Местная вытяжная вентиляция

Для улавливания вредных выделений от технологического оборудования широко применяется местная вытяжная вентиляция. Местная вытяжная вентиляция при помощи специальных устройств, называемых местными отсосами, обеспечивает улавливание вредностей непосредственно у места их образования и не допускает распространения их по помещению. При таком способе вентилирования помещений необходимый санитарно-гигиенический эффект достигается при существенно меньшем, чем при общеобменной вентиляции, воздухообмене и более надежно.

Эффективность и технико-экономические показатели местной вытяжной вентиляции во многом определяются правильно запроектированными и рассчитанными местными отсосами.

Местный отсос — это устройство, состоящее собственно из местного отсоса и источника вредных выделений. Поэтому местный отсос можно считать частью вентиляционно-технологической системы и классифицировать по признакам, определяющим характер и основные особенности движения вредных выделений около всасывающих отверстий.

В зависимости от взаимного расположения отсоса и источника вредных выделений различают:

местные отсосы «открытого' типа, когда отсос находится на некотором расстоянии от источника вредных выделений и окружающий воздух свободно подтекает к всасывающему отверстию:

местные отсосы «закрытого» типа (полные укрытия), когда источник вредных выделений находится внутри отсоса и сообщается с окружающим воздухом через сравнительно небольшое рабочее отверстие;

переходные и промежуточные формы между отсосами открытого и закрытого типов, когда источник с одной или нескольких сторон изолируется от окружающего пространства.

К местным отсосам открытого типа относятся вытяжные зонты, боковые и нижние отсосы, а к отсосам закрытого типа — вытяжные шкафы и кожухи-укрытия. Самую большую группу представляют отсосы переходной формы, к которым можно отнести зонты-козырьки, бортовые отсосы, некоторые формы боковых отсосов и т. д.

Местные отсосы можно классифицировать в зависимости от схемы расположения источника вредных выделений и отсоса. В соответствии с этим отсосы делятся на расположенные соосно, боковые и нижние.

По форме приемного отверстия местные отсосы могут быть круглые, прямоугольные и щелевые.

Для более эффективного улавливания вредных выделений можно использовать приточную струю. Приточная струя может изолировать зону вредных выделений от окружающего пространства, обеспечивать сдув вредностей в зону эффективного действия местного отсоса или выполнять обе указанные функции. В связи с этим местные отсосы могут быть простыми, когда вредности удаляются только за счет разрежения, создаваемого в рабочем проеме отсоса, и активированные поддувом воздуха.

В зависимости от назначения приточной струи активированные поддувом воздуха местные отсосы подразделяют на активированные приточной струей (или просто активированные), если струя используется только для сдува вредностей, и комбинированные с завесойстенкой (или просто комбинированные), если струя используется для локализации вредных выделений в ограниченной зоне.

В основу классификации местных отсосов можно положить форму источника вредных выделений (плоские, объемные), причину и характер движения вредных выделений (тепловые, динамические и диффузионные), класс опасности вредных выделений (чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренно опасные, малоопасные) и другие признаки [14].

К местным отсосам могут быть предъявлены санитарно-гигиенические и конструктурско-технологические требования. Санитарно-гигиенические требования состоят в том, что местные отсосы должны максимально удалять вредные выделения при минимальных объемах воздуха, не быть дополнительным источником загрязнения воздуха.

Конструкторско-технологические требования к местным отсосам сводятся к следующему:

рабочее отверстие отсоса должно быть максимально приближено к источнику вредных выделений, однако местные отсосы не должны мешать технологическому процессу или затруднять его;

форма приемного отверстия местного отсоса должна соответствовать форме источника вредных выделений;

зону действия местного отсоса следует максимально ограничить экранами и ширмами;

вредные выделения должны удаляться от места их образования в направлении их естественного движения;

конструкция местного отсоса должна быть простой, иметь минимальное аэродинамическое сопротивление и тесно увязываться с технологическим оборудованием.

Производительность местного отсоса L, м^/ч,(количество воздуха, удаляемого через местный отсос) для многих видов местных отсосов можно определять по формуле.

где F — суммарная площадь рабочего проема, щелей и неплотностей местного отсоса, м2; v — скорость воздуха в сечении рабочего проема отсоса, при которой происходит минимальное поступление вредных выделений в окружающее пространство, м/с.

Выбор скорости в сечении рабочего проема отсоса зависит от многих причин, главными из которых являются: степень токсичности отсасываемых вредностей; наличие или отсутствие механических и физических явлений, стимулирующих выбивание вредностей из-под укрытия отсоса; конструктивные особенности местного отсоса.

Выше указывалось, что местный отсос является частью вентиляционно-технологической системы. Поэтому производительность местного отсоса можно считать пропорциональной потоку вредных выделений [14]:

где к — коэффициент, учитывающий конструктивные особенности и режим работы отсоса; L _% — поток вредных выделений на расстоянии х от источника до рабочего сечения местного отсоса (например, расход воздуха в тепловой струе на уровне ее всасывания через зонт), м^/с.

Расход L_x определяется по соответствующим формулам, характеризующим распространение вредных выделений в пространстве, например (2.65). Более сложным является расчет коэффициента к. В общем случае определение коэффициента к сводится к решению задачи о взаимодействии потока вредных выделений и всасывающего факела.

Полное улавливание вредных выделений даже отсосом закрытого типа невозможно из-за ряда причин, одной из которых является диффузия, вызванная наличием поля турбулентности в помещении.

В связи с этим вводится понятие эффективности местного отсоса, определяемой по формуле.

где L_M — производительность обшеобменной вентиляции, которая была бы необходима при отсутствии местного отсоса, м^/ч; L _пр — расход воздуха, необходимый для разбавления до предельно допустимых концентраций неуловимых местным отсосом вредных выделений, м^/ч.

Каждый местный отсос обладает оптимальной эффективностью, соответствующей такому режиму своей работы, при котором дальнейшее увеличение расхода воздуха через отсос заметно не улучшает его действия. Оптимальная эффективность отсоса неодинакова в отношении различных вредных выделений. В монографии [14] дана методика расчета оптимальной эффективности отсосов.

Вытяжными зонтами называются местные отсосы, имеющие форму усеченных конусов или пирамид и располагающиеся обычно над тепловыми источниками на некоторых расстояниях от них. Вытяжные зонты могут быть одиночными и групповыми, просты ми и активированными поддувом воздуха (рис. 5.2). Угол раскрытия зонта принимается не более 60°, так как при большей величине наблюдается значительная неравномерность поля скоростей по всасывающему сечению зонта.

Расход воздуха в конвективной струе L _г, м^/с, над прямоугольным тепловым источником на расстоянии г, м, от его поверхности, согласно [25], выражается формулой

Рис. 5.2. Схема вытяжных зонтов: а — зонт простой индивидуальный; б — зонт активированный поддувом воздуха; в — групповой зонт где L₀ — условный расход воздуха в конвективном потоке,.

F_o — плошадь теплового источника, м^; Q_e — конвективная составляющая теплового источника, Вт; остальные обозначения даны на с. 38); ^кх «безразмерный коэффициент, представляющий собой функцию расстояния х, выраженную в долях характерных размеров источника, А и В (А — полудлина, В — полуширина теплового источника), и определяемый по графику рис. 5.3.

Рис. 5.3. К определению коэффициента к_г в формуле (5.13).

Для *f_|Kp" 293 К и при значении с = 0,082, <3 * 0,8,.

3 =9,81 м/с2 формула (5.14) упрощается и принимает вид.

Количество воздуха, удаляемого вытяжным зонтом с учетом зависимостей (5.12) и (5.15), будет определяться формулой.

или, принимая к «1,35 [28], имеем.

Зонты-козырьки устанавливают над входными отверстиями печей, сушил и другого подобного им оборудования для удаления выбивающихся газов в момент загрузкии и выгрузки технологического оборудования. При расчете количества воздуха, удаляемого зонтомкозырьком, необходимо учитывать вид и режим работы технологического оборудования. Для пламенных печей и сушил, работающих на твердом, жидком или газообразном топливе, основной предпосылкой является то, что печь или сушило работают с избыточным давлением, под влиянием которого газ выбивается из печи по всей высоте загрузочного отверстия. Методика расчета количества удаляемого зонтом-козырьком воздуха для этого случая даны в учебнике [lOj В электрических печах сопротивления при открывании через нижнюю часть загрузочного отверстия воздух из помещения входит в печь, а через верхнюю — выходят из печи, т. е. газы выбиваются наружу под действием теплового давления только из верхней части отверстия. Предполагая температуру газов внутри печи равномерной по высоте и технологический процесс стационарным, можно считать, что изменение давления в рабочем отверстии печи подчиняется гидростатическому закону и отображается эпюрой давления, показанной на рис. 5.4, Обозначим ординату уровня раздела течения (нейтральная плоскость, где давления внутри и снаружи равны) через ^ высоту отверстия через h, а расстояние (к — к_н) через. Тогда, принимая массовые расходы входящего в печь и выходящего из печи роздуха равными, можно записать

Рис. 5.4. Схема распределения давления в отверстии электрической печи где — скорость воздуха или газов на расстоянии у от низа рабочего отверстия, м/с; ]э_в jo₀ — плотность воздуха и газа, кг/м3; е — ширина рабочего отверстия, м.

Скорость воздуха или газа гможно выразить через разность давления д, Па, по обе стороны отверстия и плотность воздуха (газа) j> :

В свою очередь, давление д р ^ определяется:

для нижней части рабочего отверстия, где О * у <�Л_Н ,.

для верхней части рабочего отверстия, где h _и 4 у ^ Ц ,.

В формулах (5.16) — (5.19) значения и др_у приняты по абсолютной величине независимо от направления движения воздуха и газа.

Решая уравнение (5.16) с учетом зависимостей (5.17) — (5.19), получаем

откуда

или, выражая отношение плотностей через отношение соответствующих абсолютных температур, получаем.

(Т_# , — температура газа и воздуха, К).

Будем считать, что газы выбиваются из верхней части рабочего отверстия под действием постоянного по высоте среднего давления др_с^, Па, определяемого выражением.

По давлению Ар_Ср определим [^см* зависимость (5.17)j среднюю скорость выбивания газов, м/с, из оборудования:

Анализ размеров загрузочных отверстий электрических печей сопротивления показал, что их ширина е превышает высоту к в 1,4 … 1,6 раза, т. е. в > к. Так как (см. рис. 5,4) k > й^ • то в" й_в. Поэтому можно считать, что форма сечения, через которое газы из печи выбиваются наружу, близка к прямоугольной. По [2б] прямоугольная струя в начале своего истечения развивается как плоская. Следовательно, мы вправе воспользоваться закономерностями плоской струи. Выясним область применения расчетных формул.

Длину начального участка плоской струи согласно (2.31) и (2.34) можно принять равной: по скорости x_Hrsm^lb_e и по температуре *_и^" Принимая m ^я 2,62, к =* 2,49 (с. 32), а также с некоторым запасом в сторону уменьшения длины начального участка й_е = 0,5 к, имеем *_и#«3,43 й ,.

= 3,1 й .Из практического опыта известно, что вылет зонта Vj, м, (см. рис. 5.4) для электрических печей сопротивления не превышает высоту загрузочного отверстия в 1,5 … 2 раза, т. е. 4(1,5 … 2) U. Поэтому для расчета зонта-козырька можно использовать формулы М. И. Гримитлина [6J для начального участка плоской струи (см. табл. 2.1): расход воздуха в струе, м^/с,.

ширина струи, м,.

средняя по расходу температура, К,.

средняя по расходу скорость, м/с,.

где L₀ — количество воздуха, выбиваемого из печи, м^/с,.

* - расстояние до рассматриваемого сечения (см. рис. 5.4), м; ьТ-Т₀-Тфразность между температурами в печи и окружающем воздухе, К .

Неизвестное расстояние х в зависимостях (5.2О)-(5.23) получим из соотношения между текущим Аг*^ и начальным, А г' критериями Архимеда [lS]l

где

В начальном участке струи соотношение между скоростями tr_x, v₀ и избыточными температурами дТ_х, аТ₀ можно представить в виде.

где о, — коэффициент затухания скорости и температуры в начальном участке струи, согласно [б] а = 1/(1+ 0,06 х/Н_в).

В результате совместного решения уравнений (5.24)-(5.28) имеем.

Подставляя значение х из (5.29) в зависимости (5.20)-(5.23), получаем:

Определять вылет зонта-козырька I по общепринятой формуле [15]

(8 — толщина стенки печи. м) можно лишь тогда, когда зонт-козырек улавливает воздух в количестве L_x. Если же под зонт-козырек уходит воздух L_CH в количестве.

с учетом его разбавления воздухом помешения до заданной температуры Т_си, то вылет зонта-козырька должен определяться следующим образом.

Из теплового баланса

при замене отношения плотностей воздуха через соответствующие им отношения температур получаем.

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

где Q_fH, 0_e, Q_t — количество теплоты, уходящей под зонт-козырек в струе на расстоянии х от истечения и в воздухе, забираемом из помешения, Вт.

Тогда вылет зонта-козырька равен где — скорость в рабочем сечении зонта-козырька, принимается * *г" *1 «ширина зонта-козырька, м, определяемая опытным соотноше нием.

Нижние отсосы устанавливают тогда, когда применение более экономичных отсосов невозможно по конструктивным или технологи — ческим требованиям.

Рис. 5.5. Схема работы нижнего отсоса.

Схема работы нижнего отсоса, расположенного симметрично относительно, например, конвективного источника теплоты, такая [14]. В некоторой точке на оси конвективной струи ее скорость уравновешивается противоположно направленной скоростью нижнего отсоса (рис. 5.5). В этом месте восходящий поток тормозится, разворачивается и движется в обратном направлении к отсосу. В результате этого над источником вредных выделений образуется купол, замыкающийся на отсос. Таким образом, условия «предельного улавливания» [l4j для нижних отсосов, расположенных симметрично относительно источника вредных выделений, определяются равенством.

где — скорость на оси симметрии отсосов на уровне г, м/с;

мг_г — скорость на оси конвективного потока, м/с.

Скорость стока tr_x определим из выражения (2.89):

или, учитывая, что

где L — общий для двух отсосов расход воздуха, м^/с; I длина отсоса, м; f₀ — средняя скорость воздуха в сечении отсоса, м/с.

Осевая скорость для линейного параллельно плоскости чертежа конвективного источника теплоты при условии t_c = 2 0° С определяется согласно зависимости (Ш.87) [25] по формуле.

где Q₀ — мощность источника теплоты, Вт.

Решая совместно выражения (5.30), (5,31) и (5.32), определяем скорость всасывания:

и расход воздуха через два отсоса прямоугольной формы:

Бортовые отсосы представляют собой непрерывную или состоящую из отдельных секций щель, расположенную вдоль фронта вредных выделений и удаляющую газы и пары с поверхности растворов различных ванн. Широкое применение получили бортовые отсосы в гальванических и травильных цехах.

По конструктивному выполнению бортовые отсосы бывают однобортовыми, когда щель отсоса расположена с одной длинной стороны ванны; двубортовыми, когда щели отсоса расположены с двух противоположных сторон ванны; угловыми и кольцевыми, соответствующим образом окаймляющие прямоугольную или круглую ванны. Бортовой отсос называют простым, если его щели расположены в вертикальной плоскости, и опрокинутым, если щель или щели расположены горизонтально (параллельно зеркалу ванны).

Работа двубортового отсоса у промышленной ванны может рассматриваться как взаимодействие тепловой струи над поверхностью раствора и спектра всасывания, образованного щелевым отсосом (рис. 5.6). При такой постановке задачи, как и в случае с нижним отсосом (см. с. 157), на оси симмметрии тепловой струи скорость подъема мг_% уравновешивается противоположно направленной скоростью бортового отсоса v_% [см. тождество (5.30) J. Конвективный поток нагретого воздуха опрокидывается, и над поверхностью раствора образуется паровоздушный купол, опирающийся на приемные щелевидные отверстия. Высота купола z служит мерой эффективности бортового отсоса. Высотой z при расчете бортовых отсосов задаются исходя из токсичности вредных выделений.

Вершина купола находится над центром ванны для двубортовых отсосов или над противоположным бортом ванны для односторонних отсосов, так как здесь скорость конвективного потока имеет наибольшую величину, а скорость стока воздуха к приемным, отверстиям — наименьшую. По всему периметру купола воздух неподвижен, потому что именно здесь скорость конвективного потока уравновешивается скоростью воздуха, ниспадающего к приемным отверстиям.

Рис. 5.6. Схема работы двубортового отсоса.

Найдем значения скоростей равенства (5.30). Скорость на оси конвективного потока, как и для нижнего отсоса, может быть определена зависимостью (5.32).

Скорость tr_t определим исходя из следующих соображений. Высота щели бортового отсоса обычно значительно меньше ширины ванны. Поэтому с небольшой погрешностью можно считать, что всасывакхцая щель бортового отсоса работает по законам линейного стока. Тогда скорость v_t линейного стока, ограниченного углом Эг /2 радиан, согласно уравнению (2.93), с учетом зависимости (2.91) и заменой координаты * на в /2 (см. рис. 5.6) равна:

где L — общий для двух щелей расход воздуха через бортовой отсос, м^/с; 1 — длина щели (ванны), м.

Решая совместно зависимости (5.30), (5.32) и (5.33), находим производительность двубортового отсоса:

Количество конвективной теплоты Q₀, входящее в зависимость (5.34), можно выразить через поверхность зеркала ванны F, разность At температур раствора tp и окружающего воздуха и коэффициент теплоотдачи конвекцией ог.

или с учетом формулы (3.4) и табл. 3.1:

Подставляя в формулу (5.34) значение Q₀, определенное зависимостью (5.35), и представляя F s в I, имеем.

Отсосы в виде укрытий с открытым рабочим проемом (вытяжные шкафы) наиболее надежны в работе и требуют минимальных расходов отсасываемого воздуха. Проектирование укрытий сводится к созданию внутри него разрежения, которое препятствует выбиванию загрязненного воздуха и вредных выделений через рабочий проем и неплотности наружу. Расчетная скорость воздуха в рабочем проеме укрытия определяется по формуле.

где коэффициент расхода проема или щелей; Ар — разрежение внутри укрытия, Па; р — плотность поступающего в укрытие воздуха, кг/м?

Величина разрежения внутри укрытия или вытяжного шкафа зависит от токсичности вредных выделений и процессов, стимулирующих их выбивание в помещение.

Необходимый объем удаляемого из укрытия воздуха выражается зависимостью (5.11).