爆发点测试仪排风装置设计

郑子龙， 孙康波

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110159）

炸药性能实验室是对炸药等爆炸品的物理、化学、爆炸性能进行测试的实验室［1］。在炸药性能实验室中，测定炸药爆发点仪器是BDY－I爆发点测试仪，其采用伍德合金作金属浴，是较好的测试爆发点的合金材料。但伍德合金的成分含有重金属，在测试过程中呈现熔融状态时会产生有害气体。另外，炸药爆炸之后会产生CO、NO、NO2等有毒气体。BDY－I爆发点测试仪没有排风装置，这些有害气体会对周围的环境造成污染，同时也会给测试人员的身体健康带来危害。因此，需要设计排风装置将气体及时排出，减少对实验人员的伤害。

在实验室排风装置上主要运用的方式有局部排风和全面排风。局部排风是目前公认的最有效并被广泛采用的排除污染物的方法，已成为实验室排风的发展趋势。

排风装置设计包括排风罩、排风管道和轴流风机3部分的设计。

1）排风罩：排风罩是用于捕捉污染物的设备，是局部排风系统中的重要部件，它的性能对局部排风系统的技术经济指标有直接影响。性能良好的局部排风罩，如密闭罩，只要较小的风量就可以获得较好的工作效果。

2）风管：风管在系统中起传输污染物的通道作用，根据污染物的性质采用钢板、玻璃钢、聚氯乙烯板、混凝土、砖砌体等制作。

3）风机：风机在排风系统中消耗机械能，给空气提供流动所需要的动力。

1 爆发点实验室排风装置设计

1.1 方案的确立

本设计针对BDY－I爆发点测试仪，原有的测试仪没有排风装置，所以要设计一个符合要求的排风装置，以改善实验室的操作环境。排风装置的设计需要考虑，在不影响实验操作的前提下，既要保证有害物全部排除，还要考虑风速对实验效果的影响。设计的排风装置为实验工作区提供最小的、不影响实验效果的风速，同时要满足环保及行业有关规范、规定的要求。

1.2 排风罩设计

1.2.1 局部排风罩的设计原则

1）局部排风罩应尽可能包围或靠近有害物源，使有害物源局限于较小的局部空间，尽可能地减小吸气范围，便于捕集和控制。

2）排风罩的吸气气流方向应尽可能与污染气流运动方向一致。

3）已被污染的吸入气流不允许通过人的呼吸区。设计时要充分考虑操作人员的位置和活动范围。

4）排风罩应力求简单、造价低，便于安装和维护。

5）局部排风罩的配置应与实验操作协调一致，力求不影响实验操作。

6）尽可能避免和减弱干扰气流、穿堂风和送风气流等对吸气气流的影响［2］。

1.2.2 排风罩类型及材料的选取

根据爆发点测试实验的特点，有害污染源只在较小的空间内产生，且产生的气体量较少，所以用局部排风罩比较合适。根据通风柜的方形立体结构，选取外部吸气罩比较合理。伍德合金浴是装在圆形容器内的，根据伍德合金浴容器的形状来确定外部罩为圆形罩口。不锈钢有较好的耐热性、耐腐蚀性，还有较高的硬度，且价格便宜，故选取不锈钢比较合理。

1.2.3 排风量的计算

排风罩安装在污染源上方，罩口的流线分布及安装尺寸如图1所示。

图1 冷过程的上吸式排风罩

散热面到罩口距离选为H＝0.3m。在爆发点测试仪中，散热面为水平面，量取伍德合金浴的最大散热直径为0.085m。已选定管道直径为20cm，伞形罩的扩张角选为90°，因此，可以确定排风罩的高度为6.25cm。排风罩的大小可用图2表示。

图2 排风罩尺寸

因为实验设备有一定的体积，属于在罩口前面有障碍的情况，所以，应该按照有障碍的排风量公式来计算。

排风量可按式（1）计算［3］。

式中：P为排风罩口敞开面的周长，m；Vx为边缘控制点的控制风速，m／s；K为安全系数，通常K＝1.4。

控制风速Vx值与实验过程和室内气流运动情况有关，设计时可参考表1确定。

爆发点测试实验时有50mg的炸药爆炸，其爆炸后气体会以较大的速度放散出来，根据表1可选取最小控制风速为1m／s。

将所有数据代入式（1）可得排风量L＝0.429m3／s。

表1 控制点的控制风速（Vx）

1.3 排风管道设计

1.3.1 排风管道类型与材料的选择

排风管道的端面形状有圆形和矩形2种。由于矩形管道四角存在局部涡流，在同样的风量下，矩形风管的压力损失要比圆形大。因此，在一般情况下，都采用圆形风管。只是有时为了便于和建筑配合才采用矩形风管［4］。所以，排风管道选择圆形。

通常用作排风管道的材料有普通薄钢管、镀锌钢管、铝和铝合金管、不锈钢管、塑料复合钢管、硬聚氯乙烯塑料管、玻璃钢。其中，硬聚氯乙烯塑料管具有表面光滑、制作方便等优点，且价格便宜，其适用于0℃～60℃的空气环境中，实验室的温度满足此温度范围。所以，选用硬聚氯乙烯塑料管作为排风管道。

1.3.2 排风管道的设计计算

1）沿程损失的计算

已知排风量和管道直径，计算风速的公式为式（2）。

得风速v＝13.66m／s。

根据排风量和直径，查文献［3］中附录5风管单位长度沿程损失线算图可知，单位长度摩擦阻力Rm为11Pa／m。

大气压力的修正公式为（3）、（4）。

式中：εB为大气压力修正系数；B为实际的大气压力，kPa；R′m为实际使用条件下的单位长度沿程损失，Pa／m。

沈阳市大气压力为100.07kPa。根据公式（3）可知εB＝0.989，则单位长度的沿程损失R′m＝10.879Pa／m。

量取管道的直线长度l为2.17m（在最后的排风装置图中表示），则管道沿程损失为：

2）局部损失计算

由于风管中流动的空气速度或方向的变化，使该流体产生剧烈运动，在边界急剧改变的区域出现漩涡区和流速重新分布而产生的阻力就是局部阻力。克服局部阻力而引起能量损失时产生的局部压力损失，简称局部损失［2］。

局部损失按式（5）计算。

式中：ΔPj为局部损失，Pa；ζ为局部阻力系数。

局部阻力系数［3］可查。在管道设计中，用了90°伞形罩1个，ζ＝0.16；r／d为1.0的90°度弯头2个，ζ＝0.24×2＝0.48。

总损失为沿程损失和局部损失之和。

式中：ΔP为管道总损失，Pa。

将计算出来的沿程损失和局部损失带入式（6）可得ΔP＝95.28Pa。

通风管道水力计算见表2。

1.4 风机的选择

考虑到设备、风管的漏风，选择风机的风量、风压时应按式（7）、（8）确定。

式中：Lf为风机的风量，m3／h；L为系统总风量，m3／h；Pf为风机的风压，Pa；ΔP系统总阻力，Pa；KL为风量附加系数，除尘系统KL＝1.1～1.5。一般排风系统KL＝1.1；Kf为风压附加系数，除尘系统Kf＝1.15～1.20。一般排风系统Kf＝1.1～1.15。

表2 通风管道水力计算表

此系统属于排风系统，所以，KL＝1.1，Kf＝1.1。

将各数据代入式（7）与（8）中可得：

根据设计需要，可选择低噪声轴流风机，其代号为SF。SF型系列轴流风机具有光滑流线型表面、运转平稳、效率高、噪声低、能耗省、风量大、结构合理、使用方便等优点。SF型系列风机按使用要求分管道式、固定式、岗位式3种，此设计中风机用于管道中，所以选择管道式轴流风机。

根据算出的风量和风压，可选择风机的型号为SF2.5－2。其中，内径260mm，外径310mm，风量2 200m3／h，风压120Pa，电机功率0.25kW，转速2 800r／min。

排风装置最终的安装示意图如图3所示。

图3 排风装置示意图

2 结论

通过对火炸药爆发点测试实验排风装置的设计，得出以下结论：

1）排风装置由排风罩、通风管道和风机组成。

2）排风罩的材料选择不锈钢；形状选择伞形罩，罩口直径325mm，罩口到污染源的距离0.3m；排风量为0.429m3／s。

3）排风管道的材料选择硬聚氯乙烯塑料管，直径200mm。管道的沿程损失为23.63Pa，局部阻力损失71.65Pa。

4）根据风压104.81Pa和风量1 698.84m3／h，风机最后选择的型号是SF2.5－2。其参数为风量2 200m3／h，风压120Pa，电机功率0.25kW，转速2 800r／min。

5）因条件的限制，最终没有设计净化设备。如若加上净化设备，产生的污染气体就不会排到大气中，则设计更加完善。

［1］ 孙康波，任志峰，文昆，等.炸药性能实验室危险因素分析及预防［J］.山西化工，2011，31（5）：52－53.

［2］ 王华男.圆形aaberg排风罩的实用设计方法［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2011：3－5.

［3］ 唐中华，钱炜祺.通风除尘与净化［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：30－31.

［4］ 孙一坚.工业通风［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001：16－20，226－227.