設(shè)計實驗室排氣系統(tǒng)需要考慮的問題

實驗室通風(fēng)柜排氣系統(tǒng)作為化學(xué)研究設(shè)施的一部分，通常被視為理所當(dāng)然。但是，在設(shè)計和配置實驗室時，排氣系統(tǒng)的選擇對實驗室建筑和附近建筑的人員的安 全有很大影響。排風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)的選擇也會影響到建筑的長期運行費用。

地理解各種排風(fēng)系統(tǒng)及其操作方式，可以消除未來可能出現(xiàn)的重大安 全問題，同時優(yōu)化建筑物的效率和系統(tǒng)的可靠性。

通風(fēng)系統(tǒng)的基本原理。

室內(nèi)排風(fēng)柜排出系統(tǒng)的主要目的是除去化學(xué)蒸汽、化學(xué)反應(yīng)及其他室內(nèi)活動產(chǎn)生的污染物。該系統(tǒng)必須提供大保護，同時盡可能少地使用空氣。要控制兩種空氣流動方式：實驗室排氣和清潔空氣的替代品。

關(guān)于通風(fēng)柜排氣系統(tǒng)，在設(shè)計新的實驗室設(shè)施或更新現(xiàn)有實驗室設(shè)施時，重要的考慮因素是安 全(關(guān)于將實驗室排氣量二次輸送到建筑物或鄰近建筑物)，以及保護建筑物內(nèi)居民的內(nèi)部空氣質(zhì)量。另外，該系統(tǒng)是否能滿足適當(dāng)?shù)奈廴究刂茦?biāo)準(zhǔn)(包括消除排放和排放管道中的惡臭)也是一個關(guān)鍵考慮因素。

其它重要的考慮包括：系統(tǒng)效率、初始成本和運營成本，以及屋頂美觀(圖1)。舉例來說，靜音、無振動性能對保護精密實驗儀器非常重要。

在實驗室設(shè)備通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)的選擇中，屋頂?shù)拿烙^是考慮因素之一。

實驗室通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)的選擇應(yīng)首先考慮通風(fēng)柜的位置。其位置將嚴(yán)重影響工作效率和安 全。舉例來說，在實驗室里，人們只需要通過通風(fēng)柜就能產(chǎn)生空氣紊流，從而把污染物拉出他們的控制區(qū)。通風(fēng)柜上方設(shè)計有空氣散射器的工作區(qū)域，明顯的空氣湍流會導(dǎo)致污染物泄漏到實驗室。

另外，進入實驗室的氣流也會影響通風(fēng)柜的排氣系統(tǒng)。因為實驗室應(yīng)該保持相對于外部的負(fù)氣壓，所以在正常運行過程中，門、窗、排氣孔和其他開口都應(yīng)該保持關(guān)閉狀態(tài)，以確保污染物通過通風(fēng)柜排放，而不是其他實驗室的開口。

可根據(jù)所提供的安 全措施來評價實驗室通風(fēng)柜排氣系統(tǒng)的有效性。理論上的設(shè)計參數(shù)可以使操作者和實驗人員安 全地清除煙霧。空氣流速是從房間到通風(fēng)柜內(nèi)達到安 全 的關(guān)鍵因素。若氣流過低，煙氣就會從通風(fēng)柜中漏入室內(nèi)。若風(fēng)速過大，在拉門處會產(chǎn)生空氣紊流，從而使煙氣進入室內(nèi)。安 全 的空氣流動速度可以根據(jù)制造商不同而不同，但一般在100ft/min(0.5m/s)以內(nèi)。

排出的廢氣應(yīng)該比送風(fēng)大，以便產(chǎn)生由外向內(nèi)的氣流，從而捕捉和控制空氣中的污染物。

試驗室的排風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)可采用恒定風(fēng)量(CAV)或變風(fēng)量(VAV)設(shè)計。通風(fēng)柜排放空氣的速率不變，風(fēng)速隨窗扇減小而增大；通過改變通風(fēng)柜中的排氣量，VAV通風(fēng)柜試圖消除變速氣流。這可以減少總的排放總量，也有助于降低運營成本。風(fēng)機風(fēng)柜采用閉環(huán)排氣系統(tǒng)，監(jiān)測排出的空氣量，以維持工作面所需的平均風(fēng)速。這個控制系統(tǒng)也可以幫助監(jiān)測污染物的存在。另外，VAV通風(fēng)柜還采用了視覺和聽覺警報以及風(fēng)速監(jiān)控，以提醒風(fēng)速不足或排氣系統(tǒng)故障。

通風(fēng)裝置風(fēng)機

根據(jù)設(shè)備要求，實驗室可在各種通風(fēng)柜排氣系統(tǒng)設(shè)計中進行選擇。排風(fēng)系統(tǒng)依賴于隱藏的、但又必不可少的子系統(tǒng)，包括風(fēng)扇和通風(fēng)系統(tǒng)。

排氣管的排風(fēng)系統(tǒng)一般是風(fēng)管網(wǎng)(通風(fēng)管)，它通向安裝在房頂上的排風(fēng)系統(tǒng)，它的動力來自以下三種風(fēng)機技術(shù)：軸流式，離心式和混合流式葉輪。這幾類風(fēng)機均可采用直接驅(qū)動設(shè)計，風(fēng)機葉輪可直接安裝在電機軸上，也可采用皮帶驅(qū)動，風(fēng)機葉輪安裝在獨立的驅(qū)動軸上，由一根或多根皮帶驅(qū)動。

軸流動風(fēng)扇系統(tǒng)——軸流動風(fēng)扇葉片將空氣吸入風(fēng)扇外殼，并沿同一軸向排出空氣——是低氣壓下按額定流量或靜壓力排出大量空氣的理想系統(tǒng)。用在軸流通風(fēng)機上的葉片通常為塑料、鋁、不銹鋼或玻璃纖維。不同類型的軸流風(fēng)機，用于工業(yè)應(yīng)用包括：壁掛式風(fēng)機，這種風(fēng)機安裝在墻上，用來把空氣吸入到室內(nèi)，或從室內(nèi)排出空氣；管式軸流風(fēng)機，與一系列管道系統(tǒng)相連，用于排放被污染的空氣或熱空氣。

風(fēng)扇系統(tǒng)-離心風(fēng)扇葉輪安裝在殼體內(nèi)。刀片可向前彎曲，向后彎曲，或直立。排出的氣體通過鼓風(fēng)機外殼和風(fēng)機葉片吸入進口。

向螺旋狀傾斜。然后，渦流殼體聚焦這些氣流，并將其導(dǎo)向一個出口氣流。風(fēng)量以與機箱組件的軸線成直角的方式離開機箱。傳統(tǒng)的離心式渦旋風(fēng)機殼體采用圓柱形殼體代替渦旋殼體和截斷組件，是傳統(tǒng)離心風(fēng)機殼體的變型。

該離心風(fēng)機設(shè)計為每分鐘高速運轉(zhuǎn)，屋頂上安裝有很高的排氣筒，可將排氣量充分排入設(shè)施之上，防止二次夾帶(及其有害煙氣或惡臭)污染進入建筑物及周邊設(shè)施。因為煙囪的尺寸和高度，它需要昂貴而復(fù)雜的安裝硬件來保持穩(wěn)定，并大限度地減少振動。這些包括彎管，彈性接頭，彈簧減振器和拉線的支撐。

混流式葉輪風(fēng)機——混流式葉輪風(fēng)機通常比離心風(fēng)機提供更大的氣流，并且比軸流式風(fēng)機提供更大的空氣壓力。該系統(tǒng)可以消除設(shè)備和周圍建筑物中的廢氣和異味對二次吸入的污染，并改善室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)。和其它技術(shù)相比，這種技術(shù)一般比較低，屋頂安裝的排風(fēng)系統(tǒng)與低速風(fēng)扇相結(jié)合。該系統(tǒng)采用低振動直接驅(qū)動電機，在實驗室通風(fēng)柜內(nèi)排出廢氣，以達到大程度的降噪效果。

帶離心風(fēng)機和帶混流式葉輪的排氣系統(tǒng)之間的顯著區(qū)別在于排氣煙囪的高度：混流式葉輪的外觀較小，占地面積也較小。這一特征在適應(yīng)空間和重量限制以及審美品質(zhì)方面具有明顯的價值(越來越多的社區(qū)通過法令，限制建筑物的總高度(包括屋頂附屬部分)。

排放系統(tǒng)的不同類型是屋頂煙囪的高度，這一特點的價值在于可容納空間和重量限制。

正如其名稱所示，混流式葉輪系統(tǒng)結(jié)合了軸向和離心式空氣運動技術(shù)。該方法葉輪效率高，能耗低，一般較安靜。真正的混流技術(shù)對整個葉輪的性能曲線也比較穩(wěn)定。這樣，就不會出現(xiàn)在軸向和離心風(fēng)機在較高壓力區(qū)的曲線上出現(xiàn)失速或性能不穩(wěn)定的情況。令人擔(dān)心的是，在這種不穩(wěn)定性能區(qū)域或附近運行的系統(tǒng)會導(dǎo)致嚴(yán)重的性能、聲音和振動問題。

混合式葉輪將實驗室通風(fēng)柜內(nèi)的廢氣與外部環(huán)境空氣混合，以減少被污染的微粒濃度(每立方米(ppm)或毫克(mg/m3)測量)，從而使其能夠安 全合法地排放到大氣中。風(fēng)扇把廢氣吸入管路網(wǎng)絡(luò)，然后送到設(shè)備外部，通常是送到屋頂，屋頂與周圍空氣混合。有時，尤其是在當(dāng)?shù)胤钜?guī)定屋頂外觀的情況下，混流葉輪系統(tǒng)(通常是為了美觀的目的)可安裝在封閉設(shè)備中。

采用安裝在底座上的旁路風(fēng)門，混合流動的葉輪吸入的新鮮空氣比排氣量多一倍，因此可以降低實驗室通風(fēng)柜中需要處理的污染物和引起氣味的物質(zhì)的濃度。

向大氣層發(fā)射

混合流式葉輪排氣系統(tǒng)甚至可以在風(fēng)機轉(zhuǎn)速很低的情況下產(chǎn)生很高的排放率，因為當(dāng)空氣通過噴嘴從屋頂煙囪排出時，額外的新鮮空氣會被帶到排氣混合物中。這一機理將在排放的廢氣混合物周圍形成一層保護層，并固定住周圍的空氣，從而解決二次夾帶污染問題。釋放出來的氣體可以通過每分鐘6300英尺(32米/秒)的速度釋放出超過120英尺(36.5米)的羽狀物，甚至可以通過穩(wěn)定的側(cè)風(fēng)釋放到空中。毫無疑問，許多因素都決定了系統(tǒng)的有效性，包括建筑結(jié)構(gòu)、周圍地形，甚至天氣狀況。

以80,000立方英尺/分鐘(135921立方米/小時)為動力的混合空氣葉輪，其排氣量通?？蛇_到6,300英尺/分鐘的排放速率。據(jù)風(fēng)洞研究，額外的空氣將被吸入空氣中，即便是出口速度為每分鐘3,000英尺(ANSIZ9.5標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的清除實驗室通風(fēng)系統(tǒng)中化學(xué)污染物的低速度)。

由皮帶驅(qū)動的離心風(fēng)機排氣系統(tǒng)和管路網(wǎng)絡(luò)也能像混合流葉輪那樣將污染的潔凈空氣混合，在排放到大氣中時起到一定的稀釋作用。但采用離心風(fēng)扇要求屋頂煙囪必須有足夠的高度，有時高達40英尺(12.2米)以上。混流式葉輪系統(tǒng)通常在屋頂上15英尺(4.6米)的高度上工作，具有相同的稀釋性和工作效率?；炝魇饺~輪排氣系統(tǒng)高度較低，無需額外的穩(wěn)定硬件，離心風(fēng)機排氣系統(tǒng)也是必要的。

與離心風(fēng)機系統(tǒng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)并非只有高排氣管。一般情況下，離心風(fēng)扇系統(tǒng)還需要屋頂?shù)捻攲訖C房，主要是為了保護維護人員。因為離心風(fēng)機系統(tǒng)依賴皮帶驅(qū)動電機(與更可靠的混流葉輪直接驅(qū)動電機相反)，需要定期維護，以調(diào)節(jié)皮帶張力，或更換皮帶輪或更換失效皮帶。頂樓機房為維護人員提供了安 全，運行環(huán)境。

與典型的皮帶驅(qū)動離心風(fēng)機和軸流式風(fēng)機系統(tǒng)相比，混合流式葉輪的室內(nèi)通風(fēng)柜排氣系統(tǒng)可靠性高，不需要維護。在皮帶傳動系統(tǒng)中，只有皮帶會隨時間而拉伸、松弛、斷裂，因此需要定期進行維修，從而縮短預(yù)期的使用壽命。舉例來說，皮帶傳動系統(tǒng)(L10)中軸承的低預(yù)期壽命一般為40,000h，而在某些混流式葉輪系統(tǒng)中，直驅(qū)電機軸承的預(yù)期工作壽命至少為200,000h。

噪音的解決方案

在大多數(shù)實驗室和地區(qū)，噪聲管理也是一個重要考慮因素-在有些情況下，公司需要在其性能線上進行噪聲研究，以確定設(shè)備的不同系統(tǒng)的噪聲水平(包括實驗室排氣系統(tǒng))。相對于軸流式和離心風(fēng)機系統(tǒng)，混流式葉輪排氣系統(tǒng)中的直接驅(qū)動電機具有速度低、結(jié)構(gòu)固有的靜音設(shè)計，通常可以降低噪音和振動水平。另外，對于必須嚴(yán)格控制噪聲的應(yīng)用場合，可設(shè)計配有集成式噪聲衰減器的混流葉輪系統(tǒng)，而這種噪聲衰減器不會增大屋頂排風(fēng)機的高度。

還可在排氣煙囪上安裝軸流和離心風(fēng)機排氣系統(tǒng)，以減少噪音，如排氣消 音 器。然而，這會增加已經(jīng)很高的煙囪高度，并且需要額外安裝硬件來減少建筑物所產(chǎn)生的振動?；炝魇饺~輪即使在低速馬達運行時，其性能也很少受到損害。該系統(tǒng)能在較低轉(zhuǎn)速下提供比離心風(fēng)機更大的空氣流量和比軸流風(fēng)機更大的空氣壓力。

直接驅(qū)動的混流式葉輪風(fēng)機與皮帶驅(qū)動的離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機相比，具有節(jié)能、經(jīng)濟、高 效的特點，與皮帶驅(qū)動的離心風(fēng)機系統(tǒng)相比，能效可提高25%左右。帶傳動系統(tǒng)中，軸、帶輪、枕形塊和電機的排列不正確，會使傳動系統(tǒng)失去動力，造成可靠性問題。類似地，混流式葉輪系統(tǒng)的出口噴嘴可在風(fēng)機轉(zhuǎn)速較低、功率要求相應(yīng)降低的情況下，設(shè)計成具有較高的排放速度。

要進一步提高能效，可能需要指定變速傳動系統(tǒng)。采用變速驅(qū)動裝置，可降低能耗，并能在實驗室空余時間低風(fēng)速運行。另外，如果一個風(fēng)扇在多個風(fēng)扇排氣系統(tǒng)中出現(xiàn)故障，其余風(fēng)扇將被提升風(fēng)速進行補償。對于許多生物安 全級別(BSL)實驗室來說，這是非常重要的。

另外，回收通常是通過排出廢氣而流失的熱量，可以節(jié)約能源?；旌狭鲃拥娜~輪可配有一個獨 特的熱量回收模塊，該模塊可從廢棄氣流中獲取溫暖的空氣，并將熱能傳送到建筑物通風(fēng)系統(tǒng)的入口，從而顯著降低建筑物的加熱燃料費用(每增加1oF的熱量)，相應(yīng)地減少3%的加熱燃料費用。

實驗室內(nèi)沒有管路的通風(fēng)設(shè)備。

迄今為止，所討論的三種主要的實驗室通風(fēng)柜排風(fēng)系統(tǒng)都是假定使用管道網(wǎng)絡(luò)來將被污染的空氣從實驗室排出。近幾年來，無管實驗室通風(fēng)柜成為其替代產(chǎn)品之一。沒有管路設(shè)計，通風(fēng)柜配備了碳床或其它類型的過濾器來清除和控制污染物。濾料必須與實驗室所用的化學(xué)物質(zhì)種類相匹配。一般的過濾器會吸收一定比例的化學(xué)物質(zhì)和氣體，而一些應(yīng)用程序可能需要使用微粒過濾器。有些情況下，過濾器需要浸漬化學(xué)物質(zhì)，以便將目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成危害較小的物質(zhì)。

實驗中，除電源外，實驗室通風(fēng)柜沒有其它外部連接，這使得它非常輕便，并且對于需要不定期地重新設(shè)計的設(shè)備非常有用。電力線與電子系統(tǒng)相連，用于監(jiān)測氣流和過濾器狀況，以確保操作人員的安 全，并在需要時提供視覺和聽覺警報。沒有管路方法不能代替所有管路系統(tǒng)，而且絕 對不能用于化學(xué)結(jié)果未知的化學(xué)實驗室(可能沒有過濾器)。當(dāng)然，無管實驗室通風(fēng)柜為了便于攜帶而犧牲了效率，尤其是相對于離心式和混流式葉輪系統(tǒng)，它們需要仔細(xì)監(jiān)測碳過濾器的狀況，以便在其飽和時能夠被替換。