CN107300238A - 一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，包括两端通透的操作容器，操作容器的顶部设置有背板以及侧板，其中：侧板垂直于背板，且侧板为可折叠结构；所述的侧板边缘设置有可折叠的挡板，挡板的一端与背板顶部连接，挡板的另一端与操作容器的顶端连接；所述的背板可绕操作容器的顶部旋转，旋转范围为0°～90°；所述的背板的内侧设置有送风口和排风口；所述的背板的外侧设置有与送风口连通的送风管，以及与排风口连通的排风管。本发明根据空气动力学原理，形成弯曲的柱状空气涡旋，造成强大的负压梯度和气流上升速度，可将操作容器中的污染物通过空气涡旋输运到排风口处排出，防止污染物产生逸散，大大提高侧吸排风系统的捕集效率。

Description

一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置

技术领域

本发明涉及一种空气调节装置，具体涉及一种可开闭的柱状空气旋涡侧吸排风装置。

背景技术

工业生产中经常产生大量的污染气体、烟尘、蒸汽等有害物质，严重威胁到了产品质量、生产安全和工人的健康。因此，局部排风罩被广泛的应用于工业生产中对于污染源处散发污染物的捕集和控制。由于在生产过程中许多散发污染源的位置需要在其上部进行加料、操作、观察等活动，故不能加装半封闭排风罩和顶吸排风罩，因此为了及时捕集散发的污染物，经常采用侧吸排风罩，如铸造工业中捕集铸造烟尘，电解铝采用槽边侧吸罩捕集槽内酸雾等。但根据流体力学的汇流场原理，排风口附近的风速快速下降，距离排风口位置一倍直径时，排风速度即降低到排风口最大风速的约10％左右，这就导致一般侧吸排风罩存在控制距离近、控制范围小、易受横风干扰等缺点，因此捕集效率不高。如果要提高捕集效率，则必须增大排风量，这样势必会增大能耗；同时随着排风量增大，侧吸排风罩的捕集效率提高速率逐渐减小，导致经济性很差。同时，对于某些带有背板的散发污染物槽，当背板关闭时由于污染物被封闭在槽中的密闭空间内，因此槽边侧吸排风罩捕集效果较好；而在槽的背板打开进行检修、加料、观察等操作时，侧吸排风罩无法控制槽内污染物的散发，造成大量污染物在打开背板的过程中逃逸到建筑内，严重恶化了室内环境。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，可将操作容器中的污染物通过空气涡旋输运到排风口处排出，防止污染物产生逸散，大大提高侧吸排风系统的捕集效率。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，包括两端通透的操作容器，操作容器的顶部设置有背板以及侧板，其中：侧板垂直于背板，且侧板为可折叠结构；所述的侧板边缘设置有可折叠的挡板，挡板的一端与背板顶部连接，挡板的另一端与操作容器的顶端连接；所述的背板可绕操作容器的顶部旋转，旋转范围为 0°～90°；所述的背板的内侧设置有送风口和排风口，送风口的送风方向为指向侧板方向，送风口位于背板下端的边角处，排风口位于背板上端；所述的背板的外侧设置有与送风口连通的送风管，以及与排风口连通的排风管。

进一步地，所述的送风口包括端板、弧板以及底板，其中端板、弧板相互垂直，并垂直固定在背板上，弧板的一侧固定在背板上，另一侧与底板相连，且弧板的一个端部与端板连接；所述的弧板内部的背板上开设有通风口，通风口与送风管连通。

进一步地，所述的操作容器和背板的外侧设置有固定装置，固定装置包括设置在背板上的凸起以及设置在操作容器上的旋轴，其中凸起上开设有侧槽，旋轴上安装有与所述侧槽配合的卡板。

进一步地，所述的操作容器的横截面为矩形结构，操作容器由四块侧壁板依次垂直连接而构成。

进一步地，所述的送风管的直径小于排风管的直径。

进一步地，所述的侧板展开后呈圆心角为90°的扇形结构，挡板展开后呈弧形结构。

进一步地，所述的侧板和挡板为一体式结构，包括骨架杆和无纺布，其中骨架杆设置有多个，骨架杆为由第一支杆和第二支杆构成的L形结构，所述的无纺布有两片，一片为扇形结构，另一片为条形结构；所述的多个第一支杆的一端共同安装在一根转轴上，其余部分均匀分布在所述的扇形结构的无纺布的侧面；所述的第二支杆分布在条形结构的无纺布的侧面。

进一步地，所述的多个骨架杆中，第一个骨架杆固定在背板上，最后一个骨架杆活动式连接在操作容器上。

进一步地，所述的操作容器的内壁上侧设置有支撑柱，支撑柱与操作容器内壁的上端部之间开设有滑槽，滑槽的端部设置有挡块，滑槽中装配有滑块；所述的最后一个骨架杆与所述的滑块连接。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

本发明装置有开启和闭合两种工作状态。当无工作人员操作时，背板关闭时，送风口不工作，排风口正常工作，操作容器内部可形成封闭空间，在其中散发的污染物通过排风口被排走，阻止其扩散到容器外部；有工作人员操作时，将背板打开，与操作容器呈90°夹角，送风口正常工作，送风口的送风气流经过可折叠侧板和可折叠柔性挡板形成带有角动量的气流配合排风口处的排风气流，根据空气动力学原理，形成弯曲的柱状空气涡旋，造成强大的负压梯度和气流上升速度，可将操作容器中的污染物通过空气涡旋输运到排风口处排出，防止污染物产生逸散，大大提高侧吸排风系统的捕集效率。

附图说明

图1为本发明的开启状态整体结构正面示意图；

图2为本发明的开启状态整体结构背面示意图；

图3为本发明的关闭状态整体结构示意图；

图4为送风口部分的结构示意图；

图5为骨架杆与操作容器活动式连接部分的结构示意图；

图6为固定装置的结构示意图；

图7为操作容器开口平面气流速度矢量图；

图8为操作容器开口平面压力分布图；

图9为数值模拟中本发明的操作容器开口污染物运动流线与传统侧吸式排风罩的操作容器开口污染物运动流线对比图，其中(a)为传统排风罩，(b)为本发明装置；

图中标号代表：1—背板，1-1—排风口，1-2—送风口，1-2-1—端板，1-2-2 —弧板，1-2-3—底板，1-3—合页，1-4—进风口，1-5—提手，2—侧板，3—挡板，3-1—滑块，3-2—骨架杆，3-3—无纺布，4—操作容器，5—排风管，6—送风管，7—支撑柱，8—滑槽，9—挡块，10—凸起，11—侧槽，12—旋轴，13—卡板，A—污染物散发面，B—送风气流。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图所示，本发明公开了一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，包括两端通透的操作容器4，在使用时，操作容器4可以作为局部排风罩，固定在气体污染源的上方位置；操作容器4的顶部设置有背板1以及侧板2，其中：侧板2垂直于背板1，且侧板2为可折叠结构；这里的可折叠是指侧板2是与背板1联动的，当背板1旋转时，可实现侧板2的折叠或打开。所述的侧板2边缘设置有可折叠的挡板3，挡板3的一端与背板1顶部连接，挡板3 的另一端与操作容器4的顶端连接。在图1给出的示例中，操作容器4的横截面为矩形结构，操作容器4由四块侧壁板依次垂直连接而构成，即挡板3的另一端是连接在与安装背板1的侧壁板平行的另一块侧壁板上的。这样当挡板3展开后，挡板3的两端将横跨操作容器4的上方。

所述的背板1可绕操作容器4的顶部旋转，旋转范围为0°～90°；这里的旋转范围是指，如图1所示，当背板1旋转至与操作容器4的轴向(即侧壁板的高度方向)平行时为90°，旋转至与操作容器4的轴向垂直时为0°。背板1 的大小和操作容器4端部大小相仿，当旋转至0°时，背板1刚好扣在操作容器 4的上部，将操作容器4上端的开口封住。为便于旋转操作，背板1的外侧设置有提手1-4。如图2、图5所示，操作容器4和背板1的外侧设置有固定装置，固定装置包括设置在背板1上的凸起10以及设置在操作容器4上的旋轴12，其中凸起10上开设有侧槽11，旋轴12上安装有与所述侧槽11配合的卡板13。当背板1旋转至90°时，将卡板13旋转至卡入到所述的侧槽11中，以实现对背板1位置的固定，使背板1能保持90°。背板1和操作容器4采用合页1-3连接。

所述的背板1的内侧设置有送风口1-2和排风口1-1，送风口1-2的送风方向，即送风口1-2的开口方向为指向侧板2方向，送风口1-2位于背板1下端的边角处，排风口1-1位于背板1上端；这里的上端、下端可以借助图1来理解，如图1所示，在背板1旋转至90°时，远离操作容器4的一端为上端。送风口 1-2的安装位置为背板1上最远离侧板2的边角处，排风口1-1可以设置在背板 1上端的中部位置，或者中部一侧靠近侧板2的位置。所述的背板1的外侧设置有与送风口1-2连通的送风管6，以及与排风口1-1连通的排风管5，送风管6 的直径小于排风管5的直径。

如图3所示，送风口1-2包括端板1-2-1、弧板1-2-2以及底板1-2-3，其中端板1-2-1、弧板1-2-2相互垂直，并垂直固定在背板1上，弧板1-2-2的一侧固定在背板1上，另一侧与底板1-2-3相连，且弧板1-2-2的一个端部与端板1-2-1 连接；所述的弧板1-2-2内部的背板1上开设有通风口，通风口与送风管6连通。由端板1-2-1、弧板1-2-2、底板1-2-3和背板1围成了一个相对封闭的空间，仅在送风口1-2上留出了一个出口，这个出口的轴向即所述的送风方向，该方向与背板1平行，并指向侧板2。如3中的B即为送风气流的方向。送风口1-2整体固定在背板1上，跟随背板1转动。

如图1和图2所示，本方案中，侧板2展开后呈圆心角为90°的扇形结构，挡板3展开后呈弧形结构。具体地，侧板2和挡板3为一体式结构，包括骨架杆 3-2和无纺布3-3，其中骨架杆3-2设置有多个，骨架杆3-2为由第一支杆和第二支杆构成的L形结构，所述的无纺布3-3有两片，一片为扇形结构，另一片为条形结构；所述的多个第一支杆的一端共同安装在一根转轴上，其余部分均匀分布在所述的扇形结构的无纺布3-3的侧面，使得第一支杆和这块无纺布3-3共同构成类似于扇子的结构；所述的第二支杆分布在条形结构的无纺布3-3的侧面；这样设置后，侧板2和挡板3即为联动结构，且可以实现打开和折叠。打开和折叠过程由背板1来控制；当背板1旋转至90°时，挡板3和侧板2为打开状态，此时无纺布3-3完全展开；背板1扣在操作容器4上方，即0°位置时，挡板3 和侧板2全部收缩，此时骨架杆3-2相互贴在一起，无纺布3-3也处于折叠状态。挡板3的宽度为容器顶端开口宽度的1/5。

如图2和图4所示，所述的多个骨架杆3-2中，第一个骨架杆3-2固定在背板1上，最后一个骨架杆3-2活动式连接在操作容器4上。这样旋转背板1时，挡板3和侧板2就能像扇子一样打开或闭合。为了使背板1能完全扣在操作容器 4上方，本方案中，操作容器4的内壁上侧设置有支撑柱7，支撑柱7与操作容器4内壁的上端部之间开设有滑槽8，滑槽8的端部设置有挡块9，滑槽8中装配有滑块3-1；挡块9限定了滑块3-1只能在滑槽8端部、挡块9之间滑动；所述的最后一个骨架杆3-2与所述的滑块3-1连接，这是一种活动式的连接方式。在侧板2和挡板3折叠后，折叠后的骨架杆3-2、无纺布3-3将被支撑在所述的支撑柱7上，不会继续下滑，以使得背板1能紧贴操作容器4的上端边缘，实现对操作容器4上端的密封。当侧板2和挡板3展开后，滑块3-1滑动到挡块9处不能继续滑动，也就固定住了挡板3和侧板2下端的位置。所述的无纺布3-3采用耐高温、耐腐蚀的玻璃纤维无纺布3-3。

参见图1，当有工作人员操作时，将背板1打开至90°并进行位置的固定，将送风管6与送风装置连接，排风管5与抽风装置连接，送风口1-2的送风气流经过可折叠的侧板2和挡板3形成带有角动量的气流，配合排风口1-1处的排风气流，形成弯曲的柱状空气涡旋，造成强大的负压梯度和气流上升速度，可将操作容器4中的污染物通过空气涡旋输运到排风口1-1处排出，防止污染物产生逸散，大大提高侧吸排风系统的捕集效率，在这种情况下，不影响通过上部进行加料、操作和观察等活动。

参见图3，当无工作人员操作时，背板1旋转至扣合在操作容器4上端，关闭送风装置，送风口1-2不工作，排风口1-1正常工作，操作容器4内部可形成封闭空间，在其中散发的污染物通过排风口1-1被排走，阻止其扩散到操作容器 4外。

验证实例

为了验证本装置对污染物的控制和捕集作用，根据实际使用情况建立了数值模模型，操作容器开口和背板的尺寸都为1.2m×1.2m，排风口直径为0.2m，送风管直径为0.1m，排风速度为5m/s，送风速度为2m/s。背板为4mm厚有机玻璃。通过对速度进行分析，进一步验证了开闭式柱状空气涡旋侧吸排风装置有效性。

排风装置附近的气体流动基本为马赫数小于0.3的低速流动，故可将空气视为不可压缩流体；同时空气温差较小，即密度变化较少，因此可认为室内空气流动符合Boussinesq假设。为此选用采用RNG k-ε双方程模型进行模拟计算，控制方程式在上面假设的基础上，得到k-ε湍流数学模型的各时均值控制方程。最终建立控制方程组如下所示：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

浓度方程：

式中u为气流速度；k为湍流脉动动能；T为室内空气温度；μ为层流动力粘性系数；μ_t为湍流动力粘性系数；p为空气压力；ρ为空气密度；C_p为空气定压比热容；q为热流密度；β为流体体积膨胀系数；c为污染物浓度；F_c为污染物释放率；C_c为常数；Pr为普朗特数。

采用有限体积法(FVM)对上述控制方程进行离散，离散格式选用二阶迎风格式，并采用SIMPLE算法对离散方程进行求解，当速度项和压力项残差值均小于10^-3，同时温度和组分的残差值均小于10^-6时，控制方程组收敛，此时即可得到排风罩内各个位置的速度与压力分布。

设操作容器开口的尺寸长×宽×高为1200×1200×750mm，圆形排风口的排风量为0.157m³/s，送风口形状为四分之一圆形，半径为50mm，速度为1.5m/s，假设操作容器中污染物的释放量为0.18576km³/s。在背板打开条件下，依据空气动力学原理，送风口送出的气流与侧板和挡板相结合产生弯曲柱状空气涡旋，如图7操作容器开口附近速度矢量截图所示，操作容器开口附近气流形成了明显的涡旋结构，并形成了如图8所示的负压区，将操作容器中释放的污染物通过“人造龙卷风”效应高效捕集，吸入排风口内。

本发明与本发明的操作容器开口污染物运动流线与传统侧吸式排风罩的操作容器开口污染物运动流线对比如图9所示。传统侧吸式排风罩是在操作容器的外部开口附近设置条缝型排风口，根据空气动力学原理，排风口的汇流流畅速度快速衰减，难以控制整个操作容器散发的污染物，特别是远端位置。本发明所涉及的新型侧吸式排风系统，有效的加强了排风罩对远端污染物的控制和捕集。如图7所示，在排风口排风量和污染物散发量都相同的情况下，传统侧吸式排风罩无法对容器开口远处污染物进行有效捕集，大量污染物散发到室内空间。而本发明的涡旋侧吸式排风装置，利用柱状空气涡旋原理产生的负压，有效控制和捕集了容器中所释放的污染物，污染物的逃逸率大大降低。

Claims (9)

1.一种可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，包括两端通透的操作容器(4)，操作容器(4)的顶部设置有背板(1)以及侧板(2)，其中：侧板(2)垂直于背板(1)，且侧板(2)为可折叠结构；所述的侧板(2)边缘设置有可折叠的挡板(3)，挡板(3)的一端与背板(1)顶部连接，挡板(3)的另一端与操作容器(4)的顶端连接；所述的背板(1)可绕操作容器(4)的顶部旋转，旋转范围为0°～90°；所述的背板(1)的内侧设置有送风口(1-2)和排风口(1-1)，送风口(1-2)的送风方向为指向侧板(2)方向，送风口(1-2)位于背板(1)下端的边角处，排风口(1-1)位于背板(1)上端；所述的背板(1)的外侧设置有与送风口(1-2)连通的送风管(6)，以及与排风口(1-1)连通的排风管(5)。

2.如权利要求1所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的送风口(1-2)包括端板(1-2-1)、弧板(1-2-2)以及底板(1-2-3)，其中端板(1-2-1)、弧板(1-2-2)相互垂直，并垂直固定在背板(1)上，弧板(1-2-2)的一侧固定在背板(1)上，另一侧与底板(1-2-3)相连，且弧板(1-2-2)的一个端部与端板(1-2-1)连接；所述的弧板(1-2-2)内部的背板(1)上开设有通风口，通风口与送风管(6)连通。

3.如权利要求1所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的操作容器(4)和背板(1)的外侧设置有固定装置，固定装置包括设置在背板(1)上的凸起(10)以及设置在操作容器(4)上的旋轴(12)，其中凸起(10)上开设有侧槽(11)，旋轴(12)上安装有与所述侧槽(11)配合的卡板(13)。

4.如权利要求1所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的操作容器(4)的横截面为矩形结构，操作容器(4)由四块侧壁板依次垂直连接而构成。

5.如权利要求1所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的送风管(6)的直径小于排风管(5)的直径。

6.如权利要求1所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的侧板(2)展开后呈圆心角为(90)°的扇形结构，挡板(3)展开后呈弧形结构。

7.如权利要求1所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的侧板(2)和挡板(3)为一体式结构，包括骨架杆(3-2)和无纺布(3-3)，其中骨架杆(3-2)设置有多个，骨架杆(3-2)为由第一支杆和第二支杆构成的L形结构，所述的无纺布(3-3)有两片，一片为扇形结构，另一片为条形结构；所述的多个第一支杆的一端共同安装在一根转轴上，其余部分均匀分布在所述的扇形结构的无纺布(3-3)的侧面；所述的第二支杆分布在条形结构的无纺布(3-3)的侧面。

8.如权利要求7所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的多个骨架杆(3-2)中，第一个骨架杆(3-2)固定在背板(1)上，最后一个骨架杆(3-2)活动式连接在操作容器(4)上。

9.如权利要求8所述的可开闭的柱状空气涡旋侧吸排风装置，其特征在于，所述的操作容器(4)的内壁上侧设置有支撑柱(7)，支撑柱(7)与操作容器(4)内壁的上端部之间开设有滑槽(8)，滑槽(8)的端部设置有挡块(9)，滑槽(8)中装配有滑块(3-1)；所述的最后一个骨架杆(3-2)与所述的滑块(3-1)连接。