某金属冶炼车间除尘系统中的集气罩设计
目 录
1 绪论 ...................................................... 3
1.1 集气罩 ................................................. 3
1.2. 集气罩的基本形式 ....................................... 3
1.2.1. 密闭罩 ............................................. 3
1.2.2. 排气柜 ............................................. 4
1.2.3. 外部集气罩 ......................................... 4
1.2.4接受式集气罩 ........................................ 4
1.2.5吹吸式集气罩 ........................................ 4
1.3集气罩性能参数及计算 .................................... 4
1.3.1排风量的确定 ........................................ 5
1.3.2压力损失的确定 ...................................... 5
2 集气罩的设计目的及原始资料 .................................. 6
2.1 集气罩设计目的 ......................................... 6
2.2集气罩设计原则 .......................................... 6
2.3集气罩气流流动的基本理论 ................................ 6
2.3.1 吸入气流 ........................................... 7
2.3.2吹出气流 ............................................ 8
2.3.3吹吸气流 ............................................ 8
2.4 集气罩设计原始资料 .................................... 9
3集气罩类型的选择 . ........................................... 9
4 集气罩设计计算 ............................................ 10
4.1. 排风量及排风速度的确定 ................................. 10
4.2. 压力损失的确定 ........................................ 10
5. 课程设计小结 .............................................. 11
参考文献.................................................... 12
某金属冶炼车间除尘系统中的集气罩设计
1 绪论
空气污染物在车间的扩散机理是污染物依附于气流运动而扩散的。对于生产过程散发到车间空气中的污染物，只要控制住室内二次气流的运动，就可以控制污染物的扩散和飞扬，从而达到改善车间内外空气环境质量的目的。这就是采用局部拍其他分方法控制空气污染物扩散的依据。控制空气污染物在车间内外扩散的局部通风方法，简单地说，就是在局部污染源设置集气罩，把污染空气搜集起来并经净化后排至室外，这是生产车间控制污染的最有效、最常用的方法。
1.1 集气罩 集气罩是烟气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其向生产车间及大气扩散，造成污染。其性能对净化系统的技术经济指标有直接的影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同、集气罩的形式是多种多样的。
1.2. 集气罩的基本形式
根据罩口气流流动方式可将集气罩分为两大类：吸气式集气罩和吹吸式集气罩。利用吸气气流捕集污染空气的集气罩称为吸气式集气罩，而吹吸式集气罩则是利用吹吸气流来控制污染物扩散的装置。按集气罩与污染源的相对位置及围挡情况，可将吸气式集气罩分为密闭罩、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。
1. 2.1. 密闭罩
定义：将污染源的局部或整体密闭起来，在罩内保持一定负压，可防止污染物的任意扩散。
特点：所需排风量最小，控制效果最好，且不受室内气流干扰，设计中应优先选用。 结构形式：局部密闭罩、整体密闭罩、大容积密闭罩
局部密闭罩
特点：体积小，材料消耗少，操作与检修方便；
适用：产尘点固定、产尘气流速度较小且连续产尘的地点。
整体密闭罩
特点：容积大，密闭性好。
适用：多点尘源、携气流速大或有振动的产尘设备。
大容积密闭罩
特点：容积大，可缓冲产尘气流，减少局部正压，设备检修可在罩内进行。 适用：多点源、阵发性、气流速度大的设备和污染源。
1.2.2. 排气柜
排气柜也称箱式集气罩。操作时，通过孔口吸入的气流来控制污染物外逸。其捕集机理和密闭罩相似，即将有害气体发生源围挡在柜状空间内，可视为开有较大孔口的密闭罩。其特点是控制效果好，排风量比密闭罩大，而小于其他形式集气罩。 排气柜可使产生有害烟尘的操作在柜内进行。
结构形式：
A 、排气口在操作口对面，操作口气流分布较均匀，有害气体外逸的可能性较小。
B 、排气口设在柜顶，操作口上部形成较大进气流速，而下部进气流速较小，气柜内易形成涡流，可能造成有害气体外逸
C 、在对面和顶部同时设置排气口
1.2.3. 外部集气罩
外部集气罩依靠罩口外吸入气流的运动而实现捕集污染物的目的。外部集气罩的形式多样，按照集气罩与污染源的相对位置可将其分为四类：上部集气罩、下部集气罩、侧吸罩和槽遍集气罩。
1.2.4接受式集气罩
接受式集气罩即沿污染气流流线方向设置集气罩口，污染气流便可借助自身的流动能量进入罩口。
定义：接受由生产过程（如热过程、机械运动过程）中产生或诱导出来的污染气流的一种排气罩。 特点：罩口外的气流运动不是由于罩子的抽吸作用，而是由于生产本身过程产生。
类型：a. 低悬罩（罩口高度1.5A1/2） b. 高悬罩（罩口高度>1.5A1/2）
1.2.5吹吸式集气罩
当外部集气罩与污染源距离较大时，单纯依靠罩口的抽吸作用往往控制不了污染物的扩散，则可以在外部集气罩的对面设置吹气口，将污染物气流吹向外部集气罩的吸气口，以提高控制效果。一般把这类依靠吹吸气流的综合作用来控制污染气流扩散的集气方式称为吹吸式集气罩。由于吹出气流的速度衰减得慢，以及气幕的作用，使室内空气混入量大为减少，所以达到同样的控制效果时，要比单纯采用外部集气罩节约风量，且不易受室内横向气流的干扰。
1.3集气罩性能参数及计算
集气罩性能是反映集气罩捕集污染物的能力及经济性的技术经济指标。一般指排气量、压力损失、尺寸和材料消耗等。排气量可用罩口上的平均吸气速度和罩口面积之积确
定，也可按联接集气罩的直管段中的平均流速和断面积之积确定。目前多采用基于捕集速度的计算公式确定排气量。压力损失一般表示成压损系数为常数。集气罩尺寸一般按经验确定，在有关的设计手册中可查出各种集气罩的参考尺寸，以供选用。排气罩的罩口尺寸不应小于罩子所在的污染物扩散的断面面积。[ 表示集气罩性能的主要技术经济指标为排风量和压力损失，现对期确定方法作简要介绍。
1.3.1排风量的确定
a. 排风量的测定方法：集气罩排风量q v （m 3/s ），可以通过实测罩口上的平均吸气速度v 0(m /s ) 和罩口面积A 0(m ) 确定： 2
q v = A 0v 0（m 3/s ） 也可以通过实测连接集气罩直管中的平均速度v(m/s),气流动压p d （Pa) 或气体静
2压p s （Pa), 及其管道断面积A (m ) 按下式确定：
q v = Av
b. 排风量计算方法： 在工程设计中，常用控制速度法来计算集气罩的排风量。
所谓控制速度系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入气流流入罩内并将其捕集所必须的最小吸气速度。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。
计算集气罩的排风量时，首先应根据工艺设备及操作要求，确定集气罩形状及尺寸，由此可确定罩口面积A 0(m ) ；其次根据控制要求安排罩口与污染源相对位置，确定罩口几何中心与控制点的距离x 。
当确定控制速度Vx 后即可根据不同形式集气罩罩口的气流衰减规律求得罩口上气流速度Vo ，在已知罩口面积Ao 时，即可求得集气罩的排风量。采用控制速度法计算集气罩的排风量，关键在于确定控制速度Vx 和集气罩结构、安设位置及周围气流运动情况，一般通过现场实测确定。在工程设计中，针对不同类型的集气罩，可参考相关设计手册，采用经验公式计算集气罩排风量。
1.3.2压力损失的确定
集气罩的压力损失△p 一般表示为压力损失系数 ξ与连接直管中动压p d 之乘积的形式，即：
△p = ξp d = ξρv 2/2(Pa )
2
由于集气罩罩口处于大气中，所以该处的全压等于零。因而集气罩的压力损失亦可写为：
△P = 0 - P = - (Pd + Ps)=︱Ps ︱- Pd
式中：P 、Pd 、Ps —集气罩连接直管中测试断面的气体全压、动压、静压，Pa ； v —连接直管中气流速度，m/s。
2 集气罩的设计目的及原始资料
2.1 集气罩设计目的
1. 课程设计的目的在于进一步巩固和加深课程理论知识，并能结合实践，学以致用。
2. 工程设计的基本方法、步骤，技术资料的查找与应用。
3. 基本计算方法及绘图能力的训练。
4. 综合运用本课程及其有关课程的理论知识解决本工程中的实际问题。
5. 熟悉、贯彻国家环境保护法规及其它有关政策。
2.2集气罩设计原则
①对散发粉尘或有害气体的工艺流程与设备应采取密闭措施，尽量采用密闭罩。确定密闭罩的吸气日位、结构和风速时，应使罩内负压均匀，防止污染物外逸，对于散发粉尘和挥发性的污染源，应避免过多负压。
②当不能或不便采用密闭罩时，可根据工艺操作要求和技术经济条件选择适宜的其他开敞式集气罩。集气罩应尽可能包围或靠近有害污染源，使污染物局限在较小空间内，并尽可能减少吸气范围，便于捕集和控制污染物。
③吸气点的排风量应按防止粉尘或有害气体扩散到周围环境空间的原则确定，集气罩的吸气应尽可能利用污染气流的运动作用。
④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。
⑤集气罩的配置应与生产工艺协调一致，力求不影响工艺操作。在保证功能的前提下，应力求结构简单、造价低廉，便于安装和维护管理。
⑥防止集气罩周围的紊流，应尽可能避免或减弱干扰气流、穿堂风和送风气流等对吸气气流的影响。
2.3集气罩气流流动的基本理论
集气罩汇集污染物，是一种流体动力学捕集 ，因此要对集气罩合理设计，必须要了解吸气罩罩口的气流流动规律。集气罩口气流流动方式有两种 :一种是吸气口气流的吸人流动，一种是吹气口气流的吹出流动。
2.3.1 吸入气流
吸入机理：吸气口吸气时，在吸气口附近形成负压，周围的空气从四面八方流向吸气口，形成吸入气流或汇流。
实际情况吸口气流分布特点：
a. 外部吸气罩罩口气流流动规律
速度分布: 等速面的形式确定其分布规律
将吸气口近似视为一个点汇，等速面是以该点为中心的球面，假设点汇吸风量为Q ， 等速面的半径为r 1、r 2，相应气流速度为u 1、u 2，由于通过每个等速面的风量相等，则有
Q = 4πr 1u 1 = 4πr 2u22
于是： u1/u2 = (r2/r1)2 表明吸气口外气流速度衰减很快，应尽量减少罩口至污染源的距离。
22
b. 罩口的设置位置对气流分布的影响
如果吸气口设在墙上，如图所示, 吸气范围减少一半, 其等速面为半球面, 则吸气口的吸气量为 Q=2πr12u 1=2πr22u 2
比较两式，可见：
①吸气速度相同时，同一距离上Q （悬空设置的吸气口）= 2 Q （有一面阻挡的吸气口） ②吸风量相同时，同一距离上 u （有一面阻挡的吸气口）= 2 u（悬空设置的吸气口）
c. 吸风罩的形式对气流速度分布的影响
有边的吸风口比无边的吸风口流速衰减慢，实际等速面为椭圆形。
2.3.2吹出气流
空气从管口喷出，在空间形成的一股气流称为空气射流.
空气射流的一般特性。如图所示，这是等温圆射流的示意图。管口速度假设是完全均匀的。M 为射流极点，射流中保持原出口速度 v 。的部分称为射流核心，速度小于v 。的部分称为射流主体，射流核心消失的断面 BOE 称为过渡断面，出口断面至过渡面称为起始段，过渡断面以后称为主体段。
2.3.3吹吸气流
吹吸气流是两股气流组合而成的合成气流。 在集气罩设计中，利用吹出气流与吸入气流联合作用来提高所需“控制风速”的形成，称为吹吸式集气罩。
集气罩汇集污染物，是一种流体动力学捕集，因此要对集气罩合理设计，必须要了解吸气罩罩口的气流流动规律。
集气罩口气流流动方式有两种：一种是吸气口气流的吸入流动，一种是吹气口气流的吹出流动。
a. 吹出气流由于卷吸作用，沿射流方向流量不断增加，射流呈锥形。吸入气流的等速面为椭球面，通过各等速面的流量相等，并等于吸入口的流量。
b. 射流线上的速度基本上与射程成反比，而吸气区内气流速度与距吸气口的距离的平方成反比。所以，吸气口能量衰减很快，其作用范围较小。
吹吸气流的形状
2.4 集气罩设计原始资料
气体中颗粒物占8.0%，允许的排风速度最大1.0m/s；车间有3个，相距10m 。气体中颗粒物占8.0%，颗粒粒径范围：0-1.5；1.5-2.5；2.5-3.0；3.0-5.0；5.0-6.0；6.0-8.0。分别为80；140；160；250；200；50个。
烟气粘度：2.4×10－5pa.s
烟气温度：25℃
允许罩内最大负压：25Pa ；
允许压力损失：1000pa
3烟气密度：1.18kg/m
烟气真密度：2.2g/cm3
排放标准（标准状况下）：200㎎/L
环境温度：-5℃
当地气压：100KPa
净化系统布置场地在车间北侧20-25米以内
冶炼炉炉口长度及宽度：1.5m 及1.3m
3集气罩类型的选择
题目要求是设计某金属冶炼车间除尘系统中的集气罩。在金属冶炼车间无法对污染源进行密闭，则只能在其附近设置外部集气罩。集气罩可在污染源的上部，故可以选择上部集气罩，综合考虑选定伞形集气罩。除尘系统外部伞形集气罩的作用原理是利用罩口的吸气作用将距吸气口一定距离的有害物吸入罩内，其形状大都和伞形相似，故称伞形罩，适于有害物源不能密闭或围挡起来的情况。根据局部阻力系数表可知，下部为矩形的伞形罩的压力损失系数ξ罩0.12，α 为40
设罩口长a=2m，宽b=1m
o
4 集气罩设计计算
4.1. 排风量及排风速度的确定
集气罩排风量q v （m 3/s ）, 可以通过实测罩口上的平均吸气速度v 0(m /s ) 和罩口面积A 0(m ) 确定：
q v = A 0v 0（m 3/s ） 也可以通过实测连接集气罩直管中的平均速度v(m/s),气流动压p d （Pa) 或气体静
2压p s （Pa), 及其管道断面积A (m ) 按下式确定： 2
q v = Av 设罩口上的平均吸气速度v 0(m /s ) 为0. 7m/s.
由题意, A 0 = ab =2
则
q v = A 0v 0 = 2 设其管道半径r =0. 15m
则
q v =A 0v 0=Av =3. 14
计算得
v =19. 8m/s
1(m 2) 3310. 7(m /s ) = 1. 4(m /s ) = 5040(m /h ) 3r v =3. 1420. 152v =1. 4(m 3/s )
4.2. 压力损失的确定
集气罩的压力损失△p 一般表示为压力损失系数 ξ与连接直管中动压p d 之乘积的形式，即：
△p = ξp d = ξρv 2/2(Pa )
其中，烟气密度 ρ=1.18kg /m 3
由局部压力系数表可得，矩形伞形罩的压力损失系数 ξ为0.12，α 为40。
o
则
△p = ξρv 2/2 = 0.12×1.18×19. 82/2（Pa ）=27.76Pa
车间有三个，则需要三个集气罩，则
总压损失 △p 总 = 3△p = 3 X 27.76Pa = 83.3Pa
5. 课程设计小结
通过此次课程设计，我不仅仅是对《大气污染控制工程》这门课程有了更加深入的理解，对其它课程例如上学期学过的《环境工程原理》也是有了进一步的感悟，进一步巩固和加深了课程理论知识，并能结合实践，学以致用。当我们在单纯地学习某些课本上的知识时，我们有时候很难以理解，总是在一些方面一头雾水。但是通过实践，课堂中的困惑便一一解开了，还真是实践出真知啊。
胡适麒、陈迎东和我是一个小组，当我们拿到题目“某金属冶炼车间除尘系统中的设计”时，我们是相当困惑的，不知道该做些什么工作，找不到入手的地方。通过几次上机，我们咨询了老师，同时我们三个人也做了讨论，先各自回去把课本上的相关知识系统地仔细研究一遍， 又去图书馆借了相关方面的书，继而把题目进行分工，其中我负责集气罩的设计。设计进展到初步有型的时候，我们三个去二食集体计算设计了一下午，大体上完成了设计，但是仍有些疑惑和不确定的东西，然后我们就紧接着去请教老师，最终完成了我们的题目设计。之后我们又学习了CAD 的使用，利用CAD 作图把我们整个除尘系统中的系统大图作出来，同时也用学过的工程制图方法绘制了集气罩的三视图。值得一提的是，在这次课程设计中我们尝试了很多我们之前没有接触过的东西，比如编辑公式。写电子版设计报告其实并没有多难，但是我们都用了很长了时间呆在电脑前，这主要原因就是编辑公式。利用公式编辑器我们第一次把那些公式符号自己打出来，感觉很有成就感，这也是我们学习到的东西。
这是我们第一次做课程设计，既新鲜又夹杂着些害怕。但是通过这次课程设计我们学会来了工程设计的基本方法、步骤，也学会了技术资料的查找与应用。同时基本计算方法及绘图能力的训练也得到了提高。同样重要的是，在这次课程设计中，我们既能独立地完成自己的那一小方面的设计，又能和队友团结合作完成整个题目的设计，在提高个人能力的同时也增强了我们与人合作的能力。两个星期的课程设计我们收获的不仅仅是课本上的知识，这将是我们大学生活中不可或缺的一个过程，甚至也会在我们以后的道路上给予我们更多的启示。
参考文献
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