Лекция_4 (1)

9

ЛЕКЦИЯ №4

Расчет потребных воздухообменов.

Расчет потребного воздухообмена при общеобменной вентиляции производят, исходя из условий производства и наличия избыточной теплоты, влаги и вредных веществ. Для качественной оценки эффективности воздухообмена применяют понятие кратности воздухообмена k_В – отношение количества воздуха, поступающего в помещение в единицу времени (м³/ч), к объему вентилируемого помещения (м³).

При правильно организованной вентиляции кратность воздухообмена должна быть значительно больше единицы.

При нормальном микроклимате и отсутствии вредных выделений количество воздуха при общеобменной вентиляции принимают в зависимости от объема помещения, приходящегося на одного работающего. Отсутствие вредных выделений – это такое их количество в технологическом оборудовании, при одновременном выделении которых в воздухе помещения концентрация вредных веществ не превысит ПДК. В производственных помещениях с объемом воздуха на каждого работающего < 20 м³ расход воздуха на одного работающего должен быть не менее 30 м³/ч. В помещении, где на каждого работающего приходится 20…40 м³, расход воздуха на одного работающего должен быть не менее 20 м³/ч. В помещениях с объемом воздуха на каждого работающего > 40 м³ и при наличии естественной вентиляции воздухообмен не рассчитывают. В случае отсутствия естественной вентиляции (герметичные кабины) расход воздуха на одного работающего должен составлять не менее 60 м³/ч. Необходимый воздухообмен для всего производственного помещения в целом:

,

где n – число работающих в данном помещении; L₁ – расход воздуха на одного работающего.

При определении потребного воздухообмена для борьбы с теплоизбытками составляют баланс явной теплоты помещения. При отсутствии в производственном помещении местных отсосов уравнение теплового баланса принимает вид:

,

где ∆Q_ИЗБ – избытки явной теплоты всего помещения [кВт]; G_пр∙с_р∙t_пр и G_в∙с_р∙t_уд - теплосодержание приточного и удаляемого воздуха [кВт]; с_р – удельная теплоемкость воздуха [кДж/(кг∙°С)]; t_пр и t_уд – температура приточного и удаляемого воздуха [°С].

В летнее время вся теплота, которая поступает в помещение, является суммой теплоизбытков. В холодный период года часть тепловыделений в помещении расходуется на компенсацию теплопотерь

где – тепловыделения в помещении [кВт]; – потери теплоты через наружные ограждения [кВт].

Температура наружного воздуха в теплый период года принимается равной средней температуре самого жаркого месяца в 13 ч. Расчетные температуры для теплого и холодного периодов года приведены в СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Температура удаляемого из помещения воздуха

,

где t_рз – температура воздуха в рабочей зоне [°С]; a – градиент температуры по высоте помещения [°С/м]; для помещений с объемной плотностью явной теплоты q_я < 23 Вт/м³ можно принять a = 0,5 °С/м. Для «горячих» цехов с q_я ≥ 23 Вт/м³, a = 0,7…1,5 °С/м; H – расстояние от пола до центра вытяжных отверстий [м].

Исходя из баланса явной теплоты помещения, определяют необходимый воздухообмен [м³/ч] для ассимиляции теплоизбытков:

,

где ρ_пр – плотность приточного воздуха [кг/м³].

При определении необходимого воздухообмена для борьбы с вредными парами и газами составляют уравнение материального баланса вредных выделений в помещении за время dτ [с]:

,

где G_ВРdτ – количество вредных выделений в помещении, обусловленных работой технологического оборудования [мг]; L_ПРс_ПРdτ – количество вредных выделений, поступающих в помещение вместе с приточным воздухом [мг]; L_ВС_Вdτ – количество вредных выделений, удаляемых из помещения вместе с удаляемым воздухом [мг]; V_Пdτ – количество вредных паров или газов, накопившихся в помещении за время dτ; с_ПР и С_В – концентрация вредных веществ в приточном и удаляемом воздухе [мг/м³].

При равенстве количества приточного и удаляемого системой вентиляции воздуха и отсутствии в производственном помещении местных отсосов, равномерном распределении по помещению и, принимая, что концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны остается постоянной в течение рабочей смены (dC/dt = 0) и равной предельно допустимой (С_В = ПДК), определяется потребный воздухообмен для ассимиляции вредных выделений:

.

Концентрация вредных веществ в приточном воздухе должна быть по возможности минимальной и не превышать 30% от ПДК.

Необходимый воздухообмен для удаления избыточной влаги определяется исходя из материального баланса по влаге и при отсутствии в производственном помещении местных отсосов по следующей формуле:

,

где G_ВП – количество водяного пара, выделяющегося в помещение [г/ч]; ρ_пр – плотность воздуха, поступающего в помещение [кг/м³]; d_уд – допустимое содержание водяного пара в воздухе помещения при нормативных значениях температуры и относительной влажности воздуха [г/кг]; d_пр – влагосодержание приточного воздуха [г/кг].

При одновременном выделении в рабочую зону вредных веществ, не обладающих однонаправленным действием на организм человека, например, теплоты и влаги, необходимый воздухообмен принимают по наибольшему количеству воздуха, полученному в расчетах для каждого вида производственных выделений.

При одновременном выделении в воздух рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия (например, серный и сернистый ангидрид; оксиды азота совместно с оксидом 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 [c_i], учитывающих загрязнения воздуха другими веществами. Эти концентрации меньше нормативных ПДК и определяются из уравнения:

.

Воздуховоды.

Неотъемлемой частью вентиляционных систем являются воздуховоды, по которым чистый воздух подается в помещение, а загрязненный воздух – удаляется.

Воздуховод – трубопровод для перемещения воздуха, применяемый в системах вентиляции, воздушного отопления, кондиционирования воздуха, а также в технологических целях.

Для изготовления воздуховодов применяются различные материалы: металл, дерево, полимерные материалы. Наибольшее распространение получили воздуховоды, выполненные из листового металла.

Тип и конфигурация воздуховодов оказывает существенное влияние на эффективность системы пыле- и газоочистки в целом. Поэтому при составлении компоновок вентиляционных систем следует избегать резких поворотов и изменений сечения воздуховодов. Следует избегать создания длинных горизонтальных участков воздуховодов, в особенности при сильной запыленности газов, во избежание отложения в воздуховодах значительных количеств пыли или золы.

При значительной запыленности газов и необходимости применения длинных каналов следует применять воздуховоды с зигзагообразной конфигурацией в вертикальной плоскости с установкой ловушек там, где возможно выпадение пыли. В этом случае для уменьшения гидравлического сопротивления воздуховода скорость газа необходимо снижать до ≈ 10 м/с.

При перемещении по воздуховодам влажного газа с температурой, близкой к точке росы, воздуховоды следует теплоизолировать. Теплоизоляции подлежат и воздуховоды для горячего газа, что обуславливается правилами производственной и пожарной безопасности.

На всех воздуховодах, по которым подается газ с температурой выше 70 °С, следует предусматривать компенсаторы температурных удлинений (если конструкция данного участка не обеспечивает его самокомпенсации). Компенсаторы устанавливаются также на воздуховодах перед вентиляторами и дымососами (независимо от температуры газа) в непосредственной близости от них во избежание передачи усилий на механизмы и вибраций от механизмов на воздуховоды. Компенсаторы могут также устанавливаться на вертикальных участках воздуховодов с любой температурой газа для распределения весовых нагрузок, передаваемых на различные элементы здания. По обе стороны компенсатора должны располагаться опоры.

Воздуховоды бывают круглого и прямоугольного сечения. Круглые воздуховоды менее материалоемки и более удобны в изготовлении при сложных конфигурациях. Поэтому воздуховоды прямоугольного сечения следует применять лишь в тех случаях, когда это диктуется компоновочными соображениями.

Трассы воздуховодов должны проектироваться по возможности кратчайшими, с минимальным количеством фланцев, креплений и компенсаторов. Разбивка их на отдельные звенья должна выполняться так, чтобы обеспечивалась возможность изготовления и монтажа отдельных участков воздухопроводов в виде транспортабельных блоков.

В воздуховодах прямоугольного сечения (коробах) с поперечными размерами более 3 м для жесткости устанавливаются внутренние распорки из труб Ø 25…50 мм. В местах соединения воздуховодов с элементами оборудования или заслонками, а также в местах, где по условиям ремонта оборудования может потребоваться разъем воздуховодов, они должны соединяться между собой фланцами на болтах.

При выборе сечения воздуховодов следует руководствоваться следующими требованиями: пыль не должна оседать в воздуховодах и засорять их и гидравлическое сопротивление воздуховодов должно быть минимальным.

Выбранные сечения газо- и воздуховодов должны быть увязаны с сечениями клапанов, компенсаторов и другого оборудования.

Размещение ребер жесткости на воздуховоде выполняется с учетом давления (разрежения) на данном участке (максимальное для всей трассы) и толщины стенки. Допустимая стрела прогиба стенок коробов принимается не более 1:400. Для воздуховодов круглого сечения менее Ø 1020 мм, а также расположенных вертикально, ребра жесткости не устанавливаются.

Эффективность работы систем вентиляции во многом зависит от степени неравномерности распределения потока газа, как в каналах воздуховодов, так и во входных сечениях вентиляционного и газоочистного оборудования.

Выравнивание газового потока по сечению может быть достигнуто или с помощью различных направляющих устройств, понижающих при этом сопротивление движению газа, или принудительно – путем создания дополнительного сопротивления движению газа, или тем и другим способами одновременно.

Направляющие устройства особенно эффективны в случае расширяющихся каналов (разделительные стенки в диффузорах) и в изогнутых коленах (направляющие лопатки в коленах и на повороте струй).

Принудительное выравнивание с помощью сеток, решеток и тому подобных устройств эффективно во всех случаях, но не всегда желательно по конструктивным или эксплуатационным соображениям.

Поэтому, при составлении компоновок вентиляционных установок необходимо максимально улучшать аэродинамические качества коллекторов, подводящих и отводящих воздуховодов с целью обеспечения минимальной неравномерности распределения газа по рабочему сечению вентиляционного и газоочистного оборудования и между отдельными элементами этого оборудования.

Направляющие устройства в диффузорах. Если отношение площади сечения рабочей камеры аппарата F_К к площади сечения подводящего трубопровода F₀ невелико (F_К / F₀ ≤ 3) и допустима небольшая степень неравномерности, подвод потока может быть осуществлен с помощью диффузора с углом раскрытия α = 8…10° при круглом сечении и α = 12…15° при прямоугольном сечении с углом расширения сечения в одной плоскости.

В тех случаях, когда по конструктивным или другим соображениям невозможно применить длинный диффузор, можно воспользоваться коротким диффузором с углом раскрытия 30…100° с применением разделительных стенок. Количество разделительных стенок выбирается в зависимости от угла раскрытия.

Расстояния между разделительными стенками a′₁ и a′₂ принимаются равными:

; ,

где n – количество разделительных стенок.

Желательно продлить разделительные стенки до входа в диффузор и на выходе из него параллельно оси на длину δ₁ = 0,1∙a₁; δ₂ = 0,1∙a₂.

Подводящие участки часто выполняются в виде колена. В этом случае следует устанавливать направляющие лопатки – либо профилированные, либо упрощенные, т.е. изогнутые по поверхности цилиндра.

Подбор направляющих лопаток в колене, как профилированных, так и упрощенных, производится следующим образом:

а) Определяется хорда t лопатки по формуле:

,

где b₀ – размер входного сечения колена в плоскости поворота; K = 0,25…0,5 – коэффициент, который выбирается из конструктивных соображений. При большем значении K хорда лопаток получается большей по размеру, а количество лопаток в колене меньшим и наоборот.

б) Угол дуги лопаток принимается приблизительно равным углу поворота потока α, определяется радиус, которым описывается дуга при построении упрощенного профиля лопатки (рис. в).

в) Определяется количество лопаток.

Если наиболее важно получить минимальное гидравлическое сопротивление и максимальную равномерность распределения скоростей по сечению, количество лопаток определяется следующим образом:

.

Если желательно иметь минимальное количество лопаток, то применяется формула:

,

где – расстояние между вершинами внутреннего и внешнего углов поворота.

Размещение лопаток в плоскости поворота колена производится по арифметической прогрессии. Расстояние между лопатками (их хордами) при оптимальном количестве лопаток определяется по формуле:

,

а при минимальном количестве лопаток по формуле:

.

Здесь n – количество лопаток, i – порядковый номер промежутка между двумя соседними лопатками, считая за лопатку и внешнюю стенку колена.

При размещении лопаток в колене с закругленными кромками поворота (рис. а) расстояние до первой лопатки следует отсчитывать от касательной к внутреннему закруглению колена, а расстояние от внешней лопатки – до касательной к внешнему закруглению.

В колене с острыми кромками поворота (рис. б) первое расстояние отсчитывают от вершины внутренней кромки колена, а последнее расстояние – до вершины внешней кромки колена.

Пересчет этих крайних расстояний производится по формулам:

,

где z – стрела прогиба лопатки;

.

Наиболее выгодным углом установки (атаки) лопаток, т.е. углом между направлением потока и хордой лопатки, в случае равномерного распределения скоростей в набегающем потоке для колена с постоянным поперечным сечением (b₀ = b₁) можно считать α ≈ 48°. Чем больше отношение b₁ / b₀, тем больше должен быть угол атаки. При этом рекомендуется придерживаться следующих соотношений:

b1 / b0 = DН / D0	1,0	1,3	1,5	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	8,0
α°	46…50	49…53	51…55	54…58	56…62	58…68	63…73	67…77	73…83

В специальных случаях, когда требуется очень равномерное распределение скоростей за поворотом при малом гидравлическом сопротивлении, следует применять профилированные лопатки.

Если есть основания опасаться отложений пыли на внутренней поверхности криволинейных лопаток, допускают некоторое ухудшение распределения скоростей и применяют направляющие лопатки в виде прямых пластин. Количество, ширину (равную хордам криволинейных лопаток) и расположение этих пластин определяют по тем же формулам, что и для криволинейных направляющих лопаток. Для пластин предпочтительно равномерное размещение по сечению. Угол атаки пластин ≈ 85°.

При возможности следует вместо колен с крутым поворотом применять колена с плавным поворотом с большим радиусом закругления (r / b₀ > 1,0). При невозможности применения больших радиусов закругления следует устанавливать направляющие лопатки. Выбор количества лопаток производится по следующим данным:

r/b0	0…0,1	0,1…0,4	0,4…1,0	1,0
n	4…3	2	1	0

Оптимальное положение i-й лопатки в колене определяется следующей формулой:

,

где r_i – радиус закрепления лопатки; b₀ – сторона поперечного сечения колена.

При определении положения первой лопатки величина r_i-1 принимается равной радиусу закругления внутренней стенки колена (r_i-1 = r).

В плоскости входного сечения аппарата газоочистки, перпендикулярной оси рабочей камеры, важно обеспечить симметричный профиль скоростей. Несимметричное распределение скоростей на входе приводит к закручиванию потока в корпусе аппарата. Выравнивание закрученного потока очень затруднено. Несимметричность профиля скоростей часто возникает в тех случаях, когда недалеко от входного сечения аппарата находятся какие-либо фасонные части воздуховодов, различные дроссельные или регулирующие устройства, препятствия внутри подводящего участка и т.д. Такие элементы подводящих воздуховодов следует располагать далеко от входного сечения аппарата (на относительном расстоянии x / D₀ > 10). Это особенно важно при боковом подводе потока.

Вентиляционные системы часто состоят из группы параллельных каналов для раздачи приточного воздуха или для удаления загрязненного. Для установок, состоящих из группы параллельно работающих воздуховодов, к которым подводится воздух от общего коллектора или из которых собирается загрязненный воздух в общий коллектор, важно обеспечить равномерное газораспределение по всем воздуховодам. Для соблюдения этого условия необходимо правильно выбрать форму и размеры раздающих и собирающих коллекторов.

Раздающие и собирающие коллекторы бывают постоянного и переменного сечения. На практике чаще всего встречаются два случая: требуется либо только раздать поток газа через общий коллектор, либо только удалить. Коллекторы, одновременно работающие как на раздачу, так и на удаление воздуха встречаются крайне редко.

Раздача потока коллекторами переменного сечения всегда приводит к значительно более равномерному распределению расходов (скоростей) газа. Поэтому, там где это возможно, им следует отдавать предпочтение перед раздающими коллекторами постоянного сечения, особенно если их размеры получаются большими. При этом уменьшение сечения раздающего коллектора должно быть пропорционально уменьшению расхода газа по его длине.

Для удаления воздуха не следует применять коллекторы переменного сечения с линейным изменением поперечных размеров, так как в этом случае равномерность отсоса потока не только не улучшается, но даже несколько ухудшается по сравнению с равномерностью отсоса при коллекторе постоянного сечения.

Коллекторы могут быть выполнены по симметричной или асимметричной схеме. Симметричный подвод потока к коллектору или отвод от него резко улучшает степень равномерности распределения скоростей (расходов) по ответвлениям. При этом, чем больше количество подводящих или отводящих каналов, тем выше равномерность.

Компенсаторы, предназначенные для компенсации температурных удлинений воздуховодов имеют различное конструктивное исполнение. Наибольшее распространение получили линзовые компенсаторы. Для запыленной среды линзовые компенсаторы выполняются с сальниковыми уплотнениями, чтобы не допустить отложения в линзах пыли или золы. По сечению линзовые компенсаторы бывают круглые и прямоугольные. Кроме того, применяются компенсаторы, выполненные из стальных или алюминиевых спиральных гофрированных труб, полимерных материалов и даже ткани. Конструктивное исполнение их определяется конкретными условиями эксплуатации вентиляционной системы.