN范圍內(nèi)，但隨著排風(fēng)系統(tǒng)的性能老化，風(fēng)量必會(huì)降低，而增加冗余風(fēng)量可以平衡由于性能衰減導(dǎo)致的流入氣流異常。確認(rèn)排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量可采用畢托靜壓橫動(dòng)法，在生物安全柜外排風(fēng)口的2倍管徑處選擇監(jiān)測(cè)截面[1]，將測(cè)量的截面壓差輸入到如下公式計(jì)算風(fēng)量：

式中，α 為修正系數(shù)，ε 為膨脹系數(shù)，D為截面直徑，ρ 為空氣密度，?p為截面差壓

3.2 經(jīng)濟(jì)性

評(píng)價(jià)排風(fēng)系統(tǒng)工程的經(jīng)濟(jì)性，可參考安全柜排風(fēng)口風(fēng)量與排風(fēng)系統(tǒng)額定風(fēng)量的比值，比值越大，在用階段系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好，系統(tǒng)的運(yùn)行成本越低。確認(rèn)排風(fēng)口風(fēng)量可采用風(fēng)管法，當(dāng)測(cè)量截面位于局部管件前，距離應(yīng)≥3倍管徑處，位于局部管件后，距離應(yīng)≥5倍管徑處[9]，將測(cè)量的截面風(fēng)速輸入如下公式計(jì)算風(fēng)量：

式中，v截為截面風(fēng)速，A為截面面積

4 結(jié)論

排風(fēng)系統(tǒng)的性能與Ⅱ級(jí)B2型生物安全柜的兼容性直接影響生物安全柜在用期間的安全。排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)與建造工藝是決定排風(fēng)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)是決定排風(fēng)系統(tǒng)與生物安全柜兼容性的基礎(chǔ)，適宜的建造工藝是影響排風(fēng)系統(tǒng)與生物安全柜兼容性的細(xì)節(jié)。