CN112371681B - 一种旋流排风装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种旋流排风装置及系统，包括排风管，排风管下端口周向设有旋流组件，旋流组件和排风管外壁间设有支撑机构；支撑机构和排风管外壁间还设有动力机构，动力机构带动支撑机构和旋流组件以排风管轴心同轴转动；动力机构包括在排风管周向均匀设置的线圈，还包括与支撑机构连接的磁环，所述磁环设在线圈外周、且与线圈位于统一水平面。通过对部件结构的合理设置，旋流组件产生的涡流增加排风管的吸气速度，使排风管能够获得更大的深度，并通过实际负荷控制旋流组件转速从而控制不同的流量条件，整体装置具有吸气速度大，可达的通风深度深，能耗低等特点，整体减小排风管吸气速度随距离的衰减，避免污染物逃逸、达到高效捕集污染物的效果。

Description

一种旋流排风装置及系统

技术领域

本发明属于气态污染物控制技术领域，具体涉及一种旋流排风装置及系统。

背景技术

在工业生产中，局部排风管常用于捕集工艺制作中产生的污染物。排风管罩口的气流抽吸作用，可以把有害物质进行捕集，从而保证工作场所内气态有毒物质及颗粒的排放速度不超过国家标准，保证生产作业人员的身体健康。而在实际操作中，排风管的吸风的汇流作用会在环境中迅速衰减，此外常常会受到环境气流干扰或者由于设备阻挡等工艺活动导致抽吸距离不足，导致目前局部排风管的捕集效果并不佳，存在着大量的污染物逃逸。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种旋流排风装置及系统，通过对部件结构的合理设置，旋流组件产生的涡流增加排风管的负压作用范围，使排风管能够获得更大的作用范围，并通过实际负荷控制旋流组件转速从而控制不同的流量条件，整体装置具有吸气速度大，可达的通风深度深，自动控制且能耗低等特点，整体减小排风管吸气速度随距离的衰减，避免污染物逃逸、达到高校捕集污染物的效果；同时动力机构整体实现电磁传动，是驱动叶片旋转的动力装置，该设置避免使用复杂的机械装置且不需要将排风管内部增加其他构件，保证装置使用的耐久性，同时克服传统电机以及传动装置而导致的装置的复杂性，直接使用电磁感应传动原理提供动力系统，使得旋流排风系统可以真正投产。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：

一种旋流排风装置，包括排风管，排风管下端口外周向设有旋流组件，旋流组件和排风管外壁间设有支撑机构；支撑机构和排风管外壁间还设有动力机构，动力机构带动支撑机构和旋流组件以排风管轴心同轴转动；动力机构包括在排风管侧壁周向均匀布设的线圈，还包括与支撑机构连接的磁环，磁环均匀布设在线圈外周、且与线圈位于统一水平面。

优选的，磁环包括同一水平面相对的两个第一磁极和相对的两个第二磁极，且第一磁极端部和第二磁极端部均留有空间。

优选的，旋流组件包括周向均匀设置的叶片。

优选的，叶片为梯形结构，叶片与水平面的倾角为10°～30°，叶片向远离排风管方向的张角为10°～30°。

优选的，叶片为矩形结构，叶片与水平面垂直，排风管轴心至叶片靠近排风管一端的径向延长线与叶片的夹角为5°～15°；还包括相邻叶片上端水平设置的挡板。

优选的，支撑机构包括设在排风管外周、并位于动力机构上方的支撑环组件，支撑环组件和磁环间连设连接臂。

优选的，当叶片为梯形结构时，叶片间隔设在相邻的连接臂端部；当叶片为矩形结构时，叶片设在连接臂端部。

优选的，支撑环组件包括固定环和固定环外周的支撑环，固定环固设在排风管外周，固定环和支撑环相对面间设有环形圆珠。

一种旋流排风系统，包括旋流排风装置，旋流排风装置为本发明公开的旋流排风装置。

进一步的，还包括监测模块，监测模块包括排风管下端口的烟雾传感器和线圈内的位置传感器，烟雾传感器用于获取实时监测排风管下端口的污染物浓度，位置传感器用于获取实时监测磁环的位置；还包括控制模块，控制模块用于根据监测模块获取的数据，控制旋流排风装置的运行；还包括供电模块，供电模块用于给旋流排风装置、监测模块和控制模块供电。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明的旋流排风装置，通过对部件结构的合理设置，通过排风管位于整个装置中心的改进形式，减小了吸入速度随距离的衰减率，有效屏蔽侧向气流等环境风，增大了作用范围；并通过旋流组件产生的涡流限制了排风作用范围，可以定向获得更大的作用范围，整体减小排风管吸气速度随距离的衰减，避免污染物逃逸、达到高效捕集污染物的效果。

(2)本发明的旋流排风装置及系统，通过对部件结构的合理设置，动力机构整体实现电磁传动，是驱动叶片旋转的动力装置，该设置避免使用复杂的机械装置且不需要将排风管内部增加其他构件，保证装置使用的耐久性，克服传统电机以及传动装置而导致的装置的复杂性，直接使用电磁感应传动原理提供动力系统，使得旋流排风系统可以真正投产。

(3)本发明的旋流排风装置，通过对部件结构的合理设置，叶片与水平面的倾角为10°～30°，叶片向远离排风管方向的张角为10°～30°，其叶片角度范围可以达到诱导环境气流向下旋转组织污染气流扩散的效果。

(4)本发明的旋流排风装置，改变叶片形式来增强其排风罩抽吸力，叶片为矩形结构且与水平面垂直，叶片上端还设有水平挡板的改进形式，改进了排风管风口的压力分布，增强了吸入口的抽吸力。

(5)本发明的旋流排风装置及系统，通过对部件结构的合理设置，通过烟雾传感器实时监测污染物浓度，实现根据实际负荷智能调节装置中叶片的转速，更节能。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例一中模式a的结构示意图；

图2为图1中的叶片角度示意图；

图3为本发明实施例一中模式b的结构示意图；

图4为图3的爆炸图；

图5为图1中旋流组件和动力机构的俯视图；

图6为本发明吸气范围作用扩增原理图；

图7为本发明实施例的两种设计方案(图7a为实施例一的模式a，图7b为实施例一的模式b)；

图8是本发明的模式a、模式b与传统伞型罩的中心切面浓度分布云图对比图(图8a为传统伞形罩的中心切面浓度分布云图，图8b为本发明模式a的中心切面浓度分布云图，图8c为本发明模式b的中心切面浓度分布云图)

图9是本发明的方案a、b与传统伞型罩的中心切平面处压力分布云图对比图(图9a为传统伞形罩的中心切平面处压力分布云图，图9b为本发明模式a的中心切平面处压力分布云图，图9c为本发明模式b的中心切平面处压力分布云图)

图中各标号表示为：1排风管；2支撑机构；2-1支撑环组件；2-11固定环；2-12支撑环；2-13环形圆珠；2-2连接臂；3旋流组件；4动力机构；4-1线圈；4-2磁环；4-21第一磁极；4-22第二磁极；5挡板；6烟雾传感器；7高温有机挥发桶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，是对本发明的解释而不是限定。

本发明的设备均包括但不限于以下型号：

线圈的型号为：励磁线圈YCT-160；烟雾传感器的型号为：建议MQ系列烟雾传感器；位置传感器的型号为:磁敏式位置传感器CM10(JL475QM78-1.5)。

一种旋流排风装置，包括排风管1，排风管1下端口外周向设有旋流组件3，旋流组件3和排风管1外壁间设有支撑机构2；支撑机构2和排风管1外壁间还设有动力机构4，动力机构4带动支撑机构2和旋流组件3以排风管1轴心同轴转动；

其作用为：动力机构4提供动力带动支撑机构2联动旋流组件3以排风管1轴心同轴转动，排风管1位于整个装置中心的设置，减小了吸入速度随距离的衰减率，有效屏蔽侧向气流等环境风，增大了作用范围，同时旋流组件3产生的涡流增加排风管1内的吸气速度，使排风管1能够获得更大的作用范围，整体装置具有吸气速度大，定向排风的特点；整体减小排风管吸气速度随距离的衰减，避免污染物逃逸、达到高校捕集污染物的效果；

具体的，动力机构4包括在排风管1侧壁周向均匀布设的线圈4-1，还包括与支撑机构2连接的磁环4-2，磁环4-2均匀布设在线圈4-1外周、且与线圈4-1位于统一水平面；

其作用为：动力机构4整体实现电磁传动，是驱动叶片旋转的动力装置，该设置避免使用复杂的机械装置且不需要将排风管内部增加其他构件，保证装置使用的耐久性；磁环4-2本身带有定磁场，在线圈4-1通交流电后产生感应磁场，在感应磁场和定磁场互相作用下磁环4-2转动，从而通过动力机构4带动旋流组件3旋转。

具体的，磁环4-2包括同一水平面相对的两个第一磁极4-21和相对的两个第二磁极4-22，且第一磁极4-21端部和第二磁极4-22端部均留有空间；

其作用为：第一磁极4-21和第二磁极4-22间有定磁场，线圈4-1通电后在第一磁极4-21和第二磁极4-22的作用下产生感应磁场，感应磁场和定磁场互相作用下磁环4-2转动，同时通过动力机构4带动旋流组件3定向转动。

具体的，旋流组件3包括周向均匀设置的叶片；叶片周向排布数目优选在3～9片范围内，保证旋流作用效果。

其作用为：周向均匀设置的叶片以排风管1为轴心转动，当叶片开始旋转时，通过离心力和叶片旋转的组合，径向和圆周速度分量被引入叶片表面附近的空气中，循环流通过叶片向排风管1中心轴外侧喷射包裹污染气流，然后被吸入口附近产生的负压向内吸入，提高了排风管1进风口处的捕集区域作用范围；同时叶片旋转产生的涡流增加排风管1的吸气速度，使排风管1能够获得更大的深度。

其中，叶片优选用塑料材质，保证结构轻质。

优选的，叶片为梯形结构，叶片与水平面的倾角为10°～30°，叶片向远离排风管方向的张角为30°～40°；

其作用为：叶片梯形结构、以及倾角和张角的设置，其作用为诱导周围空气形成旋转屏蔽风幕，控制污染气流扩散范围；本优选方案针对污染物受环境风影响较大的工况，通过叶片的转动，产生高径向速度来有效屏蔽侧向气流等环境风，让污染物从排风管1的负压区吸入。

优选的，叶片为矩形结构，叶片与水平面垂直，排风管1轴心至叶片靠近排风管1一端的径向延长线与叶片的夹角为5°～15°；还包括相邻叶片上端水平设置的挡板5；

其作用为：叶片上端的挡板5，改变气流流向、改进了排风管1风口的压力分布，增强了吸入口的抽吸力；通过叶片和挡板5的配合，其旋转产生的离心力把下方的气流向上抽吸；本优选方案针对重质污染物或污染物与排风管1进风口距离较大的工况，通过挡板和改变叶片角度产生更强抽吸力，使污染物能够被有效的捕集。

具体的，支撑机构2包括设在排风管1外周、并位于动力机构4上方的支撑环组件2-1，支撑环组件2-1和磁环4-2间连设连接臂2-2；

其作用为：支撑机构2为叶片沿排风管1周向旋转的固定件，支撑环组件2-1优选深沟球轴承，其摩擦系数小、极限转速高，而且非常耐用，无需经常维护。

具体的，当叶片为梯形结构时，叶片间隔设在相邻的连接臂2-2端部；当所述叶片为矩形结构时，叶片设在连接臂2-2端部。

具体的，支撑环组件2-1包括固定环2-11和固定环2-11外周的支撑环2-12，固定环2-11固设在排风管1外周，固定环2-11和支撑环2-12相对面间设有环形圆珠2-13。

一种旋流排风系统，包括本发明公开的旋流排风装置。

具体的，还包括监测模块，监测模块包括排风管1下端口的烟雾传感器6和线圈4-1内的位置传感器，烟雾传感器6用于获取实时监测排风管1下端口的污染物浓度，位置传感器用于获取实时监测磁环4-2的位置；还包括控制模块，控制模块用于根据监测模块获取的数据，控制旋流排风装置的运行；还包括供电模块，供电模块用于给旋流排风装置、监测模块和控制模块供电；

其作用为：位置传感器用于实时监测磁环4-2的位置，烟雾传感器6实时监测污染物浓度，控制模块通过烟雾传感器6实时监测的污染物浓度信息调节供电模块电流的大小和方向，从而控制叶片的转速，实现智能控制装置的吸入速度和流量，更节能。

其中，控制模块可采用现有技术中的任一微控制器，比如单片机，本实例采用的是高性能微功耗的单片机R7FC019；供电模块的输入电源电压/电流为12V/1.5A。

本发明中动力机构的工作原理为：

动力机构4整体原理使用电磁传动原理，具体为第一磁极4-21和第二磁极4-22间有定磁场，线圈4-1通电后产生感应磁场，感应磁场和定磁场互相作用下磁环4-2转动，同时带动叶片定向转动。存在三股接电电路H1、H2和H3，均分各线圈4-1分别与三股接电电路连接，线圈内部的位置传感器检测线圈4-1的位置、并通过控制模块控制接线电路的启闭，通过控制接线电路启动，并在感应磁场和定磁场互相作用下，促使线圈4-1带动叶片定向转动。

实施例一

本实施例提供两种设计捕集策略和排风模式，分别为模式a和模式b。

在模式a中，针对污染物受环境风影响较大的工况，通过排风管1排风口叶片的转动，产生高径向速度来有效屏蔽侧向气流等环境风，让污染物从排风管1的负压区吸入。

为实现上述技术任务，本发明是这样实现的，如图1-图2所示：

排风管1位于中间位置，在排风管1上周向焊接支撑环组件2-1(轴承)，支撑环组件2-1(轴承)另一侧通过连接臂2-2与叶片胶接，叶片采用塑料材质，保证结构轻质，其中叶片的角度为(α＝30°～40°，β＝10°～30°)。此外叶片内的连接臂2-2上安装有磁环4-2，线圈4-1焊接在排风管口位置，磁环4-2和线圈4-1位于同一水平面。在线圈4-1通交流电后产生交变磁场，从而带动叶片旋转，与此同时交流电的另一端接入控制模块，控制模块通过烟雾传感器6实时监测的污染物浓度信息调节电流大小和方向，从而通过线圈4-1内的电流控制叶片的转速，实现智能控制旋流排风装置的吸入速度和流量。

在模式b中，针对重质污染物或污染物与罩口距离较大的工况，通过挡板和改变叶片角度产生更强抽吸力，使污染物能够被有效的捕集。

为实现上述技术任务，本发明是这样实现的，如图3-图4所示：

相较于模式a，模式b将叶片改为直叶片5-4。此外，在叶片上两侧使用塑料轻质挡板5进行胶接；其他设置与模式a一致。

实施例二

本实施例为模式a和模式b提供了实验验证，并对比了常用传统伞形罩的捕集效果，实验效果表明本发明可以有效捕集环境中散发的污染物。在本实施例中采用CFD数值模拟进行流体力学的数值实验。本实施例采用的是组分传输模型(Species transport)。组分传输模型能够细致的分析不同气体组分间气流的流动过程。

在本实施例中，试验环境为小型的挥发作坊其尺寸为长2m*宽2m*高2m。在房间中央存在一个高温有机挥发桶7，桶直径为0.2m；此外，在高度为1.8m的位置为排风管1口位置，两个罩口直径为0.4m，其中本发明叶片旋转直径为0.8m。

在本实施例中，将提供的本发明与现有的传统伞形罩的捕集效果进行对比，现有的传统伞形罩的边界条件见表1，本发明装置的边界条件见表2。

表1.现有的捕集装置的模拟边界条件

表2.本发明提供的捕集装置的模拟边界条件

本发明的模式a和模式b与传统伞型罩的捕集效果差异明显，见图8，图8为排风装置中心截面浓度云图，横纵坐标为空间位置，图中等压线上数值为浓度分布。

图8a可以看出，在传统伞形罩的罩口位置有污染物溢出，捕集效果不佳。而图8b和图8c可以看出，在旋流式风口的作用下，污染物被全部捕集。相较于原始排风系统，使用本发明的捕集作用要优于传统传统伞形罩。其中图8b的模式a主要通过在排风管1下端口处形成向下的旋转气流将污染物控制在范围内，使得捕集效果增强；图8c的模式b则是增强了排风管1下端口的抽吸能力，使得捕集效果加强。

本发明与传统伞形罩的静压差异明显，见图9，图9为排风管中心截面压力云图，横纵坐标为空间位置，图中等压线上数值为相对压力。由图9a可以看出，由于传统的排风管的下端口负压不够，作用范围不够广；由图9b可以看出，通过本发明模式a的叶片旋转形成向下的旋转气流，压力分布主要集中向污染物方向延伸；由图9c可以看出，通过本发明模式b的叶片旋转，加强了排风管口边缘的负压分布，同时进一步扩大了压力作用范围，有效的增加了对污染物的捕捉能力。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。

Claims (8)

1.一种旋流排风装置，其特征在于，包括排风管(1)，排风管(1)下端口外周向设有旋流组件(3)，旋流组件(3)和排风管(1)外壁间设有支撑机构(2)；

所述支撑机构(2)和排风管(1)外壁间还设有动力机构(4)，动力机构(4)带动支撑机构(2)和旋流组件(3)以排风管(1)轴心同轴转动；

所述动力机构(4)包括在排风管(1)侧壁周向均匀布设的线圈(4-1)，还包括与支撑机构(2)连接的磁环(4-2)，所述磁环(4-2)均匀布设在线圈(4-1)外周、且与线圈(4-1)位于统一水平面；

所述旋流组件(3)包括周向均匀设置的叶片，所述叶片为梯形结构，叶片与水平面的倾角为10°～30°，叶片向远离排风管(1)方向的张角为10°～30°。

2.一种旋流排风装置，其特征在于，包括排风管(1)，排风管(1)下端口外周向设有旋流组件(3)，旋流组件(3)和排风管(1)外壁间设有支撑机构(2)；

所述支撑机构(2)和排风管(1)外壁间还设有动力机构(4)，动力机构(4)带动支撑机构(2)和旋流组件(3)以排风管(1)轴心同轴转动；

所述动力机构(4)包括在排风管(1)侧壁周向均匀布设的线圈(4-1)，还包括与支撑机构(2)连接的磁环(4-2)，所述磁环(4-2)均匀布设在线圈(4-1)外周、且与线圈(4-1)位于统一水平面；

所述旋流组件(3)包括周向均匀设置的叶片，所述叶片为矩形结构，叶片与水平面垂直，排风管(1)轴心至叶片靠近排风管(1)一端的径向延长线与叶片的夹角为5°～15°；

还包括相邻叶片上端水平设置的挡板(5)。

3.如权利要求1或2任一所述的旋流排风装置，其特征在于，所述磁环(4-2)包括同一水平面相对的两个第一磁极(4-21)和相对的两个第二磁极(4-22)，且第一磁极(4-21)端部和第二磁极(4-22)端部均留有空间。

4.如权利要求3所述的旋流排风装置，其特征在于，所述支撑机构(2)包括设在排风管(1)外周、并位于动力机构(4)上方的支撑环组件(2-1)，支撑环组件(2-1)和磁环(4-2)间连设连接臂(2-2)。

5.如权利要求4所述的旋流排风装置，其特征在于，当所述叶片为梯形结构时，叶片间隔设在相邻的连接臂(2-2)端部；

当所述叶片为矩形结构时，叶片设在连接臂(2-2)端部。

6.如权利要求5所述的旋流排风装置，其特征在于，所述支撑环组件(2-1)包括固定环(2-11)和固定环(2-11)外周的支撑环(2-12)，固定环(2-11)固设在排风管(1)外周，固定环(2-11)和支撑环(2-12)相对面间设有环形圆珠(2-13)。

7.一种旋流排风系统，其特征在于，包括旋流排风装置，所述旋流排风装置为权利要求1-6任一所述的旋流排风装置。

8.如权利要求7所述的旋流排风系统，其特征在于，

还包括监测模块，所述监测模块包括排风管(1)下端口的烟雾传感器(6)和线圈(4-1)内的位置传感器，烟雾传感器(6)用于获取实时监测排风管(1)下端口的污染物浓度，位置传感器用于获取实时监测磁环(4-2)的位置；

还包括控制模块，所述控制模块用于根据监测模块获取的数据，控制所述旋流排风装置的运行；

还包括供电模块，所述供电模块用于给旋流排风装置、监测模块和控制模块供电。

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