Расчет механической вентиляции

 

Правильно и рационально работающая вентиляция обеспечивает поддержание чистоты воздуха и уменьшает количество содержащихся в нем вредных выделений.

Вентиляция по способу побуждения воздуха может быть принудительной (механической) или естественной.

Механическая вентиляция по принципу действия может быть приточной, вытяжной или приточно-вытяжной.

Приточную вентиляцию применяют в производственных помещениях со значительным выделением теплоты при малой концентрации вредных веществ в воздухе, а также для усиления воздушного подпора в помещениях с локальным выделением вредных веществ при наличии систем местной вытяжной вентиляции. Это позволяет предотвратить распространение таких веществ по всему объему помещения.

Вытяжную вентиляцию применяют для активного удаления воздуха, равномерно загрязненного по всему объему помещения, при малых концентрациях вредных веществ в воздухе и небольшой кратности воздухообмена. При этом кратность воздухообмена, ч^-1, определяют по формуле:

 

k = L / V_вн, (3.324)

 

где L – объем удаляемого из помещения или подаваемого в помещение воздуха, м³/ч;

V_вн – внутренний объем помещения, м³.

Приточно-вытяжную вентиляцию применяют при значительном выделении вредных веществ в воздух помещений, в которых необходимо обеспечить особо надежный воздухообмен с повышенной кратностью.

При проектировании вытяжной механической вентиляции следует учитывать плотность удаляемых паров и газов. Причем если она меньше плотности воздуха, то воздухоприемники располагают в верхней части помещений, а если больше – в их нижней части.

Выброс в атмосферу загрязненного воздуха, удаляемого механической вентиляцией, должен предусматриваться над кровлей зданий.

Выброс воздуха через отверстия в стенах без устройства шахт, выведенных выше кровли, не допускается. В виде исключения выброс может предусматриваться через отверстия в стенах и окнах, если вредные вещества не будут заноситься в другие помещения.

Выброс в атмосферу взрывоопасных газов должен происходить на расстоянии по горизонтали, равном не менее 10 эквивалентных диаметров (по площади) выбросной трубы, но не менее 20 м от места выброса дымовых газов.

Местную вытяжную вентиляцию устраивают в местах значительного выделения газов, паров, пыли, аэрозолей. Такая вентиляция предотвращает попадание опасных и вредных веществ в воздух производственных помещений.

Местную вытяжную вентиляцию следует применять на газо- и электросварочных постах, металлорежущих и заточных станках, в кузнечных цехах, гальванических установках, аккумуляторных цехах, на постах технического обслуживания, в помещениях у мест пуска тракторов и автомобилей.

Технологические выбросы, а также выбросы воздуха, содержащего пыль, ядовитые газы и пары, следует очищать перед выпуском их в атмосферу.

Объем воздуха, который необходимо подавать в помещение с требуемыми параметрами воздушной среды в рабочей или обслуживаемой зоне, следует рассчитывать на основании количеств теплоты, влаги и поступающих вредных веществ с учетом неравномерности их распределения по площади помещения. При этом принимают во внимание количество удаляемого из рабочей или обслуживаемой зоны воздуха местными вытяжными устройствами и общеобменной вентиляцией.

При затруднении в определении количества выделяющихся вредных веществ расчет воздухообмена проводят согласно Санитарным нормам, в которых указано: «В производственных помещениях с объемом на одного работающего менее 20 м³ – не менее 20 м³/ч на каждого работающего».

Если в воздух рабочей зоны выделяется несколько вредных веществ однонаправленного действия, то при расчете общеобменной вентиляции следует суммировать объемы воздуха, необходимые для разбавления каждого вещества в отдельности. Вредные вещества однонаправленного или однородного действия влияют на одни и те же системы организма, поэтому при замене одного компонента смеси другим токсичность смеси не изменяется. Однонаправленностью действия обладают, например, смеси углеводородов, сильные минеральные кислоты (серная, соляная, азотная), аммиак и оксиды азота, угарный газ и цементная пыль. В этом случае допустимое содержание вредных веществ определяют по формуле:

 

(3.325)

 

где С₁, С₂,…, С_i – концентрация вредных веществ в воздухе помещения, мг/м³;

g_пдк1, g_пдк2,…, g_пдкi – предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ, мг/м³.

На следующем этапе проектирования составляют расчетную схему сети воздуховодов, на которой указывают местные вытяжные устройства и сопротивления (колена, повороты, шиберы, расширения, сужения), а также номера расчетных участков сети. Расчетный участок – это воздуховод, по которому проходит одинаковый объем воздуха при одинаковой скорости.

По количеству воздуха, проходящего в воздуховоде за единицу времени, и его полному давлению подбирают центробежный вентилятор по аэродинамическим характеристикам. При подборе вентилятора нужно обеспечить максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) установки и снижение уровня шума при работе.

В соответствии со Строительными нормами и правилами выбирают вентилятор нужного исполнения: обычного, антикоррозионного, взрывобезопасного, пылевого. Рассчитывают необходимую мощность электродвигателя, по которой подбирают электродвигатель соответствующего исполнения. Выбирают способ соединения электродвигателя с вентилятором.

Определяют способ обработки приточного воздуха: очистка, подогрев, увлажнение, охлаждение.

Выбросы в атмосферу содержащего вредные вещества воздуха, удаляемого из систем общеобменной вытяжной вентиляции, и рассеивание этих веществ следует предусматривать и обосновывать расчетом таким образом, чтобы концентрации их не превышали в атмосферном воздухе населенных пунктов максимальных среднесуточных значений.

Степень очистки выбросов воздуха, содержащего пыль, принимают по таблице 3.128.

 

Таблица 3.128 – Допустимое содержание пыли в выбросах воздуха

в зависимости от ее ПДК в воздухе рабочей зоны производственных

помещений

 

ПДК пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений, мг/м^3	Допустимое содержание пыли в воздухе, выбрасываемом в атмосферу, мг/м^3
≤ 2
от 2 до 4
от 2 до 6
от 6 до 10

 

Если в выбросах воздуха содержание пыли не превышает значений, указанных в таблице 3.128, то этот воздух разрешается не подвергать очистке.

Для очистки воздуха, удаляемого из помещений, используют инерционные и центробежные пылеотделители, а также фильтры различных конструкций.

Для расчета механической вентиляции необходимы следующие исходные данные: назначение помещения и его размеры, характер загрязнений; назначение и количество оборудования, материалов, выделяющих вредные вещества и теплоизлучения; характеристика загрязнений по пожароопасности; пожарная опасность помещений; предельно допустимая концентрация вредных веществ в помещении, концентрация загрязнений в приточном воздухе.

 

Пример 3.11. В сварочном отделении ремонтной мастерской на каждом из имеющихся четырех сварочных постов расходуется G = 0,6 кг/ч электродов марки ОМА-2. При сжигании 1 кг электродов удельные выделения марганца q = 830 мг/кг. Необходимо рассчитать вытяжную сеть общеобменной приточно-вытяжной вентиляции (рис. 3.19), обеспечивающую требуемое состояние воздушной среды при условии одновременной работы всех сварщиков. Температуру воздуха в помещении принять 22 °С.

 

 

Рис. 3.19. Схема к расчету вытяжной сети системы вентиляции:

 

I…V – номера расчетных участков; 1…4 – местные сопротивления: 1 – жалюзи на входе; 2 – колено с углом поворота α = 90°; 3 – внезапное расширение отверстия при F₁ / F₂ = 0,7; 4 – диффузор вентилятора

 

Решение. Часовой объем воздуха, удаляемого вытяжной вентиляцией одного сварочного поста:

 

м³/ч,

 

где g_пдк – предельно допустимая концентрация марганца при содержании его в сварочных аэрозолях до 20 % (g_пдк = 0,2 мг/м³).

Общее количество воздуха, удаляемого вытяжной вентиляцией:

 

L_общ = 4 · L₁ = 4 · 2490 = 9960 м³/ч.

 

Диаметры воздуховодов на первом и втором участках сети при скорости движения воздуха v = 10 м/с:

 

 

Принимаем из стандартного ряда (180, 200, 225, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630 мм) d₁ = d₂ = 0,28 м.

После этого уточняем скорости движения воздуха в воздуховодах на первом и втором участках сети:

 

 

Сопротивление движению воздуха на первом и втором участках сети вытяжной вентиляции:

 

где ρ – плотность воздуха, кг/м³;

v – скорость движения воздуха в трубопроводе, необходимая для переноса различных пылей (принимается равной v = 10…16 м/с);

λ – коэффициент сопротивления движению воздуха на участке воздуховода (для металлических труб λ = 0,02, для полиэтиленовых λ = 0,01);

l – длина участка, м;

d – диаметр воздуховода, м;

ε_м – коэффициент местных потерь напора (рис. 3.20).

 

 

Рис. 3.20. Значения коэффициентов местных потерь напора

в поворотных коленах:

 

а – квадратного сечения; б – круглого сечения

 

Плотность воздуха, кг/м³:

 

 

где t – температура воздуха, при которой определяют плотность, °С.

Здесь ρ = 353/(273 + 22) = 1,197 кг/м³ – плотность воздуха при заданной температуре в помещении; λ = 0,02 для воздуховодов из металлических труб; коэффициенты местных потерь напора приняты: ε_м1 = 0,5 для жалюзи на входе; ε_м2 = 1,13 для колена круглого сечения при α = 90°; ε_м3 = 0,1 для внезапного расширения отверстия при отношении площади воздуховодов на последующем участке сети к площади воздуховода на предыдущем участке сети, равном 0,7.

Диаметры воздуховодов на третьем и четвертом участках сети:

 

d₃ = d₄ = d₁ / 0,7 = 0,28 / 0,7 = 0,4 м.

 

Скорости движения воздуха в воздуховодах на третьем и четвертом участках сети:

 

 

где L₃ – количество воздуха, проходящего за 1 ч через воздуховоды третьего и четвертого участка вентиляционной сети (L₃ = L₄ = 2 L₁ = 4980 м³/ч).

Сопротивления движению воздуха на третьем и четвертом участках гидравлической сети вытяжной вентиляции:

 

 

 

Диаметр воздуховода на пятом участке вентиляционной сети:

 

d₅ = d₄ / 0,7 = 0,4 / 0,7 = 0,57 м.

 

Из стандартизованного ряда значений принимаем d₅ = 0,56 м.

Скорость движения воздуха в трубопроводе пятого участка:

 

 

где L₅ – количество воздуха, проходящего за 1 час через воздуховоды пятого участка вентиляционной сети (L₅ = L_общ = 9960 м³/ч).

Сопротивление движению воздуха на пятом участке вытяжной вентиляции:

 

где ε_м4 – коэффициент местных потерь напора для диффузора вентилятора (принимается равным ε_м4 = 0,15).

Общее сопротивление воздуховодов сети, Па:

 

Далее рассчитаем производительность вентилятора с учетом подсосов воздуха в вентиляционной сети:

 

м³/ч,

 

где k_п – поправочный коэффициент на расчетное количество воздуха (при использовании стальных, пластмассовых и асбоцементных трубопроводов длиной до 50 м k_п = 1,1, в остальных случаях k_п = 1,15).

По необходимой производительности и полному расчетному давлению выбирают вентиляторы для обменной и местной систем вентиляции. При этом назначают тип, номер и технические характеристики вентиляторов (табл. 3.129), а также их исполнение: обычное – для перемещения неагрессивных сред с температурой не выше 423 К, не содержащих липких веществ, при концентрации пыли и других твердых примесей не более 150 мг/м³; антикоррозийное – для перемещения агрессивных сред; взрывоопасное – для перемещения взрывоопасных смесей; пылевое – для перемещения воздуха с содержанием пыли более 150 мг/м³.

 

Таблица 3.129 – Технические характеристики центробежных

вентиляторов серии Ц4-70

 

Номер вентилятора	Диаметр колеса, мм	Подача, тыс. м^3/ч	Асинхронный электродвигатель закрытого исполнения
Марка	Частота вращения, мин^-1	Мощность, кВт
		0,55…6,8	4АА63А4УЗ 4АА63В4УЗ 4А80А2УЗ 4А80В2УЗ		0,25 0,37 1,5 2,2
		0,95…11,5	4А71А6УЗ 4А71А4УЗ 4А71В4УЗ 4А80А4УЗ 4А100S2УЗ 4А112L2УЗ 4А112М2УЗ		0,37 0,55 0,75 1,1 4,0 5,5 7,5
		2…17,5	4А71В6УЗ 4А80А6УЗ 4А80В4УЗ 4А90L4УЗ 4А100S4УЗ		0,55 0,75 1,5 2,2 3,0
		2,5…26	4А90L6УЗ 4А100L6УЗ 4А100L4УЗ 4А112М4УЗ 4А132S4УЗ		1,5 2,2 4,0 5,5 7,5

Вентиляторы подбирают по аэродинамическим характеристикам (рис. 3.21). Зная производительность вентилятора, проводят горизонтальную прямую (например, из точки а на оси ординат в нижней части графика при L = 11000 м³/ч) до пересечения с линией номера вентилятора (точка b). Затем из точки b поднимают вертикаль до пересечения с линией расчетного давления, равного суммарным потерям напора в вентиляционной сети (например, Н = 1150 Па). В полученной точке с определяют КПД вентилятора η и безразмерный параметр А. При этом следует обеспечить воздухообмен с наибольшим КПД.

 

 

Рис. 3.21. Номограмма для выбора вентиляторов серии Ц4 - 70

 

В нашем случае по известным Н_с и L_в, используя рисунок 3.21, выберем центробежный вентилятор серии Ц4-70 №6 обычного исполнения с КПД η_в = 0,59 и параметром А = 4800.

Вычисляем частоту вращения вентилятора:

 

мин^-1,

 

где N – номер вентилятора.

Так как частота вращения электродвигателей, указанных в таблице 3.129, не совпадает с расчетной частотой вращения вентилятора, то привод его осуществим через клиноременную передачу с КПД η_п = 0,95.

Проверим выполнение условия снижения шумности вентиляционной установки:

 

π · D_в · n_в = 3,14 · 0,6 · 800 = 1507,2 < 1800,

 

где D_в – диаметр колеса вентилятора, м.

При выбранном вентиляторе и принятых его характеристиках данное условие выполняется.

Мощность электродвигателей для местной вытяжной и общеобменной систем вентиляции, кВт, определяют по формуле:

 

 

где L_в – требуемая производительность вентилятора, м³/ч;

Н – давление, создаваемое вентилятором, Па (численно равно Н_с);

η_в – КПД вентилятора;

η_п – КПД передачи (колесо вентилятора на валу электродвигателя – η_п = 0,95; плоскоременная передача – η_п = 0,9).

 

кВт.

 

Выбирают тип электродвигателя: для общеобменной и местной вытяжной систем вентиляции – взрывобезопасного или нормального исполнения в зависимости от удаляемых загрязнений; для приточной системы вентиляции – нормального исполнения.

Установленную мощность электродвигателя для вытяжной системы вентиляций рассчитываем по формуле:

 

Р_уст = Р · К_з.м = 4,85 · 1,15 = 5,58 кВт,

 

где К_з.м – коэффициент запаса мощности (К_з.м = 1,15).

Примем для выбранного вентилятора электродвигатель марки 4А112М4УЗ нормального исполнения с частотой вращения 1445 мин^-1 и мощностью 5,5 кВт (см. табл. 3.129).