无管式自净化通风柜

实验室通风柜看着不起眼，却是每个涉及到化学品操作的实验室必不可少的基础设备之一。在通风柜的各种性能中，最重要的无疑是安全特性。传统全排通风柜的安全特性主要包括密闭和防回流等气流隔离特性，无损坏和不变色等抗化学腐蚀特性，防短路和防漏电等电学安全特性以及无残留死角和易清洁等抗污染特性等方面。无管通风柜作为通风柜的一个特定类别，还包括过滤系统的可靠性。 本文通过对无管通风柜的安全性能进行全面的分析，挖掘无管通风柜带给客户的独特使用价值。一、 无管通风柜的气流隔离性能 本质上讲，通风柜就是把柜内的空气与室内空气隔离开来的装置，因此通风柜的气流隔离性能是通风柜的最主要性能，主要表现在密闭性和防回流性。 通风柜的密闭性比较容易理解，密闭性不好的通风柜会使得柜内的气体泄漏到室内，从而降低了通风柜的安全性能。一个合格的实验室通风系统，不仅要求通风柜本身密封性良好，而且要求在所有的连接点都牢固可靠，消除所有的潜在泄露风险。 通风柜的防回流性也极为重要，因为通风柜内的气流形态十分复杂而且与通风柜内的结构密切相关，处理不好会形成气流死角和难以控制的涡流和紊流。在设计通风柜时，一定要以大量实验数据为基础，建立可靠的气流模型，有针对性地设置导流装置，并特别留意气流在入口处的平滑效果。 在通风柜的使用环节，容易产生一个误区，认为气流越大通风柜的安全性越高。事实上，随着气流的增大，气流的回弹效应和涡流效应也在增大，柜内气体逃逸出通风柜的可能性也在增大，通风柜的安全性反而会下降。因此，SEFA 等标准都有推荐的通风柜面风速范围，一般推荐的面风速在 0.3-0.6 m/s之间。1. 无管通风柜的气体密闭性和防回流特性 与传统的全排通风柜相比，无管通风柜的气流行程很短且完全没有外部连接，其密封性可以得到极好的保证。优异的密封性能是无管通风柜在气体隔离方面最突出的优势之一。 在无管通风柜中，根据要处理的有害气体量的不同，有两种气流设计型式。对于气体处理量较小的场合，上排式气流表现为良好的垂直层流形态，不会形成明显的气流死角和涡流，没有气流回流现象。这时可以采用无导流板的垂直层流式设计，结构简单且易于清洁，这种结构的无管通风柜通常也被称为无管工作台或无管化学工作台。如果配备 HEPA 过滤器，这种无管通风柜还可以用于精密天平对粉末样品的称量，有时又被称作无管天平柜。[align=left] 如果气体处理量较大，通风柜内部的气流不再表现为良好的垂直层流，这时需要在柜内增加导流装置，使气流的分布更均匀，也更不易产生涡流和气体回流，这种结构的通风柜和传统的全排通风柜十分相像。为了更好地满足不同的应用需求，无管通风柜的前视窗除了经典的滑动窗，还有更便于操作的折叠窗。前者适合于需要经常调整视窗开口高度的应用，后者适合于大多数实验室的应用。[/align][align=left]2. 气流的实时监控与安全警报[/align] 无管通风柜的气流控制十分重要，因为风机内置在通风柜头部，无需通过专门的气阀即可方便地实现可变风量(VAV)控制。气流面风速可以通过专门的传感器实时监测并显示在安全控制器上。在气流出现异常时，安全控制器会及时闪烁警报灯并发出声音报警信号，提醒用户检查和维护。 通过对柜体结构的精心设计和对柜内气流的实时监控，无管通风柜的气流不仅平稳顺滑，而且无泄漏无回流，气流安全性得到极好的保障。二、 无管通风柜的气体过滤性能 作为无管通风柜独有的特性，气体过滤系统使无管通风柜在安全性、经济性、节能型、移动性等方面均具有优于传统全排通风柜的突出优势。通过合理选择过滤器，无管通风柜不仅可以隔离化学气体的侵害，还可以隔离粉尘对实验室人员的危害。1. 化学气体的吸附过滤 实验室化学气体种类繁多，活性炭过滤器对大多数化学品都具有很好的吸附能力，这主要得益于活性炭具有很大的内表面积，一公斤活性炭的内表面积可达一平方公里!如此之大的内表面积在活性炭的内部形成很多微细孔洞，最大可吸附相当于自身重量的化学品。 根据制作工艺的不同，活性炭过滤器主要有两种:颗粒状活性炭过滤器和键合式活性炭过滤器。颗粒状活性炭过滤器将炭粒直接封装在一个盒子里，这种过滤器制作工艺简单，但是存在固有的潜在穿透问题和漏碳问题。尽管通过采用分隔结构和附加安全过滤器，这些问题部分得以改善，但是仍然从根本上解决由漏碳带来的吸附效率降低和由穿透带来的安全性能缺失。 键合式活性炭过滤器把分散的炭粒通过牢固的化学键连接为一个整体，彻底解决了穿透和漏碳的问题，是目前市面上最可靠的活性炭过滤器。但是键合式结构制作工艺复杂，即要保证键合的效果又要保证吸附效率不会明显下降，因此只有少数厂家采用。在所有进口品牌的无管通风产品生产厂家中，只有美国艾科琳(AirClean)采用。 选择活性炭过滤器的时候，还有一个问题需要特别注意。虽然活性炭对大多数化学品都有较好的吸附效果，但是对于某些化学品却效果不佳，如分子量较小的化合物、无机酸性气体、氨气及胺类化合物、汞蒸气等。对这类化合物，要选用经化学浸润处理的特制类型的活性炭过滤器，目前各主要无管通风柜生产厂家都可以提供相关产品。2. 气溶性颗粒物的吸附处理 除化学气体以外，很多应用还需要对气溶性颗粒物加以隔离，这时需要选用专门用于吸附颗粒物的过滤器。根据要处理的颗粒物粒径的大小，可以选用针对 0.3μm 颗粒物的高效 HEPA 过滤器和针对 0.1μm 颗粒物的超高效 ULPA 过滤器。按照美联邦和中国的标准，HEPA 过滤器和 ULPA 过滤器的吸附效率应不低于 99.97%，实际上商品化的无管通风产品中过滤器的吸附效率都更高，比如美国艾科琳(AirClean)和美思泰(Mystaire)公司的颗粒物过滤器的过滤效率都超过 99.997%。 如果需要同时处理化学气体和气溶性颗粒物，还可以把活性炭过滤器和 HEPA/ULPA 过滤器叠加使用(如果无管通风柜的过滤仓空间允许的话)。要特别提起注意的是，这种应用中的 HEPA 过滤器不是用于吸附颗粒状活性炭过滤器的漏碳，如果省略了活性炭过滤器的安全过滤器，HEPA 过滤器的效率和寿命都将大大减少。 最后提一下一种特殊的颗粒物过滤器，那就是安装于各种过滤系统最前端的初效预过滤器。预过滤器的目的是滤除空气中颗粒较大的颗粒物，提高过滤系统的过滤性能并保护主过滤器的寿命。预过滤器对粒径在 0.5μm 以上粉尘的过滤效率可达 95%以上。静电式预过滤器还可以通过静电的作用，把被拦下的粉尘牢牢地抓在预过滤器上，避免再开机时形成“尘雨”落下。3. 过滤器的实时监控与安全警报 无论是哪种过滤器，在使用一段时间后，过滤性能都会下降。当过滤器接近饱和限值的时候，无管通风系统的安全性能将难以保证。在这种情况下，应及时更换新的过滤器，以免发生安全问题。 在商品化无管通风柜中，都对过滤器性能进行实时监测，并在需要更换过滤器之前就给出预警。但是不同厂家采用的监测方法可能有所不同，这里以美国艾科琳(AirClean) 进取型(Endeavour)无管通风柜上使用的方法为例，说明其如何保证过滤系统的有效性、可靠性和安全性。 首先，在每次开机之前，安全控制器会要求用户确认要使用的化学品种类(ChemMinder 功能，从内置的 3500 多种化学品名单中选择)，如果所选的化学品与所安装的过滤器型号不匹配，将不允许开机。这从根本上避免了误用化学品带来的潜在安全问题。其次，对于使用中的活性炭过滤器，通过安装在过滤器后面的气体传感器实时监测，如果监测到过滤后的气体中有害成分的含量达到预先设定的浓度，将及时以闪烁警报灯和鸣响警报声的方式同时发出警报。这为无管通风柜的安全使用提供了可靠的保证。客户还可以在任何时候查看过滤器的预估寿命，做到心中有数。三、 无管通风柜的其他安全性能1. 无管通风柜的物理和化学安全性能 为了保证有较好的抗物理冲击特性和抗化学腐蚀特性，无管通风柜的结构材质大多采用强度和抗腐蚀性俱佳的聚丙烯(PP)材质，视窗和透明包围则采用强度、透明度和化学性能都很出色的聚碳酸酯(PC)材质。能够接触到处理前的气体的部分，极少用到耐腐蚀性能欠佳的金属部件。 在结构设计上，整个柜体采用热熔成型的一体化设计。没有不易清洁的死角，必要的时候还可以使用具有较强腐蚀性的清洁剂对内外表面进行清洁处理。2. 无管通风柜的电路安全特性 无管通风柜的所有电路系统，均封装在气密空间内，避免暴露于潜在的化学气体之中。照明灯采用高规格的防蒸汽荧光灯或 LED 灯，所有的电子元器件都符合或超过相关标准的要求。这些都保证了无管通风柜的电路系统的安全。

在很多人的心目中，说到无管通风柜，第一反应是太贵用不起!乍看起来，似乎很有道理。因为无管通风柜的价格远高于普通的有管全排通风柜，而且还需要定期更换活性炭过滤器，这也是一笔不小的开支，所以无管通风柜被认为是买着费劲用着吃力的设备，概念意义大于实用意义。实际情况果真如此吗?那就让我们把两种技术的完整成本认真比较一下，看看真实情况到底如何。本文针对各种通风配置方案，全面深入地分析了两种通风系统在各种使用情境下的综合使用费用，目的是为实验室建设项目的决策人员提供可靠的参考。[color=#56555d]一、 近年各地对实验室通⻛ 系统的最新要求[/color]不是要比较成本问题吗?怎么先聊起法规了呢?这其实和后面的成本讨论有直接关联。只有把法规对排放的要求吃透，才能彻底搞清楚通风系统的完整构成要件。从 2000 年以来，北京、上海等城市陆续发布和实施了针对化学气体排放的地方性法规，如北京市颁布的 DB11/501-2017《大气污染物综合排放标准》和 DB11/1385-2017《有机化学品制造业大气污染物排放标准》，上海市颁布的 DB31-933(2015)《大气污染物综合排放标准》。按照规定，未经处理的化学气体不得直接排放到大气中去，否则将面临巨额罚款，严重情况下还要追究相关方相应的法律责任。这样一来，实验室通风系统不再只是把废气一排了事，废气处理装置成为必备的设备。虽然现阶段对各种气体的实际处理效果尚未逐一要求，但是随着法规越来越严，最终一定要走向这个方向的。这将导致废气处理装置会越来越复杂，购置和使用成本也会越来越高，成为一个不可忽略的成本构成项。[color=#56555d]二、 实验室通⻛ 系统构成[/color]1. 全排通⻛ 系统在全排通风系统中，通风柜只是一个收集气体的装置，必须配合一系列附加设备才能完成实验室通风功能。全排通风系统的构成示意图可参照图 1，其中应至少包含以下装置:[align=center][img=,600,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/05/201905140954170765_3815_3659_3.png!w690x473.jpg[/img][/align][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)][/color][align=center][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]图 [/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]1. [/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]典型的实验室全排通风系统示意图[/color][/align]1)全排通⻛ 柜:气体收集装置 2)VAV气流控制系统:由文丘里阀和控制电路组成 3)通⻛ 管道:连接通风柜出口与废气处理装置和排放口，总长度可能有很大差别 4)废气处理装置:活性炭吸附塔和/或淋洗装置，去除排放气体中有毒有害成分 5)室外⻛ 机及控制电路:在一台风机对应多台通风柜时，控制电路的设计十分关键 6)新⻛ 系统:根据实验室对通风量的要求，并结合建筑物内部的空调暖通条件，精心设计。新风系统应包括送风风机、过滤装置、调温装置、风速调节装置和送风管道等，为了节省能源，还需要配备能量交换装置。2. 无管通⻛ 系统[align=center][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)][img=,300,458]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/05/201905141003252641_4514_3659_3.jpg!w690x1055.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]图 [/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]2. [/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]美国艾科琳[/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)](AirClean)[/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]公司的[/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]无管通风柜[/color][/align]在无管通风系统中，无管通风柜集成了所有通风系统必备的功能，其本身就是一个自成体系的单点分立系统，无需连接任何外部装置，也不用考虑建筑物的空调暖通条件，只用简单地插上电源，通过控制器设定相关的参数，即可投入使用。[align=center][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)][img=,300,192]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/05/201905141004433585_6209_3659_3.png!w690x443.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]图 [/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]3. [/color][color=rgb(18.039220%, 45.490200%, 70.980390%)]无管通风柜气流图[/color][/align]室内空气从前视窗 A 处进入通风柜，在 B 处与实验过程中挥发或生成的化学气体混合后被抽送到过滤区 C，经活性炭过滤器或 HEPA 过滤器吸附处理成洁净空气，再从 D 处释放回室内。通过系统安全控制器，对通风柜中的气流和过滤器的饱和情况进行实时监测，保证所有的化学气体或颗粒物的浓度都被控制在设定的水平之下。[color=#56555d]三、 购装成本及运行成本比较[/color]从以上分析可知，两种通风方案具有不同的配置逻辑。无管通风柜本身是一个单点分立系统，购买和运行成本基本上与台数成简单线性倍数关系。而全排通风柜只是一个收集气体的装置，必须配合一系列辅助设备才能实现功能。根据实际安装条件的不同，一些辅助设备是可以多台通风柜共用的，所以全排通风系统的使用成本与设计和布局有直接关系，必须分开讨论才能合理地计算出综合使用成本。在通风系统的运行成本中，电能的消耗占据了很大的一部分。根据有关文献，与全排通风系统相比，无管通风柜可节能 75%以上。通过我们的初步计算，实际节能效果甚至达到惊人的 90%!1. 孤立单台通⻛ 柜系统[align=center][img=,690,728]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/05/201905141006464281_2289_3659_3.png!w690x728.jpg[/img][/align][align=left]从上表可以看出，对于孤立单台通风柜系统，不管是一次性购买安装成本还是安装后的运营成本，无管通风柜的方案都明显优于全排通风方案。[/align][align=left][/align][align=left]2. 同一个实验室3台通⻛ 柜集中通⻛ 系统[/align][align=center][img=,690,690]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/05/201905141008068541_7607_3659_3.png!w690x690.jpg[/img][/align][align=left]从上表可以看出，对于同一实验室少量台数的通风系统，无管通风柜比全排通风系统的一次性购买安装成本稍高，但在安装后的运营成本方面，无管通风柜具有明显的优势，一年节省的运行成本就差不多可以抵消购买的差价。[/align][align=left][/align][align=left]3. 多个实验室多台通⻛ 柜分散通⻛ 系统[/align][align=center][img=,690,703]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/05/201905141009108270_1835_3659_3.png!w690x703.jpg[/img][/align][align=left]从上表可以看出，对于多个实验室多台分散分布的通风系统，全排通风系统可以充分发挥共用辅助设备(室外风机、吸附装置、新风系统等)的优势，综合购装造价可以得到很好控制。仅从成本考虑，在这种情况下，全排通风系统的综合造价更低。[/align][align=left][color=#56555d][/color][/align][align=left][color=#56555d]四、 结语[/color][/align][align=left]综合以上分析，仅从经济性考虑，当实验要求在相对孤立的实验场所配备单台或少量的通风柜时，应优先考虑选用无管通风技术，这样不仅综合成本较低，而且在需要的时候还可以随时无成本地移到他处继续使用。当需要多台通风柜集中使用时，全排通风系统有更好的设计弹性，可以通过合理布局和归拢，节省可观的一次性投入。然而，在实验室通风系统的设计和规划中，应从实验室的实际使用要求出发，把整个实验区按功能进行合理分区。在同一功能区内和不同功能区之间，选用全排通风系统与无管通风柜相结合的组合通风方案，可能具有更好的经济性。[/align][align=left]另一方面，还应当看到，在设计实验室通风系统的时候，除了要考虑经济性以外，还要兼顾其他因素综合考量，尤其是对安全性能的要求。一般而论，因为无管通风柜可以根据要处理的化学气体性质，有针对性地选择最恰当的过滤技术，从而获得最佳的处理效果。但是无管通风柜也有着先天的局限性，比如要求通风柜内的实验温度不能太高(一般排放气体温度不宜超过 70°C)、不会产生大量废气(以免过滤器消耗太快)、短时间内没有大量酸气蒸发(过滤器来不及吸附)等，在这些应用中，只能采用全排通风方案。[color=#56555d]参考文献[/color] Energy use and savings potential for laboratory fume hoodsMills, E. and Sartor, D. Energy, 2005, 30, (10), 1859-1864[/align]