集气罩及管道设计.

1第八章集气罩及管道设计2主要内容通风排气系统设计的基本内容通风排气系统的分类局部排气系统全面通风系统事故排气系统集气罩的设计集气罩罩口气流运动的规律集气罩的基本形式集气罩的主要性能集气罩的设计方法管道系统的设计管道内气体流动的压力损失和压力分布管道计算管道布置与部件管道的保温及防爆措施38.1通风排气系统设计的基本内容用通风的方法改善车间空气环境，简单地说，就是在局部地点或整个车间把不符合卫生标准的污浊空气排至室外，把新鲜空气或经过净化符合卫生标准要求的空气送入室内。前者称为排风，后者称为进风。防止工业有害物污染室内空气在有效的方法是：在有害物产生地点直接把它们捕集起来，经过净化处理，排至室外。这种通风方法称为局部排风。局部排风系统需要的风量小、效果好，设计时要优先考虑。如果受生产条件限制，有害物排放源不固定等原因，不能采用局部排风，或者采用局部排风后，室内有害物浓度仍超过卫生标准，在这种情况下可以采用全面通风。全面通风是对整个车间进行通风换气。本章只简单介绍全面通风的一般原理，详细讨论局部排风系统的有关组成部分的结构和通风排气系统的设计计算问题。48.1.1通风排气系统的分类按照通风排气量的大小来划分，有局部排气系统、全面排气系统和事故排气系统三种。它们的处理风量依次递增。按照通风动力的不同，可以分为机械通风和自然通风二种。8.1.2局部排气系统空气污染物能够在车间内扩散，原因是污染物可以依附于气流运动而扩散。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。这就是采用局部排气通风方法控制污染物扩散的依据。控制空气污染物在车间内外扩散的局部通风方法，简单地说，就是在局部污染源设置集气罩，把污染空气捕集起来并经净化后排至室外，这是生产车间控制空气污染的最有效、最常用的方法。5图8—1局部排气净化系统示意图1.集气罩；2．风管；3．净化设备；4．风机；5．烟囱6（1）局部排气净化系统的组成局部排气净化系统由集气罩、风管、净化设备、通风机和烟囱五个部分组成。①集气罩集气罩是用以捕集污染气流的。其性能对净化系统的技术经济指标有直接影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同，集气罩的形式是多种多样的。②风管在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统的设备和部件连成一个整体。7③净化设备为了防止大气污染，当排气中污染物含量超过排放标准时，必须采用净化设备进行处理，达到排放标准后，才能排人大气。④通风机通风机是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后面。⑤烟囱烟囱是净化系统的排气装置。由于净化后烟气中仍含有一定量的污染物，这些污染物在大气中扩散、稀释、悬浮或沉降到地面。为了保证污染物的地面浓度不超过环境空气质量标准，烟囱必须具有一定高度。为了满足系统正常运行的需要，应针对处理污染物的特性，完成局部排气系统上述五个组成部分的设计。8（2）局部排气净化系统的设计集气罩设计集气罩设计内容主要包括集气罩结构形式，安装位置以及性能参数确定等内容。本章后面将要详细介绍。输送管道系统设计输送管道系统设计主要包括管道布置、管内气体流速确定、管径选择、压力损失计算及通风机选择等内容。本章后面将要详细介绍。净化设备选择或设计各种净化设备选择或设计在本课程的前面已经介绍过了，概括起来一般按以下程序进行：①工程调查、认真收集有关资料、全面考虑影响设备性能的各种因素；9②根据排放标准和生产要求，计算需要达到的净化效率；③根据污染物性质和操作条件确定净化方法和决定净化设备的选择范围；④对设备的技术指标和经济指标进行全面比较，选定最适宜的净化装置；⑤确定净化设备的型号规格及运行参数。排放烟囱设计排放烟囱设计如第四章所介绍，主要内容包括结构尺寸及工艺参数(烟囱高度、出口直径、喷出速度等)设计。108.1.3全面通风系统全面通风也称稀释通风，它一方面用清洁空气稀释室内空气中的有害物浓度，同时不断地把污染空气排至室外，使室内空气中有害物浓度不超过卫生标准的规定。全面通风的效果不仅与通风量有关，而且与通风气流的组织有关。合理地组织气流很重要。方案一方案二：人的工作位置：有害物质发生位置11（1）全面通风量的确定室内有害物浓度随通风时间的变化规律通过理论推导，可以求得通风量一定时，任意时刻室内的有害物浓度的计算公式。（工业通风孙一坚主编，中国建筑工业出版社）室内有害物浓度随通风时间的变化按指数规律增加或减少。稳定状态下全面通风量的计算公式稳定状态下全面通风量可根据有害物的容许浓度、消除余热、消除余湿等三个公式进行计算，①容许浓度的计算公式为：式中：Q－需要的全面通风量,m3/s；q－有害物散发量，g/s；Cu－排放时有害物浓度，mg/m3；C0－通风流体的本底浓度，mg/m3。0CCqQu12②消除余热的计算公式为：式中：Q－需要的全面通风量,m3/s；R－室内余热量，KJ/s；tP－排放空气温度，℃；t0－进入空气温度，℃；Cp－空气的质量比热，其值为1.01KJ/Kg•℃③消除余湿的计算公式为：式中：Q－需要的全面通风量,m3/s；W－余湿量，g/s；dP－排放空气的含湿量，g/Kg干空气；d－进入空气的含湿量，g/Kg干空气。0ttCRQPPddWQP13安全系数实际上，室内有害物浓度的分布及通风气流是不可能非常均匀的；混合过程也不可能在瞬时完成；即使室内平均有害物浓度符合卫生标准，有害物源附近空气中的有害物浓度仍然会比室内平均浓度高得多。为了保证有害物源附近工人呼吸带的有害物浓度控制在容许值以下，实际所需的全面通风量要比公式的计算值大得多。因此需要引入一个安全系数K。即全面通风量的计算应为：式中符号含义同前。安全系数K要考虑多方面的因素，如有害物的毒性，有害物源的分布及其散发的不均匀性，室内气流组织及通风的有效性等。按经验在3～10范围内，国外文献资料建议，进行全面通风时K值应不小于6。0CCqKQu14(2)全面通风量计算的原则同时散发数种有害物时，全面通风量应分别计算稀释到卫生标准浓度以下的各有害物所需的风量，然后取最大值。当散发到室内的有害物量无法具体计算时，全面通风量可按类似房间换气次数值进行计算，换气次数就是全面通风量与房间体积的比值，（次/h），各种房间的换气次数，可从有关的资料中查得。(3)全面通风量计算的特殊规定根据卫生标准的规定，当数种溶剂（苯及其同系物或醇类、醋酸类）的蒸气，或者数种刺激性气体（三氧化二硫、三氧化硫或氟化氢及其盐类等），同时在室内散发时，由于它们对人体的作用是相同的，全面通风量应按各种气体分别稀释到卫生标准浓度以下所需的风量的总和计算。15(4)送排风方式①气流组织形式全面通风的效果与通风房间气流组织有关，一般房间气流组织的形式有：上送下排、下送上排和中间送上下排等多种形式。设计时，要根据有害物源的布置、操作位置、有害物的性质以及浓度分布等情况才能决定。②选择气流组织形式的原则排风口尽量靠近有害源或者有害物质浓度高的区域；送风口尽量靠近操作地点；尽量使进风气流均匀分布，减少涡流，避免有害物质在局部地区积聚。③工程设计中通常采用的气流组织形式如果散发的有害气体温度比周围空气高，采用下进上排方式；没有热气流，散发的有害气体密度比周围空气小，采用下进上排方式；散发的有害气体密度比周围空气大，采用下、上排中间进风方式；168.1.4事故通风当生产设备发生偶然事故或者故障时，会突然散发大量有害气体或者有爆炸性气体，这样的生产车间应该设置事故排风，以备急需时使用。（1）事故通风量的确定事故排风所必须的换气量应由事故通风系统和经常使用的排风系统共同保证。当有害气体的最高容许浓度大于5mg/m3时，换气次数不应小于：车间高度在6m及6m以下，8次/h；车间高度在6m以上，5次/h。当有害气体的最高容许浓度小于或等于5mg/m3时，应在上述的换气次数的基础上乘以1.5。17（2）设置事故通风的注意事项事故排风排出的气体不设专门的进风系统去加以补偿；排出的气体一般不进行净化或其它处理；排出剧毒的有害物时，排放高度应该大于15m，并采取必要的化学处理措施；事故通风设施必须设置在有害物散发的地点，其控制措施（如风机开关等）应分布安装在室内和室外便于操作的位置。188.2集气罩在生产车间设置集气罩的目的就是要通过集气罩罩口来控制污染气流的运动，来控制工业有害物在室内的扩散和传播。集气罩的性能对局部排气系统的技术经济指标有直接影响。设计完善的集气罩能在不影响生产工艺和生产操作的前提下，用较小的排气量获得最佳的效果，保证工作区有害物浓度不超过卫生标准的规定。本节主要介绍集气罩罩口的气流运动规律和集气罩的设计计算方法。8.2.1集气罩罩口气流运动的规律集气罩罩口气流的运动状态直接影响集气罩的性能，集气罩罩口气流运动的规律是集气罩设计必须了解的基础知识之一。研究集气罩罩口气流运动的规律对于有效捕集污染物是十分重要的。集气罩罩口气流运动方式有两种：一种是吸气口气流的吸入流动；另一种是吹气口气流的吹出流动。19（1）吸入气流汇流与点汇当吸气口吸气时，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等速面吸气口外速度相等的点的集合，或者吸气口外速度相等的点形成的空间曲面。根据物质不灭定律，通过每个等速面的吸气量相等，都等于等速面的面积乘以该等速面上的气流速度。图8—2点汇气流流动情况20吸气口气流速度分布图图8—3图8—4四周无边圆形吸气口的速度分布图四周有边圆形吸气口的速度分布图21吸气口气流速度分布的特点吸气口气流速度分布具有以下三个特点：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；②吸气口气流速度衰减较快，当X／d＝1时，该点气流速度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如何，其等速面形状大致相同。而吸气口结构形式不同，其气流衰减规律也不同。22（2）吹出气流空气从吹气口吹出时，在空间形成的一股气流称为吹出气流或射流。吹出气流的类型吹出口可以是圆形、矩形和扁矩形。按吹出口形状可以将射流分为圆射流和扁射流；根据空间界壁对射流的约束条件，射流可分为自由射流和受限射流；按射流内部温度的变化情况可分为等温射流和非等温射流。23等温圆射流等温圆射流又称等温自由射流，等温自由射流是自由射流中的常见流型。其结构如图8－5。极点边境面是圆锥面射流核心段射流起始段过渡断面射流基本段图8—5射流结构示意图在集气罩设计中常用到的等温圆射流和扁射流的设计参数计算公式列于教材P509～510的表13-1中。24等温自由射流特征①射流边缘有卷吸周围空气的作用，这主要是由于湍流动量交换引起的。②由于射流边缘的卷吸作用，射流断面不断扩大，其扩散角α约为15º~20º。射流流量随射流长度增加而增大。③射流核心段呈锥形不断缩小。对于扁射流，x/2b0=2.5以前为核心段。④核心段以后，射流速度逐渐下降。射流各断面的速度值虽不同，但其无因次速度分布相似。⑤射流中的静压与周围静止空气的压强相同。⑥射流各断面动量相等。⑦射流主体段的断面速度分布不是均匀的。25图8—6吹出气流与吸人气流26吸入气流与吹出气流主要差异吸入气流与吹出气流的差异主要有以下两点：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；吸入气体的等速面为椭球面，通过各等速面的流量相等，并等于吸入口的流量。②射流轴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。③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。•总之，吸入气流和吹出气流的流动特性是不同的。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