CN108050104B - 一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，包括设置在污染源上方的顶板，顶板上开设有通孔，通孔上安装有用于产生具有角动量的气流的导风腔，导风腔与送风管连接；所述的导风腔上方设置有可在竖直方向上调节位置的、用于产生竖直方向排风气流的排风罩，排风罩与抽气装置连接；所述的具有角动量的气流配合所述的排风气流形成柱状空气涡旋，污染源产生的污染物通过柱状空气涡旋运输到排风罩后被排除。本发明装置产生的柱状空气涡旋可造成强大的负压梯度和高速上升气流，能有效地对污染物进行排除，防止污染物产生逸散，极大提高了排风系统的捕集效率。

Description

一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置
技术领域
本发明涉及一种局部排风装置，具体涉及一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置。
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、生产安全和工人健康。因此，顶吸式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。传统顶吸式排风罩的排风过程类似于点汇，排风口附近的风速衰减较快，距离排风口位置1倍直径时，排风速度即降低到排风口最大风速的约10％左右。因此，顶吸式排风罩应尽量设置在靠近污染源的位置。然而，由于实际生产中经有在污染源附近进行加料、操作、观察等活动，限制了顶吸式排风罩到污染源之间的最小设置距离，这就导致一般顶吸式排风罩存在控制距离近、控制范围小、易受横风干扰等缺点，对污染物的捕集效率不高。若要提高排风罩捕集效率，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，顶吸排风罩的捕集效率提高速率逐渐减小，导致经济性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，将污染物通过柱状空气涡旋输运至排风口处进行排除，防止污染物散逸，以有效提高吸顶式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：
一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，包括设置在污染源上方的顶板，顶板上开设有通孔，通孔上安装有用于产生具有角动量的气流的导风腔，导风腔与送风管连接；所述的导风腔上方设置有可在竖直方向上调节位置的、用于产生竖直方向排风气流的排风罩，排风罩与抽气装置连接；所述的具有角动量的气流配合所述的排风气流形成柱状空气涡旋，污染源产生的污染物通过柱状空气涡旋运输到排风罩后被排除。
进一步地，所述的导风腔为环形空腔，导风腔的轴向垂直于水平面，导风腔的内环面上开设有导风槽，导风槽上分布有可旋转的导流叶片。
进一步地，所述的送风管固定在顶板的底部且与水平面平行，送风管的端部与导风腔的底部相切连通。
进一步地，所述的送风管上设置有风量阀。
进一步地，所述的导流叶片的边缘上设置有与水平面垂直的转轴，转轴的两端分别安装在开设于所述导风槽上下沿的转孔中。
进一步地，所述的相邻的两个导流叶片上的转轴之间的间距与导流叶片的宽度相同，导风槽的宽度与导流叶片的高度相同。
进一步地，所述的导风槽的上沿中设置有可弯折的连动杆，所述的导流叶片的上端设置有连接杆，连动杆与所述的连接杆活动式连接。
进一步地，所述的排风罩与导风腔的间距不大于4m。
进一步地，所述的排风罩安装在一个升降架上，排风罩上方设置有横梁，横梁上安装有与所述升降架连接的直线驱动机构；所述的排风罩与横梁之间设置有伸缩管，伸缩管的一端与排风罩连接，伸缩管的另一端固定在所述的横梁上且通过排风管与所述的抽气装置连接。
本发明具有以下技术特点：
本装置利用底部布置有导流叶片的环形角动量送风口形成具有角动量的气流，配合上部排风口的排风气流，形成竖直的柱状空气涡旋，造成强大的负压梯度和高速上升气流，可将环形角动量送风口内包围的污染物通过柱状空气涡旋输运到排风口处排出，防止污染物产生逸散，极大提高了排风系统的捕集效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为导风腔示意图；
图3为导风腔内导流叶片结构示意图；
图4为导风腔内导流叶片角度调节示意图(图中分别为导流叶片旋转0°、45°、90°时的示意图)；
图5为导风腔与送风管连接俯视图；
图6为本发明的排风罩及升降架示意图；
图7为本发明的工作原理示意图；
图8为本发明的流场流线图；
图9为数值模拟中本发明的排风装置竖直截面压力分布云图与传统排风罩竖直截面压力分布云图对比图；
图10为数值模拟中本发明的排风装置竖直截面速度分布云图与传统排风罩竖直截面速度分布云图对比图；
图11为数值模拟中本发明的排风装置竖直截面SF6质量分数分布与传统排风罩竖直截面上示踪气体SF6质量分数分布对比图；
在图9至图11中，(a)为传统排风罩，(b)为本发明装置；
图中标号代表：1—排风罩，1-1—伸缩管，2—导风腔，2-1—导流叶片，2-2—导风槽，3—送风管，3-1—风量阀，4—通孔，5—升降架，5-1—直线驱动机构，6—横梁，7—连动杆，7-1—连接杆，8—转轴，9—顶板。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明公开了一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，包括设置在污染源上方的顶板9，顶板9上开设有通孔4，通孔4上安装有用于产生角动量气流的导风腔2，导风腔2与送风管3连接；所述的导风腔2上方设置有可在竖直方向上调节位置的、用于产生竖直方向排风气流的排风罩1，排风罩1与抽气装置连接；所述的角动量气流配合所述的排风气流形成柱状空气涡旋，污染源产生的污染物通过柱状空气涡旋运输到排风罩1后被排除。
本发明顶在污染源上方设置了顶板9，其一般与水平面平行；顶板9上开设一圆形的通孔4，并在该通孔4上设置有导风腔2。送风管3提供的风力自导风腔2排出后，形成具有角动量的气流，这里角动量相对的原点为所述通孔4的圆心；所述的具有角动量的气流即旋转气流。导风腔2上方的排风罩1与抽气装置连接，抽气装置可采用例如轴流风机、排气机等。抽气装置打开后，在负压作用下，排风罩1中产生竖直向上的排风气流，该排风气流与所述的具有角动量的气流共同形成柱状空气涡旋，产生强大的负压梯度和高速上升气流，污染物被裹挟在空气涡旋中通过排风罩1被排除。
可选地，如图1所示，所述的导风腔2为环形空腔，导风腔2的轴向垂直于水平面，导风腔2的内环面上开设有导风槽2-2，导风槽2-2上分布有可旋转的导流叶片2-1。导风腔2圆周上任意一处沿径向的横截面均为矩形结构，导风腔2具有四个面，上表面、下表面、内环面以及外环面，导风槽2-2为沿圆周方向开设在内环面上的槽；导风槽2-2上分布的导流叶片2-1的水平高度相同。利用送风装置，例如风机产生气流，气流通过送风管3进入到导风腔2中，继而从导流叶片2-1之间吹出，到达所述的通孔4中；由于气流在环形的导风腔2中改变了流动方向，而又被具有夹角的导流叶片2-1导出，因此从导流叶片2-1之间吹出的气流具有相对于通孔4中心的角动量，从而在通孔4中产生旋转气流，该旋转气流受到抽气装置产生的、竖直方向的排风气流影响，使得在排风气流的带动下旋转气流向上运动，从而形成柱状空气涡旋，将通孔中逸出的污染物卷吸至排风罩位置排除。所述的导流叶片2-1的旋转范围为0°至90°，为不同特性的污染物提供不同的角动量送风参数。
进一步地，所述的送风管3固定在顶板9的底部且与水平面平行，送风管3的端部与导风腔2的底部相切连通，使得气流进入到导风腔2中后的速度变化小；所述的送风管3上设置有风量阀3-1，通过调节风量阀3-1的开度以调节送风的大小。
优选地，所述的排风罩1与导风腔2的间距不大于4m，该距离经实际验证具有较好的排污效果。
一种可选的导流叶片2-1的安装结构如图3所示，所述的导流叶片2-1的边缘上设置有与水平面垂直的转轴8，转轴8的两端分别安装在开设于所述导风槽2-2上下沿的转孔中。所述的相邻的两个导流叶片2-1上的转轴8之间的间距与导流叶片2-1的宽度相同，导风槽2-2的宽度与导流叶片2-1的高度相同，那么当导流叶片2-1不旋转，即旋转角为0°时，相邻转轴8之间的间隙完全被导流叶片2-1堵住，此时气流不能从导风槽2-2排出；而当导流叶片2-1旋转不同角度时，可影响从导流叶片2-1之间吹出气流的角度，以满足不同的排风需求。导流叶片2-1的旋转可通过多种驱动装置实现，其中一种可以是给每个转轴8上安装一个电机，通过电机同步旋转以控制导流叶片2-1的旋转。另外一种驱动装置如图3所示，所述的导风槽2-2的上沿中设置有可弯折的连动杆7，所述的导流叶片2-1的上端设置有连接杆7-1，连动杆7与所述的连接杆7-1活动式连接。连动杆7、连接杆7-1构成联动机构，该机构通过电动伸缩杆来调整，通过电动伸缩杆推动连动杆7时，连动杆7沿其长度方向移动，从而通过各个连接杆7-1带动导流叶片2-1旋转。所述的连动杆7可以是一个，也可以是多个，当是多个连动杆7时，每个连动杆7对应部分导流叶片2-1，且一个连动杆7由一个电动伸缩杆来驱动。关于连动杆7的布设，可以在导风槽2-2的上沿中沿圆周方向开设调节孔以方便布设连动杆7。
为了针对不同的污染物调节排风参数，本方案中排风罩1的位置是可以上下调节的。具体地，所述的排风罩1安装在一个升降架5上，排风罩1上方设置有横梁6，横梁6上安装有与所述升降架5连接的直线驱动机构5-1；所述的排风罩1与横梁6之间设置有伸缩管1-1，伸缩管1-1的一端与排风罩1连接，伸缩管1-1的另一端固定在所述的横梁6上且通过排风管与所述的抽气装置连接。直线驱动机构5-1可以为电动伸缩杆或者电机和齿轮齿条配合。
验证实例
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拟模型，排风系统数值模拟的物理模型置于一个计算空间中，空间尺寸为6m×6m×4m。圆形污染源置于空间底面中部，直径为1m。排风罩在污染源上方2m的位置，直径为0.5m，排风速度为7m/s。污染源平面四周设置直径为0.6m，高0.1m的导风腔，调节导流叶片沿切向45°角送风，送风速度为2m/s，以便提供合适的下部角动量气流，从而形成柱状空气涡旋。通过对流线分布，速度分布和压力分布进行分析，进一步验证了柱状空气涡旋在局部排风系统中应用的可能性。
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。为此选择采用雷诺时均N-S方程方法(RANS)，湍流模型选用了Realizablek-ε模型，该模型可以较好地模拟旋转剪切流；近壁面处理选标准壁面函数择Standardwall function；空间无粘项采用二阶迎风格式离散，运用SIMPLE算法对离散方程进行求解。对所研究的柱状空气涡旋的控制方程描述如下：
连续性方程为：
时均方程为：
湍流动能方程(k方程)为
湍流耗散率方程(ε方程)
其中：p为压强；ρ为密度；vi与vj为速度分量；xi、xj为坐标分量；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；Gk为由平均速度梯度而产生的湍流动能k的产生项；Gb为由浮力而产生的湍流动能k的产生项；YM为由于在可压湍流中脉动扩张的贡献；μt为湍动粘度，由公式计算得到；在Realizable k-ε模型中Cμ为经验系数，由计算得到；C2、C1ε、C3ε为经验常数，取C2＝1.9，C1ε＝1.44，C3ε＝1.0；σk、σε为湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数，σk＝1.0，σε＝1.2。
本柱装置的流场流线如图8所示，当环绕污染源的导风腔提供角动量送风时，污染源附近的流体通过角动量送风得到了切向动量，流场具有明显的切向旋转速度，流体向中间汇聚，旋转上升，最终在顶部排风罩的共同作用下得到了稳定的柱状空气涡旋流场。
当底部角动量送风系统不开启，即关闭导流叶片时，只有顶部排风罩工作时，可认为是传统顶吸罩。两种排风系统除送风方式不一样外，其他排风参数、排风罩布置参数及有害物散发参数保持一致。对比传统排风罩和柱状涡旋排风装置的核心区域的压力分布，如图9所示，柱状涡旋排风装置在污染源和排风口之间的轴心位置存在明显的负压分布，因此污染源处散发的污染物在随空气柱状涡旋上升过程中，受到轴心负压梯度的限制而难以扩散逃逸，从而提高了柱状涡旋排风装置对污染物的控制效果。对比传统排风罩(侧吸罩)和柱状涡旋排风装置的核心区域的速度分布，如图10所示，柱状涡旋排风装置的柱状涡旋边缘位置上升速度很大，污染物通过柱状空气涡旋旋转上升至排风罩口位置，大大增强了排风罩的控制距离。而传统排风罩的速度分布类似于点汇，其排风速度随着与排风口距离的增加而快速衰减，对较远距离的污染源位置几乎没有影响。
利用组分传输模型，选择相对分子量大于空气的六氟化硫SF6进行数值模拟对比2种排风系统对污染物的控制效果，如图11所示，由于SF6的分子量(146)远大于空气，因此污染物从污染源释放后受重力影响很快失去上升速度并横向扩散。在这种情况下，传统排风罩无法捕集到远距离的污染物，导致捕集效率非常低。而对于柱状涡旋排风装置，由于较大的中心负压梯度和轴向速度，对远距离污染物依然保持了较高的控制捕集效果。因此，本柱状涡旋排风装置对于长距离、大质量污染物的控制捕集有明显优势。

Claims (9)

1.一种送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，包括设置在污染源上方的顶板(9)，顶板(9)上开设有通孔(4)，通孔(4)上安装有用于产生具有角动量的气流的导风腔(2)，导风腔(2)与送风管(3)连接；所述的导风腔(2)上方设置有可在竖直方向上调节位置的、用于产生竖直方向排风气流的排风罩(1)，排风罩(1)与抽气装置连接；所述的具有角动量的气流配合所述的排风气流形成柱状空气涡旋，污染源产生的污染物通过柱状空气涡旋运输到排风罩(1)后被排除。
2.如权利要求1所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的导风腔(2)为环形空腔，导风腔(2)的轴向垂直于水平面，导风腔(2)的内环面上开设有导风槽(2-2)，导风槽(2-2)上分布有可旋转的导流叶片(2-1)。
3.如权利要求1所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的送风管(3)固定在顶板(9)的底部且与水平面平行，送风管(3)的端部与导风腔(2)的底部相切连通。
4.如权利要求1所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的送风管(3)上设置有风量阀(3-1)。
5.如权利要求2所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的导流叶片(2-1)的边缘上设置有与水平面垂直的转轴(8)，转轴(8)的两端分别安装在开设于所述导风槽(2-2)上下沿的转孔中。
6.如权利要求5所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，相邻的两个导流叶片(2-1)上的转轴(8)之间的间距与导流叶片(2-1)的宽度相同，导风槽(2-2)的宽度与导流叶片(2-1)的高度相同。
7.如权利要求2所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的导风槽(2-2)的上沿中设置有可弯折的连动杆(7)，所述的导流叶片(2-1)的上端设置有连接杆(7-1)，连动杆(7)与所述的连接杆(7-1)活动式连接。
8.如权利要求1所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的排风罩(1)与导风腔(2)的间距不大于4m。
9.如权利要求1所述的送风可调节的柱状空气涡旋排风装置，其特征在于，所述的排风罩(1)安装在一个升降架(5)上，排风罩(1)上方设置有横梁(6)，横梁(6)上安装有与所述升降架(5)连接的直线驱动机构(5-1)；所述的排风罩(1)与横梁(6)之间设置有伸缩管(1-1)，伸缩管(1-1)的一端与排风罩(1)连接，伸缩管(1-1)的另一端固定在所述的横梁(6)上且通过排风管与所述的抽气装置连接。
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