CN110398016A - 一种与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，提供了一种可移动吹吸式槽边排风系统，包括空心转轴射流装置，空心转轴射流装置通过吊绳吊装在反应槽的上方；反应槽的侧壁上设有一种含圆形倒角的槽边排风罩，空心转轴射流装置包括内空心圆筒和外空心圆筒，内空心圆筒和外空心圆筒具有相同的中心轴且内空心圆筒的直径小于外空心圆筒的直径，内空心圆筒的外侧面和外空心圆筒的内侧面之间设有气流通道，气流通道中均匀设有多个叶片，多个叶片的一端沿内空心圆筒的周长均匀设置在内空心圆筒的外侧；外空心圆筒的外侧面上均匀设置有气流孔，气流孔与气流通道相连通。本发明利用射流风幕屏蔽污染物向环境内部扩散，与吊车结合其灵活性增强。

Description

一种与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统

技术领域

本发明属于一种工业通风系统，具体涉及与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统。

背景技术

有色冶金行业中，涉及大量酸、碱洗工作，金属与酸液和碱液进行反应，生成大量酸雾和有害气溶胶污染物。这些污染物进入环境中不仅对设备产生腐蚀、环境破坏，而且对行车操作者与工人的身体造成严重危害。因此，高效捕集此类污染物意义重大。

目前常用的捕集此类污染物方式有以下两种：1.使用侧吸罩或者槽边排风罩进行气溶胶污染物捕集。这种方式简单、易行，但是吸风口的衰减为指数衰减，作用范围无法覆盖整个酸槽。当金属进行酸洗时，有大量气溶胶污染物扩散至环境中；2.使用传统吹吸式通风系统，该系统有效捕集了气溶胶污染物，但是大量送风会导致水面波动，导致酸洗和电镀等工艺受到影响，此外大量送风也将导致排风的能耗上升。除此以上问题外，对于有色冶金中的铅锅等一种表面积大的圆形散发污染源，传统式吹吸罩在设置上比较困难。

根据现场调研与数据采集发现，污染气溶胶的产生过程是一种非稳态的过程，在进行加料后污染气体散发剧烈。主要原因是因为加料的碰撞以及化学反应放热、散发烟尘。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的在于提供与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，解决现有技术在金属进行酸洗时和无法高效捕集大量气溶胶污染物的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，包括用于有色冶炼的反应槽和装有金属构件的吊件，所述吊件吊装在反应槽中反应生成的气溶胶中，其中，还包括空心转轴射流装置，所述空心转轴射流装置通过吊绳吊装在反应槽的上方；所述反应槽的侧壁上设有槽边排风罩；

所述空心转轴射流装置包括内空心圆筒和外空心圆筒，所述内空心圆筒和外空心圆筒具有相同的中心轴且内空心圆筒的直径小于外空心圆筒的直径，所述内空心圆筒的外侧面和外空心圆筒的内侧面之间设有气流通道，所述气流通道中均匀设有多个叶片，所述多个叶片的一端沿内空心圆筒的周长均匀设置在内空心圆筒的外侧；所述外空心圆筒的外侧面上均匀设置有气流孔，所述气流孔与气流通道相连通。

进一步地，所述空心转轴射流装置还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动齿轮，所述内空心圆筒的外侧面设置有外齿轮，所述驱动齿轮与外齿轮相啮合，所述驱动齿轮与电机相连接。

进一步地，所述空心转轴射流装置还包括底端支座，所述底端支座为圆环形，所述圆环形的中心设有一通孔，所述通孔与内空心圆筒的内直径相同，所述内空心圆筒通过Y型轴承固定在底端支座上。

进一步地，所述叶片包括吸入端和流出端，所述吸入端的绝对流动角度α₁为90°，吸入端的相对流动角度β₁为50°-60°，所述流出端的绝对流动角度α₂为40°-50°，流出端的相对流动角度β₂为40°-60°；

所述叶片子午面的轴向延伸小于等于120mm，叶片的径向延伸大于等于150mm；

所述叶片大于5片。

进一步地，所述底端支座的通孔内对称设置有四根立柱，所述Y型轴承嵌套在四根立柱上；

所述立柱为空心，所述吊绳的一端穿过立柱的空心与立柱相连接，吊绳的另一端固定在反应槽上方的吊机上。

进一步地，所述槽边排风罩包括进风口和出风口，所述出风口处设有抽吸装置，所述进风口和出风口之间设有直角形排风通道。

进一步地，所述直角形排风通道中的所有直角拐角均设置为圆角。

进一步地，所述反应槽上方的行车吊架上设有吊机，所述吊机分别与吊件、空心转轴射流装置相连接。

进一步地，环形吹吸式通风系统还包括行车驾驶室，所述行车驾驶室内设有控制系统，所述控制系统分别与吊机、空心转轴射流装置相连接。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

1、发明实现了叶片与电机异轴传动，完成环形风幕设计且不影响吊件工作。

2、本发明中通过风幕的增加不影响既有槽边通风系统，即可以适用于既有通风系统的改造和新建通风系统实施。

3、本发明在有效捕集气溶胶污染物的同时节约了风机的能耗，特别适用于有色冶金工艺中敞口圆形污染源的吹吸式通风设计。

4、本发明中的吊车增加构件为轻质构件对吊车的安全起重不受影响，且具有防腐功能，保证使用寿命。

5、本发明在污染物控制上该设计遵循了污染的源相扩散规律，射流的启停将根据工艺进行。

6、本发明转轴空心处逃逸的污染物可以被运动叶片的轴向吸力再次捕集，射流件吸入与射出的都为气溶胶污染物，不仅形式有别于传统的吹吸式通风系统，而且吹气气流的介质不同。

附图说明

图1为本发明与吊装机构结合方式示意图；

图2为空心转轴射流装置的机构示意图；

图3为空心转轴射流件的传动系统连接图；

图4为叶轮平面投影与速度三角形示意图；

图5为槽边排风罩放大示意图；

图6为直角法兰导致的排风孔能耗上升与污染物逃逸的原理图；

图7(a)为传统槽边排风罩简化的二维几何位置图；(b)为本发明简化的二维几何位置图；

图8(a)为传统槽边排风罩的速度作用效果图；(b)为本发明的通风系统的速度作用效果图。

图9(a)排风孔为直角法兰的速度矢量图；(b)排风孔为弧形法兰的速度矢量图。

图10(a)排风孔为直角法兰的湍流耗散率；(b)排风孔为弧形法兰的湍流耗散率。

图11(a)排风孔为直角法兰的速度云图；(b)排风孔为弧形法兰的速度云图。

图中符号代表为：1—驾驶室；2—电动吊机；3—空心转轴射流装置；4—射流风幕；5—气溶胶；6—吊件；7—反应槽；8—排风孔；9—吊绳；

3-1—内空心圆筒；3-2—立柱；3-3—驱动齿轮；3-4—叶片；3-5—叶片下部；3-6—底端支座；3-7—Y型轴承；3-8—电机；3-9—配重块；3-10—外空心圆筒；

3-4-1—吸入端；3-4-2—流出端。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本实施例提供了一种与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，如图1所示包括用于盛放气溶胶5的反应槽7和装有金属构件的吊件6，所述吊件6吊装在反应槽7的气溶胶5中，还包括空心转轴射流装置2，所述空心转轴射流装置3通过吊绳9吊装在反应槽7的上方；所述反应槽7的侧壁上设有槽边排风罩8；

如图2所示，空心转轴射流装置3包括内空心圆筒3-1和外空心圆筒3-10，所述内空心圆筒3-1和外空心圆筒3-10具有相同的中心轴且内空心圆筒3-1的直径小于外空心圆筒3-10的直径，所述内空心圆筒3-1的外侧面和外空心圆筒3-10的内侧面之间设有气流通道，所述气流通道中均匀设有多个叶片3-4，所述多个叶片3-4的一端沿内空心圆筒3-1的周长均匀设置在内空心圆筒3-1的外侧；所述外空心圆筒3-10的外侧面上均匀设置有气流孔，所述气流孔与气流通道相连通。

本发明通过叶片3-4的转动产生气流，气流通过外空心圆筒3-10外侧面设置的气流孔流出形成射流风幕4，该射流风幕4将反应槽7上方的有害气体吹向槽边的槽边排风罩8，使得有害气体能够排出。

另外，均匀设置的气流孔减少了空心转轴射流装置的出风紊流度，使得出风均匀。

本实施例中的叶片设置为8片。

如图3，其中叶片的下底端固连有圆形叶片下部3-5，叶片3-4的一端沿内空心圆筒3-1的周长均匀设置在内空心圆筒3-1的外侧，这样使得叶片3-4、叶片下部3-5和内空心圆筒3-1固连成一体，内空心圆筒3-1的转动带动叶片3-4及叶片下部3-5一同转动。

内空心圆筒3-1的转动通过驱动转置进行驱动，驱动装置包括驱动齿轮3-3，所述内空心圆筒3-1的外侧面设置有外齿轮，所述驱动齿轮3-3与外齿轮相啮合，所述驱动齿轮3-3与电机3-8相连接。驱动齿轮3-3和外齿轮的转向按照图3中进行转动，电机通过设置在驱动齿轮3-3中心的转轴带动驱动齿轮转动，驱动齿轮通过齿轮之间的啮合带动内空心圆筒转动，从而使得叶片进行转动产生射流风幕。

空心转轴射流装置3中在与电机的对称位置处，设置有一个配重块3-9，用于平衡电机的重量，以免空心转轴射流装置出现倾斜。

在一种实施方式下，空心转轴射流装置3还包括底端支座3-6，所述底端支座3-6为圆环形，所述圆环形的中心设有一通孔，所述通孔与内空心圆筒3-1的内直径相同，所述内空心圆筒3-1通过Y型轴承7固定在底端支座3-6上。

并且，底端支座3-6的通孔内对称设置有四根立柱3-2，所述Y型轴承7嵌套在四根立柱3-2上；

所述立柱3-2为空心，所述吊绳9的一端穿过立柱3-2的空心与立柱3-2相连接，吊绳9的另一端固定在反应槽7上方的行车吊架上。

本发明吊绳与立柱的固连，通过吊绳调节整个空心转轴射流装置的高度。

如图4，叶片3-4包括吸入端3-4-1和流出端3-4-2，所述吸入端3-4-1的绝对流动角度α₁为90°，吸入端3-4-1的相对流动角度β₁为50°-60°，所述流出端3-4-2的绝对流动角度α₂为40°-50°，流出端3-4-2的相对流动角度β₂为40°-60°；

所述叶片子午面3-4的轴向延伸小于等于120mm，叶片3-4的径向延伸大于等于150mm；

叶片3-4大于5片。

作为一种具体实施方式叶片3-4包括吸入端3-4-1和流出端3-4-2，所述吸入端3-4-1的绝对流动角度α₁为90°，吸入端3-4-1的相对流动角度β₁为51°，所述流出端3-4-2的绝对流动角度α₂为40°，流出端3-4-2的相对流动角度β₂为40°；

此外，叶片3-4的轴向延伸为115mm，叶片3-4的径向延伸为148mm；叶片3-4为8片。

这样，气流孔处的气流速度与内空心圆筒3-1的中心轴呈40°，且轴向出风微弱，而径向出风明显。

在一种具体实施方式下，如图5，槽边排风罩8包括进风口8-1和出风口8-2，出风口8-2处设有抽吸装置，后部设有排风风机、净化塔等气体后处理装置，进风口8-1和出风口8-2之间设有直角形排风通道8-3。抽吸装置进行抽吸操作时，有害气体从反应槽内吸至直角形排风通道中，从而排出反应槽。

如图6垂直挡板的槽边排风罩口存在一个涡区域，该涡区域的存在将阻挡污染物成功捕捉，减少罩口的有效面积。因此将直角形排风通道8-3中的所有直角拐角均设置为圆角，不仅提高了捕集效率而且较少了排风阻力。

另外，反应槽7上方的行车吊架设有电动吊机2，所述电动吊机2分别与吊件6、空心转轴射流装置3相连接；

环形吹吸式通风系统还包括驾驶室1，所述驾驶室1与电动吊机2相连接。

当驾驶室的工作人员发出指令后，电动吊机控制吊件和空心转轴射流装置距离反应槽的高度。

实验验证1：

酸洗车间的高度为3.7m，其中一个酸洗槽尺寸为长3mХ宽3mХ高0.8m,其中高度为槽液面到顶部位置，在槽边周围高0.5m位置布置一周槽边排风罩，罩口高度为0.2m。其余为敞开外界环境，具体见附图6a，为槽边排风罩的二维几何模型。在这里选用二维几何模型是由于研究的流场对称，几何结构不复杂，因此在计算时可以做相应的简化。

改造后，在槽上方增加了风管与射流口，其射流工作高度为据液面高度1.2m处，射流口间隙为0.1m，角度为37o射出，具体见附图6b。

流体流动必须要遵循物理守恒定律，其中基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。当研究的流体由不同成分组成且相互间有作用，还要遵守组分守恒定律。如果流量处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。

控制方程是这些守恒定律的数学描述。任何流动问题都必须满足质量守恒定律。CFD数值模拟计算是建立于流体力学理论基础之上的，流体流动要满足质量守恒、动量守恒、能量守恒方程。在本课题的研究中，机械排风作用下的浮射流流场属于三维湍流流动，其控制方程包括质量守恒方程(常称为连续性方程)、动量方程及能量守恒方程。

质量守恒方程(连续性方程)：

动量守恒方程：

动量方程反映了流体流动过程中的动量守恒性质，动量方程的本质是满足牛顿第二定律，流体微元所受到的合外力等于流体微元的动量对时间的变化率，动量方程反映的是流体微元所受合外力与惯性力之间的平衡。将流体微元分别在三个坐标方向上应用牛顿第二定律并引入牛顿切应力公式，可得到x、y、z三个方向的动量守恒方程：

其中，p为流体微元体上的压力(Pa)；τ_xx、τ_xy和τ_xz是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量；f_x、f_y和f_z，分别为x、y、z三个方向的单位质量力(m/s²)，当质量力只有重力，且z轴竖直向上，则f_x＝f_y＝0，f_z＝-g。

能量守恒方程：

能量守恒定律本质是热力学第一定律，反映了流体流动过程中能量守恒的基本性质。对流体中的微元体应用能量守恒定律：微元体中能量增加率＝进入微元体的净热流量通量+表面力对微元体所做的功。

式中，c_p是比热容，T为温度，k为流体的传热系数，S_T为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称为S_T粘性耗散项。

气溶胶的模拟比较复杂，本发明只研究对于颗粒的捕集效率，因此采用的是离散相模型(DPM),DPM遵循的是欧拉-拉格朗日方法，从流体的质点出发，跟踪每个流体质点的运动全程，记录质点在每一时刻，每一位置时各个物理量状态的变化。在Fluent中，拉格朗日法将占主要成分的流体视为连续相，而将稀疏相看为离散颗粒。主流相采用欧拉法，而离散相则使用拉格朗日法对颗粒进行追踪。该方法的限制条件是离散相的体积分数不能高于10～12％。DPM模型能够细致的分析颗粒与颗粒间的作用力以及颗粒与流体间的复杂作用力。在表1中，列出了本模拟中关于DPM的一些设置问题。

表1.DPM中设置的具体项

在对离散相进行预测时，计算可以在固定连续相流场上(即单向耦合)建立，也可以将离散相对连续相的影响考虑进去(即双向耦合)。在双向耦合中，连续相和离散相是相互作用的，可以改变连续相的计算及离散相的方程直到计算收敛；而在单向耦合中，不考虑颗粒相对气流流场的影响。本模拟中采用单向耦合的方法来考虑连续相和离散相之间的作用。

其中边界条件的选取如下表所示：

表2.改造前模拟边界条件

表3.改造后模拟边界条件

其中，两者设置离散相的方法一样。在injections里创建面射流，转炉口表面为射流源(即污染物)，方向垂直于射流表面向外。根据实际测量结果，将不同粒径范围的粉尘颗粒所占的质量百分数导入rosin-rammler函数，求得符合测量结果的rosin-rammler分布值(得出分布指数n及平均粒径d)。最小粒径为5μm，最大粒径为50μm。

数值模拟结果如下：

结合图7中，从速度云图可以看出，本申请的吹吸式槽边排风罩已经形成了风幕包裹了整个污染的控制区域，使得污染物难以扩散出去，使得捕集效果上升明显。

原槽边捕集颗粒物为释放颗粒物为1791个，捕集为739个，捕集效率为41％。新捕集罩释放颗粒物为1209个，捕集为1070个，捕集效率88％。可以初步认为该捕集效果有效。此外，整个系统的风量下降了，具体为之前槽边排风罩的罩口吸风风速为10m/s，风量为6m³/s；改造之后罩口风速为8m/s，风量为4.8m³/s，送风风量为0.75m³/s，最后总量为5.55m³/s。因此送风风量下降。增加了送风设备但是风量下降。

实验验证2：

本申请对于槽边排风罩的改进进行了数值研究，在相同的吸风口速度下进行了数值模拟试验。

表4模拟边界条件

其优化结果分析如下：

在几何改造后，罩口排风量以及罩口面积没有发生变化，但是在能量消耗和捕集范围上有明显改善，主要表现在：

1、能量消耗在工程上的表达为局部阻力系数，即是流体流过局部阻力构件所产生的压降，往往系数越低代表阻力损失越小，这是工程上进行水力计算的重要参考。但是，这种方便水力计算，对于流体的区域的能量耗散并不明确，也没法提供优化的方向。因此提出流体中的能量损失可以由湍流耗散率进行评价，如下式所示：

该式为三维的无量纲能量耗散率，其中μ为流体的动力粘性系数。

结合附图10中，湍流耗散率由改进前的图(a)转变为了图(b),湍流耗散率的最大值从500降到了80。整个区域的湍流耗散率整体下降，因此通过以上分析，可以看出改进后的槽边排风罩具有一定的节能性。

2、通过图9(a)可以在速度矢量图可以明显看出在直角端入口处有明显的涡作用区域，而且罩口速度分布不均匀。通过图9(b)可以看出速度矢量图分布均匀。分析图11(a)、(b)中可以看出在相同吸风速度和罩口面积下，捕集范围有一定的提升。主要表现速度作用范围扩大，中轴线作用距离从0.25m至0.29m,作用范围增加。

Claims (9)

1.一种与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，包括用于有色冶炼的反应槽(7)和装有金属构件的吊件(6)，所述吊件(6)吊装在反应槽(7)中反应生成的气溶胶(5)中，其特征在于，还包括空心转轴射流装置(2)，所述空心转轴射流装置(3)通过吊绳(9)吊装在反应槽(7)的上方；所述反应槽(7)的侧壁上设有槽边排风罩(8)；

所述空心转轴射流装置(3)包括内空心圆筒(3-1)和外空心圆筒(3-10)，所述内空心圆筒(3-1)和外空心圆筒(3-10)具有相同的中心轴且内空心圆筒(3-1)的直径小于外空心圆筒(3-10)的直径，所述内空心圆筒(3-1)的外侧面和外空心圆筒(3-10)的内侧面之间设有气流通道，所述气流通道中均匀设有多个叶片(3-4)，所述多个叶片(3-4)的一端沿内空心圆筒(3-1)的周长均匀设置在内空心圆筒(3-1)的外侧；所述外空心圆筒(3-10)的外侧面上均匀设置有气流孔，所述气流孔与气流通道相连通。

2.如权利要求1所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述空心转轴射流装置(3)还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动齿轮(3-3)，所述内空心圆筒(3-1)的外侧面设置有外齿轮，所述驱动齿轮(3-3)与外齿轮相啮合，所述驱动齿轮(3-3)与电机(3-8)相连接。

3.如权利要求1所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述空心转轴射流装置(3)还包括底端支座(3-6)，所述底端支座(3-6)为圆环形，所述圆环形的中心设有一通孔，所述通孔与内空心圆筒(3-1)的内直径相同，所述内空心圆筒(3-1)通过Y型轴承(7)固定在底端支座(3-6)上。

4.如权利要求1所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述叶片(3-4)包括吸入端(3-4-1)和流出端(3-4-2)，所述吸入端(3-4-1)的绝对流动角度α₁为90°，吸入端(3-4-1)的相对流动角度β₁为50°-60°，所述流出端(3-4-2)的绝对流动角度α₂为40°-50°，流出端(3-4-2)的相对流动角度β₂为40°-60°；

所述叶片子午面(3-4)的轴向延伸小于等于120mm，叶片(3-4)的径向延伸大于等于150mm；

所述叶片(3-4)大于5片。

5.如权利要求3所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述底端支座(3-6)的通孔内对称设置有四根立柱(3-2)，所述Y型轴承(7)嵌套在四根立柱(3-2)上；

所述立柱(3-2)为空心，所述吊绳(9)的一端穿过立柱(3-2)的空心与立柱(3-2)相连接，吊绳(9)的另一端固定在反应槽(7)上方的吊机(2)上。

6.如权利要求1所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述槽边排风罩(8)包括进风口(8-1)和出风口(8-2)，所述出风口(8-2)处设有抽吸装置，所述进风口(8-1)和出风口(8-2)之间设有直角形排风通道(8-3)。

7.如权利要求6所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述直角形排风通道(8-3)中的所有直角拐角均设置为圆角。

8.如权利要求1所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，所述反应槽(7)上方的行车吊架上设有吊机(2)，所述吊机(2)分别与吊件(6)、空心转轴射流装置(3)相连接。

9.如权利要求1所述的与吊装机构结合的环形吹吸式通风系统，其特征在于，环形吹吸式通风系统还包括行车驾驶室(1)，所述行车驾驶室(1)内设有控制系统，所述控制系统分别与吊机(2)、空心转轴射流装置(3)相连接。