Введение. 
Аэродинамические расчёты при проектировании вентиляционных выбросов

Непрерывный рост объемов производства, увеличение единичной мощности технологического оборудования, концентрация производств на крупных предприятиях _ характерные признаки современного развития промышленности, приводящие к резкому увеличению интенсивности сконцентрированных на небольших площадях источников выбросов газообразных и пылевидных вредных веществ в атмосферу. Становится всё сложнее предотвращать попадание выбрасываемых вредных веществ в зоны забора приточного воздуха. Если вредные вещества попадают в приточный воздух, снижается не только эффективность промышленной вентиляции, но и падает надежность вентиляционного оборудования. Например, производственная пыль, попадая в больших количествах в приточные камеры, может нарушать работу фильтров, оседать на поверхностях калориферов, снижая их теплоотдачу, а при неблагоприятных условиях _ выводить их из строя. Многие вредные вещества вызывают повышенный износ технологического и вентиляционного оборудования, увеличивая эксплуатационные расходы. Загрязнение производственной и окружающей среды в свою очередь является серьезным препятствием на пути интенсивного ведения технологических процессов.

Выбрасываемые в атмосферу вредные вещества могут проникать в производственные помещения как с воздухом, подаваемым приточными системами, так и естественным путем через открытые фрамуги и проемы. Возникает своеобразная циркуляция: вытяжные вентиляционные системы выбрасывают вредные вещества в атмосферу, приточные (при недостаточной очистке выбросов и нерациональном размещение выбросов и воздухозаборных сооружений) _ возвращают некоторую их часть в помещения. Это делает либо невозможным снижение загрязнения производственной воздушной среды до нормативов ПДК, либо вынуждает увеличивать воздухообмен и принимать другие меры, что неизбежно приводит к увеличению затрат на вентиляцию. При этом основную долю эксплуатационных затрат составляет обработка приточного воздуха, компенсирующего выбрасываемый в атмосферу загрязненный воздух. Если концентрация примесей в приточном воздухе превышает тридцать процентов от предельно-допустимой концентрации для воздуха рабочей зоны, воздухообмен в помещении необходимо увеличивать. Например, при cпр=0,5cПДК это увеличение составит 1,4 раза, при cпр=0,8cПДК — 2,8 раза.

Необходимо учитывать, что уже в настоящее время эксплуатация вентиляционных систем связана со значительным потреблением тепловой и электрической энергии, иногда сопоставимым с энергопотреблением основного производства. В стране эксплуатируется около 15 млн. вентиляционных установок, потребляющих порядка 120 млрд. кВт? ч электроэнергии в год, то есть около 8% всей вырабатываемой электроэнергии.

Несмотря на значительное развитие топливодобывающей промышленности в нашей стране, топливный баланс ее в течение многих лет остается весьма напряженным. Потребление топлива растет опережающими темпами, к тому же зачастую оно расходуется расточительно. Энергоемкость национального дохода у нас почти в два раза выше, чем в развитых капиталистических государствах. В связи с этим одной из важных и актуальных проблем настоящего времени является рациональное использование материальных, в том числе топливно-энергетических ресурсов.

Есть резервы в этом направлении в области вентиляционной техники, в том числе в одном из ее разделов _ в проектировании мер и средств защиты атмосферного воздуха и производственной воздушной среды от загрязнения. В частности, существенный эффект можно получить за счёт рационального размещения выбросных и воздухозаборных сооружений. Хаотичное их размещение, основанное лишь на технологических и строительных требованиях, зачастую приводит к загрязнению приточного воздуха даже в тех случаях, когда выполняются нормативы ПДВ для населенных мест. Это объясняется тем, что на небольших расстояниях от источников концентрации вредных веществ бывают значительными и в неблагоприятных вариантах взаимного расположения факелы вредных веществ могут непосредственно попадать в зоны воздухозаборных устройств.

В процессе проектирования должны прорабатываться различные варианты технических решений. Но при этом следует иметь в виду, что экономия энергии не может быть самоцелью, любое энергосберегающее мероприятие должно быть выгодно с хозяйственной точки зрения. В первую очередь должны предусматриваться такие мероприятия, для осуществления которых не требуются или почти не требуются дополнительные капитальные вложения. В области обеспечения нормируемой чистоты приточного воздуха к таким мероприятиям относится обоснованный расчетами выбор мест взаимного размещения выбросных и воздухоприемных сооружений промышленной вентиляции, оптимизация режимных параметров воздухоочистного оборудования.

Однако в настоящее время отсутствует современная нормативно-техническая литература по вопросам снижения загрязнения приточного воздуха путем осуществления мер, основанных на анализе картины загрязнения атмосферы. Практически все требования действующих нормативных документов направлены на обеспечение нормируемой чистоты воздуха селитебных территорий. Соответственно все мероприятия технического характера предназначаются для выполнения этих требований. Обеспечению чистоты атмосферы в пределах территории предприятия или даже в окрестностях отдельных зданий внимания практически не уделяется, поскольку такого рода мероприятия не относятся к разделу проектов по защите атмосферного воздуха. Например, в основополагающем для проектных организаций документеhttp://sam-vl.narod.ru/Aerodynamics/Aerodynamicsw.htm — _ftn1 содержится лишь один пункт: «6.5. Выбросы в атмосферу из систем вентиляции следует размещать на расстоянии от приемных устройств для наружного воздуха не менее 10 м по горизонтали или на 6 м по вертикали при горизонтальном расстоянии менее 10 м; при этом выбросы из систем местных отсосов следует размещать на высоте не менее 2 м над высшей точкой кровли, для систем аварийной вентиляции — на высоте не менее 3 м от уровня земли.» Как будет показано дальше, эти нормативы не подтверждены какими-либо научными исследованиями и в большинстве случаев не дают положительного эффекта.

На территории предприятия загрязнение атмосферы до сих пор не нормируется, установлены лишь пределы загрязнения воздуха в местах расположения воздухоприемных сооружений. Но на небольших участках территории распределение концентраций выбросов крайне неравномерно вследствие малого удаления факелов от источников. Эта неравномерность значительно снижается по мере удаления от источников, поскольку в силу высокой турбулизации атмосферных воздушных потоков и возникновения циркуляционных течении вблизи зданий и других препятствий факелы интенсивно расширяются.

Методы расчета загрязнения атмосферы, содержащиеся в действующих нормативных документах, справедливы только для невозмущенных застройкой слоев атмосферы. К сожалению, эти методы насильственно распространяют на локальные участки промышленных застроек, что в конечном счете дезориентирует проектных работников, вынуждает их принимать ошибочные решения.

В Главной геофизической обсерватории, в которой разработаны основные нормативные документы по расчёту загрязнения атмосферы, была создана математическая модель процесса распространения примесей в приземном слое атмосферы. В основу модели положено решение уравнения турбулентной диффузии. Новый подход в этой модели заключается в более полном учёте неоднородностей подстилающей поверхности и зависимостей характеристик вихревого перемешивания воздуха от метеорологических условий, что особенно важно при переменном рельефе. Эти решения были распространены на холмистую местность, причём рассматривались пологие холмы, обтекаемые без отрыва пограничного слоя. В дальнейшем без достаточных обоснований полученные решения были использованы при разработке метода расчёта загрязнения промышленных площадок, для чего пришлось производственные здания с помощью фиктивных границ циркуляционных зон превратить в подобие холмов. Таким образом, в нормативных документах появились противоестественные границы циркуляционных зон, не соответствующих действительности.

Применительно к задачам промышленной вентиляции необходимы иные методики расчета загрязнения воздуха, учитывающие влияние тех факторов, которые являются превалирующими на промышленных площадках. К таким факторам в первую очередь относятся высокая интенсивность турбулентности ветрового потока динамической природы и циркуляционные течения, возникающие за препятствиями (зданиями и их выступающими и западающими конструктивными элементами). Особенно сильное влияние этих факторов проявляется вблизи зданий усложненной архитектурной формы вследствие взаимодействия множества циркуляционных течений между собой. Зачастую выбрасываемые неудачно расположенным источником вредные вещества взаимодействующими циркуляционными течениями переносятся вверх по потоку ветра и оказываются в местах, в которых на первый взгляд их быть не должно.

Для того, чтобы предотвратить перетекание загрязняющих веществ из выбросов к воздухоприемным сооружениям, необходимо тщательно рассчитывать все воздушные течения, возникающие при воздействии ветра на здания и их конструктивные элементы, и на основе анализа картины течений выбирать наилучший вариант расположения как источников выбросов, так и воздухоприемных сооружений. Настоящая работа содержит необходимые для выполнения подобных расчетов методики, зависимости, графики и примеры. Оно основано главным образом на результатах собственных научных исследований, выполненных автором на лабораторной базе Московского НИИ охраны трудаhttp://sam-vl.narod.ru/Aerodynamics/Aerodynamicsw.htm — _ftn2.

В работе по каждому из рассматриваемых вопросов сначала приводятся сведения общего характера, затем практические рекомендации и примеры. Подробно освещаются вопросы аэродинамики зданий простой и сложной архитектурной формы, распространения примесей, выбрасываемых источниками различных типов (трубы, фонари и др.), а также приводятся практические рекомендации и технические решения по снижению загрязнения атмосферы промышленных площадок и повышению надежности действия вентиляционных сооружений.

Аэродинамическая картина на промышленной площадке отличается высокой сложностью, поэтому расчётные алгоритмы довольно громоздки. Но большинство конкретных задач могут быть решены с помощью разработанных программ.

Основная цель, ставившаяся при написании этой работы, заключалась в предоставлении проектным работникам основных сведений, справочных и вспомогательных материалов, необходимых для обоснования проектных решений по обеспечению нормируемой чистоты приточного воздуха.

Все замечания и предложения по совершенствованию методик расчётов будут с благодарностью приняты и учтены.