ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ

Вентиляцией называется комплекс взаимосвязанных устройств и процессов для создания требуемого воздухообмена в производственных помещениях. Основное назначение вентиляции — удаление из рабо­чей зоны загрязненного или перегретого воздуха и подача чистого воздуха, в результате чего в рабочей зоне создаются необходимые благоприятные условия воздушной среды. Одна из главных задач, возникающих при устройстве вентиляции,— определение воздухооб­мена, т. е. количество вентиляционного воздуха, необходимого для обеспечения оптимального санитарно-гигиенического уровня воздуш­ной среды помещений.

В зависимости от способа перемещения воздуха в производствен­ных помещениях вентиляция делится на естественную и искусственную (механическую).

Применение вентиляции должно быть обосновано расчетами, при которых учитываются температура, влажность воздуха, выделение вред­ных веществ, избыточное тепловыделение. Если в помещении нет вредных выделений, то вентиляция должна обеспечивать воздухообмен не менее 30 м³/ч на каждого работающего (для помещений с объемом до 20 м³ на одного работающего). При выделении вредных веществ в воздух рабочей зоны необходимый воздухообмен определяют исходя из условий их разбавления до ПДК, а при наличии тепловых избытков — из условий поддержания допустимой температуры в рабочей зоне.

Естественная вентиляция производственных помещений осущест­вляется за счет разности температур в помещении наружного воздуха (тепловой напор) или действия ветра (ветровой напор). Естественная вентиляция может быть организованной и неорганизованной.

При неорганизованной естественной венти­ляции воздухообмен осуществляется за счет вытеснения внутрен­него теплового воздуха наружным холодным воздухом через окна, форточки, фрамуги и двери. Организованная естествен­ная вентиляция, или аэрация, обеспечивает воздухооб­мен в заранее рассчитанных объемах и регулируемый в соответствии с метеорологическими условиями. Бесканальная аэрация осуществляется при помощи проемов в стенах и потолке и рекомендуется в помещениях большого объема со значительными избытками теплоты. Для получения расчетного воздухообмена вентиляционные проемы в стенах, а также в кровле здания (аэрационные фонари) оборудуют фрамугами, которые открываются и закрываются с пола помещения. Манипулируя фрамугами, можно регулировать воздухообмен при из­менении наружной температуры воздуха или скорости ветра (рис. 4.1). Площадь вентиляционных проемов и фонарей рассчитывают в зави­симости от необходимого воздухообмена.

Рис. 4.1. Схема естественной вентиляции здания:

а — при безветрии; б — при ветре; 1 — вытяжные и приточные отверстия; 2 — тепловыделяющий агрегат

В производственных помещениях небольшого объема, а также в помещениях, расположенных в многоэтажных производственных зда­ниях, применяют канальную аэрацию, при которой загрязненный воздух удаляется через вентиляционные каналы в стенах. Для усиления вытяжки на выходе из каналов на крыше здания устанавливают дефлекторы — устройства, создающие тягу при обдувании их ветром. При этом поток ветра, ударяясь о дефлектор и обтекая его, создает вокруг большей части его периметра разрежение, обеспечивающее подсос воздуха из канала. Наибольшее распространение получили дефлекторы типа ЦАГИ (рис. 4.2), которые представляют собой ци­линдрическую обечайку, укрепленную над вытяжной трубой. Для улучшения подсасывания воздуха давлением ветра труба оканчивается плавным расширением — диффузором. Для предотвращения попада­ния дождя в дефлектор предусмотрен колпак.

Рис. 4.2. Схема дефлектора типа ЦАГИ:

1 — диффузор; 2 — конус; 3 — лапки, удерживающие колпак и обечайку; 4 — обечайка; 5 — колпак

Расчет дефлектора сводится к определению диаметра его патрубка. Ориентиро-вочно диаметр патрубка d дефлектора типа ЦАГИ можно вычислить по формуле:

,

где L — объем вентиляционного воздуха, м³/ч; — скорость воздуха в патрубке, м/с.

Скорость воздуха (м/с) в патрубке при учете только давления, создаваемого действием ветра, находят по формуле

,

где — скорость ветра, м/с; — сум­ма коэффициентов местного сопротивле-ния вытяжного воздуховода при его отсутствии e = 0,5 (при входе в патрубок); l — дли-на патрубка или вытяжного возду­ховода, м.

С учетом давления, создаваемого ветром, и теплового давления скорость воздуха в патрубке вычисляют по формуле

,

где — тепловое давление Па; здесь — высота дефлек­тора, м; — плотность, соответственно, наружного воздуха и воздуха внутри помещения, кг/м³.

Скорость движения воздуха в патрубке составляет примерно 0,2...0,4 скорости ветра, т. е. . Если дефлектор уста­новлен без вытяжной трубы непосредственно в перекрытии, то скоро­сть воздуха несколько больше .

Аэрация применяется для вентиляции производственных помеще­ний большого объема. Естественный воздухообмен осуществляется через окна, световые фонари с использованием теплового и ветрового напоров (рис. 4.3). Тепловое давление, в результате которого воздух поступает в помещение и выходит из него, образуется за счет разности температур наружного и внутреннего воздуха и регулируется различной степенью открытия фрамуг и фонарей. Разность этих давлений на одном и том же уровне называется внутренним избыточным давлением . Оно может быть как положительным, так и отрицательным.

Рис. 4.3. Схема аэрации здания

При отрицательном значении (превышении наружного давле­ния над вну-тренним) воздух поступает внутрь помещения, а при положительном значении (превышении внутреннего давления над наружным) воздух выходит из помещения. При = 0 движения воздуха через отверстия в наружном ограждении не будет. Ней-тральная зона в помещении (где = 0) может быть только при действии одних те-плоизбытков; при ветре с теплоизбытками она резко смещается вверх и исчезает. Рас-стояния нейтральной зоны от середины вытяжного и приточного отверстий обратно пропорциональны квадратам площадей отверстий. При , где — площади, соответст­венно, входных и выпускных отверстий, м²; —высоты располо­жения уровня равных давлений, соответственно, от входного до вы-пускного отверстий, м.

Расход воздуха G, который протекает через отверстие, имеющее площадь F, вычисляют по формуле:

,

где G — массовый секундный расход воздуха, т/с; m — коэффициент расхода, зависящий от условий истечения; r — плотность воздуха в исходном состоянии, кг/м³; — разность давлений внутри и снаружи помещения в данном отверстии, Па.

Ориентировочное количество воздуха, выходящего из помещения через 1 м² площади отверстия, с учетом только теплового давления и при условии равенства площадей отверстий в стенках и фонарях и коэффициенте расхода m = 0,6 можно определить по упрощенной формуле:

,

где L — количество воздуха, м³/ч; Н — расстояние между центрами нижних и верхних отверстий, м; — разность температур: средней (по высоте) в помещении и наружной, ° С.

Аэрация с использованием ветрового давления основана на том, что на наве-тренных поверхностях здания возникает избыточное дав­ление, а на заветренных сторо-нах разрежение. Ветровое давление на поверхности ограждения находят по формуле:

,

где k — аэродинамический коэффициент, показывающий, какая доля динамического давления ветра преобразуется в давление на данном участке ограждения или кровли. Этот коэффициент можно принять в среднем равным для наветренной стороны + 0,6, а для подветренной — -0,3.

Естественная вентиляция дешева и проста в эксплуатации. Основ­ной ее недостаток заключается в том, что приточный воздух вводится в помещение без предварительной очистки и подогрева, а удаляемый воздух не очищается и загрязняет атмосферу. Естественная вентиляция применима там, где нет больших выделений вредных веществ в рабочую зону.

Искусственная (механическая) вентиляция устраняет недостатки естественной вентиляции. При механической вентиляции воздухооб­мен осуществляется за счет напора воздуха, создаваемого вентилято­рами (осевыми и центробежными); воздух в зимнее время подогревается, в летнее—охлаждается и кроме того очищается от загрязнений (пыли и вредных паров и газов). Механическая вентиляция бывает приточной, вытяжной, приточно-вытяжной, а по месту дейст­вия — общеобменной и местной.

При приточной системе вентиляции (рис. 4.4, а) производится забор воздуха извне с помощью вентилятора через калорифер, где воздух нагревается и при необходимости увлажняется, а затем подается в помещение. Количество подаваемого воздуха регу­лируется клапанами или заслонками, устанавливаемыми в ответвлени­ях. Загрязненный воздух выходит через двери, окна, фонари и щели неочищенным.

При вытяжной системе вентиляции (рис. 4.4, б) загрязненный и перегретый воздух удаляется из помещения через сеть воздуховодов с помощью вентилятора. Загрязненный воздух перед выбросом в атмосферу очищается. Чистый воздух подсасывается через окна, двери, неплотности конструкций.

Приточно-вытяжная система вентиляции (рис. 4.4, в) состоит из двух отдельных систем — приточной и вытяж­ной, которые одновременно подают в помещение чистый воздух и удаляют из него загрязненный. Приточные системы вентиляции также возмещают воздух, удаляемый местными отсосами и расходуемый на технологические нужды: огневые процессы, компрессорные установки, пневмотранспорт и др.

Для определения требуемого воздухообмена необходимо иметь следующие исходные данные: количество вредных выделений (тепла, влаги, газов и паров) за 1 ч, предельно допустимое количество (ПДК) вредных веществ в 1 м³ воздуха, подаваемого в помещение.

Рис. 4.4. Схема приточной, вытяжной и приточно-вытяжной механической вентиляции:

а — приточная; 6 — вытяжная; в — приточно-вытяжная; 1 — воздухоприемник для забора чистого воздуха; 2 — воздуховоды; 3 — фильтр для очистки воздуха от пыли; 4 — калориферы; 5 — вентиляторы; 6 — воздухораспределительные устройства (насадки); 7 — вытяжные трубы для выброса удаляемого воздуха в атмосферу; 8 — устройства для очистки удаляемого воздуха; 9 — воздухозаборные отверстия для удаляемого воздуха; 10 — клапаны для регулирования количества свежего вторичного рециркуляционного и выбрасываемого воздуха; 11 — помещение, обслуживаемое приточно-вытяжной вентиляцией; 12 — воздуховод для системы рециркуляции

Для помещений с выделением вредных веществ искомый воздухообмен L, м³/ч, определяется из условия баланса поступающих в него вредных веществ и разбавления их до допустимых концентраций. Условия баланса выражаются формулой:

,

где G — скорость выделения вредного вещества из технологической установки, мг/ч; G_пр — скорость поступления вредных веществ с при­током воздуха в рабочую зону, мг/ч; G_уд — скорость удаления разбав­ленных до допустимых концентраций вредных веществ из рабочей зоны, мг/ч.

Заменив в выражении G_пр и G_уд на произведение и , где и — соответственно концентрации (мг/м³) вредных веществ в приточном и удаленном воздухе, a и объем приточного и удаляемого воздуха в м³ за 1 час, получим

=

Для поддержания нормального давления в рабочей зоне должно выполняться равенство , тогда

-

Необходимый воздухообмен, исходя из содержания в воздухе во­дяных паров, определяют по формуле:

,

где — количество удаляемого или приточного воздуха в помещении, м³/ч; G_п — масса водяного пара, выделяющегося в помещении, г/ч; — влагосодержание удаляемого воздуха, г/кг, сухого воздуха; — влагосодержание приточного воздуха, г/кг, сухого воздуха; r — плот­ность приточного воздуха, кг/м3.

Влагосодержание d (г/кг) воздуха, т.е. отношение массы водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к единице массы сухого воздуха определяют по формуле:

где — соответственно массы (г) водяного пара и сухого воздуха. Необходимо иметь в виду, что значения и принимаются по таблицам физической характеристики воздуха в зависимости от значе­ния нормируемой относительной влажности вытяжного воздуха.

Для определения объема вентиляционного воздуха по избыточному теплу необходимо знать количество тепла, поступающего в помещение от различных источников (приход тепла), , и количество тепла, расходуемого на возмещение потерь через ограждения здания и другие цели, , разность и выражает количество тепла, которое идет на нагревание воздуха в помещении и которое должно учитываться при расчете воздухообмена.

Воздухообмен, необходимый для удаления избыточного тепла, вычисляют по формуле:

,

где — избыточное количество тепла, Дж/с, —температура уда­ляемого воздуха, ° К; —температура приточного воздуха, ° К; С — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг×К); r — плотность воздуха при 293° К, кг/м³.

Местная вентиляция бывает вытяжная и приточная? Вытяжную вентиляцию устраивают, когда загрязнения можно улавливать непос­редственно у мест их возникновения. Для этого применяют вытяжные шкафы, зонты, завесы, бортовые отсосы у ванн, кожухи, отсосы у станков и т.д. К приточной вентиляции относятся воздушные души, завесы, оазисы.

Вытяжные шкафы работают с естественной или механи­ческой вытяжкой. Для удаления из шкафа избытков тепла или вредных примесей естественным путем необходимо наличие подъемной силы, которая возникает, когда температура воздуха в шкафу превышает температуру воздуха в помещении. Удаляемый воздух должен иметь достаточный запас энергии для преодоления аэродинамического со­противления на пути от входа в шкаф до места выброса в атмосферу.

Объемный расход воздуха, удаляемого из вытяжного шкафа при естественной вытяжке (рис. 4.5), (м³/ч)

.

где h — высота открытого проема шкафа, м; Q — количество тепла, выделяемого в шкафу, ккал/ч; F — площадь открытого (рабочего) проема шкафа, м².

Рис. 4.5. Схема вытяжного шкафа с естественной вытяжкой:

1 — уровень нулевых давлений; 2 — эпюра распределения давлений в рабочем отверстии; Т₁ — температура воздуха в помещении; T₂ — температура газов внутри шкафа

Необходимая высота вытяжной трубы (м)

,

где — сумма всех сопротивле­ний прямой трубы на пути движения воздуха; d — диаметр прямой трубы, м (предварительно задается).

При механической вытяжке

,

где v — средняя скорость всасывания в сечениях открытого проема, м/с.

Бортовые отсосы устраи­вают у производственных ванн для шкафа удаления вредных паров и газов, которые выделяются из растворов ванн. При ширине ванны до 0,7 м устанавливают однобортовые отсосы с одной из продольных ее сторон. При ширине ванны более 0,7 м (до 1 м) применяют двухбортовые отсосы (рис. 4.6).

Объемный расход воздуха, отсасываемого от горячих ванн одно- и двухбортовыми отсосами, находят по формуле:

,

где L — объемный расход воздуха, м³/ч, k₃ — коэффициент запаса, равный 1,5...1,75, для ванн с особо вредными растворами 1,75...2; k_Т — коэффициент для учета подсоса воздуха с торцов ванны, зависящий от отношения ширины ванны В к ее длине l; для однобортового простого отсоса ; для двухбортового — ; С — безразмерная характеристика, равная для однобортового отсоса 0,35, для двухбортового — 0,5; j —угол между границами всасываю­щего (рис. 4.7); (в расчетах имеет значение 3,14); Т_в и Т_п — абсолютные температуры, соответственно, в ванне и воздуха в помещении, °К; g=9,81 м/с².

Вытяжные зонты применяют, когда выделяющиеся вред­ные пары и газы легче окружающего воздуха при незначительной его подвижности в помещении. Зонты могут быть как с естественной, так и с механической вытяжкой.

Рис. 4.6. Двухбортовой отсос от ванны

При естественной вытяжке начальный объемный расход воздуха в тепловой струе, поднимаю­щейся над источником, опре­деляют по формуле:

,

где Q — количество конвек­тивного тепла, Вт; F — пло­щадь горизонтальной проек­ции поверхности источника тепловыделений, м²; Н — рас­стояние от источника тепловы­делений до кромки зонта, м.

При механической вытяжке аэродинамическая характеристика зонта включает скорость по оси зонта, которая зависит от угла его раскрытия; с увеличением угла раскрытия увеличивается осевая скорость по сравнению со средней. При угле раскрытия 90° скорость по оси составляет l,65v (v — средняя скорость, м/с), при угле раскрытия 60° скорость по оси и по всему сечению равна v.

В общем случае расход воздуха, удаляемого зонтом,

,

где v — средняя скорость движения воздуха в приемном отверстии зонта, м/с; при удалении тепла и влаги скорость может быть принята 0,15...0,25 м/с; F — площадь расчетного сечения зонта, м².

Приемное отверстие зонта располагают над тепловым источником; оно должно соответствовать конфигурации зонта, а размеры принима­ют несколько большими, чем размеры теплового источника в плане. Зонты устанавливают на высоте 1,7...1,9 м над полом.

Для удаления пыли от различных станков применяют пылеприемные устройства в виде защитно-обеспыливающих кожухов, воронок и т.д.

Рис. 4.7. Угол между границами всасывающего факела при различном расположении ванны:

а — у стены ( ); б — рядом с ванной без отсоса ( ); в — отдельно ( ); 1 — ванна с отсосом; 2 — ванна без отсоса. В расчетах принять p = 3,14

Объемный расход воздуха L (м³/ч), удаляемого от заточных, шли­фовальных и обдирочных станков, рассчитывают в зависимости от диаметра круга d_кp(мм), а именно:

при < 250 мм L = 2 ,

при 250...600 мм L= 1,8 ;

при > 600 мм L = 1,6 .

Расход воздух (м³/ч), удаляемого воронкой, определяют по формуле:

,

где V_H —начальная скорость вытяжного факела (м/с), равная скорости транспортирова-ния пыли в воздуховоде, принимается для тяжелой наждачной пыли 14...16 м/с и для легкой минеральной 10...12 м/с; l — рабочая длина вытяжного факела, м; k — коэффи-циент, зависящий от формы и соотношения сторон воронки: для круглого отверстия k = 7,7 для прямоугольного с соотношением сторон от 1:1 до 1:3 k = 9,1; V_k — необходимая конечная скорость вытяжного факела у круга, принима­емая равной 2 м/с.