外部吸气罩在大气污染控制工程中的应用

由于工艺条件限制，有时无法对污染源进行密闭，只能在其附近设置排气罩，依靠罩口吸入气流，将有害气体吸入罩内，这类排气罩称为外部吸气罩。外部吸气罩形式多样，按吸气罩与污染源的相对位置可将其主要分为三类：上部吸气罩、下部吸气罩、侧吸罩（见图8-7）。

图8-7　外部吸气罩

1.外部吸气罩罩口气流流动规律

在研究外部吸气罩的速度分布时，可先把吸气口近似地视为一个点汇（见图8-8）。气流从四周流向该点时，其流线是以该点为中心的径向线，等速面是以该点为中心的球面。通过每个等速面的空气量应相等。假设点汇吸风量为Q，等速面的半径为r1、r2，相应气流速度为u1、u2，由于通过每个等速面的风量相等，则有

图8-8　点汇气流流动情况

由式（8-6）可见，点汇外某点的流速与该点至吸气口距离的平方成反比，这表明吸气口外气流速度衰减很快。因此，设计外部吸气罩时，应尽量减少罩口至污染源的距离。

如果吸气口设在墙上，吸气范围减了一半，其等速面为半球形，吸气量为

比较式（8-6）、式（8-8）可知，在同样距离上造成同样的吸气速度，即达到同样的控制效果时，悬空设置的吸气口所需的吸气量要比靠墙设置的吸气量大一倍。或者说同样的吸风量，有一面遮挡的点汇比悬空设置的点汇，在同样的距离上造成的吸风速度要大一倍。因此，在设计外部吸气罩时，应尽量减少吸气范围，以增强控制效果。

实际上，吸气口是有一定大小的，气体流动也是有阻力的。所以，吸气区气体流动的等速面不是球面而是椭球面。一些研究者对圆形和矩形吸气口的吸入流动进行了试验研究，并绘制了吸气区内气流流线和速度分布图，直观地表示了吸气速度和相对距离的关系，如图8-9、图8-10所示。这些图被称为吸气流谱。图8-9为圆形吸气口的速度分布图，其中横坐标是x/d（x为某点距吸气口的距离，d为吸气口直径），等速面的速度值是以吸气口流速u0的百分数表示的。图8-10表示宽长比为1∶2的矩形吸气口吸入气流的等速线，图中数值表示中心轴与吸气口的距离以及在该点气流速度与吸气口流速u0的百分比。

图8-9　圆形吸气口速度分布图

图8-10　矩形吸气口速度分布

根据试验结果，吸气口气流速度分布具有以下特点。

（1）在吸气口附近的等速面近似与吸气口平行，随着离吸气口距离的增大，逐渐变成椭圆面，而在一倍吸气口直径d处接近为球面。因此，当x/d＞1时，可近似当作点汇，吸气量Q可按式（8-6）、式（8-8）计算；当x/d＜1，应根据有关气流衰减公式进行计算。

（2）吸气口气流速度衰减较快。如图8-9a所示，当x/d=1时，该点气流速度已大约降到吸气口流速的7.5%。

（3）对于一定结构的吸气口，不论吸气口风速大小，其等速面形状大致相同。而吸气口结构形式不同，其气流衰减规律则不同。

2.外部吸气罩排风量的计算方法

目前，多用“控制速度法”计算外部吸气罩的排风量。从污染源散发出的污染物具有一定的扩散速度，该速度随污染物扩散而逐渐减小。所谓控制速度指在罩口前污染物扩散方向的任意点上均能使污染物随吸气气流流入罩内并将其捕集所必需的最小吸气速度。吸气气流有效作用范围内的最远点称为控制点。控制点距罩口的距离称为控制距离（见图8-11）。

图8-11　速度控制法

计算外部吸气罩排风量时，首先应根据工艺设备及操作要求，确定排风罩形状及尺寸，由此可确定罩口面积A0；其次根据控制要求安排罩口与污染源的相对位置，确定罩口几何中心与控制点的距离x。

在工程设计中，当确定控制点速度ux后，即可根据不同形式排气罩罩口的气流衰减规律求得罩口上气流速度u0，在已知罩口面积A0时，可按下式求得吸气罩的排风量

采用控制速度法计算外部吸气罩的排风量，关键在于确定控制速度ux和吸气罩结构、安装位置及周围气流运动情况，一般通过现场实测确定。如果缺乏现场实测数据，设计时可参考表8-2、表8-3确定。外部吸气罩罩口的速度分布曲线或气流速度衰减公式均通过实验求得，而一般实验是在没有污染气流的情况下进行的。当污染源的污染物发生量较大时，若仍采取这些曲线或公式去求排风量，则在边缘控制点上的实际控制风速往往小于设计值，污染物可能逸入室内。为了提高控制效果，工程中往往采用加大ux的近似处理方法。

表8-2　污染源的控制速度ux

表8-3　考虑周围气流情况及污染物危害性选择控制速度ux

3.外部吸气罩排风量的计算公式

外部吸气罩形式很多，其排风量计算公式各不相同，下面仅介绍几种外部吸气罩的罩口气流速度衰减公式及其排风量计算公式，供设计计算参考。

（1）圆形或矩形吸气罩。对于罩口为圆形或矩形（宽长比B/L≥0.2）的外部吸气罩，沿罩子轴线的气流速度衰减公式为

(www.xing528.com)

式中，u0——罩口气流速度（m/s）；

ux——控制点的控制速度（m/s）；

x——罩口到控制点的距离（m）；

A0——罩口面积（m2）；

C——系数，与外部吸气罩的结构、形状和布置情况有关。

如四周无边、前面无障碍的吸气罩，取C=1.0；对操作台上的侧吸罩，取C=0.75；前面无障碍的有边罩，取C=0.75。式（8-10）可改写为

外部吸气罩排风量的计算公式为

式中，Q——外部吸气罩的排风量（m3/s）。

（2）条缝罩。条缝罩是指宽长比B/L＜0.2的矩形侧吸罩，如图8-12所示。由于罩口形状和尺寸的特殊性，决定其罩口气流流谱与上述罩形的差别，条缝罩罩口附近等速面不是球形面，不能按点汇流公式计算，一般按实测流场所归纳的经验公式计算。

图8-12　条缝罩

条缝罩沿罩口轴线的气流速度衰减公式和排风量计算公式如下

式中，Q——条缝罩的排风量（m3/s）；

x——污染源距罩口中心的距离，即控制距离（m）：

L——条缝罩开口长度（m）；

A0——条缝罩罩口面积（m2）；

C——与缝结构形式和设置情况有关的系数。

四周无边条缝罩取C=3.7（见图8-12a），四周有边条缝罩取C=2.8（见图8-12b），操作平台上的条缝罩取C=2.0（见图8-12c）。

（3）冷过程上部吸气罩。在污染设备上方设置集气罩，由于设备的限制，气流只能从侧面流入罩内，如图8-13所示。为避免横向气流干扰，要求尽可能使H≤0.3L（L为罩口长边尺寸），其排风量按下式计算

式中，P——罩口敞开面周长（m）；

H——罩口至污染源的距离（m）；

ux——控制速度（m/s）；

K——考虑沿高度速度分布不均匀的安全系数，通常取K=1.4。

图8-13　冷过程上部吸气罩

4.外部吸气罩设计的注意事项

（1）为提高吸气罩的控制效果，减少无效气流的吸入，罩口应加设法兰边。上部吸气罩的吸入气流易受横向气流的影响，最好靠墙布置，或在罩口四周加设活动挡板（见图8-14）。

图8-14　设有活动挡板的伞形罩

（2）为保证罩口吸气速度均匀，吸气罩的扩张角口不应大于60°当污染源的平面尺寸较大时，为降低吸气罩高度，可将其分割成几个小罩子（见图8-15a），也可以在罩口加设挡板或气流分布板，以保证罩口气流速度分布均匀（见图8-15b）。

图8-15　保证罩口气流分布均匀的措施