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實驗室通風系統的設計與測試
高校實驗室的廢氣處理一般是采用通風系統排入空氣中的方法,高濃度廢氣則需要用適當的化學吸收處理后,再由通風系統排入大氣。在進行實驗時,有毒廢氣對實驗室內人員的身體會產生毒害作用。采用通風系統把有毒氣體排出室外是解決問題的有效途徑。許多高校在實驗室的通風系統設計或改建過程中,經常遇到換氣量和噪音的矛盾。換氣量過大,實驗室內噪聲超標;降低噪聲,往往又達不到有效的換氣量,使得通風系統形同虛設。我校新建的解剖學實驗室和分析實驗室就存在上述問題。筆者在改建通風系統的過程中,采用合理的計算方法,改進了原設計方案,總結出一種實驗室通風系統的設計思路。
1 實驗室換氣量的計算
根據實驗中有害氣體的散逸程度,換氣速度大體可選在10—20次/H。在廢氣對人體危害程度不高,且散逸不嚴重的情況下,可選10次/H,如低于10次,則不能有效的排除室內廢氣。如換氣量過大,則室內噪聲加大。我們在設計中,分析實驗室選用換氣速度為14次/H,解剖學實驗室選用換氣速度
為18次/H,換氣效果良好:室內無異味,室內噪聲均低于55分貝。
換氣量計算方法:
換氣量=室內有效空間×換氣次數/H室內有效空間=室內容積-室內設施體積:
以我校分析實驗室和解剖學實驗室為例說明:兩個實驗室的有效空間均為:長×寬×高-室內設施體積=250立方米。
根據廢氣的有害程度,設計分析實驗室換氣速度為15次/H。則換氣量=250×15=3750立方米/H。即每小時排出的空氣體積為3750立方米
解剖學實驗室換氣速度為18次/H,則換氣量=250×18=4500立方米/H。即每小時排出的空氣為4500立方米。
計算出的換氣量,可以作為通風系統的總體設計以及排氣管道、風機選用的依據。
2 整體設計
通風系統的整體設計,。先應考慮有效排氣和噪聲干擾這兩大互相制約因素的影響,同時還應該注意實驗室的功能要求和室內布局的美觀。風機的安裝位置一般有室內和樓頂兩種。一般來說,風機安裝在樓頂不僅可以節省實驗室的有效空間,避免風機噪音直接干擾,還可以有效排放有害氣體,并且方便安裝。因此,應把風機安裝于樓頂。
當單臺風機排氣量超過2000立方米/H時,室內噪聲就會很大。在保證有效換氣量的前提下,可以采取多臺小風機運行的方式降低噪聲。小風機本身震動小,多臺風機同時運轉時的異步性也會抵消部分震動噪聲;增加通風管道的長度和轉彎次數也會降低部分噪聲,但這需要加大風機功率。實驗室所在樓層的位置,往往決定通風管道的長度。這也是影響排氣量和噪聲的重要因素之一。
上例中,分析實驗室位于實驗樓的頂層,通風管道較短,噪聲問題尤為突出。換氣量3750立方米/H,如采用一臺3000W大功率風機,雖然可以保證換氣量的要求,但噪聲干擾會十分嚴重。如采用4臺750W多翼式小風機,既可滿足的換氣量的要求,又可大大降低噪聲。
解剖學實驗室位于實驗樓的一層,通風管道長達20多米,可以有效的抑制部分噪聲,但也會損失一定的排氣量。采用兩臺3000W風機運行,則能夠滿足以上要求。
3 通風管道的設計
3.1 通風管道的選用
新建實驗樓時,可以按照實驗室通風系統的要求設計的管道井:在已有的建筑物中改建通風系統時,則通風管道不可能使用的管道井,必需通過各樓層房間。因此,通風管道材料的選用,不但要保證足夠的通風量,還應盡量減少對管道所經過的房間的功能和外觀的影響。上述兩例中,由于分析實驗室位于頂層,不存在其他樓層房間室內管道問題。解剖實驗室位于一層,管道需穿過四層樓房房間,如果選材不當,則會對管道所經過的房間造成很大的影響。經過對比,我們選用的是口徑為250mm的白色PVC管材。其內外表面細膩光滑,與一般玻璃鋼通風管相比,具有外表美觀,內部風阻小,不易變形,噪聲小等優點。
3.2 通風管道口徑的計算
通風管道口徑大小,直接影響通風量能否達到設計要求,也是影響管道噪聲因素之一。在解剖學實驗室的設計中,我們采用兩條250直徑的管道。所選用的管道口徑大小是根據通風量計算出來的。計算過程如下:
室內通風采用兩條管道,每條管道的通風量為4500/2=2250立方米/H=0.625立方米/秒。管道口徑為250mm,截面約為0.05平方米,通風時內部風速=0.625/0.05=12.5米/秒。這樣的風速,會對管壁形成很大的負壓。如果采用玻璃鋼管道,由于其工藝特點,必然會產生較大的噪聲。而采用PVC管,則可避免這一不利情況的發生。
4 風機的選用
在選用風機時,應考慮以下三個方面的問題。
4.1 排量
風機銘牌所標示的排量,作為選用風機的一個重要參數。要結合管道的口徑、長度選擇適當排量的風機。一般來說可粗略估算為管道口徑確定后,管道長度每增加十米,標稱排量就增加一倍。上例中的管道為20米,所采用的風機標稱排量為6800—7200立方米/H,三倍于單機2250立方米的單機排風要求。由于市場上的風機不可能*符合計算結果所要求的數值,因此在選用時,可先采用較小排量的近似值機型試驗,如符合換氣量要求,則無須采用大排量的風機,因為排量增加,噪聲也增大。
分析實驗室位于頂層,通風管道不到十米,抑制噪音是先要考慮的問題。我們選用四臺750W多翼式小風機,標示排量為1200立方米/H,四臺合為4800立方米/H。
4.2 風壓
由于管道口徑較小,風阻較大,應盡可能選用風壓較高的風機,上例中我們選用的是全壓11.44Pa的風機。
4.3 噪聲
風機的噪聲來源于兩個方面,一是機器運轉的不平衡性所產生的震動噪聲,二是風機內氣流渦流產生的噪聲。前者可以在選用風機和安裝時盡量避免,管道與風機之間采用軟連接的方式,使機器的震動不能通過管道壁直接傳到室內。后者在選用風機時盡量選取多翼風機,可適當減小部分噪聲。
5 換氣量的測算
通風系統安裝完畢后,換氣量能否達到設計要求,可按以下方法進行測算。
(1)換氣量的測算:使用風速儀,在排風風機的出口處多點采集數據(不少于4點)取其平均值為基本數據。測量風機出口截面積,進行計算。
換氣量=實測風速×風機出口截面×3600
上例中,解剖學實驗室實測風速為5.2米/秒,出風口截面為0.12平方米。代入上式為,實際換氣量=5.2×0.12×3600=2246.6立方米/H。雙機同時運行,實際換氣量為4492立方米/H。
(2)室內換氣速度=換氣量/室內有效空間=4492/250=17.92次/H,約為每小時18次。
分析實驗室實測風速為5.56米/秒,出風口截住面為0.048平方米。四臺風機同時運轉的排氣量=5.56×0.048×4×3600=3843立方米/H。
換氣速度=3843/250=15次/H,略大于設計要求,因其噪音不超標,可以正常使用。
6 室內氣流方向的確定
有了足夠的換氣量,并不一定能有效的排除室內有害氣體,在室內還必須保證正確的氣流方向,才能使新鮮空氣進入,有害氣體排出。也就是說,室內氣流方向不正確,就可能使換氣氣流短路,進入室內的新鮮空氣被排出了,而有害氣體卻仍滯留在室內,這同樣無法達到換氣的目的。
一般室內氣流方向的形成,取決于出風口和進風口的位置。要根據出風口的位置來確定進風口的位置。上例中,分析實驗室出風口在屋頂,我們就在室內墻壁距地面300mm處開進氣孔。孔徑120mm,兩面墻上共開十孔,孔外側以PVC網罩鑲于墻上,內以PVC管封蓋封堵。在使用通風系統時,旋下封蓋,可有效補充室內空氣;停用時,可將封蓋蓋上,以防灰塵進入室內。這就保證了室內氣流方向是自下而上、自四周而集中流向出風口的走向。上例中解剖學實驗室的出風口位于解剖實驗臺下邊,室內氣流是往下方流動的,這就可以不必另設進風口了。因為門窗的縫隙,足可以補充室內空氣,而門窗的進氣方位一般是在實驗臺上方,這就保證了室內氣流是自上而下、自四周而集中于出風口的走向。合理的氣流方向,可以確保有效地更換室內空氣。