欢迎访问山东业创实验设备有限公司网站!公司以讲诚信、重质量的经营宗旨,以先进的技术,优质的服务为用户提供准确、可靠、耐用的优质产品。

「山东业创实验设备」

专家团队 质量保证 售后服务 解决方案服务商

业创愿与您共同创建世界高端实验室

全国免费咨询热线18905301689

如何设计安全节能的实验室排气系统

文章出处:www.sdyechuang.cn 人气:发表时间:2019-12-28 16:10

实验室排气系统不仅可以去除实验室和通风柜中的污染空气,还可以将废气安全地排出建筑物,从而使有害和有气味的烟雾不会通过进气口重新进入或影响周围的敏感位置(接受者)。这是通过增加烟囱高度和排气动量的适当组合来实现的,即羽流抬升。烟囱的高度越低,烟柱上升得越高,因此需要更多的空气来安全地将废气从建筑物中排出。或者,如果排气烟囱较高,羽流升力会较小,所需风量也会较小。

实验室排气管设计通常基于各种标准和最佳实践指南中描述的经验法则1、2、3、4;最小烟囱高度(3米至1.25倍建筑高度)和出口速度(10 米/秒至15米/秒)。不幸的是,仅烟囱高度和出口速度不足以确定附近所有接收地点的空气质量是否在可接受的范围内。

1569391256425018.jpg

图1显示实验室排气管的流场位于建筑物的迎风和迎风位置。从图中可以清楚地看出,根据规则确定的烟囱设计将对附近进气口的空气质量产生不利影响。

不应使用经验法则,应使用名为排气扩散模型的工程分析技术来确定烟囱高度和排气容积的正确组合。分散建模用于预测周围区域敏感位置的浓度分布,作为风速和风向的函数。当最大预测浓度小于或等于设计目标时,排气系统被认为是可接受的,这是为了确保排气浓度保持低于公布的健康极限和气味阈值6、7、8。

在预测浓度低于设计目标的风向和风速下,通常有可能减少排放并在节省大量能源的同时仍能达到设计目标。为了定义最节能的排气系统,应该使用物理扩散建模(即风洞建模)。

确定二次夹带实验室废气的可接受设计目标

为了评估空气质量的可接受性,使用分散建模技术来预测附近接收位置存在的排气羽流的最大浓度。然而,除非指定了一些最大可接受的浓度或设计目标,否则这些信息是无用的。空气质量可接受性问题可以表达如下:

1569391294152994.png

色散建模方法

使用三种不同类型的研究,敏感位置的浓度预测可以以不同的准确度(C/m)完成:

1,综合站点监测

2,数值模拟研究

3,缩小风洞研究

1、全面的现场监控

综合站点监测计划包括从排气系统释放示踪气体和在010-1000处的浓度尽管它可以对排气行为进行最准确的预测,但执行通常是昂贵和耗时的。此外,它只能用于现有的实验室设施。如果研究的性质是估计几个位置的几个烟囱的最大浓度,在与最坏气象条件相关的最大浓度测量之前可能需要数年的数据收集。

2、数值色散建模

※ 基于高斯的分析模型

使用指南5中提供的高斯分析扩散模型进行计算。该模型设计用于带有屋顶烟囱的孤立矩形建筑,不考虑高度为架的相邻建筑、地形或植被的影响,这些影响足以影响沿屋顶的气流。该模型假设排放物未在建筑物下风处的弱回流区捕获,因此不应用于烟囱高度低于相邻屋顶顶部的地面排放物。如果使用得当,ASHRAE扩散模型被设计为保守的(即低稀释/高浓度)。然而,已经发现,当建筑物的拐角直接位于烟囱和进风口9之间的直线的上风处时,或者当烟囱位于幕墙10内时,该拐角是非保守的。此外,分散模型没有利用对排气烟囱11“隐藏”的进气口处的浓度降低。因此,在使用ASHRAE色散模型时,应注意确保模型得到正确应用。风洞模拟通常是预测烟囱设计和特定位置的最大浓度的首选方法,因为它可以在复杂的建筑环境中提供最精确的浓度水平估计。风洞模型研究类似于全面的现场研究,不同之处在于它是在项目施工前后的受控环境中进行的。通常,被评估建筑物的比例模型以及半径300米内的周围建筑物和地形被放置在大气边界层风洞中。示踪气体从特定的排气源释放,然后气体的浓度水平在特定的接收位置为测量,并转换为满量程浓度值。接下来,将这些值与适当的设计标准进行比较,以评估排气设计的可接受性。ASHRAE 4和环保局 13提供了关于比例模型模拟和测试方法的更多信息。风洞研究是高度技术性的,所以在为分散模型选择顾问时应该小心。过去的经验、风洞的正确校准和工作人员的技术资格都非常重要。

※ 计算流体动力学

计算流体力学(计算流体力学)已被长期用于成功模拟实验室和动物园的内部流场。因此,自然趋势试图使用相同的外部气流模型来模拟实验室排气烟囱的性能。然而,用于室内模拟的模拟技术不适合模拟大气湍流。由于排气羽流的扩散与大气湍流直接相关,湍流模拟中即使微小的误差也会导致预测顺风浓度的较大误差。目前利用计算流体动力学模型进行弥散模拟的研究表明,非定常模拟,如大涡模拟,显示出最大的可能性。然而,LES模型运行起来更加困难和耗时,甚至LES模拟的结果也应该被验证以验证其准确性12。此时,由于上述对实验室排气扩散使用计算流体动力学的限制,应将其视为研究工具,而不是可用于正确选择实验室排气系统的设计工具。

3、风洞散布模型

节能实验室排气系统策略

复合实验室排气系统

将废气合并到一个公共排气系统中。无论是通过排气歧管还是非常紧密的烟囱组合(烟囱必须满足几乎所有风向的排气羽流要求),它都将增强排气羽流的提升,从而降低烟囱高度以下降低受体的顺风浓度。紧密组合的烟囱可用于特殊的废气,如高氯酸和放射性同位素,由于它们的化学性质,它们不能结合。组合排气通常产生比安装在单个实验室化学制品通风柜烟囱上的排气喷嘴更大的烟流。

当大多数化学物质排放来自异常条件或单个实验室化学物质通风柜的大量排放时,排气管的组合管也可以提供通风柜废气的一些内部稀释。这种不安全或大量释放的情况是气味和潜在健康影响的主要原因。

通常,实验室排气歧管通常由多个排气风扇提供。风扇的尺寸通常使得当一个或多个排气扇关闭时,可以满足建筑物的排气要求。在这种情况下,复合系统在风扇出现故障时提供冗余。这使得实验室机组的集成系统比单独的通风柜排气系统更安全。一般来说,集成系统具有以下优点:

降低资本和运营成本;

排气烟囱减少;

更大的设计灵活性;

更简单的废水处理;

增加稀释度和动量;

降低维护成本;

风扇冗余

能量回收潜力;

屋顶渗漏更少;

降低总体积流量需求。

变风量实验室排气控制策略

实验室设计为利用可变风量(VAV)排气系统,以允许排气系统匹配或接近匹配建筑物的送风通风气流要求。这使设计人员能够充分利用与采用各种策略相关的节能机会,最大限度地降低实验室气流要求。然而,正如空气供应流量的任何减少都可能对实验室环境中的空气质量产生不利影响一样,在不清楚系统性能的情况下盲目地将排气系统转换成变风量系统可能会损害附近敏感接收器(例如,进气口、可打开的窗户、实验室空间等)的空气质量。)。因此,在采用变风量系统之前,应通过详细的分散建模研究仔细评估潜在运行条件的范围,如上所述。由于这些评估的本质是准确确定排气系统的最小体积流量要求,因此首选方法是在边界层风洞中使用物理模型。可以使用数值方法,但是这些方法在适当执行时通常产生最小体积流量,从而产生降低的节能潜力。

以下描述了可用于操作VAV实验室排气系统的两种不同策略。

策略1:简单的调低VAV实验室排气系统

在简单的变风量系统中,废气流速基于两个值中较大的一个:最小空气质量设定点和建筑物的通风需求。最小空气质量设定点被定义为在最坏情况风条件下,在所有敏感接收位置提供可接受空气质量所需的最小体积流量/出口速度/烟囱高度,如分散建模评估中所定义。在评估期间,当使用简单的向下调节变风量系统时,烟囱设计通常侧重于实验室建筑物的最小潜在体积流量,而不是恒定体积排气系统的最大值。最好设计一个简单的调节系统,其中排气扇可以完全调节体积流量,以满足最小和最大实验室排气要求。这使得系统能够响应压力偏移快速,并且消除了对旁路阻尼器的需要。这通常可以通过评估每个压力通风系统中烟囱的数量以及通过变风量控制和风机分类完全消除旁路空气需求所需的后续高度要求来实现。

1569391491821825.jpg

图2:简单降低VAV实验室排气系统

策略2:风力响应VAV实验室排气系统

如果简单降低VAV系统不会导致最小体积流量等于或低于建筑物通风的要求,或者如果达到这些最小体积流量所需的烟囱高度太高,则通过施加风力,VAV实验室排气系统可以进一步达到优化。

在这种策略中,本地风速计连接到楼宇自动化系统,所需的最小废气流量根据当前的风况(方向和速度)而改变。当当前风速和/或风向与最坏情况不一致时(如简单调节策略中所假设的),排气系统可以向下调节以更紧密地匹配建筑要求。基本上,每个风向/风速组合都有一个最小设定点。这通常会导致最小风量设定点远低于许多风况下的建筑要求,从而使整个通风系统以最佳效率运行。

1569391519328103.jpg

图3:风响应VAV实验室排气系统流程图

该策略要求在风洞中进行物理排气扩散建模,因为大多数数值扩散模型不提供离轴浓度预测。作为风向和风速函数的最小体积流量设定点要求在所有风向、风速、烟囱高度和废气流量参数的所有敏感位置(接收方)进行浓度预测。

总结和结论

可以使用排气扩散的精确评估,为安全和能耗提供优化的排气/进气设计。无论使用何种类型的排气系统,重要的设计参数是物理烟囱高度、体积流量、出口速度、预期污染物排放率和敏感位置的浓度水平。应使用适当的标准评估整体性能,以确保敏感位置的浓度可接受。在实验室采用VAV实验室通风供应系统时,设计团队应充分考虑纳入VAV实验室排气系统的机会,以充分实现VAV控制的节能潜力。然而,盲目ap