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1、技术研究资料（第1部） 换气装置的基础知识 1 首先 换气与我们的日常生活息息相关。日本因为夏天又热又湿，从以前开始住房的通风就做得很好。也因此很容易被冬天的寒气侵袭。冷了可以多穿点衣服，或者干脆钻进被子里，但热的话除了擦汗就没有其他办法了，所以才不得不建造通风好的住房吧。从千年的历史来看，利用冷气暖气的密闭型住房也只能算是刚开始而已。自然换气不起作用的话，当然就要改用机械换气。在生产活动中换气技术显得尤为重要。 人类活动在造出东西的同时也产生了废弃物。工作功率高的话废弃物的量也会减少，但不会没有。这与热力学的第2法则相似，也可以说这就是第2法则。原料加工时的材料或者副生成物的
2、一部分变成作业环境中的废弃物并扩散。在本项中从劳动卫生工学的角度对扩散到空气中的有害物对策进行讨论。说是有害物，其大部分原本是材料，是宝贵的资源，但是一旦扩散到空气中就变成了有害物了。这种情况下，可能第一时间想起的是局部排气装置（局排），但那绝不是万能的。应该在充分探讨其他对策的基础上再决定用什么设备。我们想通过探讨作业环境改善对策来了解有关换气的所有事情。虽说如此，局排还是最现实的环境对策，很多人都与它有关，所以有些做成了教科书。但是我们还是希望它能从理论型走向实用型。本稿主要着眼于环境当中与空气相关的事宜。 2 换气 2.1 空气的污染 不仅限于作业环境，空气的洁净对人类
3、的健康也是很重要的。众所周知，空气是由氮、氧、二氧化碳、氩等微量成分以及水蒸气组成的。大气污染指的就是通常大气中没有的物质产生之后所引起的问题，有火山喷发等自然现象产生的物质，也有人类活动等人为因素产生的物质。通常后者因为是伤害人类健康的主要原因而被称为大气污染。广义上讲，这是经济优先、经营者缺乏社会责任感所带来的问题，可以说这是人类自作自受，但这些可以通过技术来应对。发散到空气中的有害物根据物质自身的毒性，如果是粉尘会因为形状、大小的不同对人产生不同的伤害，因此要考虑到这一点针对浓度、无害化处理方法等进行探讨。 众所周知，大气污染不仅会伤害人类健康，也会对文化财产、建筑物和其他的自然环
4、境造成有害的影响。 2.2 污染物质 空气污染是由气体状物质、细颗粒状物质或是两者的混合物引起的。空气污染的定量表现用每1㎥空气中的污染物质质量数来表示，虽说是浓度，但因浓度的使用方法不同如下所示基准也会有所不同，在详细计算的时候需要注意。 基 准 解 说 浓度的单位 标准状态的空气基准 换算到０℃1013hPa的空气中污染物的质量数。 标准状态是以去除一般空气中的水蒸气后得到的干燥空气为基准的，但是防大气污染法中把湿润的空气当作干燥空气来进行计算，关于燃烧废气的话则是以干燥燃烧废气为基准换算到0℃1013hPa。 污染物为气体状的情况下有时会按容积比用p
5、pm的单位来表示。 防大气污染法还规定了像燃烧废气那样含氧成分与空气不同的情况下用氧浓度来修正浓度实测值。 mg/㎥N ppm mol/mol 常温空气基准 安全卫生法采用的是以25℃常压下的湿润空气为基准来表示浓度的方法。同样的在医学方面的容许浓度、作业环境管理中的管理浓度根据其使用方法的不同浓度的名称也有所不同，但是单位表示是一样的。 这种情况下的化学计算中可以按25℃1013hPa的湿润空气来计算。 如果是送风机的话20℃1013hPa相对湿度65％为其标准。 mg/㎥ ppm 表2-1 将污染物的发生源头分类的话就如下表所示。 生成的种类
6、 发生过程 发生原因 生成物质 化学生成 一次发生 燃烧 酸化性物质、酸性物质、还原性物质 （Sox、HCl、NOx、CO、烃等） 未燃颗粒状物质 二次发生 燃烧 卤素系有毒物质（二恶英等） 一次发生 腐败 碱性物质、恶臭物质 一次发生 不同废液的混合 有毒气体（氰化氢、硫化氢等） 二次发生 大气中的二次反应 光化学烟雾 颗粒状物质 物理生成 一次发生 升华、蒸发 气体状物质（有机溶剂等） 破碎、粉碎 颗粒状物质 二次发生 凝结 油雾（硫酸油雾） 再飞散 堆积粉体 表2-2 气体状物质和液体状物质有时也会按如下方式分类。
7、 气体状物质 常温下为气体的物质（CO2、CO、HCl、HF等） 常温下液体蒸发的物质（有机溶剂等） 常温下固体升华的物质（碘、萘、干冰等） 颗粒状物质是指固体或者液体的颗粒。颗粒状物质按如下方式分类。 颗粒状物质 粉尘 破碎后产生的微细固体颗粒，也包含飞散到空气中的粉体原料。 一般指不定形的10μm以下的例子。 烟雾 常温常压下是固体，但是加热溶解蒸发后蒸汽凝固成的物质在显微镜下观察多为球形，有时候会变成物质固有的结晶。粒径大多在1μm以下。
8、 油雾 液体的微颗粒，多为5μm～100μm左右比较大的颗粒、因液体表面张力而成为球形。 2.3 换气方法 要让工厂内的空气保持正常，首先要找到污染的原因，除去污染源，并用适当的方法净化已污染的空气。污染的原因可能在人本身，也可能是作业产生的，所以也需要考虑到室外空气的污染。 一般室外的空气比室内的要干净，可以通过更换空气的方式来保持室内空气的洁净。这种操作就叫做换气。所以像空调那样将室内空气循环利用并调整温湿度的不能称为换气。 所谓洁净并不单单是指不含有害物，也要具备适当的温湿度、氧浓度，通过换气可以防止温湿度过度上升、确保氧浓度。 换气方法可以分为三种，一
9、是对污染发生源头附近的空气进行局部吸引除去的局部换气，二是产生局部控制下的空气流、将污染发生源头设置在其中以处理有害物的Push-pull型换气，三是对整个室内的有害物浓度进行稀释的整体换气。换气装置的组成如表2-3所示。这里按风机的使用方法来区分，送入空气的情况下表示为送风机，排出空气的情况下表示为排风机。不过，在JIS当中并不做这种区分，一律称为送风机。 除了表2-3以外还有一种叫置换换气的方法。这是一种当污染源比周围温度高的情况下利用其浮力来换气的方法，这与从前就有的让高温炉的烟雾随着上升气流从设置在屋顶上的监视器排出而新鲜空气则从靠近地面的窗户进行供给的方法类似。也就是说，让污染
10、物随着上升气流聚集到天花板处排出，让比发尘源温度低的新鲜空气均匀地供给到整个地面。这个方法在新鲜空气的供给方法上有技术性的难度，也不适用于高浓度污染和颗粒状物质的污染，由于受到建筑物墙壁断热性和气密性的影响，置换换气法的应用有难度。 换气装置形式 机器组成 送风机 排风机 其他机器 局部排气装置 无 有 风罩、风管、空气净化装置、排气口 Push-pull型换气装置（密闭型） 有 有 Push风罩、风管、Pull风罩、风管、空气净化装置、排气口 无 有 Push风罩、风管、Pull风罩、风管、空气净化装置、排气口 Push-pull型换气装置（开放型）
11、有 有 Push风罩、风管、Pull风罩、风管、空气净化装置、排气口 有 无 Push风罩、风管（室外作业用等） 无 有 （局部排气装置） Push-pull型局部换气装置（开放槽用） 有 有 Push风罩、风管、Pull风罩、风管、空气净化装置、排气口 无 有 （局部排气装置） 有 无 （无设定） Push-pull型 短路装置 有 有 （风帘） Push风罩、Pull风罩、风管、空气净化装置、排气口 有 无 Push风罩、风管、Pull风罩、风管、空气净化装置、排气口 无 有 （无设定） 整体换气装置 有 有 （第一种换气
12、设备） 有 无 （第二种换气设备） 无 有 （第三种换气设备） 无 无 （自然换气） 表2-3 3 有关空气和颗粒的基础知识 3.1 压力 大气的压力在水银柱上为760mm，往长度1m左右一端被堵住的玻璃管中注满水银然后倒立在另外准备的水银容器中，玻璃管内的水银会停留在760mm的高度而剩余的240mm左右的管子里就是真空的了。以往一直是以这个数值作为大气标准压力，但由于和其他单位计算的时候很不方便故换算成绝对单位（ISO）。由于水银的密度为13.6×103kg/㎥，重力加速度为9.8m/s2则标准大气压为1013hPa。 760×10ｋ×13.6×
13、103×9.8 = 101290（kgms-2・m-2）→（Nm-2）→Pa = 1013 hPa 1kg・m/s2相当于力的单位1N。对1㎡上施加1N的力则相当于压力的基本单位1Pa。 用水来代替水银的话，水的密度为水银的13.6分之1，则水柱为 760×13.6 = 10336 （mm） 1013/10336 = 0.098hPa/mm 以前都是把mm水柱当作压力的单位来使用的，但现在都改用绝对单位中的Pa、hPa、ｋPa、MPa等。而医学中的血压到现在还是使用水银柱。 1mmH2O = 0.098hP
14、a 1hPa = 10.2mmH2O 1mmHg = 0.133kPa = 1.33hPa 1kPa = 7.5mmHg 在换气装置等的设计中使用将大气压作为基准（0hPa）的相对压会比较方便。也就是说，在局排中风罩吸引口附近的压力为0，容易流向下方的“负”的值会变大，在风机的出口处会转变为“正”，在排气口再度变为0。 压力分为静压、速度压、全压、分压，要充分理解其含义。 静 压：静压为受力面的压力，例如人的上下、前后、左右所有方向都受到同一个大气压力，所以平常是感觉不到有压力的。天气预报的气压指的就是静压。在局排中把大气压设定为0
15、hPa所以到了比大气压地的地方静压就变为负值了。 速度压：速度压是指面向风的时候受到的风压，也称为动压。风能吹起东西就是因为速度压。由于速度压是面向风所受到的压力是有方向性的，所以通常为正值。 全压：全压是指静压与速度压之和。在局排设计当中这个数值既可以为正也可以为负。静压PS、速度压（动压）PV、全压PTと三者之间的关系如3-1式所示。 PT = PS + PV ．．．3-1 分 压：分压是指一定容积的混合气体中所含各成分的全压（静压）。各成分的全压（静压）之和就是此混合气体的压力，即全压（静压）。
16、 在测定局排各处的压力时比起直读式压力计用水来测量的U型压力表使用起来更方便也更普遍。其测定值按水柱的高度mm来表示，换算成ISO单位hPa。 3.2 气体的法则 所有的气体在容积、压力和温度上都会按一定的法则变化。即： PV = WRT 或 P/ρ= RT ．．．3-2 公式中的各个符号分别代表： P：气体的绝对压力 N/㎡ = Pa （kgm/s2/㎡）或（kgm/s2/m） V：气体的容积 ㎥ ρ：气体的密度 kg/㎥ W：气体的总重 kg（分子量×摩尔数）
17、R：气体常数 Nm/kg/K T：绝对温度 K 在处理燃烧排气等高温气体和高压气体时3-2式为重量式，而像局排那样处理温度、压力变化并不大的气流时可以省略。 其实严格意义上来说3-2式中的气体是理想气体实际并不存在。而在我们一般遇到的压力、温度范围内空气是可以被当作理想气体来处理的。用3-2式来计算空气和水蒸汽的R的话如下表所示。 项 目 空气 水蒸汽 分子量 MW（-） 28.941 18 气体常数 R（Nm/kg/K） 287.3 461.4 表3-1 3.3 空气中所含的水蒸汽 到前项为止空气都是被当作不含水蒸汽的干燥
18、气体来论述的，但其实像这种状态的空气是不存在的，都是含有大量水蒸汽的湿润空气。虽然一般在压力和容积的计算中可以把它无视掉，但在设计换气系统时因为水蒸汽带有热能所以不能无视。大气压在前项中记录为1013hPa，这是大气的全压，也是构成空气的各气体成分的分压之和。如果是混合气体的话各成分用下列公式来表示。 成分气体的容积分率＝成分气体的分压分率＝成分气体的摩尔分率 ．．．3-3 所以，干燥空气的分压、水蒸汽分压和微量成分之和就是大气压1013hPa。微量成分是指二氧化碳、氩等气体，因为含量很少所以这里可以无视。 干燥气体中所能含有的水蒸汽的量的上限是由压力（全压）和湿
19、度决定的，这种状态被称为饱和湿度，一般的空气状态下饱和湿度为30～80％左右，换算成容积比的话只有1～2％。湿度按所取标准的不同有几种表现方式，名称也各不相同。 绝对湿度：干燥气体（DA）1kg中所含的水蒸汽的重量（kg）。同样的把重量kg替换成mol数之后的摩尔湿度就是代表每1mol干燥空气中所含的水蒸汽mol数。 饱和绝对湿度：有温度和气压决定的空气中所能含有的水蒸汽质量的上限。 相对湿度：饱和绝对湿度的饱和水蒸汽压和现有水蒸汽压之比，也叫有关湿度。一般写作湿度“多少%”的指的就是相对湿度。 比较湿度：饱和绝对湿度和现有绝对湿度之比。
20、 关于湿度我们用公式来理论性地探讨一下。ar代表空气，w代表水蒸汽，参照表3-1的R用3-2式的话， Par・Var = 287.3・War・Tar Pw・Vw = 461.4・Ww・Tw 这里假设1kg的干燥空气中混入了水蒸汽，则War=1(kg)、Tar=Tw(K)、Var=Vw(㎥)，由上面的2式可得， Par/Pw =（287.3/461.4）/Ww Par + Pw = 1013.3 （单位：hPa） ∴Ww = 0.622・（1013.3 – Par）/Par （kg/k
21、gDA） ．．．3-4 = 0.622・Pw/（1013.3 - Pw） Pw =（1013.3・Ww）/（0.622+Ww） （hPa） ．．．3-5 由此可得，只要干燥空气的温度和压力定下来的话那么其中所含的水蒸汽量的上限也可以定下来。3-4式是1kg干燥空气（DA）中所含水蒸汽的重量（kg），也就是饱和绝对湿度。3-5式是指这种状态下的水蒸汽分压（hPa）。 把3-4式换算成mol标准，将压力的单位换成Pa，这样进行化学计算更方便。 WM = Pw/（1.0133×105 - Pw） （kmol/ km
22、olDA） ．．．3-4’ = （1/0.622）×Ww Pｗ = 1.0133×105・WM /（1+ WM） （Pa） ．．．3-5’ 3.4 湿润空气的热容量 对空气有时加热有时冷却，除湿的时候对热能的计算需要求出干燥空气和水蒸汽的热容量。尤其是水蒸汽的热容量要比干燥空气的大很多，即使只有一点点水蒸汽也会对整体的热容量有很大影响。计算湿润空气的热容量（CH），假设1kg干燥空气中所含的水蒸汽的重量为Ww（kg/kgDA），则 CH = 1.008+1.848・Ww （kJ/kg/K）
23、 ．．．3-6 湿润空气保有的热量被称为全热量或者叫焓，温度t（℃）的湿润空气的焓和干燥空气1kg的关系是 h = 1.008・t +（2502+1.848・t）・Ww （kJ/kgDA） ．．．3-7 这个公式中的2502kJ/kg是指0℃时水的蒸发潜热。（DA意为Dry Air） 饱和水蒸汽分压、温度、焓等数据被机械学会公开发表为饱和水蒸汽表，用这个表来进行计算是很方便的。如果要用公式来求出饱和水蒸汽压的话有Antone的公式可以用。 Pw = 10（7.07406-ｋ） （kPa） ．．．3-8
24、 k = ：气体温度（℃） 用ntone的3-8式和3-4式等就可以求出饱和湿度了。 3.5 露点、结露、凝结、蒸发 大家应该都经历过热空气冷却后游离出水滴在玻璃等表面变成露珠这种事吧。这个现象就叫做结露。某温度・压力下的空气所能含有的水蒸汽的量在前面3.3项中已经定下来了，在此以上的水分成不了水蒸汽而会变成水滴（液体）从空气中分离出来。比如温度t1下假设水蒸汽压为P1，饱和水蒸汽压为Ps，则相对湿度为P1/Ps。冷却此空气，饱和水蒸汽压还是P1温度低于t2时就会发生结露。这时候的温度t2就是露点，把露叫做结露水、凝结水。 另外，大家都知道用压缩机来压缩常
25、温空气的话也会有积水。这是因为压缩湿润空气（全压升高）的话水蒸汽的分压也增加了。 也就是说，一旦湿润空气的温度降低，或者压力（全压）升高，水蒸汽的分压到不了水的饱和水蒸汽压以上就会发生凝结。相反，如果温度升高或者压力降低就会发生蒸发（或者干燥）。 3.6 层流和乱流 流体（空气）流动时的特性大致可以分为层流和乱流两种。层流是指流体的各部分互为平行的层状流动，流体块的各部分朝着流动方向井然有序地流动。与此相反，流体块朝着流动方向前后左右位置不规则地发生变化混乱流动的状态就称之为乱流。素有“给乱流加设整流板变成层流”之说，这就和“把乱流变成一样流”的意思一样，作为流体力学用语来说
26、与有没有整流板无关都把这个流动叫乱流，而所谓的乱流表现为速度分布激烈，为了减缓这种速度分布所以要增设整流板。 3.7 动水半径 在计算形状为圆形以外的截面管路的摩擦损失时会使用动水半径。假设动水半径为γH，如下所示： γH = ．．．3-9 以图3-1上的管路周长（浸边长）为L，截面积为S，则γH = S/L，动水半径的4倍称为相当直径，多应用于雷诺数等的计算。如果管路的界面是圆形则De等于直径D，如果是矩形，则边长各为A、B，De如4-10式所
27、示。 γH = A・B/2・（A+B） De = 4・γH = 2・A・B/（A+B） ．．．3-10 矩形管路有时会用4倍的动水半径，有时则按下列公式。 De = 1.3× ．．．3-11 3-10式和3-11式的差异如表3-2所示，越是扁平差异越大。非矩形的复杂形状一般采用3-9式。本表中的“相当直径1”一栏是通过3-10式计算出来的。矩形管路一般用3-11式比较多，但其实两个都可以用。 3.8 雷诺数Re 管路中的气流一般都是乱流。层流的管内速度分布
28、和压力损失在理论上是可求的，而乱流因为流动结构极其复杂很难计算。因此要使用实验性系数的雷诺数。 以模型代替实物来做实验，根据其数据来设计处理流体的装置，这时候如果模型和实物之间存在某种法则，那么就可以很容易地按比例放大。处理流体的装置与长度、速度、粘度、压力、表面张力都有关系。这之中局排的空气流动、配水管内水的流动等和长度（直径等）、流动速度、流体粘度、流体密度有关。即，这种流动是惯性力和粘性力在作用。如果惯性力和粘性力之比相同的话，模型和实物在力学上就是相似的。如果模型的小、实物的大，那么相同流体在实物中的流速一定要比模型的小。 像这样把模型按比例放大到实物的情况下使用雷诺数会较容易计算
29、管径De（使用前项中的相当直径）中的流体以速度V流动时的雷诺数和流体粘度μ、流体密度ρ之间的关系如下所示。 Re = ．．．3-12 μ/ρ被称为动粘度。 空气和水在常温下的粘度和动粘度如下所示。 项目 温度 粘度 动粘度 单位 ℃ ㎏/m・s ㎡/s 空气 25 18.3×10-6 15.5×10-6 水 25 894×10-6 0.896×10-6 表3-3 （注）粘度的单位多用ｐ来表示。 1p=0.1kg/m・s 3.9 伯努利定理和摩擦损失 在某流体的流向中画上小小的封闭假想曲线，将通过此曲线各
30、点的流线拉伸就可以做出一个小的管子。在此管的任意两个截面之间计算物质收支和能量收支。下面公式的第1项为速度压，第2项为位置压（位置能量），第2项为静压。 ρ+ρ+p1+F1＝ρ+ρ+p2+F2 ．．．3-13 此处v：流速（m/s） z：高度（m） ρ：静压（hPa） F：增加的能量或者散逸的能量的换算值（hPa），标着1的是上流侧，2是下流侧。但是，气体流速慢压力变化小的情况下密度ρ的变化可以无视。（局排大都是这种情况） 高度z是2点间直线方向的长度。在局排的管路中风罩和排气口都向大气开放，所以位置压被抵消掉了。 F是流动的阻力损失（压力损失）或者排风机的能量补给、加热器的
31、加热等。数值在损失的情况下是负、在补给的情况下是正。而在可以无视由摩擦引起的能量损失的情况下F=0。（比托管测量流速的情况等） 关于高度Z让我们再来探讨一下吧。在局排设计中计算3-13式的各项时，有时高度（Z）会比速度压（v2）要大，高度一项可以省略不计。这是因为在考虑3-13式中或者无限长的假想管路内部的P1点和P2点时，局排中的P1点（风罩）和P2点（排气口）是向大气开放的。但是，标高在500m以上的话就必须要考虑大气压的变化了。这是因为标高越高，气压越低，风机的性能会减弱。尤其在海外工厂有时候是在标高很高的地方，局排设计必须要事先调查好现场的气温条件和标高。 使用3-2式假设1kg空
32、气在标高Z0=0和标高Z时的平均温度为t℃，则关系如下： ｐ/ρ= RT dp/dz= －ρｇ＝－ｐ/RT ｐ＝p0・exp｛（―gZ/（273+t））｝ p＝1013×e－0.0341・Z/（273+t） ．．．3-14 根据3-14式，在标高500m处气压会降低5%，在1000m处会降低12％左右。 3.10 粒径和粒度分布 粒径的测定方法有很多，下表中列举出了最具代表性的一些。在劳动卫生领域使用的是长轴径、斯多克斯径、空气力学相当径、光散乱径。由于一般在测定颗粒时要兑换成跟粒径有关的物理量再测定，测定
33、颗粒的大小所代表的意义就不同了，尤其是在测定非球形颗粒时会有问题。根据个数、面积、体积（质量）中任意一个条件来检测颗粒浓度都会在粒度分布上产生很大的差异。 区分 表 现 测 定 方 法 等 几 何 学 的 代 表 径 长轴径 在显微镜观察下测定颗粒的长轴。适用于石棉等针状或纤维状的颗粒测定。 短轴径 同上 测定与长轴成直角方向的轴。 定向径 测定显微镜视野中一定方向的长度。 长短平均径 求长轴、短轴的平均值。 三轴平均径 测定显微镜视野中光轴方向的长度求三周的平均值。 圆相当径 求与颗粒投影面积相等的圆的直径。 球相当
34、径 求与颗粒的体积相等的球的直径。 有 效 径 斯多克斯径 从静止流体中浮游颗粒的沉降速度求出球相当经。适用于除尘装置等的设计。 空气力学相当径 和斯多克斯径相同，假设颗粒的密度为1来求出球相当径。多用于劳动卫生领域。 筛径 利用筛子的孔眼来求粒度。适用于测定粉体原料等比较粗的颗粒。 光散乱径 （激光衍射） 往浮游颗粒上打光，从散乱光的强度来求粒度。 表3-4 测出的粒度的表现方法用于筛上积算分布（R%）、筛下积算分布（D%）、频率分布（f％），把粒径和颗粒浓度的关系表格化，或者方程式化来解析。 R、D、f的关系按粒径为Dp如下所示。
35、 D（Dp）= 1－R（Dp） f = － 粒径的数据适用于正规分布、对数正规分布、以及Rosin-Ramumler分布之中的任意一种，把测出的粒度数据在这三种线图上画曲线，选择变成直线的那组，就可以得出此粉体的粒度分布方程式。粒状粗的适用对数正规分布，而细颗粒则较多适用Rosin-Ramumler分布。这三种线图是可以买到的所以较易利用。不过，最近激光衍射粒度分布测定开始普遍开来，在解析体积平均径、面积平均径、个数平均径、标准偏差时必要数据会自动打出来，粉体的解析也就变得迅速了。 3.11 颗粒的终末沉降速度 ① 颗粒的沉降速度 空气（也包括所
36、有的流体）中浮游的颗粒受重力影响沉降下来，沉降速度受粒径、颗粒的真密度、空气浮力以及空气阻力的影响最终以一定的速度沉降下来。 ⅰ 颗粒所受的流体阻力 Fr 图3-2的颗粒在力学上求证的话，颗粒的投影面积为Ap、阻力系数为C，则流体阻力Fr为 Fr・g=C・Apρ2V2 ．．．3-15 阻力系数C由雷诺数决定，如下表4-5所示。在此之前先整理一下记号。 π：3.14 V：流速（m/s） μ：空气粘度（kg/m・s） De：相当直径（m） ρ：空气密度（kg/㎥） ｇ：重力加速度 （9.8m・s
37、2） 在空气中运动的颗粒所受的流体阻力 雷诺数 Re 领域名称 阻力系数 C 流体阻力计算式 Fr・g ‹2 斯多克斯 24/Re 3πμVDe 2‹Re‹500 艾伦 10/(Re)0.5 1.25π(μρV3De3)0.5 500‹Re‹105 牛顿 0.44 0.055πρV2De2 表3-5 用局排和除尘装置来处理的颗粒（粉尘）直径都在100μm以下，所以雷诺数Re在2以下，可以视作斯多克斯领域。 ⅱ 颗粒所受的浮力Ff 浮力只会让颗粒体积大小的空气的重量变轻。 Ff＝ρDe3・g
38、 ．．．3-16 ⅲ 颗粒的重力 重力是颗粒的重量乘上重力加速度。 Fg＝ρｐDe3・g ．．．3-17 ⅳ 颗粒所承受的力 颗粒所承受的力是颗粒的重量乘上加速度。 ρｐ＝De3 ．．．3-18 因此，【颗粒所承受的力】＝【重力】－【浮力】－【流体阻力】，ⅰ、ⅱ、ⅲ项的格式之和即为ⅳ项（3－18式）。考虑到力的方向 4－18式＝4－17式－4－16式－4－15式 解开此式就可以求出颗粒的沉降速度了。尤其是式3－18结果为零的情况下颗粒
39、完全不受力，颗粒的速度无变化并保持一定的速度。这时候的V叫做终末沉降速度，这是了解除尘极限的一个重要数据。斯多克斯领域的解如下所示，参照图3－3。 V＝De2・g （m/s） ．．．3-19 颗粒的沉降速度和颗粒的真密度成正比，和粒径的平方成正比，所以粒径越小沉降速度受真密度的影响越小。 ② 颗粒的空气力学相当径 测定颗粒的沉降速度可以求出此颗粒的粒径（球相当径），这时候必须要知道颗粒的真密度。空气中浮游颗粒的成分并不单一，很多情况下要、空気中に浮遊している颗粒の成分は単一なものではないこと、分析試料の提取分析试料和实
40、测真密度并不容易。这时候，将“和观测颗粒相同沉降速度且真密度为1000kg/㎥的球形粒径”定义为“空气力学相当径”，使用在卫生学方面。真密度1000kg/㎥和水的密度相等。另外，也不用考虑颗粒的形状而直接将其视为圆球。 这样思考的话，真密度大的物质其粒径比实际的大，而真密度小的物质其粒径也小。在设计除尘装置的时候要多加留意，但在卫生学上变得更易评价了。即，引起尘肺病的粉尘的粒径在7.07μm以下，这个就是空气力学相当径。把真密度5000kg/㎥、粒径6μm的矿物性粉尘换算成空气力学相当径的话是13μm左右。这种颗粒即使伴随着呼气进入体内也会在到达肺泡前沉降在喉咙和气管里，这样就降低了引起尘肺
41、病的危险。 ③ 颗粒的电沉降速度 2个颗粒带电荷的话它们之间会承受与电荷之积成正比、与颗粒间距离的平方成反比的力，这就是库仑力。带电颗粒有时在电场中是受库仑力作用的，应用此现象的装置之一就是电除尘装置。 带电颗粒在电场中所受的力FE如下所示。 FE＝nP・e・E （N） ．．．3-20 nP ：颗粒所带的电荷数（整数） e ：电荷（1.602×10-19 C） E ：电解强度（V/m） nP因带电方式的不同而有差异，因电晕放电引起的带电（比如电除尘）基本上取以下的值。 De nP 1
42、0μm 1μm 103～105 101～102 nP・e是1个颗粒的荷电量，单位是库伦(C)。E是电场强度，把面积相等的平板作为电极相距ｒ（m）平行设置，乘上电压V（v）时E＝V/r（V/m），这种情况叫平等电场。 （注）电除尘并不使用这种平等电场，而使用不平等电场下的电晕放电现象。 在电场中浮游的带电颗粒在电力的作用下向电极移动（电沉降）。假设这个沉降速度为VE（m/s），则使用4-15式和4-16式根据力的平衡 VE ＝nP・e・E・CC/3πμDe （m/s） ．．．3-21 CC是坎宁安的修正系数，如果De在2μm以下则需要像下
43、面这样进行修正。 CC ＝1+Kn［1.257+0.4exp（‐1.1/Kn）］ ．．．3-22 Kn ＝2λ/De λ＝6.5×10-8 （ｍ） （20℃ 大气中） ④ 有关颗粒沉降的其他现象 热泳动：有颗粒浮游的气体存在温度梯度的话，颗粒会从高温气体处得到能量而向低温处移动。 扩 散：流体中的浮游颗粒浓度如果有浓淡差的话会因布朗运动而产生向均匀浓度发展的力。在混合气体中不匀质的地方浮游的颗粒会向较重气体成分的扩散方向移动。这种现象叫做扩散泳动。 4 局部排气装置（局排） 4.1 局排形式的选定 局排的形
44、式也可以叫做安装在污染物发生源的吸引风罩（以下称为风罩）形式。吸入空气比吹走空气要难得多，而且一旦安装吸引用的风罩就会立刻影响到作业性。 右图表示风机吸入空气然后吹出时的风速相等的面，外侧的线表示吹出平均风速的7.5～10％的范围。这样的话在吸入侧如果离开吸入口直径D的话吸引风速会变到10％以下。而吹出侧则保持30D的距离。这在实际生活中最常见的例子就是电风扇的后端是感觉不到风的，但前端的风却可以吹到房间的角落。局排和Push-pull型换气装置应用的就是这个原理。选定局排的形式在图4-1中就是1D的应用，从发散源的状况和作业方法来判断从而选定风罩的结构。风罩的构造对应的是作业的数量，把那么
45、多的风罩按形式分类的话可以总结为2形式5种类。基本上是在考虑到作业性的前提下再花功夫进行局排设计的。当然也有些作业是这5种风罩都不适合的，尤其是粉尘规则中规定了根据具体的作业内容有哪些形式的风罩是被禁止使用的。这时候就不能仅仅依赖局排，也要考虑其他方法。 被风罩吸引的空气的气流一般是极其微弱的。只要一点点乱流就会阻碍吸引能力。所谓的乱流指的是外部往风罩气流控制范围内吹过来的气流，主要有窗户吹进来的风、空调吹出来的气流、气动工具的排气、马达的冷却风机的风等等。通常就算作业点很安静也一直流动着0.2～0.3m/s左右的风的。在选定风罩的形式时要事先考虑到乱流的状态再来想对策。 4.2 风罩
46、的形式 4．2.1 风罩的形式一览 如下表所示，把风罩的形式进行整理分类列举出的最具代表性的形式和特征。 风罩特性一览表 风罩形式 构造概要 特征 包围式 让风罩包围发散源，在其内部吸引。 为了减少风罩外侧的乱流的影响，和其他形式的风罩相比这个形式是最安全的。在设计局排的时候应该最先考虑这个风罩。 因为把发散源包围了起来，有时候会作业困难。 外附式 侧 面 吸引型 离发散源最近的侧面，主要是在作业人员的反方向设置风罩。 因为可以在不损害作业性的情况下设置风罩，适用范围很广。 因为从外部来的风（窗户、电风扇、马达的冷却风
47、机、气动工具的排气等）会打乱吸引风速（吸入气流）极端地降低性能，所以对乱流要多加注意。 稍微远离发散源吸引能力就会大幅降低，相反的，如果要吸引距离较远的东西，那么风罩就有可能会大量地吸入近距离的原料粉体。 下 方 吸引型 让发散的有害物流动到下方进行吸引。 适用于桌上作业或地面作业等作业人员的姿势为面朝下的情况。 适用于发散物会流动到下方的情况。 作业性较好。 上 方 吸引型 在发散源的上方设置风罩，在上方吸引。 在构造上来说因为头可以探进发散源和风罩之间，有时候会无法保护作业人员。不过，有时候由于风罩的二次吸引空气（图中的
48、Q2）的效果也有可能达到保护的效果。需要进行烟雾测试来确认。 适用于吸引随着炉中发散的烟雾等热上升气流而发散的有害物。这种情况下考虑使用收集器式。 收集器式 当粉尘和烟雾朝着某个固定的方向发散时在那个方向上安装风罩的吸引口。 适用于除去研磨机的研磨粉尘、热上升气流等带来的烟雾。 图4-2 4.2.2 各种风罩的吸引风速和风量 4.2.2.1 包围式风罩 有关发散源的机械构造和材料进出的时候必要的开口部、风罩制作上的原因而不得不存在的间隙等开口部要设计到最小的程度，风量的计算是所有开口部的面积乘上从开口部流入的风速（吸引风速、控制风速），但是要把结构
49、设计成所有开口部的风速都是均等的是一件很困难的事情。对策就是把风管的连接部分成几处，考虑让风罩内部的静压保持均等的结构。 假设风罩开口部的截面积为A、控制风速（或吸引风速）为Vc则包围式风罩的风量可由下式求出。实际上要在设计值上留有10～15％的余地。 Q＝60×A×Vc （㎥/min） ．．．4-1 包围式风罩根据其构造再进行细分的话，有通气箱型、房间型（建筑物型）、罩型和球状箱型。通气箱型如图4-2所示是包围式风罩中最具代表性的例子，也最为普遍。房间型（建筑物型）常用于喷涂作业，用大型的房间（箱）把发散源机器包围起来，在房间的窗
50、口、门等处的外侧进行作业。可以认为这就是通气箱型的扩大版。不过要注意不要让作业人员进入房间。罩型是包围有害物发散源而几乎没有开口部的结构，多用于传送带的换乘处、灰斗的连接处和自动机械。図4-3中举例说明了罩型，図4-4举例说明了球状箱型。 4.2.2.2 外附式风罩 当无法包围有害物发散源时可以在发散源附近设置风罩来吸引除去有害物。这种方法可以在不影响作业性的情况下改善环境所以应用广泛，但缺点是比较容易受乱流的影响。如果把吸引力做得比乱流要强，不仅会极度消耗动力，还有可能会吸进多余的原料。如图4-2所示按照风罩的安装位置分成4类。 ① 侧面吸引型风罩 所谓侧面吸引型风罩就是在作
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