Вентиляция производственных помещений

4.1 Методы определения воздухообмена

 

 

Действие общеобменной вентиляции основано на разбавлении загрязненного, нагретого, влажного воздуха помещения свежим наружным воздухом для обеспечения предельно допустимых норм. При определении необходимого воздухообмена используют следующие методы.

Метод определения количества вентиляционного воздуха по кратности обмена.

Кратность воздухообмена n, ч^-1 показывает, сколько раз в час меняется воздух в помещении [17]:

 

 

(92)

где L – воздухообмен, м³/ч;

V – объем помещения, м³.

 

Необходимая кратность воздухообмена указана в отраслевых правилах по охране труда для различных производственных помещений.

Метод определения количества вентиляционного воздуха по удельному объему помещения и количеству работающих

Воздухообмен принимается в зависимости от объема помещения, приходящегося на одного работающего, то есть удельного объема помещения. Если на одного человека приходится V < 20 м³, то подачу наружного воздуха следует обеспечивать в количестве L ³ 30 м³/ч на каждого работающего. Если объем помещения на одного человека составляет V > 20 м³, требуется воздухообмен L ³ 20 м³/ч на каждого.

В случае, когда в помещении невозможно естественное проветривание, L ³ 60 м³/ч.

При выделении вредных веществ в воздух рабочей зоны расчет количества вентиляционного воздуха производится исходя из необходимости разбавления вредных выделений до допустимых концентраций:

 

(93)

где G – количество вредных веществ, мг/ч;

q_ПДК – предельно допустимая концентрация, мг/м³;

q_пр – концентрация вредных веществ в удаляемом воздухе, мг/м³ (q_пр £ 0,3 q_ПДК).

 

Предельно допустимые концентрации (ПДК) некоторых веществ содержатся в таблице 48.

При одновременном выделении в воздух рабочей зоны нескольких вредных веществ, не обладающих однонаправленным действием, необходимый в помещении воздухообмен допускается принимать по тому вредному веществу, для которого требуется больший объем воздуха.

При одновременном выделении вредных однонаправленных веществ воздухообмен определяется суммированием количества воздуха, необходимого для разбавления каждого вещества до его предельно допустимой концентрации.

 

Таблица 48

Предельно допустимые концентрации газов и паров в воздухе рабочей зоны производственных помещений (по ГОСТ 12.1.005-88)

Наименование веществ	Класс опасности	Величина ПДК, мг/м^3
Газы и пары Акролеин Ацетон Аммиак Бензин и керосин Уксусная кислота Канифоль Ксилол Кислота серная Кислота соляная		0,2

Окончание табл. 48

Ртуть металлическая, свинец Сода кальцинированная Щелочь натрия Сероводород Формальдегид Хлор Этиловый спирт Углерода оксид Углерода двуокись Чугун Щелочи едкие (растворы в пересчете на NaOH) Сернистый ангидрид Дихлорэтан Сероводород Спирт метиловый (метанол) Скипидар (в пересчете на углерод) Толуол Уайт-спирит (в пересчете на углерод) Этиловый, диэтиловый эфир   Пыли   Угольные: кокс нефтяной, электродный, пековой, сланцевый; каменный уголь с содержанием двуокиси кремния менее 2%. Растительного происхождения: мучная, сахарная, крахмальная, зерновая

0,01 0,5 0,5 0,5

 

К веществам однонаправленного действия относят:

- ароматические углеводороды: толуол и ксилол, бензол и толуол;

- амино- и нитросоединения: сероводород и сероуглерод, оксид углерода и нитросоединения;

- фтористый водород и соли фтористоводородной кислоты;

- сернистый и серный ангидриды, углеводороды (предельные и непредельные);

- растворители – ацетон, спирты, эфиры уксусной кислоты;

- кислоты;

- щелочи.

Количество вредных веществ G_вр определяется по технологической части проекта или рассчитывается.

По формуле адиабатического истечения Репина можно определить количество выделений вредных веществ G_вр, кг/ч, в производственную среду за счет утечек через неплотности сосудов и трубопроводов, работающих под давлением:

 

 

(94)

где k – коэффициент запаса, учитывающий состояние оборудования, k = 1…2;

с – коэффициент, определяемый давлением газа или пара в аппарате. При давлении Р = 20 кПа коэффициент с = 0,166; если
Р = 170 кПа, с = 0,1189 (СНиП 2.04.05-91);

V – внутренний объем аппаратуры и коммуникаций, м³;

М – молекулярный вес газов или паров в аппарате;

Т – абсолютная температура среды в аппарате, К.

 

Человек при легкой работе выделяет углекислоту в количестве G = 35000 мг/ч, при тяжелой работе – G = 68000 мг/ч.

При выделении влаги воздухообмен определяют по формуле:

 

(95)

где G – парообразная влага, г/ч;

r_пр – плотность приточного воздуха, определяемая в зависимости от температуры приточного воздуха r_пр = 353 / 273 + t_пр, кг/м³;

d_у – содержание влаги в удаляемом воздухе, г/кг. Определяется по i-d диаграмме;

d_пр – содержание влаги в наружном воздухе, г/кг (можно принимать d_пр = 5 г/кг).

В жилых и общественных зданиях источником влаговыделения являются люди. Так, человек, занятый физическим трудом при температуре окружающего воздуха от 10 до 20 ^оС, выделяет соответственно от 70 до 240 г/ч влаги, а человек, занятый умственным трудом, - от 30 до 70 г/ч.

Количество воды, кг, испаряющейся с открытых поверхностей за 1 ч, определяется по формуле Дальтона [17]:

 

(96)

где F – водяная поверхность испарения, м²;

с – поправочный коэффициент, зависящий от напряжения и скорости движения воздуха над водяной поверхностью (при движении воздуха вдоль смоченной поверхности С = 0,02+0,016v, где v – скорость движения воздуха в м/с);

Р_н – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре воды, мм. рт. ст.;

Р_п – парциальное давление водяных паров в воздухе помещения, мм. рт. ст.;

Р_б – барометрическое давление, мм. рт. ст.

 

Количество влаги, испаряющейся с поверхности пола, кг/ч [6]:

 

(97)

где G_с – количество стекающей воды, кг/ч;

t_в, t_у – температура воды вытекающей и уходящей в канализацию, ^оС;

585 – скрытая теплота испарения, ккал/кг.

 

При выделении избыточной теплоты Q_изб необходимо знать количество поступающего в помещение явного тепла Q_яв и количества тепла, расходуемого в нем на возмещение теплопотерь наружными ограждениями и пр. Q_пот:

 

(98)

 

При ориентировочных расчетах допустимо не учитывать теплопотери.

Суммарный тепловой поток явного тепла определяется по формуле:

 

, (99)

где Q_об – тепло, выделяемое оборудованием;

Q_изд – тепло от остывающих изделий;

Q_мех – тепло от работающих механизмов и оборудования;

Q_эл – тепло от оборудования с электроприводом;

Q_рад – тепло от солнечной радиации;

Q_л – тепло, выделяемое людьми;

Q_осв – тепло от осветительных установок;

Q_от – тепло от системы отопления.

 

Для ориентировочных расчетов явное тепло, выделяющееся в помещение можно определять как сумму первых двух слагаемых.

Тепло, Вт, выделяемое теплоиспользующим оборудованием можно определять по формуле [26]:

 

(100)

где a – коэффициент теплоотдачи от поверхности оборудования, Вт/(м²×К);

F_п – площадь теплопередающей поверхности, м²;

Т_п и Т_в – температура поверхности оборудования и нормируемая температура воздуха в помещении соответственно, К.

 

Температура поверхности оборудования не должна превышать 45 ^оС.

При естественной конвекции со скоростью движения воздуха до 0,5 м/с коэффициент теплоотдачи a определяется по формуле:

 

(101)

где А – принимается для плоских и цилиндрических стенок 2,56; для горизонтальных поверхностей, обращенных теплопередающей стороной вверх А = 3,26.

 

При определении тепла, выделяемого теплоиспользующим оборудованием можно принимать Q_об равным 30 % от общего количества тепла, потребляемого аппаратом.

Тепловыделения, Вт от производственных печей, работающих на твердом, жидком и газообразном топливе, можно определять по формуле [25]:

 

(102)

 

а от электрических печей – по формуле:

 

(103)

где В – расход топлива, кг/ч;

– теплотворная способность топлива, кДж/кг;

N_уст – установочная мощность печи, кВт;

a – коэффициент, учитывающий тепловыделения в цех;

h – коэффициент одновременного действия печей.

 

Значение коэффициента a для электрованн следует принимать 0,3; для печей камерных с подвижным подом – 0,5; для щелевых и шахтных печей – 0,4; а для электрических печей – 0,7.

Если над печами имеются зонты, то учитывается только 30 % тепловыделений от печей, подсчитанных по формулам (102) и (103).

Теплопоступления от станков и электродвигателей, Вт/ч, определяются по формуле [25]:

 

(104)

где N – номинальная (установочная) мощность оборудования, кВт;

n₁ – коэффициент использования установочной мощности электроэнергии (0,7…0,9);

n₂ – коэффициент загрузки – отношение величины среднего потребления мощности к максимально необходимой (0,5…0,8);

n₃ – коэффициент одновременной работы электродвигателей (0,5…1);

n₄ – коэффициент, характеризующий, какая часть израсходованной электрической энергии превращается в тепловую и остается в помещении (0,1…1).

 

Для приближенного определения теплопоступлений в механических и механосборочных цехах можно принимать произведение n₁n₂n₃n₄ = 0,25 при работе станков без охлаждающей эмульсии; 0,2 – с применением охлаждающей эмульсии и 0,15 при наличии местных отсосов.

Тепловой поток от остывающих изделий, Вт, определяется по формуле:

 

(105)

где m – масса остывающих изделий, кг/ч;

С_изд – удельная теплоемкость изделий, кДж/(кг×К);

Т_н, Т_к – начальная и конечная температура остывающих продуктов, К.

 

Количество тепла, поступающего в помещение от солнечной радиации, Вт:

 

(106)

где m – коэффициент, учитывающий вид остекления (для одинарного остекления m = 1,45, для сильно загрязненных стекол m = 0,7 и для двойного остекления m = 1,15);

F – площадь поверхности остекления, м²;

q – удельное значение солнечной энергии, зависит от широты. Для Орла q = 137,92 Вт/(м²×ч).

 

Тепловыделения от источников искусственного освещения, кВт, определяют по формуле:

 

(107)

где N – мощность осветительной установки, кВт;

h – коэффициент перехода энергии электрической в тепловую (в среднем h = 0,95).

 

Тепло, выделяемое людьми, определяется по энергозатратам при выполнении работ от 5 до 195 Вт.

Необходимый воздухообмен при наличии избыточной теплоты определяется по формуле:

 

(108)

где Q_изб – избытки тепла;

С – массовая удельная теплоемкость воздуха: С = 1 кДж/(кг×К); С = 0,24 ккал/(кг×^оС); С = 0,278 Вт;

r_пр – плотность приточного воздуха, кг/м³;

t_у – температура удаляемого воздуха, ^оС;

t_пр – температура приточного воздуха, ^оС.

 

Температура удаляемого воздуха определяется по формуле:

 

(109)

где t_р.з – допустимая температура в рабочей зоне, ^оС;

Dt – температурный градиент по высоте помещения, ^оС/м. Зависит от мощности источников тепла, интенсивности циркуляции воздуха, высоты помещения Dt = 0,5…1,5 ^оС/м. Для помещений высотой менее 4м повышение температуры по высоте можно не учитывать;

Н – высота от пола до центра вытяжных проемов (4…6 м);

2 – высота рабочей зоны, м.

 

Температура приточного воздуха принимается ниже допустимого по нормам значения:

 

(110)

 

Количество воздуха, удаляемого местной вытяжной вентиляцией, определяют по скорости его всасывания v_вс, м/с, в открытом проеме площадью F, м²:

 

(111)

 

Скорость всасывания принимается в зависимости от класса опасности вредных веществ в пределах от 0,5 до 1 м/с. При нетоксичных выделениях (тепло или влага) скорость всасывания принимается от 0,15 до 0,25 м/с.

 

 

Примеры решения задач

 

ПРИМЕР 4.1. Определить необходимый воздухообмен по углекислоте в административном помещении, где находятся 3 человека.

РЕШЕНИЕ:

Определим предельно допустимую концентрацию для углекислоты по таблице 48: ПДК = 9000 мг/м³. Количество выделяемого углекислого газа в помещении определяем с условием выполнения легких работ. Тогда необходимый воздухообмен в помещении по формуле (93) составит, м³/ч:

 

 

ПРИМЕР 4.2. Из аппарата объемом V = 2 м³ возможна утечка оксида углерода. Давление газа в аппарате Р = 20 кПа, температура газа составляет 50^оС, коэффициент запаса оборудования к = 1,5. Объем помещения равен V = 800 м³, кратность осуществляемого воздухообмена в помещении n = 1 ч^-1. Определить недостающий воздухообмен для того, чтобы содержание оксида углерода не превышало ПДК.

 

РЕШЕНИЕ:

Количество оксида углерода при утечке из аппарата определяем по формуле (94), кг/ч:

 

 

По формуле (93) определим необходимый воздухообмен, м³/ч:

 

 

Осуществляемый воздухообмен рассчитываем по формуле (92), м³/ч:

 

Тогда недостающий воздухообмен составит, м³/ч:

 

ПРИМЕР 4.3. В помещении цеха тепловыделения от печей составляют 500 кВт. Высота от пола до центра вытяжных фрамуг
Н = 6 м. Температура наружного воздуха летом составляет
t_нар = 26^оС, допустимая температура воздуха в рабочей зоне
t_р.з = 20^оС. Печи снабжены вытяжными зонтами, обеспечивающими удаление воздуха от источников в количестве L_выт = 900 м³/ч. Определить производительность общеобменной вентиляции.

 

РЕШЕНИЕ:

По формуле (109) определяем температуру удаляемого воз-духа, ^оС:

Температура приточного воздуха должна быть, ^оС:

 

 

Плотность приточного воздуха, кг/м³:

 

 

Производительность общеобменной вентиляции по формуле (108) составит, м³/ч:

 

 

ПРИМЕР 4.4. В помещении выделяются водяные пары в количестве 8 кг/ч, температура наружного воздуха t_нар = 10^оС, относительная влажность воздуха g = 70 %, температура в помещении составляет 20^оС. Определить необходимый вентиляционный обмен.

 

РЕШЕНИЕ:

По i-d диаграмме определяем влагосодержание наружного воздуха (d_пр = 5,45 г/кг) и влагосодержание в помещении
(d_у = 10,6 г/кг).

Необходимый вентиляционный обмен по формуле (95) составит, м³/ч:

Задачи для самостоятельного решения

 

ЗАДАЧА 4.1. Объем помещения составляет 80 м³, кратность воздухообмена по отраслевым правилам по охране труда должна составлять n = 2 ч^-1. Определить необходимую производительность общеобменной вентиляции.

 

ЗАДАЧА 4.2. В воздух рабочей зоны одновременно выделяются пары серной кислоты (в количестве G = 200 г/ч), соляной кислоты (G = 400 г/ч) и оксида углерода (G = 1000 г/ч). Определить необходимый расход воздуха при общеобменной вентиляции.

 

ЗАДАЧА 4.3. Из аппарата объемом 2,3 м³ возможна утечка аммиака, находящегося под давлением 21 кПа при температуре 20^оС. Коэффициент запаса оборудования К = 1,8. Кратность осуществляемого воздухообмена n = 1,5 ч^-1, объем помещения 2 м³. Определить недостающий воздухообмен.

 

ЗАДАЧА 4.4. В помещении цеха тепловыделения составляют
Q = 7000 ккал/ч. Высота от пола до центра вытяжных фрамуг
Н = 4 м, температура воздуха в рабочей зоне по нормам должна составлять 20^оС. Источники тепловыделений снабжены вытяжными зонтами общей производительностью L_выт = 300 м³/ч. Определить недостающий воздухообмен.

 

 

ЗАДАЧА 4.5. Определить количество воздуха, которое необходимо вводить в термический цех летом для удаления избытков тепла, и часовую кратность воздухообмена (без учета тепла через отдельные конструктивные элементы здания цеха). Габариты цеха: 80х48х12 м. Число окон 10 шт., размер каждого окна 5х4 м². В цехе установлено восемь одинаковых нагревательных печей для термической обработки черных металлов. Общая установочная мощность электродвигателей
85 кВт. Количество тепла, выделяемое печью 10500 ккал/ч. Поступление тепла в цех от остывающего металла 307296 ккал/ч. Общая мощность осветительной установки цеха 60 кВт. Температура наружного воздуха летом 25^оС. Допустимая температура воздуха на рабочем месте 22^оС. Количество тепла, выделяемого одним рабочим принять в среднем 100 ккал/ч. Число работающих в наиболее многочисленной смене 30 чел.

ЗАДАЧА 4.6. В административном помещении работы легкой тяжести при энергозатратах 140 Вт выполняют 4 человека. Температура воздуха на рабочих местах летом составляет 25^оС. В помещении имеется 3 светильника ОД (с двумя лампами), мощность каждой лампы Р_л = 80 Вт. Остекление двойное, его суммарная площадь F = 20 м². Допустимая температура на рабочем месте 20^оС. Определить расход воздуха при общеобменной вентиляции.

 

 

ЗАДАЧА 4.7. Определить объем притока воздуха в склад хранения хлеба с размерами 15х10х6, м, если среднечасовое количество хлеба в нем 700 кг/ч. Тепловыделения от остывающего хлеба Q = 25 ккал/(ч×кг). Допустимая температура воздуха для рабочих в теплый период года составляет 25^оС. Определить соответствие осуществляемой кратности воздухообмена нормативным требованиям (n = 3 ч^-1).

 

ЗАДАЧА 4.8. В вытяжном шкафу проводят работы с веществами первого класса опасности. Площадь вытяжного проема составляет 0,25 м². Определить производительность местной вытяжной вентиляционной установки.

 

 

ЗАДАЧА 4.9. На участке электрополирования обработку изделий производят в растворе серной кислоты в гальванической ванне шириной 1,5, длиной 1 м. С поверхности ванны выделяется 25 г/ч паров кислоты. Рассчитать бортовой отсос и необходимый воздухообмен местной вытяжной вентиляции. Рекомендуемый размер щели бортового отсоса 40…100 мм.

 

ЗАДАЧА 4.10. На участке сборки и монтажа радиоэлектронной аппаратуры используется канифольно-спиртовой флюс
(40% канифоли, 60% спирта) в количестве 800 г/ч. 30% флюса распространяется в виде тумана и газов. При пайке выделяются пары свинца в количестве 9 г/ч. На рабочих местах установлены боковые всасывающие панели. Суммарная площадь вытяжных отверстий составляет 3 м², скорость всасывания 2 м/с. Определить необходимый воздухообмен общеобменной вентиляции.

Аварийная вентиляция

Аварийная вентиляция предусматривается в помещениях, где в аварийных ситуациях возможно поступление горючих и токсичных газов, пылей и опасных смесей.

Воздухообмен аварийной вентиляции следует предусматривать таким образом, чтобы совместно с постоянно действующей основной вентиляцией он имел кратность не менее 8 ч^-1 по свободному объему помещения высотой 6 м и менее. В помещении высотой более 6 м аварийная вентиляция совместно с основной вентиляцией должна обеспечивать удаление не менее 50 м³/ч воздуха на 1 м² площади пола помещения. В помещениях насосных и компрессорных станций категорий А и Б по пожарной опасности аварийная вентиляция должна обеспечивать указанный воздухообмен в дополнение к воздухообмену, создаваемому основной вентиляцией [29].

Расчет аварийной вентиляции заключается в определении ее производительности при следующих известных данных: допустимой концентрации вредных веществ, массы веществ, допустимого времени существования аварийной ситуации, массы веществ, поступающих в помещение при аварии.

Воздухообмен аварийной вентиляции, м³/ч, определяется по формуле:

(112)

где А – кратность воздухообмена в зависимости от отношения концентрации веществ в воздухе помещения С к предельно допустимой (ПДК) и допустимого времени на ликвидацию аварийной ситуации t_а2 (рис. 17);

k_a – коэффициент неравномерности воздухообмена, зависящий от схемы вентиляции (рис. 18); если схема вентиляции неизвестна
k = 1,5;

L_п – воздухообмен постоянно действующей основной вентиляции, м³/ч.

Концентрацию веществ, мг/м³, в воздухе помещения к моменту включения аварийной вентиляции определяют по формуле:

 

(113)

где V_св – свободный объем помещения, м³;

m – масса веществ, поступающих при аварии, кг.

 

Рис. 17. Номограмма для определения кратности воздухообмена аварийной вентиляции

 

Рис. 18. Зависимость коэффициента неравномерности

от кратности воздухообмена и схемы устройства вентиляции

 

Свободный объем помещения определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием. Допускается принимать объем V_св условно 80 % от геометрического объема помещения.

При этом значение концентрации, определенной по фор-
муле (113) должно быть меньше или равно предельно допустимой для токсичных веществ или нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПР) – для взрывопожароопасных веществ. Если это условие не выполняется, необходимо принять меры по уменьшению концентрации или увеличить свободный объем помещения.

Концентрация вредных веществ в объеме помещения не должна превышать временно безопасного значения, соответствующего НКПР (таблицы 49, 50, 51), а для токсичных веществ – с учетом их токсических показателей.

 

 

Таблица 49

Показатели пожаровзрывоопасности химических веществ

Химические вещества	М	Характерис­тика пожаро-взрыво-опасности	tвсп, ^0C	tcв, ^0C	НКПР, об, %	ВКПР, об, %
Аммиак	17,03	ГГ	–
Ацетальдегид	44,05	ГГ	-40		4,1
Ацетилен	26,04	ВГ и ГГ	-		2,5
Ацетон	58,08	ЛВЖ	-18		2,9
Бензол	78,11	ЛВЖ	-11		1,43	8,0
Бутан	58,12	ГГ	-69		1,8	8,5
Бутиловый спирт	74,12	ГГ			1,8	10,9
Водород	2,016	ГГ	–		4,12
Гексан	86,177	ЛВЖ	-23		1,24	6,9
Гидразин	32,05	ЛВЖ и ВЖ			4,7
Глицерин	92,1	ГЖ			2,6	11,3
Диметилгидразин	60,0	ЛВЖ	-15
1,2-Дихлорэтан	98,96	ЛВЖ			6,2
Изобутиловый спирт	74,12	ЛВЖ			1,81	11,4
Окончание табл. 49
Изопропиловый спирт	60,09	ЛВЖ			2,23	12,7
Ксилол (смесь изомеров)	106,17	ЛВЖ			1,1	6,5
Метан	16,04	ГГ	-181		5,28	14,1
Метиловый спирт	32,04	ЛВЖ			6,98	35,5
Оксид углерода	28,01	ГГ	-		12,5
Пентан	72,15	ЛВЖ	-44		1,47	7,7
Пропан	44,096	ГГ	-		2,3	9,4
Пропилен	42,08	ГГ	-		2,4	11,0
Сероводород	34,08	ГГ	-		4,3	46,0
Сероуглерод	76,14	ЛВЖ	-43		1,0	50,0
Стирол	104,14	ЛВЖ			1,1	7,2
Толуол	92,14	ЛВЖ			1,27	6,8
Уксусная кислота	60,05	ЛВЖ			4,0	19,9
Формальдегид	30,03	ГГ	-
Хлорбензол	112,56	ЛВЖ			1,2	9,8
Хлорэтан	64,51	ГГ	-		-3,8	15,4
Этан	30,07	ГГ	-		2,9
Этилбензол	106,16	ЛВЖ			1,0	6,8
Этилен	28,05	ГГ	-		2,7
Этиловый спирт	46,07	ЛВЖ			3,61	17,77
Примечание. М – условная молекулярная масса; tвсп – температура вспышки в закрытом тигле; tсв – температура самовоспламенения: ЛВЖ – легковоспламеняющаяся жидкость;ГЖ – горючая жидкость;ВГ – взрывоопасный газ; ГГ – горючийгаз; ВЖ – взрывоопасная жидкость.

 

Таблица 50