Промышленная вентиляция и кондиционирование

Эффективным средством обеспечения чистоты воздуха и допустимых параметров микроклимата воздуха рабочей зоны является промышленная вентиляция.

Вентиляцией называется организованный и регулируемый воздухообмен, обеспечивающий удаление из помещения загрязненного воздуха и подачу на его место свежего.

По способу перемещения воздуха различают естественную, механическую и комбинированную вентиляцию.

3.3.1. Естественная вентиляция

Воздухообмен в производственных помещениях при естественной вентиляции осуществляется благодаря возникающей разности давлений снаружи и внутри зданий (DР). Эта разность определяется во-первых, величиной теплового напора (DР_т), обусловленной разностью температур (плотностей) наружного, (вне здания) и внутреннего (в помещении) воздуха и, во-вторых, величиной ветрового напора (DР_в), обусловленной интенсивностью обдувания здания ветровым потоком.

Расчетная разность давлений определяется по формуле

где g - ускорение свободного падения, м/c².; h - вертикальное расстояние между центрами приточного и вытяжного отверстий, м; p_н и p_вн - плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м³; W- скорость ветрового потока, обдувающего здание м/с; К_з - коэффициент аэродинамического сопротивления здания.

Рис.3.1. Схема естественной канальной вытяжной вентиляции: h1 - нижний ярус окон; h2 - верхний ярус окон

Неорганизованная естественная вентиляция ( инфильтрация или естественное проветривание) осуществляется сменой воздуха в помещениях через неплотности в ограждениях и элементах строительных конструкций благодаря возникающей разности давлений снаружи и внутри помещения. Такой воздухообмен зависит от случайных факторов: силы и направления ветра, температуры воздуха внутри и снаружи здания, вида ограждения и качества строительных работ. Однако, инфильтрация может быть значительной, и для жилых зданий достигать 0,5-0,75 объема помещения в час, а для промышленных предприятий до 1-1,5 .

Для обеспечения постоянного воздухообмена для поддержания чистоты воздуха в помещении необходима организованная вентиляция.

Организованная естественная вентиляция может быть вытяжной без организованного потока воздуха (канальная и бесканальная аэрация).

Канальная естественная вытяжная вентиляция без организованного притока воздуха (рис.3.1) широко применяется в жилых и административных зданиях. Расчетное гравитационное давление таких систем вентиляции определяют при температуре наружного воздуха 5^оС, считая, что все оно расходуется на тракте вытяжного канала, без учета сопротивления входу воздуха в здание.

При расчете сети воздуховодов прежде всего производят ориентировочный подбор их сечений исходя из допустимых скоростей движения воздуха в каналах верхнего этажа V = 0,5-0,8 м/с, в каналах нижнего этажа и сборных каналах на чердаке V = 1-1,5 м/c.

Для увеличения располагаемого давления в системах естественной вентиляции на устье вытяжных шахт устанавливают насадки-дефлекторы. Усиление тяги происходит благодаря разряжению, возникающему при обтекании дефлектора ветром. На рис.3.2 приведена схема дефлектора ЦАГИ. Эффективность работы дефлектора зависит от силы ветра и высоты установки его над коньком крыши.

Рис.3.2. Принципиальная схема дефлектора ЦАГИ: 1 - цилиндрический патрубок; 2 - диффузор; 3 - обечайка; 4 - зонт

Рис.3.3. Схема аэрации промышленного здания: 1 - нижний ярус окон; 2 - верхний ярус окон

Для ориентировочного расчета определяют диаметр подводящего патрубка До и соответствующие ему конструктивные размеры (м):

где L_д - производительность дефлектора, м³/ч; V_д - скорость воздуха в патрубке дефлектора, м/с, которая принимается равной половине скорости ветра (обычно V_д = 1,5-2 м/с при скорости ветра V_в = 3-4 м/с).

Аэрацией называется организованная общеобменная естественная вентиляция помещений в результате поступления и удаления воздуха через открывающиеся фрамуги окон и фонарей.

Аэрация нашла широкое применение в промышленных зданиях, характеризующихся технологическими процессами с большими тепловыделениями. Поступление наружного воздуха в цех в холодный период года выполняют с таким расчетом, чтобы холодный воздух не попадал в рабочую зону. Для этого наружный воздух подается в помещение через проемы, расположенные не ниже 4,5 м от пола (рис.3.3). В теплый период года приток наружного воздуха ориентируют через нижний ярус оконных проемов (Н = 1...2м).

Основным достоинством аэрации является возможность осуществлять интенсивный воздухообмен при малых энергозатратах, а также относительная простота ее устройства и обслуживания.

К недостаткам аэрации следует отнести то, что в теплый период года эффективность аэрации может существенно падать вследствие повышения температуры наружного воздуха и невозможность предварительной обработки воздуха (очистки, нагрева, увлажнения), а также очистки удаляемого воздуха.

3.3.2. Механическая вентиляция

Вентиляция, при помощи которой воздух подается в производственные помещения или удаляется из них по системам вентиляционных каналов с использованием для этих целей специальных механических побудителей, называется механической.

Рис.3.4. Механическая вентиляция

Механическая вентиляция по сравнению с естественной имеет ряд преимуществ: возможность перемещения воздуха по воздуховодам на большие расстояния вследствие значительного давления, создаваемого вентилятором; изменение или сохранение необходимого воздухообмена независимо от температуры наружного воздуха и скорости ветра; предварительная очистка, осушка или увлажнение, подогрев или охлаждение вводимого в помещение воздуха; оптимальное воздухораспределение с подачей воздуха непосредственно к рабочим местам; улавливание вредных выделений непосредственно в местах их образования и предотвращение их распространения по всему объему помещения, а также очистка загрязненного воздуха перед выбросом его в атмосферу.

К недостаткам механической вентиляции следует отнести значительную стоимость сооружений и эксплуатации и необходимость проведения мероприятий по борьбе с шумом.

По способу подачи и удаления воздуха различают четыре схемы об-щеобменной вентиляции (рис.3.4).

Приточная система применяется для вентиляции помещений, в которых нежелательно попадание загрязненного воздуха из соседних помещений или холодного воздуха извне.

Вытяжную систему целесообразно применять в том случае, когда вредные выделения данного помещения не должны распространяться на соседние помещения.

Приточно-вытяжные системы являются наиболее распространенными в промышленности, так как они более полно удовлетворяют условиям создания нормируемых параметров воздуха помещений.

Системы с рециркуляцией отработавшего воздуха - это системы, в которых к наружному воздуху подмешивается часть вытяжного воздуха. Применяются они для снижения расхода тепла в холодный период года или снижения расхода холода в теплый период года. Эти системы разрешается использовать только для помещений, в которых отсутствуют выделения вредных веществ или выделяющиеся вещества относятся к 4 классу опасности и концентрация их в воздухе, подаваемом в помещение, не превышает 30%.

По способу обеспечения необходимых параметров воздушной среды системы вентиляции подразделяются на общеобменные, местные, смешанные, аварийные и системы кондиционирования.

Общеобменная вентиляция предназначена для создания и поддержания необходимых параметров воздушной среды во всем объеме рабочей зоны помещений. Она применяется в том случае, когда вредные выделения поступают непосредственно в воздух помещения и когда рабочие места не фиксированы, а располагаются по всему помещению.

При нормальном микроклимате и отсутствии вредных выделений ко-личество воздуха при общеобменной вентиляции принимается в зависимости от объема помещения, приходящегося на одного работающего. В производственных помещениях с объемом воздуха на каждого работающего менее 20 м³ расход воздуха на одного работающего должен быть не менее 30 м³/ч. В помещениях с объемом помещения в пределах от 20 до 40 м³ на одного работающего расход воздуха должен быть более 20 м³/ч.

В помещениях с объемом помещения на одного работающего более 40 м³ и при наличии естественной вентиляции механическая вентиляция не предусматривается.

3.3.3. Расчет воздухообмена при расчетной вентиляции

Количество воздуха, которое должно подаваться в производственное помещение общеобменной системой вентиляции, определяется с учетом вида вредного фактора, загрязняющего воздушную среду (токсичные вещества, теплоизбытки, влагоизбытки).

1. При выделении токсичных веществ (газы, пары, пыли) воздухообмен определяется по формуле

, м³/ч,

где L - количество подаваемого воздуха, м/ч; G - общее количество вредных веществ, выделяющихся в помещение, мг/ч; С_q - ПДК вредных веществ в воздухе рабочих помещений, мг/м³; C_o - концентрация вредных веществ в приточном воздухе, мг/м³ (не более 30% ).

Расход воздуха для обеспечения норм взрывопожарной безопасности определяется по формуле:

,

где q_нкпр- нижний концентрационный предел распространения пламени по газо-, паро,-пылевоздушным смесям, мг/м; G - количество взрывоопасного вещества в воздухе, мг/ч.

Количество вредных веществ (G), выделяющихся в помещение из оборудования, находящегося под давлением, рассчитывается по формуле

, г/ч,

где Р_и - избыточное давление, Па; m - коэффициент негерметичности, характеризующий падение давления в аппарате, ч^-1; V - объем аппарата, занимаемый газовой (паровой) фазой, м³; h - коэффициент запаса, принимаемый равным 2; Т - абсолютная температура газа или пара в аппарате, К; М - молярная масса газа или пара.

Количество вредных веществ, поступающих в помещение через неплот- ности фланцевых соединений, определяется по формуле

г/ч,

где Р_и - избыточное давление внутренней среды, Па; K - коэффициент, учиты- вающий материал прокладки (для паронита K=1, для резины K=5, для фторпласта - 4 K=0,5); m - коэффициент негерметичности, ч^-1; l - длина фланцевого соединения, м .

Количество вредных веществ, выделяемых через сальниковые уплотнения, можно определить по формуле

,

где D - диаметр вала или штока, мм; B - опытный коэффициент, равный 2,5 - для бензинов, лигроинов, керосинов и других ЛВЖ; P - давление, развиваемое насосом, Па.

2. В помещениях, где образуется избыток тепла, применяется формула

, м³/ч,

где Q_изб. - количество избыточного тепла, выделившегося в помещение, кДж/ч; r - плотность воздуха, кг/м³; с - удельная теплоемкость воздуха, равная 1,005 кДж/м^{3 о}С; t_п, t_ух- температура подаваемого воздуха, в рабочую зону и уходящего из помещения, ^оС.

При этом температура уходящего из помещения воздуха определяется из зависимости

где Dt - температурный градиент по высоте помещения, ^oС/м (Dt =0,5 - 1,5); h - расстояние от пола до центра вытяжных проемов, м; 2 - высота рабочей зоны, м .

Температура подаваемого воздуха (t_n) должна быть на 5-8 С ниже температуры воздуха в рабочей зоне или t_n = t+0,001Р_в , где Р_в - полное давление вентилятора, Па; t - температура наружного воздуха, ^оС.

Количество избыточного тепла, выделившегося в помещение, рассчитывается по формуле

Q_изб = Q_я – Q_ух,

где Q_я- явная теплота, выделяемая в ходе технологического процесса (оборудованием, работающими и др.); Q_ух - теплота, уходящая из помещения (потребляемая в ходе процесса, отводимая в строительные конструкции и др.).

Поскольку вентиляция рассчитывается для летнего периода, Q_ухдопускается принимать равной 0. Тогда, Q_изб = Q_я, которая складывается из теплоты, выделяемой в помещение от технологического оборудования (Q_об), от оборудования, проводимого в действие электродвигателями (Q_э), от источников искусственного освещения (Q_осв), от работающих (Q_р), т.е.

Q_изб =Q_об + Q_э + Q_осв +Q_р.

3. В помещениях с избыточным влаговыделением необходимое количество воздуха, которое должна обеспечивать общеобменная система, рассчитывается по формуле

, м³/ч,

где I_n- масса водяных паров, выделяющихся в помещение, г/ч; d_уд - содержание влаги в воздухе, удаляемом из помещения, г/кг (определяется по диаграммам с учетом значения температуры и относительной влажности, которые должны быть в помещении в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005-88); d_пр - содержание влаги в наружном воздухе, подаваемом в помещение, г/кг.

При одновременном поступлении в помещение тепла и влаги необходимый воздухообмен принимается по наибольшему количеству воздуха, полученного в расчетах для каждого вида производственных выделений.

При одновременном выделении в рабочую зону нескольких вредных веществ, не обладающих однонаправленным характером действия на организм человека, потребный воздухообмен общеобменной вентиляции допускается принимать по тому веществу, для которого требуется подача наибольшего количества чистого воздуха.

При одновременном выделении в воздух рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия (серный и сернистый ангидрид; окислы азота совместно с окисью углерода и др.) расчет общеобменной вентиляции следует производить путем суммирования объемов воздуха, необходимых для разбавления каждого вещества в отдельности до его условных предельно допустимых концентраций.

При одновременном выделении в воздух рабочей зоны вредных веществ, тепла и влаги необходимый воздухообмен принимается по наибольшему количеству воздуха, полученного в расчетах для каждого вида производственных вредностей.

3.3.4. Местная вентиляция

Местная вентиляция предусматривается для улавливания загрязнений непосредственно у источника возникновения или из тех зон помещения, в которых наблюдается максимальная концентрация вредных веществ или наиболее высокая температура.

Различают местную приточную, вытяжную и в отдельных случаях местную приточно-вытяжную вентиляцию.

К системам местной приточной вентиляции относятся воздушные души, воздушные завесы и воздушные оазисы. Воздушное душирование применяется при воздействии на работающего потока радиационной теплоты с интенсивностью 350 Вт/м² и более и в том случае, если вентиляция не обеспечивает на рабочем месте заданных параметров воздушной среды. Воздушные души выполняются в форме направленных на рабочих воздушных потоков с определенными параметрами.

Воздушная завеса представляет собой воздушную струю, направленную под углом навстречу холодному потоку воздуха, и выполняет роль воздушного шибера, уменьшая прорыв холодного воздуха через проемы. Согласно СНиП 2.04.05-91 воздушные завесы необходимо устанавливать у различного рода проемов (ворот, дверей, люков и т.д.) отапливаемых помещений при температуре наружного воздуха холодного периода года 15 ^оС и ниже.

Воздушные оазисы предназначены для улучшения метеоусловий труда (чаще отдыха) на ограниченной площадке.

Рис.3.5. Местные системы вентиляции: а - вытяжной шкаф; б - зонт; в - бортовые отсосы (1 - однобортовый; 2 - двухбортовый); г - передув

Система местной вытяжной локализующей вентиляции применяется для предотвращения распространения выделений, образующихся на отдельных участках технологического процесса. Основной метод борьбы с вредными выделениями заключается в устройстве и организации отсосов и укрытий (рис.3.5).

Одним из самых простых видов местных отсосов являются вытяжные зонты. Эффективность работы вытяжного зонта зависит от габаритов, высоты подвеса и угла его раскрытия. Они служат для улавливания вредных веществ, имеющих меньшую плотность, чем окружающий воздух, и устанавливаются над ваннами различного назначения (см.рис.3.5б).

Вытяжные шкафы - наиболее эффективные устройства по сравнению с другими отсосами, так как почти полностью укрывают источник вредности (см.рис.3.5а).

Бортовые отсосы применяют тогда, когда пространство над поверхностью выделения вредностей должно оставаться совершенно свободным, а выделения не нагреваются до такой степени, чтобы подниматься вверх (см.рис.3.5в).

Бортовые отсосы могут быть односторонними, когда щель отсоса расположена вдоль одной из длинных сторон ванны, и двусторонними – при расположении щелей отсоса с противоположных сторон ванны. Эти отсосы не применимы при высоких температурах выделяемых веществ и значительной летучести жидкости, так как скорость движения этих веществ вверх будет значительно выше скорости отсоса.

Передувка представляет собой односторонний отсос, активизированный плоской струей, направленной из приточного воздуховода, расположенного с противоположной стороны от отсоса (см.рис.3.5г). Под действием струи поток из ванны направляется к вытяжной щели с большой скоростью, что позволяет почти в три раза сократить необходимый объем отсоса.

Преимущество местной вентиляции состоит в том, что она дает возможность удалять вредные вещества в больших количествах при небольших расходах воздуха. Потребная производительность местных вытяжных систем вентиляции определяется по формуле

V_отс = W_отс SF 3600, м³/ч,

где W_отс - скорость воздуха на входе в воздухоприемное устройство (укрытие), м/с (для вытяжных шкафов - в открытом проеме, для бортовых отсосов - в щели отсоса); SF - суммарная площадь поперечного сечения всех укрытий, обслуживаемых данной системой, м².

Скорость всасывания зависит от типа вытяжного устройства и характера выделяющихся вредных веществ (м/с):

0,15 - 0,5 - при выделении нетоксичных вредностей (тепло, влага);

0,5 - 0,7 - при выделении токсичных веществ с ПДК 100 мг/м³;

0,7 - 1,5 - при выделении токсичных веществ с ПДК 100 мг/м³.

В тех случаях, когда количество выделяемых вредных веществ в воздух помещений трудно определить, допускается рассчитывать количество вентиляционного воздуха и кратности воздухообмена, установленной ведомственными нормативными документами.

Кратность воздухообмена Kпоказывает, сколько раз в течение часа воздух в помещении должен быть заменен полностью:

K = L/V_п, ч

где L - объем воздуха для вентиляции помещения, м³/ч; Vп - объем помещения, м³.

Смешанная система вентиляции является сочетанием элементов местной и общеобменной вентиляций, когда выделившиеся в помещение через неплотности укрытий вредные вещества удаляются общеобменной вентиляцией.

3.3.5. Аварийная вентиляция

Аварийная вентиляция предусматривается в производственных помещениях, в которых возможно внезапное поступление в воздух больших количеств вредных или взрывоопасных веществ.

Производительность аварийной вентиляции совместно с общеобменной вентиляцией должна обеспечивать кратность воздухообмена не менее 8 ч^-1.

Система аварийной вентиляции должна включаться автоматически при достижении ПДК или НКПРП (нижнего концентрационного предела распространения пламени) для взрывоопасных веществ, а также при останове одной из систем общеобменной или местной вентиляции.

3.3.6. Кондиционирование воздуха

Для создания оптимальных метеорологических условий в производствен- ных помещениях применяется наиболее современный вид промышленной вентиляции - кондиционирование воздуха.

При кондиционировании автоматически регулируются температура воздуха, его относительная влажность и скорость подачи в помещение в зависимости от времени года, наружных метеоусловий и характера технологического процесса в помещении.

В ряде случаев помимо обеспечения санитарных норм микроклимата воздух в кондиционерах проходит специальную обработку: ионизацию, дезодорацию, озонирование и т.п.

Принципиальная схема кондиционера представлена на рис.3.6.

Рис.3.6. Схема устройства кондиционера

Наружный воздух очищается от пыли в фильтре 2 и поступает в камеру 1, где он смешивается с воздухом из помещения (при рециркуляции). Пройдя через ступень предварительной температурной обработки 4, воздух поступает в камеру II, где он проходит специальную обработку (промывка воздуха водой, обеспечивающая заданные параметры относительной влажности и очистку воздуха), затем в камеру III (температурная обработка). При температурной обработке зимой воздух подогревается частично за счет температуры воды, поступающей в форсунки 5, и частично при прохождении через калориферы 4 и 7.

Летом воздух охлаждается частично подачей в камеру II охлажденной (артезианской) воды, а главным образом за счет работы специальных холодильных машин.

Кондиционирование воздуха играет существенную роль не только с точки зрения безопасности жизнедеятельности, но и во многих технологических процессах, при которых не допускается колебания температуры и влажности воздуха.

3.3.7. Основные требования к системам вентиляции

Основными требованиями к системам вентиляции являются:

- соответствие количества приточного воздуха L_прк количеству удаляемого L_уд, разница между ними должна составлять не более 10-15%;

- отношение количества подаваемого воздуха к количеству удаляемого, называемое вентиляционным воздушным балансом. При равенстве притока и вытяжки баланс называется уравновешенным, при превышении притока над вытяжкой - положительным, в противоположном случае - отрицательным.

При отрицательном балансе воздух из вентилируемого помещения со значительными выделениями вредных веществ не перетекает в помещения с меньшими выделениями или в помещения, где этих выделений совсем нет. Положительный же баланс дает возможность практически полностью изолировать помещение от проникновения в него производственных вредностей. Такую вентиляцию используют, например, в тамбур-шлюзах, отделяющих взрывоопасные производства от невзрывоопасных.

Вытяжные и приточные системы должны быть правильно размещены. Удаление воздуха производится из зоны с наибольшим загрязнением, подача - в зоны с наименьшим загрязнением. Высота расположения воздухоприемных и воздухораспределительных устройств определяется соотношением плотности воздуха в помещении и плотности вещества, его загрязняющего. При тяжелых загрязнениях удаление воздуха осуществляется из нижней части помещения, при легких - из верхней.

Cистемы вентиляции должны обеспечивать требуемую чистоту воздуха и микроклимат в рабочей зоне, быть электро-, пожаро- и взрывобезопасны, просты по устройству, надежны в эксплуатации и эффективны, а также не должны являться источником шума и вибрации.

Место для забора свежего воздуха располагают с наветренной стороны по отношению к выбросным отверстиям и на расстоянии не менее 8 м от них.

В холодное время года приточный воздух подогревается в калориферах.

Устройство для выброса удаляемого из помещения воздуха в атмосферу должно быть расположено на 1-1,5 м выше конька крыши зданий с наибольшей высотой в радиусе 50 м.

Вытяжные вентиляционные камеры устраивают отдельно от приточных вентиляционных камер.

Вентиляционные камеры, в которых размещено вентиляционное оборудование, обслуживающее производства категорий А и Б, а также в которых выделяются вредные газы. Они должны быть изолированы от основных производственных помещений категорий А и Б, а также помещений, в которых выделяются вредные газы или пыли первого класса опасности.

Вентиляционные камеры сооружают из несгораемых материалов.

Воздуховоды изготавливают из несгораемых или трудносгораемых материалов и заземляют для защиты от разрядов статического электричества, возникающего при трении пыли, брызг жидкости о стенки воздухоотвода. В пожароопасных и взрывоопасных производствах для предупреждения распространения пожара через вентиляционные каналы не допускается присоединение к одной системе вентиляции различных производств и участков.

Каждый этаж, не соединенный проемами, оборудуется самостоятельной системой вентиляции.