Теоретический материал

Вентиляционные системы предназначены для обеспечения чистоты воздуха и заданных микроклиматических условий в производственных помещениях за счёт удаления загрязнённого или нагретого воздуха из помещения и подачи свежего воздуха. Все практически используемые системы вентиляции можно классифицировать следующим образом:

по способу перемещения воздуха: естественные, механические, смешанные;

по направлению движения воздуха: приточные, вытяжные, приточно-вытяжные;

по зоне действия и способу обеспечения требуемых параметров микро-климата: общеобменные, местные;

по назначению: рабочие, аварийные;

по конструкции: канальные, бесканальные.

При естественной вентиляции воздух перемещается под действием сил гравитации, возникающих за счёт разности плотностей холодного и нагретого воздуха, либо под действием ветрового давления. Поступление и удаление воздуха при естественной вентиляции чаще всего организуется через проёмы ограждающих конструкций зданий (фрамуги, фонари) и такая вентиляция называется аэрацией - управляемая естественная вентиляция.

При механической вентиляции воздух перемещается под действием вентиляторов – осевых или центробежных. В смешанных системах одновременно используется и механическая, и естественная вентиляции, например, приток – естественный, вытяжка загрязнённого воздуха – механическая.

Общая или общеобменная вентиляция предназначена для создания усреднённых условий микроклимата во всём объёме производственного помещения. Применяется в том случае, если вредные выделения поступают непосредственно в воздух помещения и когда рабочие места не фиксированы в каких-то определённых границах, а располагаются по всему помещению. При общеобменной вентиляции для обеспечения данных условий часто требуются большие расходы воздуха, в связи с чем создание такой системы вентиляции может быть экономически нецелесообразным.

Для обеспечения требуемых микроклиматических условий непосредственно на рабочих мечтах применяются системы и способы местной вентиляции – приточной или вытяжной.

Местная вытяжная вентиляция конструктивно может выполняться в виде вытяжных шкафов, зонтов, бортовых и боковых отсосов, панелей равномерного всасывания – см. рис. 12.1.

Схема канальной общеобменной приточно-вытяжной вентиляции показана на рис. 12.2.

При выборе типа вентиляционной системы необходимо исходить из реальных условий, складывающихся в производственном помещении, учитывать требования экономичности и нормативные требования, изложенные в СП 60.13330.2012 [1] и СП 2.2.2.1312-03 [2]. Необходимо также учитывать и ограничения по шумности. Известно, что шумы, создаваемые в помещениях системами вентиляции и кондиционирования воздуха, должны быть на 5 дБ меньше фактического уровня шума в этих помещениях, - если они не превышают допустимые уровни; в остальных случаях – на 5 дБ меньше допустимых уровней.


Бортовой отсос	Вытяжной шкаф с комбинированным отсосом

Боковой отсос	А = а + 0,8 h B = в + 0,8 h a = 60^o + 70^o(по большей стороне) Вытяжной зонт

Рис. 12.1. Схемы местной вытяжной вентиляции

Рис. 12.2. Схема общеобменной приточно-вытяжной вентиляции

1 - воздухозаборное устройство; 2 - воздуховоды; 3 - фильтр;

4 - калорифер; 5 - вентилятор; 6 - приточное отверстие;

7 - вытяжное отверстие; 8 - очистное сооружение;

9 - устройство для выброса воздуха

Расчёт систем вентиляции в соответствии с СП 60.13330.2012 при проектировании в общем случае выполняется в следующей последовательности:

1) основываясь на конкретных условиях, выбирается тип вентиляции: обменная или местная, естественная или механическая и т.п.;

2) определяется количество выделяющихся вредностей в единицу времени, которыми могут быть избыточное тепло, влага, вредные пары или газы. Например, тепловыделения Q_дв от двигателя внутреннего сгорания составляют

Q_дв = 0,02N_e·q_e·Q_h, (12.1)

где N_e - эффективная мощность двигателя, Вт;

q_e - удельный расход топлива, кг/Вт·с;

Q_h - низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг.

В некоторых случаях количество выделяемых вредностей определяется экспериментально;

3) определяется необходимый воздухообмен - количество воздуха, которое нужно подать или удалить из помещения для обеспечения требуемых параметров воздушной среды. Например, в случае наличия в помещении избыточных тепловыделений и при отсутствии забора воздуха местными отсосами, на технологические и иные нужды, необходимый объём L приточного воздуха будет

, м³/ч (12.2)

где - суммарные избыточные явные тепловыделения от n источников, Вт;

c - теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·К);

r - плотность приточного воздуха, кг/м³;

t_ух, t_пр - температура соответственно уходящего и приточного воздуха, °С.

Температура уходящего воздуха определяется как

t_ух= t_р.з+ Dt(H_о - 2), (12.3)

где t_р.з - температура воздуха в рабочей зоне, требуемая по нормам [4], [5]. °С;

H_о - расстояние от пола до середины вытяжных отверстий;

Dt - температурный градиент, равный (0,5 ¸ 0,1)°С/м.

Воздухоподача L (м³/ч) для удаления избыточного влаговыделений рассчитывается по формуле:

, (12.4)

где - суммарные влаговыделения от n источников, г/ч;

d_ух, d_пр - влагосодержание соответственно уходящего и приточного воздуха, г/кг сухого воздуха определяются по таблицам физических характеристик воздуха.

Воздухоподача для удаления вредных веществ (м³/ч)

, м³/ч (12.5)

где G - количество выделенных вредных веществ, мг/ч;

q_o - содержание вредных веществ в приточном воздухе, мг/м³. Обычно q_o=0;

ПДК - предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м³. Определяется по ГОСТ 12.1.005.

В отдельных случаях, если количество выделяющихся вредностей не поддаётся расчёту, требуемый воздухообмен определяют по формуле

L = K×V, м³/ч, (12.6)

где K - кратность воздухообмена - отношение количества воздуха, подаваемого за 1 ч в помещение, к объёму V, м³, этого помещения, т.е. кратность воздухообмена указывает, сколько раз в течение 1 ч сменяется воздух в данном помещении.

Кратность K принимается по нормативным документам. Например, в соответствии с действующими требованиями для аварийной вытяжной вентиляции машинных помещений судовых аммиачных холодильных установок K=40. Для фреоновых - K=20;

4) определяются (на четвёртом этапе) параметры технических средств, с помощью которых осуществляется подача или удаление воздуха. Прежде всего рассчитывают длину l и сечение F (м²) воздуховодов, равное

, м² (12.7)

где v - скорость движения воздуха в воздуховоде. Обычно в магистралях принимают v = 15 ¸ 20 м/с, а в ответвлениях - 6 ¸ 12 м/с.

Далее рассчитывают потери давления H (Па) на преодоление сопротивления движению воздуха по воздуховодам

, Па, (12.8)

где l - коэффициент линейных потерь на трение при движении воздуха по воздуховоду;

d - диаметр воздуховода, м;

- сумма коэффициентов местных потерь в фасонных элементах воздуховодов (поворотах, арматуре, узлах слияния и деления потока и др.).

Затем подбирается вентилятор и вычисляется установочная мощность N приводного двигателя

, кВт, (12.9)

где h_в, h_п - кпд вентилятора и передачи соответственно.

В процессе эксплуатации вентиляционных систем не реже 1 раза в год необходимо оценивать эффективность их работы, включая контроль скорости движения воздуха в воздуховодах. Для местной вентиляции контролируется также скорость движения в открытых рабочих проёмах, которая для вытяжных шкафов не должна быть ниже 0,3 м/с, а при выделении токсических вредных веществ - 0,7 ¸ 1,0 м/с [18]. Для особо токсичных веществ скорость подсоса должна увеличиваться до 2,5-3,0 м/с.

Скорость движения воздуха в рабочих проёмах можно измерить с помощью анемометров чашечных (в пределах от1 до20 м/c) или крыльчатых (0,5 ¸ 5 м/с), а также прибора комбинированного (анемометр) ТКМ-50. Для измерения скоростей до 0,5 м/с применяют кататермометры, термоанемометры. Однако необходимо иметь в виду, что непосредственное измерение скорости в рабочем проёме вытяжного шкафа не позволяет точно характеризовать его работу, так как рассматриваемая скорость в значительной степени зависит от места замера. Поэтому такие измерения следует рассматривать как ориентировочные. Для более точного определения скорости подсоса воздуха в рабочем проёме необходимо определить расход воздуха L в вытяжной трубе шкафа, который равен

L = ×F_в×3600 м³/ч, (12.10)

где - средняя скорость движения воздуха в воздуховоде (трубе), м/с;

F_в - площадь сечения воздуховода, м².

Через рабочий проем вытяжного шкафа, очевидно, пройдет примерно то же количество воздуха, что и через воздуховод, т.е. можно записать

L = ×F_п× 3600 м³/ч, (12.11)

где - средняя скорость движения воздуха через рабочий проем вытяжного шкафа, м/с;

F_п - площадь рабочего проема, м².

Из формулы (12.11) следует

, м/с. (12.11)

Скорость движения воздуха в воздуховодах вентиляционных систем должна определяться в соответствии с ГОСТ 12.3.018. При этом мерное сечение т.е. то сечение, в плоскости которого выполняются замеры, должно располагаться на расстоянии ³ 5d от мест возмущения воздушного потока (отводов, шиберов, диафрагм и т.п.). При отсутствии прямолинейных участков необходимой длины мерное сечение допускается располагать в месте, делящем выбранный для измерения участок в соотношении 3:1 в направлении движения воздуха. Допускается размещать мерное сечение и непосредственно в месте внезапного расширения при сужении потока.

Поскольку скорость движения воздуха в различных точках поперечного сечения воздуховодов неодинакова, то в ГОСТ 12.3.018 предусмотрено измерение местной скорости в нескольких точках, количество которых, например, для воздуховодов прямоугольного сечения при длине короткой стороны 200 мм должно быть не менее 4 – см. рис. 12.3, а при большей длине сторон – 16. Максимальное отклонение координат точек измерения от указанных в ГОСТ не должно превышать ±10%. Количество измерений в каждой точке должно быть не менее 3.

Для измерения скорости воздуха в воздуховодах могут применяться указанные ранее анемометры, термоанемометры (при скорости воздуха менее 5м/с), а также комбинированные приёмники воздушного давления (ПВД) (рис. 12.4), соединяемые с дифференциальными микроманометрами - при скорости движения воздуха более 5 м/с.

Необходимо иметь в виду, что при внесении в воздуховод крыльчатого или чашечного анемометра уменьшается проходное сечение воздуховода. Поэтому измеренная этими приборами скорость будет отличаться от фактической.

0,2а

0,2в

Рис. 12.3. Координаты точек измерений давлений и скорости

в воздуховодах прямоугольного сечения

Рис. 12.4. Схема комбинированного приемника давления

1 – отверстие приемника полного давления; 2 – отверстие приемника

статического давления; 3,4 – трубки для подсоединения резиновых

шлангов микроманометра.

Термоанемометры и приёмники воздушного давления, имея меньшие габариты, не приводят к столь значительному изменению скорости воздуха из-за уменьшения проходного сечения.

Измерение скорости воздуха комбинированными ПВД основано на определении величины динамического давления p_д, (т.е. давления, создаваемого движущимся потоком воздуха, которое равно

, Па, (12.13)

где r - плотность воздуха, кг/м³;

v - скорость движения воздуха, м/с.

Для определения величины динамического давления используют дифференциальный микроманометр 3 (см. рис. 12.5 и лабораторный стенд), один штуцер которого с помощью шланга 2 подключают к отверстию трубки комбинированного приемника давления 1, направленному против потока воздуха – см. рис. 12.4 (поз.1). Второй штуцер микроманометра подключают к отверстию трубки комбинированного приемника давления, направленному перпендикулярно к потоку воздуха (см. рис. 12.4, поз.2). Для соединения трубок комбинированного приемника давления с микроманометром используются резиновые шланги 2 – см. рис. 12.5.

При включении вентиляции полное давление, создаваемое в воздуховоде, передается на микроманометр через отверстие 1, а статическое – через отверстие 2 – см. рис. 12.4. Разница между полным и статическим давлением представляет динамическое давление – благодаря ему и осуществляется перемещение воздуха по вентиляционным каналам. Динамическое давление в микроманометре уравновешивается столбиком подкрашенного спирта, заполняющего наклонную трубку микроманометра - см. прибор, размещенный на лабораторном столе. При малой величине динамического давления для повышения точности измерений трубка дифференциального микроманометра наклоняется под углом к вертикали.

Рис. 12.5. Схема лабораторной установки

1- комбинированный приемник давления, 2 – резиновые шланги,

3 – дифференциальный микроманометр, 4 – рабочий проем, 5 – вытяжная

труба (воздуховод), 6 – вытяжной шкаф с верхним отсосом, 7 – подвижная

шторка, 8 – отверстия в воздуховоде для ввода комбинированного приемника

давления, 9 – наклонная трубка микроманометра, 10 – вентилятор осевой.

Определив по микроманометру длину столбика спирта (мм), можно рассчитать динамическое давление по формуле

, Па, (12.14)

где k - постоянный множитель прибора, его значения, соответствующие различным углам наклона трубки микроманометра, нанесены на дужке прибора;

r_ж- плотность жидкости, заполняющей резервуар микроманометра, соответствующая температуре 20°С;

b - коэффициент объёмного расширения жидкости (для спирта b = 0,0011, для воды b = 0,00015);

t - температура воздуха, при которой производятся замеры.

Учитывая, что микроманометр, используемый в данной лабораторной работе, заполнен спиртом, окрашенным метилротом и r_ж = 0,82 г/см³, получаем из формулы (12.14)

, Па. (12.15)

Перед замерами уровень спирта в наклонной трубке микроманометра должен быть приведён к нулевому делению шкалы. Студентами не выполняется.

По результатам замеров динамического давления во всех точках мерного сечения, согласно рис. 12.3, рассчитывается усреднённое динамическое давление p_д

, Па (12.16)

где z - число точек замеров.

Средняя скорость движения , м/с, в мерном сечении воздуховода вентиляционной системы, как следует из выражения (12.13), находится как

, м/с (12.17)

где r - плотность воздуха, принимаемая равной 1,2 кг/м³.

При измерении скорости движения воздуха в отдельных точках рабочего проема вытяжного шкафа анемометрами среднюю скорость движения воздуха рассчитывают по формуле

, м/с. (12.18)