抽风罩的设计与计算

抽风罩的设计与计算

 

一、 设计基本原则

1.首要原则：尽量靠近污染源

抽风罩的捕集效率随距离的增加而急剧下降。距离增加一倍，控制风速可能下降到原来的十分之一。因此，罩口应尽可能包围或靠近污染源。

2.尽量包围污染源

密闭罩或通风柜的效果远好于外部罩。包围式设计可以减少外部气流的干扰，并显著降低所需的风量，从而节能。

3.污染气流方向与罩口吸气方向一致

充分利用污染物的初始动能，例如热过程的上升气流或抛射产尘的惯性，让污染物“自然”地进入罩内。

4.减少干扰

避免操作人员位于污染源和抽风罩之间。侧方或上方的交叉气流会严重干扰抽风罩的捕集效果。

二、 主要抽风罩类型及其特点

根据包围程度，抽风罩可分为以下几类：

类型	示意图	特点与应用	设计要点
密闭罩	一个完全包围污染源的箱子	效率最高，最节能。用于产生量大、毒性高的场合，如破碎机、筛分机、化学溶剂存储。	在满足操作和维修的前提下，尽可能完全密闭。只需较小的风量维持内部负压。
通风柜	一个一面开放的密闭罩	实验室最常见。操作人员通过前端的开口进行操作，气流在开口处形成一道“空气幕”保护人员。	面风速是关键，通常要求 0.3 - 0.5 m/s。过高会浪费能源并可能干扰内部气流；过低则可能导致污染物逸出。
外部罩	一个位于污染源旁边的罩子	用于无法完全包围的大型设备或工作区域，如焊接、电镀槽、大桶上方。效率低于密闭罩。	控制风速 是关键。必须保证在污染物逸散点处有足够的风速（通常 0.25 - 1.0 m/s）将其“拉回”罩内。
接受式罩	一个迎着污染物运动方向的罩子	利用污染物的初始动能，如热源上方的热射流、砂轮磨削的惯性。	罩口面积和位置必须能完全“接受”污染物射流。设计风量应略大于污染射流的流量。
吹吸式罩	一侧吹气，另一侧吸气	用于宽大或难以控制的区域，如酸洗槽、大型焊接平台。射流将污染物推向对面的吸风口。	需要精确计算吹气气流的速度和角度，以及吸气口的风量，两者需协同工作。

 

三、 关键设计参数与计算公式

无论哪种抽风罩，其核心计算都围绕着一个目标：确定所需的风量（Q, m?/s或m?/h）。

核心公式：风量 Q = A × V

·Q: 所需风量

·A: 罩口的有效面积

·V: 罩口或控制点的设计风速

下面针对不同类型，介绍如何确定 A 和 V。

1. 密闭罩 / 通风柜

·设计风速 (V):

o对于通风柜，面风速 (Vf) 是核心。V = Vf。

o标准值：0.3 - 0.5 m/s。对于高毒性物质，可取 0.5 m/s 或更高。

·有效面积 (A):

o对于通风柜，A 就是操作开口的面积（高 × 宽）。

·风量公式:

oQ = A × Vf

o*示例：一个 1.5m 宽，0.8m 高的通风柜，要求面风速 0.4 m/s，则 Q = (1.5 × 0.8) × 0.4 = 0.48 m?/s = 1728 m?/h。*

2. 外部罩 (顶吸罩、侧吸罩)

这是计算最复杂的一类，因为风速随距离衰减很快。

·设计风速 (V):

o这里指的是 控制风速 (Vc)，即在污染物逸散点所需的最小风速。

根据污染物危害程度和周围气流情况选择，通常在 0.25 - 1.0 m/s 之间。

*污染物以轻微的速度释放到平静的空气中： 0.25 - 0.5 m/s

*以显著的速度释放到流动的空气中： 0.5 - 1.0 m/s

·有效面积与风量公式:

外部罩的风量计算取决于其形状和与控制点的距离（x）。

oa) 圆形/矩形顶吸罩 (无挡板)

§Q = V × (10x? A)

§x: 罩口到污染源的距离 (m)

§A: 罩口面积 (m?)

ob) 圆形/矩形顶吸罩 (有挡板/靠墙)

§由于挡板或墙壁减少了空气的吸入面，所需风量减少。

§Q = 0.75 × V × (10x? A)

oc) 条缝罩 (槽边排风)

§常用于电镀槽、酸洗槽。

§Q = 2 × L × W × Vx

§L: 槽长 (m)， W: 槽宽 (m)， Vx: 控制风速 (m/s)

§（此公式为简化公式，精确计算需查专业手册）

3. 接受式罩 (如热源上方)

·设计原理:

计算热源上方的热射流在罩口位置的直径和流速，确保罩口面积大于射流截面，且抽风量略大于热射流的流量。

·简化公式 (对于低悬热源):

oQ = 0.08 × (Z × H^(5/4))^(1/3) × P^(1/3)

oZ: 热源表面到罩口的距离 (m)

oH: 热源的对流散热量 (W)

oP: 热源水平面周长 (m)

o（此为经验公式，不同标准可能不同）

 

四、 设计计算步骤总结

1.识别污染源：确定污染物的性质（粉尘、气体、蒸汽）、产生速率、释放初始方向和温度。

2.选择抽风罩类型：根据工艺操作、设备尺寸和污染源特性，选择最合适的类型（密闭、外部、接受式等）。

3.确定关键距离：测量或确定罩口到污染源的控制点距离（x）。

4.确定控制风速/面风速 (V)：根据污染物危害程度和周围气流状况，从相关设计手册（如美国ACGIH工业通风手册）中选取合适的 V 值。

5.计算罩口面积 (A)：根据罩口几何形状计算。

6.计算所需风量 (Q)：使用对应类型的风量计算公式。

7.考虑安全系数：在计算出的 Q 上乘以一个安全系数（通常为 1.1 ~ 1.2），以应对系统老化、管道堵塞等不确定性。

8.系统设计：基于总风量和管道布局，设计管道尺寸、选择风机（需考虑系统压力损失）和净化装置。

重要提醒

·参考权威标准：实际工程设计必须参考国家或行业标准，如中国的《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019）或美国的《ACGIH Industrial Ventilation Manual》。

·专业软件：对于复杂系统，通常会使用专业的通风设计软件（如 AutoCAD MEP, MagicCAD等）进行建模和计算。

·实测与调试：系统安装完成后，必须进行现场调试和实测，确保关键点的风速和风量达到设计要求。 

示例计算：大型溶剂槽的吹吸式排风系统设计

1. 已知条件

·槽体尺寸：长 L = 2.0 米，宽 W = 1.2 米，高 H = 1.0 米

·污染物：挥发性有机溶剂（如甲苯、丙酮），对人体有害。

·工艺特点：常温操作，但溶剂持续挥发。槽体三面有侧板，一面为操作面。

·控制要求：需要在槽面形成一道有效的“空气幕”，防止溶剂蒸汽逸散到车间，保护操作工健康。

2. 选择抽风罩类型

由于槽体较宽（1.2米），如果使用传统的槽边侧吸罩，需要非常大的风量才能在对侧产生足够的控制风速。而顶吸罩则容易被操作干扰，且距离液面远，效率低。

因此，最优选择是 吹吸式罩。

·吹气口：安装在槽体一侧，喷射一道扁平、速度均匀的气流，覆盖整个槽面，将污染物推向对侧。

·吸气口：安装在吹气口的对侧，负责捕获吹送过来的含污染物气流。

3. 设计参数确定与计算

吹吸式系统的设计核心是确定 吹气射流的初始速度 (V?) 和 吸气口的风量 (Q?)。

步骤一：确定关键尺寸

·槽宽 (B)：即吹气口到吸气口的距离，B = 1.2 m。

步骤二：计算吹气射流平均速度 (V?)
在吸气口位置的射流平均速度需要足够大以抵抗干扰，但也不能太大以免吹散液面。通常取 0.75 ~ 1.5 m/s。我们取 V? = 1.0 m/s。

步骤三：计算吹气口条缝宽度 (D?) 和初始速度 (V?)
吹气射流的速度衰减遵循经验公式。对于条缝式吹气口：          
V? / V? = K * √(D?) / B          
其中：

·V? = 在距离B处的射流平均速度 = 1.0 m/s

·V? = 吹气口初始速度 (待求)

·D? = 吹气口条缝宽度 (m)。通常根据结构设定，我们暂设为 0.02 m (20 mm)。

·B = 吹吸气口距离 = 1.2 m

·K = 系数，对于条缝射流，通常取 5.0 (根据不同的设计手册略有差异)

代入公式：          
1.0 / V? = 5.0 * √(0.02) / 1.2          
1.0 / V? = 5.0 * 0.141 / 1.2          
1.0 / V?≈ 0.705 / 1.2 ≈ 0.5875          
所以，V?≈ 1.0 / 0.5875 ≈ 1.70 m/s

这个初始速度在合理范围内（通常要求 1~5 m/s）。

步骤四：计算吹气口风量 (Q?)
吹气口风量 = 吹气口面积 × 初始速度          
吹气口面积 = 槽长 (L) × 条缝宽度 (D?) = 2.0 m × 0.02 m = 0.04 m?
Q? = 0.04 m?× 1.70 m/s ≈ 0.068 m?/s ≈ 245 m?/h

步骤五：计算吸气口风量 (Q?)
吸气口风量是系统设计的核心。经验公式为：          
Q? = (2 ~ 3) * Q? * (B / D?)          
这个公式考虑了从吹气口到吸气口之间卷入的大量空气。          
我们取中间系数 2.5。          
Q? = 2.5 * 0.068 m?/s * (1.2 m / 0.02 m)
Q? = 2.5 * 0.068 * 60
Q?≈ 10.2 m?/s ≈ 36,720 m?/h

步骤六：确定吸气口尺寸和控制风速

·吸气口面积 (A?)：为了保证有效捕获并维持一定的控制风速，吸气口风速通常取 5 ~ 10 m/s。我们取 8 m/s。

oA? = Q? / V? = 10.2 m?/s / 8 m/s ≈ 1.275 m?

·吸气口高度 (H?)：假设吸气口长度与槽长相同（2.0 m）。

oH? = A? / L = 1.275 m? / 2.0 m ≈ 0.64 m          
因此，我们可以设计一个 长 2.0 m，高 0.65 m 的吸气口

4. 设计结果汇总

组件	参数	计算结果	备注
吹气口	条缝宽度	20 mm	可调，以确保气流均匀
	初始速度	1.70 m/s
	风量	~245 m?/h	需要一台小鼓风机
吸气口	尺寸	2000 mm (长) × 650 mm (高)
	控制风速	8 m/s (在罩口处)
	风量	~36,720 m?/h	这是系统主风机的设计风量
系统总风量		~36,720 m?/h	需考虑管道压损后选型风机

 

5. 系统设计与选型建议

1.风机选型：

o主排风机的风量应不少于 37,000 m?/h。

o风压：需要计算从吸气口经过管道、弯头、净化设备（如活性炭吸附装置）到风机出口的全部压力损失。假设经过计算总压损为 800 Pa。

o则风机应选型为：风量 37,000 m?/h，全压 ≥ 900 Pa（留有一定余量）。

2.净化装置：

o由于是溶剂挥发，必须配备净化设备，如活性炭吸附塔或冷凝回收装置，以确保达标排放。

3.管道系统：

o主管道风速通常取 8 ~ 14 m/s。根据风量37,000 m?/h (10.3 m?/s)，若取风速10 m/s，则主管道直径约为：          
D = √(4Q / πV) = √(4 * 10.3 / 3.14 / 10) ≈ 1.15 m。可选择 φ1150 mm 的管道或等效的矩形管道。

4.控制：

o吹气和吸气系统最好联锁启动，即先启动吹气系统，再启动主排风系统，确保污染物被有效控制。

与传统顶吸罩的对比

如果对这个2m×1.2m的槽子使用顶吸罩，假设罩口距离液面0.8m，控制风速取0.5 m/s，根据前面提到的顶吸罩公式：          
Q = V × (10x? A) = 0.5 × (10 × 0.8? 2.0×1.2) = 0.5 × (6.4 2.4) = 4.4 m?/s ≈ 15,840 m?/h

虽然顶吸罩计算风量较小，但其在实际宽大槽体上方极易受横向气流干扰，捕集效率远低于吹吸式罩。而吹吸式罩用 ~37,000 m?/h 的风量，实现了远比顶吸罩 15,840 m?/h 更可靠的控制效果。如果为了同等可靠性而设计顶吸罩，其所需风量会远高于37,000 m?/h。

结论：对于大型溶剂槽，吹吸式罩在效率和节能方面具有显著优势，是工业设计中的首选方案。此示例计算为您提供了一个完整的设计框架和思路。