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第10章集气罩生化工程系第10章集气罩采用局部排气通风方法控制空气污染物扩散的依据：空气污染物在车间的扩散是污染物依附于气流运动而扩散的，对于生产过程散发到车间空气中的污染物，只要控制住室内二次气流的运动，就可以控制污染物的扩散和飞扬，从而达到改善车间内外空气环境质量的目的。控制污染物扩散的局部通风方法，就是在局部污染源设置集气罩，把污染空气搜集起来并经净化后排至室外。学习内容：净化系统的组成及基本内容集气罩的集气机理集气罩的基本类型集气罩性能参数及计算集气罩设计的方法难点：集气罩的集气机理及设计方法1、净化系统组成:污染源控制装置：集气罩、排风管道控制污染源，并将其导入净化装置中。烟气除尘及净化装置：净化设备由不同台数和组合形式组成。烟气最终处理装置：风机和烟囱一、净化系统的组成及系统设计的基本内容局部排气净化系统示意图：1、集气罩2、排风管3、净化设备4、风机5、烟囱集气罩：用以捕集污染气流，其性能对净化系统的技术经济指标有直接的影响。污染源设备结构和生产操作工艺的不同、集气罩的形式多种多样。风管：用以输送气流的管道。通过风管使系统的设备和部件联成一个整体。净化设备：防止大气污染。采用净化设备进行处理，达到排放标准后，才能排入大气。通风机：系统中气体流动的动力设备，为了防止通风机的磨损和腐蚀，通常把风机设在净化设备的后面。烟囱：排气装置。必须具有一定的高度，使污染物在大气中稀释、扩散或沉降，从而保证地面浓度不超过环境空气质量标准。其他：根据处理对象不同(如含尘气体、有毒高温易燃易爆气体等)还应增设必要的设备，如清灰孔、冷却装置、余热利用装置、防爆装置、消音器、各种阀门仪表等。2、局部排气净化系统设计的基本内容:捕集装置设计：包括集气罩的结构形式、安装位置及性能参数等。净化设备选择和设计选择依据：污染物的种类与性质；处理量；净化效率；净化系统的环境、经济及社会效益。除尘系统与装置的选择吸收系统与装置的选择吸附系统与吸附装置的选择净化装置的费用：设备投资费；运行费用；总费用净化设备选择和设计：其选择和设计一般分5个步骤。A.工程调查：搜集资料，全面考虑影响设备系能的各种因素；B.根据排放标准和生产要求，计算净化效率；C.根据污染物性质（组成、含量、温度、湿度等）和操作条件确定净化方法（吸收、吸附或除尘等）和净化工艺（几级处理、是否预冷或预热、调湿及吸收剂或吸附剂选择），在此基础上，决定净化设备的选择范围。D.对设备的技术指标和经济指标进行全面比较，选定最合适的净化装置，确定合理的净化系统配置；E.确定净化设备的型号规格及运行参数，设计应满足其排放浓度达到当地排放标准的要求。管道系统设计（详见第十一章）：主要包括管道布置、管道内气体流速的确定、管径选择、压力损失计算及通风机选择等。排放烟囱设计（详见第四章）：包括结构尺寸及工艺参数（烟囱高度、内径、排气速度等）的设计。增设设备及部件的设计：如除尘系统的清灰孔、高温烟气的冷却装置、余热利用装置及满足钢材热胀冷缩的管道补偿器，输送易燃易爆气体时所设的防爆装置，用于调节系统风量和压力平衡的各种阀门，用于测量系统内各种参数的测量仪表、控制仪器和测孔，用于支撑和固定管道、设备的支架，用于降低风机噪声的消音装置等。集气罩是烟气净化系统污染源的收集装置，是一种流体动力学捕集，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。二、集气罩的集气原理集气罩口气流流动方式吸气口气流的吸入流动吹气口气流的吹出流动1、吸入气流一个敞开的管口是最简单的吸气口，当吸气时，在吸气口附近形成负压，周围空气从四面八方流向吸气口，形成吸入气流或汇流。当吸气口面积很小时，可视为点汇流。图点汇气流流动情况假定流动没有阻力，在吸气口外气流流动的流线是以吸气口为中心的径向线，等速面是以吸气口为球心的球面，如图所示。吸气管吸气时，在吸气管口附近形成负压，周围空气从四面流向吸气口。当吸气口面积较小时，可视为“点汇”。若在吸气口的四周加上挡板，如图b所示，吸气范围减少一半，其等速面为半球面。实际上，吸气口是有一定大小的，气体流动也是有阻力的。所以，吸气区气体流动的等速面不是球面而是椭球面。吸气口气流速度分布特点：①在吸气口附近的等速面近似与吸气口平行，随离吸气口距离x的增大，逐渐变成椭圆面，而在1倍吸气口直径d处已接近为球面。因此，当x/d1时，可近似当作点汇，吸气量Q可按式1、3计算。当x/d＜1时，应根据有关气流衰减公式计算。②吸气口气流速度衰减较快。如图所示，当x/d＝1时，该点气流速度已大约降至吸气口流速的7.5%。③对于结构一定的吸气口，不论吸气口风速大小，其等速面形状大致相同。而吸气口结构形式不同，其气流衰减规律则不同。图四周无边圆形吸气口的速度分布图四周有边圆形吸图气口的速度分布图2、吹出气流空气从孔口吹出，在空间形成的气流称为吹出气流或射流。喷吹孔可以是圆形、矩形和扁矩形（长短边之比大于10:1）。按孔口形状可以将射流分为圆射流、矩形射流和扁射流（条缝射流）；据空间界壁对射流的约束条件，射流可分为自由射流（吹向无限空间）和受限射流（吹向有限空间）；按射流温度与周围空气温度是否相等，可分为等温射流和非等温射流；据射流产生的动力，还可将射流分为机械射流和热射流。圆射流可向上下左右扩散，扁射流只能向条缝吹出口两侧方向扩散，方形吹出口及长宽比接近1的矩形风口喷出的矩形射流，在距离大于10倍吹出口直径（面积的平方根）后，射流断面几乎成为圆形。非等温射流，由于热浮力的作用，射流轴线将产生弯曲。射流温度高于室内空气温度时，轴线向上弯曲，反之轴线向下弯曲。3、吸入气流与吹出气流的差异1）吹出气流由于卷吸作用，沿射流方向流量不断增加，射流呈锥形；吸入气流的等速面为椭球面，通过各等速面的流量相等，并等于吸入口的流量。2）射流线上的速度基本上与射程成反比，而吸气区内气流速度与距吸气口的距离的平方成反比。所以，吸气口能量衰减很快，其作用范围较小。吹出气流在较远处仍能保持其能量密度，吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度就急剧下降。这亦表明，吹出气流的控制能力大，而吸入气流则有利于接受。吹出气流在较远处仍能保持其能量密度，吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度就急剧下降。这亦表明，吹出气流的控制能力大，而吸入气流则有利于接受。因此，可以利用吹出气流作为动力，把污染物输送到吸气口再捕集，或者利用吹出气流阻挡、控制污染物的扩散，这种把吹气和吸气结合起来的集气方式称为吹吸气流。4、吹吸气流由两股气流组合而成的气流。在集气罩设计中，利用吹出气流与吸入气流联合作用来提高所需“控制风速”的形成，称为吹吸式集气罩。集气罩是烟气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。三、集气罩的基本类型集气罩吸气式吹吸式按集气罩与污染源的相对位置及适用范围，吸气式集气罩分为：密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等1、密闭罩将污染源的局部或整体密闭起来，在罩内保持一定负压，可防止污染物的任意扩散。特点：所需排风量最小，控制效果最好，且不受室内气流干扰，设计中应优先选用。按照结构形式分为：局部密闭罩特点：体积小，材料消耗少，操作与检修方便；适用：产尘点固定、产尘气流速度较小且连续产尘的地点。整体密闭罩特点：容积大，密闭性好。适用：多点尘源、携气流速大或有振动的产尘设备。大容积密闭罩特点：容积大，可缓冲产尘气流，减少局部正压，设备检修可在罩内进行。适用：多点源、阵发性、气流速度大的设备和污染源。布置要求设置必要的观察窗，操作门和检修门。罩内应保持一定的均衡负压。尽量避开扬尘中心，防止大量物料随气流带至罩口被吸走。处理热物料时，应考虑热压对气流运动的影响，常常适当加大密闭罩容积，吸风点设于罩子顶部最高点。罩内风量Q（m3/s）可由下式获得：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5-Q6Q1-被运动物料带入罩内的诱导空气量；Q2-由罩密闭不严处吸入的空气量；Q3-由化学反应，受热膨胀，水分蒸发等产生的气体量；Q4-由于设备运转而鼓入罩内的空气量；Q5-被压实的物料所排挤出的空气量；Q6-随物料排出所带走的烟气量。参考教材p517~p521。实际中常根据经验数据和有关手册来确定。2、排气柜排气柜可使产生有害烟尘的操作在柜内进行。结构形式A、排气口在操作口对面操作口气流分布较均匀，有害气体外逸的可能性较小。B、排气口设在柜顶操作口上部形成较大进气流速，而下部进气流速较小，气柜内易形成涡流，可能造成有害气体外逸C、在对面和顶部同时设置排气口布置要求：尽量避开门窗和其它进风口。排气柜的排气量可按下式计算：Q=υ0A0βQ-排气量；υ0-操作口的平均吸气速度，一般选用0.5～1.5m/s，对危害性大的烟气，取较大值；A0-操作口的面积；β-安全系数，一般情况下介于1.05～1.10。图整体密闭罩图大容积密闭罩图局部密闭罩图排气柜a.排气点设于下部的排气柜b.排气点设于上部的排气柜c.上下部均设排气点的排气柜3、外部吸(集、排)气罩通过罩的抽吸作用，在污染源附近把污染物全部吸收起来的集气罩。特点：结构简单，制造方便；但所需排风量较大，且易受室内横向气流的干扰，捕集效率较低。常见形式：顶吸罩、侧面吸罩、底吸罩、槽边吸气罩a-顶吸罩；b-底吸罩；c-侧吸罩；d-槽边集气罩4、接受式排气罩定义：接受由生产过程（如热过程、机械运动过程）中产生或诱导出来的污染气流的一种排气罩。特点：罩口外的气流运动不是由于罩子的抽吸作用，而是由于生产本身过程产生。类型:a.低悬罩(罩口高度1.5A1/2)b.高悬罩(罩口高度1.5A1/2)A-热设备的水平投影面积。接受式排气罩a-热源上部伞形接受罩；b-砂轮机接受罩5、吹吸式排气罩及空气幕工作原理：当外部吸气罩与污染源的距离较大时，可以在外部吸气罩的对面设置一吹气口，从而形成一层空气幕阻止污染物的散逸，同时也诱导污染气流一起向排气罩流动。特点：采用气幕抑制污染物扩散，具有气量小，抗干扰能力强，不影响工艺操作、效果好的特点。适用：在槽、台宽度较大（≥2m）的工作槽上，采用此类排气罩控制污染物的扩散，效果较佳。吹吸式排气罩设计时注意事项A.防止吹气射流产生弯曲；B.条缝口宽度速度：高h2≧5~7mm，以防吹气口堵塞，吹气射流初速度υ2≦10~12m/s。C.吹气罩排气量：一般为吹气射流末端速度的1.1~1.25倍。D.吹气口高度。气幕及应用：作用：可有效地抑制污染物扩散。应用：A.当接受罩悬挂较高时，用吹气射流阻挡横向气流。B.采用气幕控制破碎机料坑的扬尘。C.采用气幕控制整个车间的污染源。表示集气罩性能的主要技术指标为排风量和压损。1、排风量的确定排风量的测定方法集气罩排风量Q(m3/s)，可以通过实测罩口的平均吸气速度ν0(m/s)和罩口面积A0(m2)确定：Q=υ0A0(m3/s)也可以通过实测连接罩口上的平均吸气速度υ(m/s)，气流动压Pd(Pa)或静压PS(Pa)及其管道断面积A(m2)按下式确定：Q=υA=A[(2/ρ)Pd]1/2(m3/s)或Q=φA[(2/ρ)PS]1/2(m3/s)ρ—气体密度，kg/m3；φ--集气罩的流量系数四、集气罩性能参数及计算排风量的计算控制速度法：指在罩口前污染物扩散方向的任意点上均能使污染物随吸入气流流入罩内并随其捕集所必须的最小吸气速度。再根据不同型式集气罩的气流衰减规律求罩口上气流速度A0，已知罩口面积后，即可求得Q=υ0A0。流量比法把集气罩排风量Q3看作是污染气流量Q1和从罩口周围吸入室内空气量Q2之和，即：Q3=Q1+Q2=Q1(1+Q2/Q1)=Q1(1+K)Kv=(Q2/Q1)limitK：为流量比；Kv：通过实验求出，与污染物发生量无关，只与污染源和集气罩的相对尺寸有关。2、压损的确定压损一般表示为压力损失系数与连接直管中动压pd的乘积：由于集气罩罩口处于大气中，所以该处的全压等于零，因而集气罩的压力损失写为：△