邻居:
对于家庭实验党,也就是大多数没有条件在专业化学实验室“工作”的爱好者(十分甚至九分都是学生)来说,每一次实验都需要冒着巨大的风险。就比如我上个暑假自制ap需要使用浓盐酸去除氯酸盐,产生了巨量的氯气和二氧化氯混合物,毒气瞬间充满了房间,也是让我记忆犹新。从此以后我就没有做过化学实验了。当然我是不会轻易放弃我的爱好的,所以我需要一个通风橱。但是市面上的通风橱价格都比较贵,而且都过于庞大了,不适合放在家里。再加上市面上最便宜的通风橱(~1200¥)没有导流背板(会产生大量涡流),桌面的材料(实心板)也比较劣质,可谓是较为安全的试剂用不到,危化品防不住。至于用料更扎实且带导流背板的专业通风橱,价位在2000¥以上,不是我负担的起的。而且这种专业的通风橱专为实验室设计,尺寸很大,宽1m以上。我家里正好有个阳台闲置,但阳台只有0.7m宽显然不够用。所以我只好自力更生了。但是自己定制就意味着从头开始,这对我显然是个不小的挑战。
显然在设计和制造之间我需要先搞清楚通风橱是什么及其原理,下方的视频可以比较清晰的解释这个问题。
BEST & SECURE Laboratory FUME HOOD - Cleanroom Example_1080p.mp4 点击下载
简单来说,通风橱就是一个可以将内部的有毒气体通过风机可靠的抽吸出去,而使实验人员免受毒气侵袭的装置。YouTube上有不少人自制过“通风橱”。但实际上,带一个洞和一个电风扇的木箱和正经的通风橱还是有很大差距的。正经的通风橱涡流少,靠经桌面的流动为层流,所以有害气体极少溢出到通风橱外。而YouTube上的“大佬”们所制的“通风橱”其实不能满足上述两点要求。下图粗略的给出了通风橱内场的流线图:
可以看到,高端一些的通风橱自带顶部的补风口,但这无疑增加了制造难度和成本,所以我不予采用。
那么除了用烟雾将流线可视化之外,有没有办法定量的表征一款通风橱设计的合理与否呢?有的兄弟有的,那么需要引入一个概念:面风速,面风速是指空气通过通风橱开口时的风速,也就是操作区的风速,对于合格的通风橱,面风速应在0.4m/s~0.6m/s之间,这个区间叫做安全面风速。
设计指标:
项目 | 指标 |
面风速 | 0.4m/s~0.6m/s |
烟雾测试(流线可视化) | 桌面区域为层流 烟雾不外溢 |
具有开启高度可调的视窗 | 最大开启高度至少50cm 便于检修和搬运仪器 |
开启高度在30cm以内时安全 | 烟雾测试不外溢 面风速0.4m/s~0.6m/s |
光照充足便于操作 | 看着舒服就行~ |
桌面材料耐腐蚀 | 环氧树脂或陶瓷桌面 |
Ansys fluent是一款非常强大的工程软件。虽然其几乎没有汉化且学习曲线陡峭,但仍然是流体仿真的绝佳工具。经过了数个周末的折磨(光是装破解版软件就折腾了一天),终于“会”跑瞬态仿真了(至少会个皮毛doge)。于是我便开始了“愉快”的仿真迭代。
步长:0.01s
步数:500steps
单步最大迭代次数:20 (配置不够,残差来凑)
V1:
这就是前文所述的“带一个洞和一个电风扇的木箱”,可以看到内场有明显的低速涡流。这种结构会困住有毒气体,并因扰动(比如说实验人员的手从里面抽了出来)而外泄。
V2:
这一代增加了导流背板,中间的流线没有那么混乱了,且涡流有所减少。但事实上,在追踪有害气体(仿真时用的是二氧化氮,以10g/s的质量流率从烧杯口喷出)的流线时,仍然发现了问题。操作区域存在过多有害气体,且可以发现靠经桌面处存在流线方向的突变。通过视频发现,内场中间区域的大漩涡仍然存在。随着二氧化氮气流上升,其很快被大涡旋撕裂并捕获。剩下小部分则通过背板抽走。
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V3:
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这一代改进了导流背板的形状和位置,中间的大漩涡流线变得更为稀疏。但是通过二氧化氮的质量分数云图表征,可以得知大漩涡还是“困住”了二氧化氮。且靠近进风口的那块区域的二氧化氮质量分数有2%到3%左右,存在泄露风险。
V4:
这是最后改出来了比较优秀的一代。可以看到大漩涡完全消失,这一点从二氧化氮质量分数云图上可以看到。这里为了和V3形成对比,需要让色谱颜色互相对应以更好的区分优劣。故上图V4的仿真结果中,上部的深红色处,二氧化氮质量分数其实在7%左右。虽然浓度极值比V3(4%)大,但是V4的毒气不受涡流影响,不会回流,富集在上部后被排出,相比之下V3存在回流问题,毒气散布在通风橱内部的操作区域,安全性较低。而V4靠近进风口的那块区域的二氧化氮质量分数只有千分之几,且面风速在0.6m/s左右,符合设计要求。
首先刷漆。先上一遍透明的底漆以提高木板的防腐性能,底漆干后用聚氨酯漆刷3遍(三回啊三回)。这里我本来是要一个人完成的,结果把木板扛上楼顶时被爷爷看到了。老登以前干过木工活,虽然好久没干手生了,但是刷了两块板之后直接血脉觉醒了,刷的比我这个小登还快。
刷完漆之后就是把板子放在楼顶上的阴凉处晾一周了。虽然这聚氨酯漆的商家承诺里面没有甲醛和挥发性芳香化合物,但是谁知道呢?
彻底没有气味了之后就是喜闻乐见的总装环节了。其实我是拍了不少视频的,但是因为相机赤石了,直接把视频文件夹损坏了,导致相机和电脑都识别不出来。有图为证:
《请输入文本》《世界上最绝望的死法》《大型纪录片之相机机魂不悦肘飞SD卡》
好在中途用手机拍了几张照片:
总之,最后经过一个下午的组装,通风橱终于完成了:
嗯~斯不拉稀(淳平音)
我买了一些烟饼,又买了个风速计。于是便开始了测试。但是我真的把视窗开到30cm高度时,风速计竟然不转!只有把视窗下拉到15cm高度时风速计才开始转,测得0.5m/s的风速。(最后风速计突然不转了是因为这东西叶片不是很灵敏,0.5m/s是它能测得的最小风速,实际的风速肯定稍大于0.5m/s)
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于是乎,在几分钟的排查下,我发现是风机的问题。
风机的商品简介里明写“风量540m3/h” ,结合风机出风口直径15cm,由
$Q=3600×A×V$
$Q:风量,m^3/h$
$A:出风口面积,m ^2$
$V:风速,m/s$
可知其出风口风速应为8.5m/s,而实际上测得风速为4m/s左右,远小于其宣称的。
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商家的答复十分甚至九分的好玩:我把实测的视频发给客服,人就已读不回了。还以为是要憋什么大招呢,原来是没招了只能说我不专业了啊,哈哈哈。不过我最后也没为难客服,因为我也没招了。
《请输入文本》
当然了即使客服愿意退还我也不需要了,因为东西都已经固定好了,胶水干透了,螺丝也打了。只能说各位如果想要自己设计仿真并制造通风橱的话,把商家给的风机的风量先减半,这才是实际的风量。
那么这项目算是失败了吗?一页一页并非如此。既然实际风量是设计风量的一半,那直接把视窗开启的高度从30cm砍到15cm就可以了。实际上效果不错,15cm的空间足够我操作了。安全性也达标。可以看到,桌面附近的流动是漂亮的层流,和仿真结果吻合。
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甚至可以吸收通风橱外的烟雾:
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项目 | 指标 | 完成情况 |
面风速 | 0.4m/s~0.6m/s | √ |
烟雾测试(流线可视化) | 桌面区域为层流 烟雾不外溢 | √ |
具有开启高度可调的视窗 | 最大开启高度至少50cm 便于检修和搬运仪器 | √ |
开启高度在30cm以内时安全 | 烟雾测试不外溢 面风速0.4m/s~0.6m/s | × |
光照充足便于操作 | 看着舒服就行~ | √ |
桌面材料耐腐蚀 | 环氧树脂或陶瓷桌面 | √ |
不知道各位有没有发现,我其实在申报基金时漏了一个环氧树脂的桌面。所以我的实际成本是1000¥出头。但是可以通过压缩成本重新降到1000¥以内(就几十块也没必要压了)。还有就是油漆买多了。实际上1kg的底漆和面漆就够了,这又可以省下来大几十。
除此之外最大的痛点就是对商家的过度信任导致抽风时疲软无力。烟雾测试中,实测20cm以上的视窗打开高度就会有烟雾泄露,此时面风速在0.4m/s左右。保险起见在操作危化品时视窗打开高度不超过15cm以确保安全。看来我还是图样图森破,some times naive啊。除此之外这款通风橱就没有什么大的缺点了。
当然,除了风机风量虚标导致的抽风疲软这一硬伤,还有一些地方是能改进的。比如说窗框的棱角会扰流导致湍流的产生,可以用3d打印的圆滑的导流槽改进一下。
综上所述,这款通风橱的性能基本可以满足家实党的需求。这种自制的通风橱最大的好处就是可以定制,最大化家中空间的利用率。西方化学爱好者们有个别名“车库化学家”,所以他们可以直接购买二手的实验室通风橱进行改装或者翻修,反正车库里放得下。但是这对于大部分国内爱好者来说是不可能的。市面上几乎找不到适合我阳台尺寸的通风橱,连买来改装都不可能了,只好自己设计自己制作。最后,感谢kc对我的资助以及各位kcer对我提供的支持,鼓励和宝贵的建议。有了这个魂器,我已经迫不及待要开始大展拳脚了!
2026/4/11 补档:
流体仿真图纸(流域模型)
两个文件内容相同但是格式不同。第二个文件请使用solid works打开。需要注意的是,这是内流场仿真所需的流域。实体部分为流域,镂空的才是导流背板等部件。