張顯相 劉東

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院

0 引言

近些年，隨著全社會對公共衛(wèi)生安全問題的重視，實驗室及其安全成了人們關(guān)注的一個焦點。理化實驗室主要是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段對物質(zhì)的物理性能和化學(xué)成分進(jìn)行檢測分析的實驗室，其安全性主要體現(xiàn)在實驗室內(nèi)部空氣品質(zhì)是否得到保證。試驗中產(chǎn)生的一些揮發(fā)氣體對人體有各種刺激作用，一些有毒有害物如笨、甲醛已被確定對人體有致癌性[1]。危險的工作環(huán)境對實驗人員的生命健康造成巨大威脅。美國職業(yè)安全衛(wèi)生管理局統(tǒng)計顯示，實驗室人員壽命比社會平均壽命少10 年[2]。排風(fēng)柜是實驗室內(nèi)重要的局部通風(fēng)設(shè)備，其提供一個封閉的通風(fēng)操作空間，通過在內(nèi)部形成負(fù)壓，環(huán)境以捕集、排出煙氣，顆粒等有害物質(zhì)，從源頭對污染物進(jìn)行控制，保證實驗人員安全。

實驗室送風(fēng)的作用時稀釋室內(nèi)污染物及維持相鄰房間壓力差，而送風(fēng)口位置不當(dāng)時，其會對排風(fēng)柜形成不同程度的干擾，所以實驗室送風(fēng)應(yīng)同時考慮其通風(fēng)效率和對排風(fēng)柜性能的影響，本文特別針對實驗室常用的散流器送風(fēng)口在不同布置位置的工況下對排風(fēng)柜面風(fēng)速，濃度的影響情況，來研究送風(fēng)對排風(fēng)柜性能的影響。

1 實驗設(shè)施介紹

1.1 實驗室介紹

同濟大學(xué)排風(fēng)柜全性能測試平臺中，標(biāo)準(zhǔn)型排風(fēng)柜背靠墻放置于封閉的實驗室內(nèi)，實驗室尺寸（長×寬×高）為4 m×4 m×3.5 m（圖1），本次實驗所涉及風(fēng)口為實驗室唯一送風(fēng)，排風(fēng)依靠排風(fēng)柜排風(fēng)，實驗室全面排風(fēng)口關(guān)閉，房間微負(fù)壓。

圖2 風(fēng)口支架示意圖

圖2 為風(fēng)口支架示意圖。圖中，1 為移動輪（可滾動改變支架位置），2 為支柱，3 為滑軌，4 為支撐條（每個支撐條可在滑軌上單獨滑動和固定），5 為風(fēng)口（可固定在支撐條上）。

1.2 實驗儀器介紹

采用Testo 425 高精度配合風(fēng)速儀支架進(jìn)行面風(fēng)速測試，采用Thermo ScientificTMMIRAN SapphIRe 便攜式環(huán)境空氣分析儀實現(xiàn)一臺儀器對多種氣體的精確檢測。

2 散流器不同位置對排風(fēng)柜性能影響研究

2.1 散流器風(fēng)口特征

在暖通設(shè)計領(lǐng)域，方形散流器具有良好的散流特性和美觀的外形，結(jié)構(gòu)形式多樣，有1～4 個方向散流的形式，能滿足不同類型天花板的要求，而且散流器內(nèi)外框可以自由分離，拆裝容易，便于調(diào)節(jié)風(fēng)量，因此被廣泛應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口[3]。其氣流屬于貼附（平送）型，多用于層高較矮、人員較密集的房間，可以作為送風(fēng)口，一般情況下送風(fēng)距離3～4 m 左右[4]。故很多帶吊頂?shù)膶嶒炇視x擇散流器作為送風(fēng)風(fēng)口。本次實驗選用的散流器面板由外邊框和可拆卸風(fēng)口內(nèi)芯組成，固定式葉片用于水平送風(fēng)，結(jié)合靜壓箱使用，效果良好，風(fēng)口內(nèi)芯可通過置于外邊框內(nèi)的彈簧裝置定位或拆除。材質(zhì)邊框和內(nèi)芯均采用鋁合金6063-T5，表面用靜電粉末噴涂。圖3 為方散三視圖，規(guī)格為525 mm（L）×525 mm（H），其中，X=672 mm，Y=522.8 mm。

圖3 方散三視圖

2.2 正交試驗

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平問題的有效方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分具有代表性的點進(jìn)行實驗，具有高效，快速和經(jīng)濟的特點，因而廣泛應(yīng)用于科學(xué)試驗和生產(chǎn)實踐中。

本文采用正交試驗設(shè)計方法，通過極差分析和方差分析處理試驗結(jié)果，得出最優(yōu)解。

散流器風(fēng)口對排風(fēng)柜性能影響的研究中，各個因素及水平如表所示，三個因素分別為相對排風(fēng)柜左右位置，相對排風(fēng)柜前后位置，風(fēng)口高度。每個因素設(shè)置三個水平，選用正交表L9（34），各因素相對位置描述。

因素A：相對排風(fēng)柜左右位置，如圖4 所示：

圖4 相對排風(fēng)柜的左右位置

因素B：相對排風(fēng)柜前后位置，如圖5 所示：

圖5 相對排風(fēng)柜的前后位置

因素C：風(fēng)口的高低位置，如圖6 所示：

圖6 風(fēng)口高低位置

表1 為正交試驗表。

表1 正交試驗表

2.3 結(jié)果分析（確定最佳的安裝距離和安裝高度）

對于排風(fēng)柜的研究，面風(fēng)速和控制濃度是排風(fēng)柜的重要性能參數(shù)。對排風(fēng)柜進(jìn)行測試，排風(fēng)柜靜尺寸（長×寬×高）為1250 mm×860 mm×2200 mm，排風(fēng)口為300 mm。拉門高度設(shè)在500 mm，排風(fēng)量取整為1200 m3/h，送風(fēng)量1100 m3/h。測試是在某實驗室內(nèi)進(jìn)行，測試時實驗門窗關(guān)閉。

2.3.1 面風(fēng)速測定

面風(fēng)速測試時，排風(fēng)柜操作面均勻劃分為12 個測點，測點布置如圖7 所示：按照標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法，使用風(fēng)速溫度測量儀測量各測點的風(fēng)速。

圖7 面風(fēng)速測試點位圖

根據(jù)正交試驗表所列的實驗工況，保證送風(fēng)、排風(fēng)風(fēng)量不變的情況下，調(diào)整散流器的位置測量不同工況下的面風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過分析各個測點20 組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差均值和各個測點20 組數(shù)據(jù)的均值的標(biāo)準(zhǔn)差反映不同工況下面風(fēng)速的波動性和均勻性。

本文實驗設(shè)計對每組實驗的面風(fēng)速進(jìn)行測試，對排風(fēng)柜操作面均勻劃分為12 個測點，每個測點讀取20 組數(shù)據(jù)，波動性分析先計算每個測點20 組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，然后再對12 個測點的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)求平均值，得出面風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的均值，反映了面風(fēng)速的波動性（表2）。

表2 面風(fēng)速波動性

表2 中，T1，T2和T3這三行數(shù)據(jù)分別是各因素同一水平結(jié)果之和。例如，T1行A 因素列的數(shù)據(jù)0.177 是A 因素3 個1 水平的實驗值的和，而A 因素3 個1 水平分別在第1、2、3 號實驗，所以

注意到，在上述計算中，B 因素的3 個水平各參加了一次計算，C 因素的3 個水平也各參加了一次計算。

其他的求和數(shù)據(jù)計算方式和上述方式相似，然后對T1，T2和T3這三行分別除以3 得到三行新的數(shù)據(jù)表示各因素在每一水平下的平均波動性。用各因素標(biāo)準(zhǔn)差均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1。

圖8 各因素面風(fēng)速波動性的影響

表3 反映面風(fēng)速均勻性的測試和計算結(jié)果。通過對波動性的研究方法，可以得出面風(fēng)速均勻性最好的方案為A3B3C3。

表3 面風(fēng)速均勻性測試和計算結(jié)果

圖9 各因素面風(fēng)速均勻性的影響

2.3.2 濃度測定

在排風(fēng)柜工作臺面、內(nèi)側(cè)壁面上畫平行于柜門的直線，在距柜門均為150 mm 的地方釋放微量煙氣。對于一個典型的帶有垂直柜門的臺式排風(fēng)柜，需要三個位置：左、中、右。左邊位置時，引射器的中心距離左側(cè)壁300 mm。中間位置與左右兩側(cè)壁等距。右邊位置距離右邊側(cè)壁300 mm。假人著實驗室衣服，呼吸帶距排風(fēng)柜柜面垂直高度550 mm，距柜面水平距離75 mm（圖10）。

圖10 假人位置

待房間背景濃度達(dá)到測試標(biāo)準(zhǔn)時，對每個工況每個位置下的污染物（假人吸入）濃度測試，每秒記錄一次讀數(shù)，共記錄360 組數(shù)據(jù)。對各工況下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4 所示。

表4 濃度測試和計算結(jié)果

表4 中，T1，T2和T3這三行數(shù)據(jù)分別是各因素同一水平結(jié)果之和。例如，T1行A 因素列的數(shù)據(jù)7.055 是A 因素3 個1 水平的實驗值的和，而A 因素3 個1 水平分別在第1、2、3 號實驗，所以

注意到，在上述計算中，B 因素的3 個水平各參加了一次計算，C 因素的3 個水平也各參加了一次計算。其他的求和數(shù)據(jù)計算方式和上述方式相似，然后對T1，T2和T3這三行分別除以3 得到三行新的數(shù)據(jù)和表示各因素在每一水平下的平均濃度。用各因素均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1。

圖11 各因素對濃度的影響

通過對濃度與面風(fēng)速分析結(jié)果的對比分析，最優(yōu)組合信息如表5 所示：

表5 面風(fēng)速與濃度的對比

從表5 可得出如下結(jié)論：散流器風(fēng)口工況下，風(fēng)口的位置最優(yōu)組合為A1B2C1，面風(fēng)速的波動性與濃度相關(guān)性大。

3 結(jié)論

通過對面風(fēng)速波動性的研究，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1，比較極差得到，A 因素的極差RA=0.031最大，表明A 因素對波動性的影響程度最大。B 因素的極差RB=0.012 最小，說明B 因素對面風(fēng)速波動性的影響程度不大。影響大小順序依次是A＞C＞B。

同樣對波動性的研究方法，可以得出面風(fēng)速均勻性最好的方案為A3B3C3。影響大小順序依次是C＞A＞B。

通過對濃度的分析，用各因素均值的最小值的水平組合的方案，可以得出最優(yōu)方案為A1B2C1。比較極差得到C 因素的極差RC=6.233 最小，說明該風(fēng)口的工況下C 因素對濃度的影響程度不大。影響大小順序依次是B＞A＞C。