Расходы (потоки) воздуха в системах промышленной вентиляции

Определение расчетных и текущих расходов воздуха, необходимых для поддержания заданных параметров и состава воздушной среды, являются основной и неотъемлемой частью проектирования систем вентиляции. Согласно нормам [1] различают такие потоки (расходы) воздуха (рис.5):

· наружный (1) – атмосферный воздух, поступающий в систему вентиляции и кондиционирования;

· приточный (2) – воздух, подаваемый в помещение (в систему) после подготовки;

· воздух в помещении (3)– воздух в помещении (зоне) после подготовки;

· перетекающий (4)– воздух, непосредственно перетекающий из одного помещения в другое;

· вытяжной (5)– воздух, удаляемый из помещения;

· рециркуляционный (6) – часть вытяжного воздуха, возвращаемого в систему вентиляции и кондиционирования;

· удаляемый (7)– воздух, удаляемый в атмосферу;

· вторичный (8)– воздух, отбираемый из помещения и возвращаемый в то же помещение (например, после обработки в вентиляторном конвекторе);

· утечка (9)– непредусмотренный поток воздуха через неплотности в системе;

· инфильтрация (10) – поступление воздуха в здание из окружающей среды (воздухопроницаемость некоторых конструкций см. [18,120]);

· эксфильтрация (11) – утечка воздуха из здания в окружающую среду;

· воздушная смесь (12) – смесь двух или более потоков воздуха.

«Рециркуляция воздуха - подмешивание воздуха помещения к наружному воздуху и подача этой смеси в данное или другие помещения; рециркуляцией не является перемешивание воздуха в пределах одного помещения, в том числе сопровождаемое нагреванием (охлаждением) отопительными агрегатами (приборами) или вентиляторами-веерами» [21]. Ограничения применению рециркуляции – см. п. 7.4.4 [21].

Рис. 5. Типы потоков (расходов) воздуха.

Минимальный[1] расход наружного воздуха для производственного помещения со многими людьми, выделением различных вредных веществ, местными отсосами, требованиями подпора или разрежения определяется, как больший из нескольких расходов в системе уравнений (7). Расход наружного воздуха для разбавления до ПДК каждого из веществ неоднонаправленного действия вычисляется по формуле (7,г) и из них выбирают наибольшее, а для однонаправленного – по формуле (7,д). Группы веществ однонаправленного действия указаны в [41]. Минимальный расход наружного воздуха, L_H.min, м³/ч определяется с учетом:

– санитарной нормы:

(7,а)

– местных отсосов и одновременности их работы:

(7,б)

– разбавления вредных или взрывоопасных веществ (формула в общем виде) и компенсации местных отсосов:

(7,в)

– тоже, при разбавлении вредных веществ неоднонаправленного действия:

(7,г)

– тоже, при разбавлении вредных веществ однонаправленного действия:

(7,д)

– требований подпора или разряжения:

(7,е)

где n_л – число людей, находящихся в помещении в наибольшую смену; L_H.сан – санитарная норма подачи наружного воздуха (см. прил. М [21], м³/(ч×чел); k_одн – расчетный коэффициент одновременности работы местных отсосов, безразм.; åL_MO – суммарная расчетная производительность всех местных отсосов, м³/ч; h_МО – эффективность улавливания вредности местным отсосом, безразм.; M_вв.i – массовый расход выделяющегося в воздух помещения i-того вредного вещества, мг/ч; с_н,i – концентрация i-того вредного вещества в наружном воздухе, мг/м³; m - коэффициент расхода в неплотности, где происходит инфильтрация, безразм.; F – площадь неплотности, м²; r_в – плотность воздуха, кг/м³; DР – перепад давлений, создаваемый в помещении по отношению к наружному воздуху или окружающим помещениям, Па; с_мо – концентрация вредного или взрывоопасного вещества в уходящем от местного отсоса воздухе, мг/м³; c_в – допустимая концентрация вредного (с_в = ПДК[2]) или взрывоопасного (с_в = 0.1НКПРП, см. прил. Л, п. Л.3 [20]) вещества в воздухе, удаляемом за пределами рабочей зоны, мг/м³; k_L^с – коэффициент воздухообмена по концентрации.

Эффективность улавливания вредности местным отсосом:

(8)

Эффективность снижения воздухообмена в помещении при замене общеобменной вентиляции местной вытяжкой можно оценить по зависимости:

(9)

Пример 3. Определить во сколько раз сократится воздухообмен при применении местной вытяжки по сравнению с общеобменной. Эффективность улавливания вредности местным отсосом h_МО = 0.8, отношение с_мо/ПДК = 10. Расчетный воздухообмен по сравнению с общеобменной вентиляцией можно снизить до т. е. можно сократить в сорок раз, но с проверкой всех других требований к расходу наружного воздуха.

Пример 4. На участке сварки расход электродов УОНИ-13/45 составляет G_э=10кг/ч. При сварке выделяются [54]: сварочные аэрозоли g₁=14г/кг электродов, ПДК₁ = 4 мг/м³; марганец (Mn) и его оксиды (Mn_xO_y) g₂=0.51 г/кг, ПДК₂ = 4 мг/м³; оксид кремния (SiO₂) g₃=1.4 г/кг, ПДК₃ = 1 мг/м³; фтористый водород (HF) g₄=1 г/кг, ПДК₄ = 0.1 мг/м³. Сварщики имеют переносные вытяжные фильтровентиляционные установки со средней эффективностью улавливания вредных веществ h_МО = 0.8. Определить минимальный расход наружного воздуха на разбавление прорвавшихся вредных веществ, считая, что в забираемом приточной системой наружном воздухе названных вредных веществ не содержится [55].

Если условно полагать все вредные вещества однонаправленного действия, то по формуле (7,г) минимальный расход наружного воздуха составит:

Если считать все вредные вещества при сварке неоднонаправленного действия [41], то наибольшее количество наружного воздуха потребует разбавление HF, т.к. для него отношение g/ПДК наибольшее. В этом случае потребуется подавать наружный воздух в количестве:

Расчетный расход приточного воздуха определяется по условию ассимиляции избыточной теплоты, влаги, или одновременно теплоты и влаги и наличия местных отсосов, L_пр, м³/ч:

– по избыткам явной теплоты:

(10,а)

– по избыткам полной теплоты:

(10,б)

– по избыткам влаги (водяного пара):

(10,в)

где L_мо – расход воздуха, удаляемого из обслуживаемой или рабочей зоны помещения системами местных отсосов, и на технологические нужды, м³/ч; Q_расч. – избыточный явный тепловой поток в помещение, Вт; с_т.в – теплоемкость воздуха, кДж/(кг∙°С); t_мо – температура воздуха, удаляемого системами местных отсосов и на технологические нужды, в обслуживаемой или рабочей зоне помещения, °С; t_в – температура воздуха, удаляемого за пределами обслуживаемой или рабочей зоны, °С; G_вл – влаговыделения в помещении, кг/ч; d_мо, d_в – влагосодержание воздуха, удаляемого из обслуживаемой или рабочей зоны помещения системами местных отсосов (и на технологические нужды) и за пределами обслуживаемой зоны, г/кг; d_пр – влагосодержание воздуха, подаваемого в помещение, г/кг; i_мо, i_в – удельная энтальпия воздуха, удаляемого из обслуживаемой или рабочей зоны помещения системами местных отсосов (и на технологические нужды) и за пределами обслуживаемой или рабочей зоны, кДж/кг; i_пр – удельная энтальпия воздуха, подаваемого в помещение, кДж/кг; i_пар – удельная энтальпия пара, равная 2500 кДж/кг; k_L^t, k_Lⁱ, k_L^d – коэффициенты воздухообмена см. [46, 54, 83, 140].

Воздухообмен при перетекании воздуха из более чистого в более грязное помещение (при наличии разности давлений) с разными тепловлаговыделениями и вредностями вычисляется раздельно и последовательно по методике [61], см. рис. 6.

В помещении может быть или баланс воздушных масс, так дисбаланс (положительный или отрицательный) по отношению к смежным помещениям. Уравнение баланса воздушных масс помещений имеет вид:

(11)

где L_пр – расход приточного воздуха; L_уд – расход воздуха, удаляемого общеобменной системой вентиляции; L_мо – расход воздуха, удаляемого системой местных отсосов; L – утечки (подсосы) воздуха.

Рис. 6. Пример построений в диаграмме i-d влажного воздуха при перетекании воздуха из помещения 1 в помещение 2: П₁, Р₁, В₁ – состояние воздуха в помещении 1; П₂, В₂ – состояние воздуха в помещении 2, С – состояние смеси воздуха, подаваемого в помещение 2 (П₂) и перетекающего из помещения 1 (В₁).

Согласно теории турбулентной диффузии вредные вещества могут распространяться против потока воздуха, см. рис. 7. Чтобы не допустить распространения вредных веществ из «грязной» зоны (помещения) в «чистую», необходимо создать определенную скорость движения воздуха через разделяющий их проем. В процессе расчета используют следующие основные зависимости [58]:

– необходимый расход в проеме:

(12)

–необходимая скорость:

(13)

– коэффициент турбулентного обмена:

(14)

– удельная энергия, вносимая приточными струями:

(15)

где x = δ+2l₁; δ – толщина перегородки, разделяющей «чистую» и «грязную» зоны, м; l₁ – меньший размер проема, м; с_max – максимальное значение концентрации вредных веществ в «грязном» помещении; 0.3ПДК – допустимое содержание вредности в приточном воздухе; 0.1ПДК – допустимая концентрация в «чистом» помещении; l – определяющий размер проема, м.

Рис. 7. Зависимость изменения относительной концентрации вредности с/с₀ в сносящем плоскопараллельном потоке воздуха в зависимости от расстояния x (м) и отношения v_в/A (по В.М. Эльтерману).

Пример 5.Определим скорость движения воздуха в перегородке δ=0.1м, разделяющей два помещения через проем 1.5х2м; в «грязном» помещении концентрация может достигать c_max = 20ПДК (например, при аварии). В «чистое» помещение подают воздух с концентрацией вредного вещества 10% от ПДК. Приток чистого воздуха происходит со скоростью v₀=1.5 м/с, коэффициент α=1.6, кратность воздухообмена в «чистом» помещении k_p =10 ч^-1.

Удельная энергия, вносимая приточными струями:

Коэффициент турбулентного обмена:

Необходимая скорость в проеме:

Необходимый расход воздуха в проеме:

Таким образом, если в «грязном» помещении произойдёт авария и ПДК увеличится в 20раз, то для того чтобы защитить «чистое» помещение от проникновения вредных веществ через открытый проём, необходимо обеспечить расход воздуха в проеме равный 13400 м³/ч.

«Дисбаланс – разность расходов воздуха, подаваемого в помещение (здание) и удаляемого из него системами вентиляции с искусственным побуждением, кондиционирования воздуха и воздушного отопления» [21].