Тема 2.1 Требование к воздуху различных производств. Виды загрязнений воздуха.

Основные параметры атмосферного воздуха.

Газовая оболочка земли – атмосфера – является частью биосферы. Она состоит из 75,55% азота, 23,1% кислорода и 1,35% инертных и прочих газов. Соотношение количеств этих компонентов в атмосферном воздухе стабильно. Кроме того, в атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров, которое может изменяться в значительных пределах.

Смесь сухого газа с водяным паром называется влажным газом или влажным воздухом.

Каждый газ, в том числе и пар, входящий в состав смеси, занимает тот же объем, что и вся смесь, имеет температуру смеси и находится под своим парциальным давлением.

Отношение массы газа М¡ к объему смеси V называют концентрацией w¡ данного газа в смеси.

Барометрическим давлением атмосферного воздуха рб называют сумму парциальных давлений сухой его части ( рс.в.) и водяного пара (рв.п.):

рб = рс.в. + рв.п.

Барометрическое давление измеряют в Паскалях.

Значение парциального давления компонента смеси в состоянии полного насыщения называют парциальным давлением насыщения рн, или упругостью насыщенного пара.

Смесь, состоящую из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного пара, - насыщенным влажным воздухом.

Относительная влажность φ, %, паровоздушной смеси представляет собой отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха при одинаковых температурах и давлениях. Для насыщенного воздуха φ=100%. Относительную влажность воздуха в помещении нормируют; для общественных и жилых помещений она считается допустимой в диапазоне 30…70%.

Количество водяного пара, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг, сухого воздуха:

d = Мв.п. / Мс.в.,

где Мв.п. – масса водяных паров, г; Мс.в. – масса сухого воздуха

Плотность влажного воздуха ρ, кг/м³, представляет собой отношение массы воздушно-паровой смеси М, кг, к объему этой смеси U, м³:

М

ρ = --------

U

Плотность газа прямо пропорциональна его давлению и обратно пропорциональна температуре. Плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого воздуха, так как молекулярная масса пара меньше молекулярной массы воздуха.

Удельная массовая теплоемкость влажного воздуха (при постоянном давлении) представляет собой количество теплоты, которое нужно затратить для того, чтобы нагреть на один градус 1 кг сухой части влажного воздуха и приходящееся на его долю количество водяных паров:

ср = сс.в. + св.п.d/1000,

где сс.в. - удельная массовая теплоемкость сухого воздуха, равная 1,0048 кДж/(кгК) (средняя для температур в интервале 0…100ºС);

св.п. - удельная массовая теплоемкость водяного пара, равная 1,8068 кДж/(кгК);

d - влагосодержание воздуха, г/кг.

Удельной объемной теплоемкостью влажного воздуха называют количество теплоты, которое нужно затратить , чтобы нагреть на один градус 1м3 влажного воздуха. При барометрическом давлении 1000кПа и температуре 0˚C удельная объемная теплоемкость влажного воздуха составляет 1,29 кДж/(м³К). При изменении температуры и давления удельная объемная теплоемкость влажного воздуха меняется пропорционально объемной массе, поэтому при определении расходов теплоты на нагревание (или его охлаждение) целесообразнее пользоваться удельной массовой теплоемкостью.

Удельное теплосодержание сухого воздуха, Дж/кг,

I = сс.в.Т,

где Т – температура воздуха, К.

Удельное теплосодержание насыщенного пара, Дж/кг,

Iн.п. = Iж + r = cж Tж + r,

Iж - удельное теплосодержание жидкости, Дж/кг;

r - удельная теплота испарения, Дж/кг;

cж - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кгК);

Тж - температура жидкости, К

Удельную теплоту испарения, кДж/кг, определяют по эмпирической формуле М.И.Фильнеева:

r = 2500 – 2,38 Тж.

В системе СИ основное уравнение для определения теплосодержания (энтальпии) влажного воздуха имеет вид:

Iвд. = 1,005 ·t + (2500 + 1,8068 ·t ) d · 10 ֿ³

Точкой росы tр влажного воздуха называют температуру, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранениии постоянного влагосодержания. Чтобы определить точку росы влажного воздуха с заданным влагосодержанием d, следует вычислить парциальное давление водяного пара рв.п. по формуле:

dрб

Рв.п. = -------------

(621 + d)

Затем по справочнику, содержащему таблицы парциального давления насыщения рв.п. водяными парами влажного воздуха, находят соответствующую температуру насыщения – это и будет точка росы.

Температурой мокрого термометра tм называют температуру, которую имеет влажный воздух на стадии полного насыщения в процессе испарения воды без подвода теплоты извне при постоянном теплосодержании.

Итак, основными параметрами состояния влажного воздуха, характеризующими его тепловые и влажностные свойства, являются: температура t , влагосодержание d , теплосодержание I , относительная влажность φ, точка росы tр , температура мокрого термометра tм, парциальное давление водяного пара рв.п., причем параметры t и d могут изменяться произвольно, независимо друг от друга, а каждому конкретному их сочетанию соответствуют определенные числовые значения всех остальных параметров. Эти параметры влажного воздуха используют при расчетах систем вентиляции и кондиционирования.

Виды вредных выбросов и их воздействие на человека.

Человек чувствует себя нормально, если вдыхаемый им воздух не содержит вредных для организма пыли, паров и газов. Вредные примеси, содержащиеся в воздухе, могут проникать в организм человека через дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, кожные покровы. При создании новых и модернизации существующих предприятий предусматривают мероприятия, обеспечивающие условия для нормальной работы, при которых воздух очищается от вредных примесей. Но есть еще технологические процессы, сопровождающиеся выделением вредных веществ или выполняемые в условиях повышенных запыленности и загрязнения воздуха (в землеприготовительных, литейных и кузнечных цехах, на углеразмольных участках и др.)

Одним из самых распространенных вредных веществ является пыль – мелкие частицы твердого вещества, способные находиться в воздухе во взвешенном состоянии. Пыль образуется при строительных работах (разборке старых конструкций, дроблении камня и других сырьевых компонентов), транспортировке сыпучих грузов, обработке твердых металлов, перегрузке и т.п.

По воздействию на организм человека различают пыли ядовитые (токсичные) и неядовитые (нетоксичные). Ядовитые пыли вызывают отравление, например, свинцовая пыль, образующаяся при изготовлении и ремонте свинцовой оболочки кабелей, аккумуляторов, попадая в организм вместе с вдыхаемым воздухом, вызывает изменения в нервной системе, крови, дыхательных путях. Неядовитые пыли оказывают вредное воздействие на дыхательные пути, являются причиной заболевания их верхних отделов и легких, действуют на кожу, глаза и ущи. Попадая на слизистую оболочку носа, в трахеи бронхов, пыль вызывает разнообразные реакции в зависимости от ее происхождения. В результате развиваются острые и хронические риниты (насморки). Задерживаясь в дыхательных путях, пыль вызывает катары бронхов, бронхиальную астму.

Вредность воздействия вдыхаемой пыли зависит от ее количества, размеров, формы пылинок и их химического состава. Мелкие пылинки размером 0,1…0,2 мкм называются дымом. В легких они не задерживаются и выдыхаются обратно. Частицы размером 10мкм и более задерживаются в носоглотке. Наиболее опасны частицы размером 0,2…7мкм, которые не задерживаются в верхних дыхательных путях, а проникают в легкие и вызывают профессиональные заболевания (силикоз и др.)

Некоторые производственные процессы сопровождаются выделением вредных веществ, попадающих в воздух рабочей зоны в газообразном состоянии. Например, при монтаже и ремонте аккумуляторных установок выделяются пары кислот или щелочей при изготовлении электродвигателей и проведении лакокрасочных и пропиточных работ – пары растворителей, при сварке и пайке – пары металла и т.д. Поступление вредных веществ через органы дыхания – самый распространенный и опасный путь: всасывание ядовитых веществ происходит интенсивно, они попадают в большой круг кровообращения, минуя печень. Поступление ядовитых веществ через желудочно-кишечный тракт несколько менее опасно, потому что большая часть попадает в печень, где задерживается и обесвреживается. Проникающие через поврежденную кожу ядовитые вещества также весьма опасны, так как попадают в этом случае прямо в большой круг кровообращения и вызывают отравление организма человека. Тяжесть отравления зависит от концентрации веществ, времени воздействия, температуры окружающей среды ( при высокой температуре ядовитые пары проникают в организм быстрее). Яды оказывают токсическое действие на организм в целом, но отдельные ядовитые вещества действуют преимущественно на отдельные органы и системы (например, метиловый спирт поражает зрительный нерв, бензол – кроветворные органы и т.д.).

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Под воздействием применяемого оборудования и технологических процессов в рабочей зоне создается определеннаявнешняя среда. Её характеризуют: микроклимат; содержание вредных веществ; уровни шума, вибраций, излучений; освещенность рабочего места.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать предельно допустимых концентраций (ПДК).

ПДК – это государственный гигиенический норматив для использования при проектировании производственных помещений, технологических процессов, оборудования, вентиляции, для контроля за качеством производственной среды и профилактики неблагоприятного воздействия на здоровье работающих.

ПДК – это концентрации, которые, воздействуя на людей при их ежедневной, кроме выходных дней, работе продолжительностью 8ч (или другой продолжительностью, но не более 41 часа в неделю) в течение всего рабочего стажа, не могут вызвать обнаруживаемые современными методами исследований заболевания или отклонения в состоянии здоровья как у самих работников в процессе трудовой деятельности и в дальнейший период жизни, так и у последующих поколений.

ПДК для большинства веществ являются максимально разовыми, т.е. содержание веществ в зоне дыхания работающих усреднено периодом кратковременного отбора проб воздуха: 15мин для токсичных веществ и 30мин для веществ, вызывающих фибрилляцию сердца. Для особо токсичных веществ наряду с максимально разовой установлена среднесменная ПДК, т.е. средняя концентрация, полученная при непрерывном или прерывистом отборе проб воздуха при суммарном времени не менее 75% продолжительности рабочей смены, или концентрация средневзвешенная во времени длительности всей смены в зоне дыхания работающих на местах постоянного или временного их пребывания.

В соответствии с СН 245-71 и ГОСТ 12.1.007-76 все вредные вещества по степени воздействия на человека подразделяются на четыре класса опасности:

1. Первый – чрезвычайно опасные – ПДК менее 0,1мг/м3 (свинец, ртуть – 0,001мг/м3);

2. Второй - высокоопасные - ПДК от 0,1 до 1,0мг/м3 (хлор – 0,1мг/м3; серная кислота – 1,0мг/м3);

3. Третий - умеренно опасные - ПДК от 1,1 до 10мг/м3 (спирт метиловый – 5мг/м3; дихлорэтан – 10мг/м3);

4. Четвертый - малоопасные - ПДК более 10мг/м3 (аммиак – 20мг/м3; ацетон – 200мг/м3; бензин, керосин – 300мг/м3; спирт этиловый – 1000мг/м3).

По характеру воздействия на организм человека вредные вещества можно

разделить: на раздражающие (хлор, аммиак, хлористый водород и др.); удушающие (оксид углерода, сероводород и др.); наркотические (азот под давлением, ацетилен, ацетон, четыреххлористый угрерод и др.); соматические, вызывающие нарушение деятельности организма (свинец, бензол, метиловый спирт, мышьяк).

Согласно требованиям санитарных норм и стандартов ССБТ на предприятиях должен осуществляться контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Там, где применяются высокоопасные вредные вещества первого класса, - непрерывный контроль с помощью автоматических самопишущих приборов, выдающих сигнал при превышении ПДК, а там, где применяются вредные вещества второго, третьего и четвертого классов, - периодический контроль путем отбора и анализа проб воздуха. Отбор проб производят в зоне дыхания в радиусе до 0,5м от лица работающего; берутся не менее пяти проб в течение смены.

К вредным веществам однонаправленного действия относят вредные вещества, близкие по химическому строению и характеру воздействия на организм человека. Примерами сочетаний веществ однонаправленного действия являются: сернистый и серный ангидриды; фтористый водород и соли фтористоводородной кислоты; формальдегид и соляная кислота; различные хлорированные углеводороды (предельные и непредельные); различные аминосоединения; различные нитросоединения; различные спирты; различные кислоты; различные щелочи; окись углерода и нитросоединения и др.

При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений фактических концентраций каждого из них в воздухе (К1, К2,…Кп) к их ПДК (ПДК1, ПДК 2, … ПДКп) не должна превышать единицы:

К1 К 2 Кп

------- + ------ + …+ ----- <1

ПДК1 ПДК 2 ПДК п

В списке ПДК используют следующие обозначения: п - пары или газы; а - аэрозоль, п + а - смесь паров и аэрозоля; + - требуется специальная защита кожи и глаз; О - вещества с остронаправленным механизмом действия, требующие автоматического контроля за их содержанием в воздухе; А - вещества, способные вызвать аллергические заболевания в производственных условиях; К - канцерогены; Ф - аэрозоли преимущественно фиброгенного действия.

При одновременном выделении в воздух рабочей зоны помещений нескольких вредных веществ, не обладающих однонаправленным характером действия, количество воздуха при расчете общеобменной вентиляции следует принимать по тому вредному веществу, для которого требуется подача наибольшего объема чистого воздуха.

В нашей стране ПДК устанавливают санитарные органы Минздрава России. Периодически, в соответствии с уровнем развития медицинских знаний, предельно допустимые концентрации пересматривают, как правило, в сторону ужесточения. Например, до 1968г действовали нормы, предусматривающие ПДК бензола 20мг/м3. Клинико-гигиенические исследования выявили случаи неблагоприятного воздействия таких его концентраций на организм человека. Это послужило основанием к снижению ПДК бензола до 5 мг/м3.

Все предельно допустимые концентрации стремятся к некоторым пределам, называемым обычно предельно допустимыми экологическими концетрациями (ПДЭК), под которыми имеются в виду концентрации вредных веществ, не оказывающие вредного влияния (ближайшего или отдаленного) на экологические системы, т.е. на совокупность живых организмов, среду обитания и их взаимосвязь.

В настоящее время установлены предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны более чем для 850 веществ.

Другим важнейшим показателем, характеризующим уровень загрязнения атмосферного воздуха, является предельно допустимый выброс (ПДВ). В отличие от ПДК, ПДВ является научно-техничеикм нормативом. Его измеряют во времени и устанавливают для каждого источника организованного выброса исходя из условия, что выброс вредных веществ данным источником и совокупностью источников района (с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере) не создает приземной концентрации, превышающей ПДК для атмосферного воздуха. Предельно допустимые концентрации можно получать за счет разбавления отходящих газов путем увеличения мощности вентиляционных систем или строительства более высоких труб.

На предприятиях, где применяют вредные вещества, должны разрабатываться и внедряться мероприятия по улучшению снитарно-технического состояния, новые прогрессивные технологии, исключающие контакт человека с вредными веществами.

Для удаления загрязненного воздуха непосредственно от источников образования вредных выделений предусматривается местная вытяжная вентиляция. Её выполняют в виде различных укрытий, вытяжных зонтов, вытяжных шкафов, бортовых отсосов.

Количество воздуха, м3/ч, которое необходимо удалить, определяют по формуле:

L = 3600 F v,

где F - площадь открытых проемов, через которые засасывается воздух, м²;

v - скорость движения воздуха в этих проемах, м/с.

Укрытия с отсосом характеризуются тем, что источник вредных выделений находится внутри них и в результате искуственно создаваемого разрежения вредные вещества не могут попасть в воздух помещения. Особенно большое значение такие укрытия имеют при борьбе с пылью, так как применение общеобменной вентиляции в этом случае малоэффективно. В практике наиболее распространены различные защитно-обеспыливающие кожухи, которыми снабжают шлифовальные, обдирочные, полировальные, заточные, деревообрабатывающие и некоторые другие станки.

Количество воздуха, м3/ч, необходимо для удаления пыли, от заточных, шлифовальных и полировальных станков определяют по формуле

L = Kр dкр.,

где Кр - размерный коэффициент, м³/(ч мм); dкр - диаметр круга, мм.

Коэффициент Кр зависит от диаметра круга и для заточных и шлифовальных станков составляет 1,6…2,0 , а для полировальных станков с войлочными и матерчатыми кругами - 4…6, м³/(ч мм).

Вытяжной зонт представляет собой металлический колпак, располагаемый над источником вредных выделений. Всасывающее сечение колпака имеет форму, геометрически подобную горизонтальной проекции облака вредных выделений. Размер каждой стороны прямоугольного зонта определяют из выражения:

В = bo + 0.8h

где bo - размер стороны (или диаметра) проекции облака выделений, м;

h – расстояние от поверхности источника выделений до приемного отверстия колпака, м.

Для равномерного всасывания угол раскрытия колпака принимают равным не менее 60º, а расстояние h - по возможности минимальным, так как в этом случае возрастает эффективность зонта.

При удалении теплого воздуха, влаги скорость воздуха в горизонтальном сечении колпака принимают равной 0,15…0,25м/с, а при удалении токсичных веществ - 0,5…1,25 м/с в зависимости от числа открытых сторон зонта.

Вытяжной шкаф создает укрытие со всех сторон источника вредных выделений.

Для наблюдения за работой в шкафу предусматривают рабочие проемы, закрываемые подвижными створками. Вытяжные шкафы используются в химических лабораториях, при термической и гальванической обработке металлов, окраске, развеске и расфасовке сыпучих материалов и др. в зависимости от характера вредных выделений и их температуры скорость воздуха, засасываемого в шкаф через рабочие отверстия, принимают равной от 0,5 (пары кислот, спиртов и др.) до 1,5 м/с (пары свинца, ртути, цианистых соединений и др.).

Бортовые отсосы конструктивно представляют собой щелевые воздухоприемники, располагаемые сбоку от зеркала вредных выделений. Такие отсосы находят применение в тех случаях, когда укрытие источника вредных выделений кожухом по техническим причинам не представляется возможным (при травлении металлов и нанесении гальванопокрытий, цинковании, серебрении, в процессе которых выделяются пары кислот, щелочей, цианистый водород и т.п.).

При ширине ванн до 0,5…0,7м используют однобортовые отсосы, при большей ширине – двухбортовые. Скорость засасывания в щель воздуха принимают равной 0,3…3м/с., при ширине ванн более 1,5…2,0м применяют бортовые отсосы со сдувом, в которых воздух подается с противоположной от щели отсоса стороны для улучшения всасывания в щель.

Количество воздуха, м3/ч, необходимое для сдува, определяют по формуле:

Lсд = 300 КАВ²,

где К – коэффициент, зависящий от температуры жидкости в ванне, изменяемой от 0,5(для 20ºС) до 1м (для 70…95ºС); А - длина ванны, м; В - ширина ванны, м.

Количество воздуха, м³/ч, отсасываемое бортовым отсосом со сдувом:

Lот = 6 Lсд

Ширину щели бортового отсоса принимают равной 40…100мм, ширину щели сдува принимают равной 0,0125 ширины ванн, но не менее 5мм.