2. Цель и задачи дисциплины “Промышленная вентиляция и кондиционирование воздуха”, связь с другими дисциплинами

Цель дисциплины – дать будущим специалистам в области охраны труда теоретические знания основ вентиляции и кондиционирования воздуха и практические навыки, которые необходимы для выполнения работ по улучшению (нормализации) тепловых условий на рабочих местах производственных предприятий, шахт и рудников. Реализация этих знаний на практике будет оказывать содействие улучшению тепловых условий на рабочих местах, повышению работоспособности и производительности труда рабочих, предотвращению профессиональных заболеваний, производственного травматизма и аварий.

Задачи дисциплины. Одной из основных задач вентиляции и кондиционирования является поддержание климатических параметров и чистоты воздуха, в частности его температуры и качества, в заданном режиме.

Решение этой задачи достигается:

1) предохранением воздуха от нагревания и загрязнения при его движении к местам потребления;

2) охлаждением воздуха без применения специальных холодильных машин;

3) охлаждением воздуха с помощью холодильных машин.

Промышленная вентиляция и кондиционирование воздуха – это комплексная дисциплина, которая базируется как на общеобразовательных (физика, химия, математика), так и на общетехнических и специальных дисциплинах (безопасность жизнедеятельности, горная теплофизика, термодинамика, технология и оборудование производства). В особенности тесно дисциплина «Промышленная вентиляция и кондиционирование воздуха» связана с термодинамикой, безопасностью жизнедеятельности, охраной труда. Все вышеупомянутые дисциплины относятся к комплексу наук, которые изучают человека в процессе труда. У этих дисциплин единая цель – оказывать содействие повышению производительности труда, сохранению здоровья, уменьшению влияния неблагоприятных факторов.

Изучение и обобщение опыта Академии наук Украины, Одесской Государственной академии холода, ИТТФ НАН Украины, МакНИИ, ДонНТУ, НГУ и других научных организаций в области вентиляции и кондиционирования воздуха позволит глубоко изучить особенности аэротермодинамических процессов, происходящих в производственных помещениях и правильно выбрать рациональные способы и технические средства для борьбы с высокими температурами воздуха.

3. Основные понятия, термины и определения.

Для обеспечения высокопроизводительного труда и предохранения работающих от профессиональных заболеваний большое значение имеет создание благоприятных (комфортных) микроклиматических условий на рабочих местах в производственных помещениях.

Согласно ГСН 3.3.6.042–99 “Государственные санитарные нормы микроклимата производственных помещений” микроклимат на рабочих местах производственных помещений – это климат внутренней среды, который определяется следующими основными показателями: температурой воздуха, t, ºC ; относительной влажностью воздуха, φ, %; скоростью движения воздуха, υ, м/с; интенсивностью теплового излучения от нагретых поверхностей, І, Вт/м²; атмосферным (баорметрическим) давлением, Р, Па.

Рабочая зона - пространство, в котором находятся робочие места постоянного или непостоянного (временного) пребывания работников.

Рабочее место - место постоянного или временного пребывания рабочего в процессе трудовой деятельности.

Постоянное рабочее место - место, на котором рабочий находится более 50% рабочего времени или более 2-х часов непрерывно. Если при этом работа осуществляется в разных пунктах рабочей зоны, тогда вся зона является постоянным рабочим местом.

Непостоянное робочее место - место, на котором рабочий находится менее 50% рабочего времени или менее 2-х часов непрерывно.

Специалисты в области холодильной техники и технологии используют более 3000 специальных терминов. Приведем некоторые из них, без которых изложить основы вентиляции и кондиционирования воздуха и основы технологии получения холода не представляется возможным.

Совокупность тел, которые энергетически взаимодействуют между собой, с другими телами и с окружающей их средой, составляют термодинамическую систему.

Величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют параметрами состояния системы.

Параметры состояния, не зависящие от массы термодинамической системы, называют интенсивными термодинамическими параметрами (например, давление и температура).

Параметры состояния, пропорциональные массе данной термодинамической системы, значение которых равно сумме значений таких же параметров отдельных составляющих системы, называются экстенсивными термодинамическими параметрами (например, внутренняя энергия, работа).

Энергия является количественной мерой различных форм движения материи. Энергия прямо или косвенно может быть превращена в работу.

Работа определяется как произведение силы на перемещение в направлении действия силы. Работа измеряется в Джоулях (Дж = Н*м). Если тело обладает энергией, то оно может совершать работу, которая в соответствии с принципом сохранения энергии может быть преобразована в другую форму энергии.

Закон сохранения энергии формулируется следующим образом:

“Работа внешних сил плюс подвешенная теплота расходуются на изменение механической и внутренней энергии рабочего тела”.

К внешним силам относятся, например, силы давления и силы трения.

Мощность–это частное от деления произведенной работы или переданной энергии в течение определенного интервала времени на продолжительность этого интервала.

Физическое состояние однородного вещества однозначно определяется тремя основными параметрами: температурой, давлением и объемом. Совокупность этих параметров определяет агрегатное состояние вещества.

Температура характеризует интенсивность теплового движения молекул, атомов и других частиц, образующих термодинамическую систему. Энергия теплового движения прямо пропорциональна абсолютной температуре тела. С молекулярно-кинетической точки зрения температура не может быть отрицательной. Наименьшее значение температуры есть нуль. При этой температуре давление идеального газа равно нулю, движение молекул прекращается. Это есть начальная точка абсолютной шкалы температур.

Абсолютная шкала температурвведена английским ученым Кельвином. В этой шкале тройная точка воды (термодинамическое состояние, при котором имеются все три фазы вещества: газ, жидкость, твердое состояние) равно 273,16 К. По шкале Цельсия этому состоянию воды присвоено значение температуры 0^оС. Таким образом, между шкалами абсолютной Кельвина (К) и Цельсия (^оС) существует соотношение: К = ^оС + 273,16; ^оС = К – 273,16.

Кроме того, существуют шкалы Фаренгейта (^оF), Реомюра (^оR ) и Ренкина(^оRen). Между ними и шкалой Цельсия следующие соотношения:

^о F = 9/5 ^оС + 32; ^оС = 5/9 ( ^о F – 32); ^о R = 5/4 ^оС; ^оС = 4/5 ^оR;

^о Ren = 9/5 ^оС + 491,7; ^оС = 5/9 (^о Ren – 491,7).

Давление – величина, характеризующая интенсивность действия сил на какую-либо часть поверхности тела по направлениям, перпендикулярным к этой поверзности. Давление определяется отношением силы, равномерно распределенной к этой поверхности, к площади поверхности. Давление, создаваемое силой в один Ньютон (1Н = 0,102 кг) на площадь один квадратный метр, равно одному Паскалю (Па). Более крупная единица 1 бар = 10⁵ Па.

Различают барометрическое (атмосферное ) давление Р_б, абсолютное Р_а и разрежение. Атмосферное давление является результатом давления окружающей воздушной среды на поверхность Земли. Нормальное атмосферное давление на уровне моря уравновешивается столбиком ртути 760 мм рт. ст., что соответствует 101325 Па ≈ 10⁵ Па = 1 бар.

Разность между абсолютным давлением и барометрическим называется избыточным давлением. В закрытых сосудах измеряют избыточное давление, а абсолютное определяют путем сложения избыточного атмосферного. Например, если избыточное давление равно 4 бар, то абсолютное равно 5 бар.

Теплотой называется часть энергии, которая непосредственно передается данному телу от более нагретого тела в результате теплового контакта между ними. Следует отметить, что этот способ передачи энергии не связан с совершением работы одним телом над другим.

За единицу теплоты принят 1 Джоуль (Дж = Н*м).

Теплообмен между твердыми телами, газами и жидкостями, которые находятся при разных температурах, может происходить тремя способами: излучением, теплопроводность и конвекцией.

Передача тепла излучением происходит путем трансформации тепловой энергии тела в лучистую энергию – электромагнитные волны, которые, распространяясь в пространстве, достигают другого тела и преобразуются в тепловую энергию этого тела.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется за счет передачи энергии молекул более нагретых частей тела молекулам с меньшей температурой. Молекулы с большей температурой сталкиваются с молекулами с меньшей температурой и передают им часть энергии. В жидкостях и газах наряду с теплопроводностью теплота может передаваться путем перемешивания сред с разной температурой.

При конвективном теплообмене перенос тепла осуществляется от жидкой или газообразной среды к твердому телу (например, в теплообменных аппаратах).

Как правило, эти три механизма передачи тепла присутствуют в тепловых машинах одновременно.

Соотношение между работой и полученным в результате выполнения этой работы теплом определил в 1845 году английский ученый Джоуль, который вычислил механический эквивалент теплоты.

Количественно работа может быть определена как

W = F * l, (Н*м), (1)

а теплота как результат этой работы равна:

Q = сm (t_к – t_н), (2)

где с – удельная теплоемкость вещества;

m – масса вещества;

t_к, t_н – конечная и начальная температура вещества.

Удельная теплоемкость вещества (с) характеризует количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 К.

Уравнение (2) является основной формулой калориметрии. Оно позволяет определить удельную теплоемкость тела (вещества), т.е. количество тепла, которое нужно сообщить (или изъять) телу единичной массы, чтобы повысить (или снизить) его температуру на 1 К.

Удельная теплоемкость зависит от природы тела и его физического состояния: так, теплоемкость воды (жидкое состояние) практически в два раза больше, чем теплоемкость льда (твердое состояние). Следует отметить, что вода – это жидкость с самым высоким значением удельной теплоемкости. Чтобы обеспечить заданное изменение температуры, вода должна поглотить или отдать тепла больше, чем любое другое тело такой же массы.

При изменении давления и температуры теплоемкость изменяется. Поэтому, исходя из начального состояния вещества, можно получить два различных конечных состояния и две удельные теплоемкости:

с_р – удельная теплоемкость при постоянном давлении;

с_υ – удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Для газов разность с_р–с_υ = R есть величина постоянная и называется удельной газовой постоянной.

Обычно среднюю удельную теплоемкость воды принимают 1 ккал/(кг*К) или 4,18 кДж/(кг*К); среднюю удельную теплоемкость воздуха 1 кДж/(кг*К); фреона R22 – 0,7 кДж/(кг*К).

Теплообмен - энергетический обмен между взаимодействующими областями рассматриваемой системы, необходимой и достаточной причиной которого является неодинаковость температур этих областей. Энергия, перенесенная вследствие разности температур, называется теплом, а за единицу ее измерения приняты джоули (Дж).

В условиях повседневной деятельности наблюдается совершенно определенное направление переноса тепла - от тел более нагретых к телам менее нагретым. Конечный результат теплообмена между ограниченными телами или частями одного и того же тела заключается в выравнивании их температур, после чего система рассматриваемых тел приходит в состояние теплового равновесия. Именно к таким системам применимы классические законы термодинамики, позволяющие рассчитать количество энергии, необходимое для перехода системы из одного равновесного состояния в другое, и установившуюся конечную температуру. Скорость же переноса тепла и температура элементов системы по истечении заданного промежутка времени определяются методами теории теплообмена, дополняющей законы термодинамики.

Различают три элементарных вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение. Общими для них является необходимость в наличии разности температур и то, что тепло всегда передается в направлении снижения температуры. Различаются они исключительно физическим механизмом передачи тепла и законами, которые их описывают.

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный неодинаковостью температур в рассматриваемом пространстве. Теплопроводность не включает перенос теплоты вследствие диффузии вещества или иначе: теплопроводность – молекулярный перенос теплоты между смежными элементами системы, обусловленный движением микрочастиц вещества вследствие неодинаковости температур этих элементов. Механизм передачи тепла теплопроводностью зависит от физических параметров среды и связан с движением микроструктурных элементов (электронов, атомов, молекул).

Закон Фурье. Передача тепла теплопроводностью осуществляется в направлении нормали к изотермической поверхности из области с большей температурой в область с меньшей температурой. Количество теплоты, переносимое через элемент изотермической поверхности <1Р в единицу времени, называется тепловым потоком и, согласно гипотезе Фурье, пропорционально градиенту температуры

Тепловой поток, отнесенный к единице изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока

Конвекция теплоты – процесс переноса теплоты в среде с не-однородным распределением температуры, осуществляемый макроскопическими элементами среды при их перемещении. Конвекция возможна только в текучей среде (в жидкостях или газах), а процесс переноса теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Различают два вида конвекции: естественную (свободную) и вынужденную. При естественной конвекции движущая сила обуслов­лена неоднородностью плотностей жидкой среды при наличии в ней разности температур, в результате чего возникают подъемные (архимедовы) силы в поле массовой силы любого происхождения. Вынужденная конвекция характерна тем, что жидкость перемещается под действием внешней движущей силы.

Наряду с конвекцией всегда сосуществует теплопроводность, однако, конвективный теплоперенос в жидкостях обычно является оп­ределяющим благодаря значительной интенсивности.

Теплообмен, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты (конвекцией и теплопроводностью) называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен между твердой поверхностью и омывающей ее жидкостью называется теплоотдачей.

Процесс передачи тепла от одной жидкости к другой через разделяющую твердую стенку называется теплопередачей.

Процессы передачи теплоты конвекцией и теплопроводностью возможны только при наличии вещественной среды.

Тепловое излучение – процесс передачи теплоты посредством электромагнитных волн, обусловленный температурой и оптическими свойствами тел, участвующих в теплообмене. Тепловое излучение связанно с двойным взаимным превращением энергии (тепловая - лучистая - тепловая). В отличие от конвекции и теплопроводности лучи­стый теплообмен может осуществляться и при отсутствии промежу­точной вещественной среды, например, в вакууме, где это - единственно возможный способ переноса теплоты.

Массообмен – самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента (в простейшем случае с неоднородным полем концентрации или парциального давления этого компонента). Массообмен может осуществляться молекулярной и конвективной диффузией. В общем случае перенос массы может также вызываться и неоднородностью полей других физических величин, например разностью температур (термодиффузия).

Молекулярная диффузия – процесс переноса вещества в смеси, обусловленный тепловым движением микрочастиц вещества.

Конвективная диффузия – процесс переноса массы за счет перемещения макроскопических объемов вещества.

Конвективная массоотдача – процесс переноса массы от по­верхности жидкости в газообразную среду.

Температурное поле – совокупность мгновенных значений температур для всех точек рассматриваемого пространства.

Точки температурного поля с одинаковой температурой образуют изотермическую поверхность, а на пересекающей их плоскости образуются линии одинаковой температуры - изотермы.

Изотермические поверхности и изотермы не пересекаются между собой, не обрываются внутри тепа; они полностью замыкаются внутри тела или обрываются на его поверхности

Градиент температуры – вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в направлении возрастания температуры; численно равен первой производной температуры в направлении нормали

Наличие градиента температуры является необходимым условием распространения теплоты.

Холодильное оборудование – оборудование, которое используется в составе СКВ для производства и передачи икусственного холода.

Воздухоохладитель – теплообменный аппарат, который обеспечивает передачу теплоты от рудничного воздуха к холодоносителю или хладагенту.

Водоохладитель – теплообменный аппарат, который обеспечивает передачу теплоты от охлажденной воды в исходящий вентиляционный поток или в атмосферу.

Теплообмнник высокого давления (ТВД) – теплообменный аппарат, который обеспечивает передачу теплоты от холодоносителя или охлажденной воды системы низкого давления к холодоносителю или охлажденной воде системами высого давления.

Холодоноситель – вещество (вода, водяные рассолы и др.), которое предназначено для переноса теплоты от воздухоохладителей к холодильной машине.

Холодильный агент (хладагент) – рабочее вещество холодильной машины.

Озонобезопасный холодильный агент – химическое соединение, в составе которго отсутствуют атомы хлора и брома, которые нарушают озоновый слой Земли.

Зона теплового комфорта – сочетание тепловых параметров окружающей среды, которое обеспечивает оптимальный уровень физиологических функций работающего, в том числе и терморегулируемых, при субъективном ощущении комфорта.

2 февраля 2014, 02:51 (Статья!)

Климатический апокалипсис наступит досрочно

Хотя вариант быстрого роста объемов парниковых выбросов в прогнозах ООН не рассматривается, он может оказаться не только самым пессимистичным, но и самым вероятным.

Даже самые пессимистические прогнозы ООН на самом деле излишне оптимистичны. В них не учитываются новые неблагоприятные факторы, порожденные развитием производства в азиатских и латиноамериканских странах.

Начиная с 1995 года под эгидой ООН ежегодно проводятся конференции по изменению климата. В научных докладах, подготавливаемых к этим конференциям, обычно сопоставляются несколько вариантов прогнозов: два крайних и промежуточные между ними. Причем один крайний вариант заключается в том, что западные страны приложат максимум усилий для минимизации выбросов в атмосферу и других факторов, способствующих негативным изменениям климата, а второй — в том, что никаких реальных усилий со стороны Запада не будет, вследствие чего сохранятся нынешние неблагополучные тенденции.

Акцент на роли Запада объясняется тем, что именно промышленно развитые страны вместе с транснациональными корпорациями ответственны за ухудшение состояния окружающей природной среды в течение нескольких последних столетий. Однако для адекватного отображения реалий XXI века разделение стран на развитые и неразвитые является слишком грубым. Достаточно вспомнить о весьма быстром экономическом росте ряда азиатских и латиноамериканских стран, в том числе Китая, Индии, Бразилии.

Еще быстрее, чем их роль в мировой экономике, увеличивается их влияние на мировую экологическую ситуацию. Эти страны уже достаточно состоятельны, чтобы наращивать свои производственные мощности, но еще слишком бедны, чтобы заботиться об экологии. И похоже, что именно эти страны внесут наибольший вклад в ухудшение состояния окружающей природной среды в ближайшие десятилетия. Таким образом, хотя вариант быстрого роста темпов увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере вообще не рассматривается в прогнозах ООН, благодаря Азии и Латинской Америке он может оказаться не только самым пессимистичным, но и самым вероятным.

Азия добавит жару

Мировое потребление угля в 2035 году на 17% превысит уровень 2012 года, причем львиная доля этого прироста придется на Китай (в период до 2025 года) и Индию. Китай уже сейчас потребляет столько угля ежегодно, сколько и все остальные страны мира вместе взятые. А Индия уже в начале 2020-х годов станет крупнейшим импортером угля. Об этом говорится в очередном ежегодном исследовании перспектив мировой энергетики (World Energy Outlook 2013), презентованном в ноябре 2013 года Международным энергетическим агентством (IEA), которое действует в рамках Организации экономического сотрудничества и развития. Причина популярности угля проста: этот вид топлива, как констатирует IEA, «остается гораздо более дешевым глобально, чем природный газ».

В декабре 2013 года IEA презентовало среднесрочный доклад о рынке угля (Medium Term Coal Market Report 2013), где высказывается опасение, что, если нынешняя тенденция сохранится и дальше, рост температуры на планете к концу столетия не ограничится двумя градусами, а может достигнуть и четырех. В связи с этим исполнительный директор IEA Мария ван дер Хевен (Maria van der Hoeven) подчеркнула, что еще в шестидесятых были созданы более чистые технологии для угольных ТЭС, однако на большинстве построенных с тех времен и строящихся сейчас электростанций эти инновации никак не используются. По ее словам, если бы все ТЭС, строящиеся в Индии и Юго-Восточной Азии, разрабатывались с учетом этих новых технологий, это позволило бы добиться больших результатов в плане сокращения выбросов углекислого газа, чем дали все установленные в Европе ветряки. Но судя по всему, экономия на экологии будет продолжаться и дальше.

«У нас во Франции некоторые даже начинают забывать о существовании угля. Наша последняя шахта в Лотарингии закрылась почти десять лет назад, и с помощью угля вырабатывается лишь 4% всей электроэнергии», — откликнулся на доклад IEA экономический обозреватель онлайн-журнала Slate.fr Жерар Орни. Он попытался объяснить французам, почему уголь — это необходимость для развивающихся стран: «У нас иногда забывают, что у почти миллиарда людей по всему миру до сих пор нет доступа к электричеству. Это касается, например, примерно трети населения Индии. Самым простым и быстрым решением для этой страны с ее значительными производственными мощностями и большими портами стало бы строительство тепловых электростанций на основе этой проверенной временем и экономичной технологии. Если вам нужно обеспечить электроэнергией огромную массу людей, которая к тому же увеличивается на несколько миллионов каждый год, привередничать особо не приходится».

Орни поделился еще одним наблюдением: развитые страны сейчас не подают примера заботы о сокращении выбросов в атмосферу, а наоборот, тоже экономят на экологии. Так, в Австралии консерваторское правительство Тони Эбботта отказалось от взятых им ранее на себя обязательств по развитию возобновляемой энергетики. Оказавшись под давлением предприятий, оно делает все возможное, чтобы не допустить повышения цен на электричество. Полностью пересмотрела свою энергетическую политику и Япония — к этому ее вынудила катастрофа в Фукусиме. Правительство Синдзо Абэ 15 ноября объявило новые планы по выбросам углекислого газа: вместо их сокращения к 2020 году на 25% по сравнению с уровнем 1990 года речь идет лишь об ограничении их роста до 3%.

Поля на месте сельвы

Латинская Америка в ближайшие десятилетия повлияет на климатическую ситуацию двумя способами: резким наращиванием нефтедобычи и вырубкой тропических лесов. Что касается первого, то об ожидаемых последствиях предупредила экологическая организация Greenpeace. Уже в 2016 году из новых месторождений в Мексиканском заливе будет ежедневно добываться около 2,1 млн. барр. нефти. Это выльется в 350 млн. т ежегодных выбросов углекислого газа - столько приходилось на всю Францию в 2010 году. В Венесуэле к 2035 году предполагается ежедневно добывать 2,3 млн. барр. нефти в месторожде-ниях, расположенных в бассейне реки Ориноко. Это ежегодно даст дополнительные выбросы углекислого газа в количестве 190 млн. т. А самым неблагоприятным по своим последствиям является бразильский проект. В 2007 году, когда на восьмикилометровой глубине на континентальном шельфе были обнаружены запасы нефти от 50 до 100 млрд. барр., тогдашний президент Лула да Силва вознес благодарственную молитву за этот подарок. Нынешний президент Дилма Русеф заверила, что эти запасы являются для страны путевкой в будущее. Но, по мнению Greenpeace, это путевка к катастрофе. Участвующие в проекте компании - в первую очередь бразильская Petrobrаs, а также транснациональные Chevron, Statoil и Shell - намерены уже к 2020 году добывать около 2 млн. барр. в день. В результате выбросы углекислого газа вырастут еще на 330 млн. т. А в 2035 году в рамках этого проекта предполагается ежедневно добывать 4 млн. барр., что вызовет увеличение выбросов на 660 млн. т.

О ситуации с вырубкой лесов в бассейне Амазонки рассказывает испанский научный портал Materia. После того как правительство Бразилии изменило Лесной кодекс с целью облегчить развитие агропромышленного комплекса, местные аграрные компании намерены уже к 2020 году удвоить объем сельскохозяйственного производства. Исследователи из нескольких университетов Бразилии и США сконструировали модель взаимодействия климата и землепользования и пришли к парадоксальному выводу: увеличение площади посевов вдвое за счет сокращения тропических лесов приведет к таким изменениям климата в регионе, что к 2050 году урожаи сои и кормовых культур сократятся на 30% по сравнению с нынешними. «Если говорить кратко, уничтожение лесов ведет к сокращению испарения воды растениями, а это вызывает сокращение количества влаги в атмосфере, которая затем выпадает в виде дождя», — объясняет профессор Маркос Кошта из федерального университета в Висозе (бразильский штат Минас-Жерайс).

В настоящее время в бассейне Амазонки лесная биомасса поглощает за год 91,5 млрд. т углекислого газа — в среднем по 179 т с гектара. Как утверждают авторы исследования, при контролируемой вырубке лесов поглощение углекислого газа снизится к 2050 году до 105–112 т с гектара. А если произойдет либерализация, которой так настойчиво требуют агропромышленные круги, эти показатели сократятся еще больше: до 64–74 т с гектара. Если расчеты исследователей окажутся верными, останется только один выход: заново засевать лесами бассейн Амазонки. Но сами ученые не верят в реалистичность этого сценария, поскольку даже не учитывали его при конструировании моделей сельскохозяйственного производства.