Вентиляция заводская (II)

Вентиляция заводскаяВЕНТИЛЯЦИЯ ЗАВОДСКАЯ (и фабричная). Три основных фактора вентиляции. Обмены воздуха в помещениях происходят под влиянием трех факторов, действующих изолированно или совместно в различных сочетаниях. Этими факторами являются: а) разность давлений атмосферного воздуха, создающаяся под влиянием действия ветра у наветренной и подветренной сторон здания (аэрация); б) разность  внутреннего и наружного воздуха, создающаяся при наличии в помещении различных нагревателей и вызывающая ту естественную вентиляцию помещений, которая выявляется особенно выпукло в горячих цехах (печи, горячая аппаратура и т. п.); в) механические или специальные тепловые побудители, создающие ту планомерную вентиляцию, которую мы называем искусственной. Первый из указанных факторов является чисто стихийным и поддающимся регулированию сообразно с требованиями обстоятельств только в ограниченной степени. Второй фактор является более или менее постоянным, определяясь назначением помещения; регулируемость его также весьма ограничена. Третий фактор, создающийся специально с целью получения в помещениях некоторых определенных метеорологических условий, желательных с точки зрения гигиены и технологии, д. б. вполне регулируемым и в случае неблагоприятного влияния первых двух факторов способным преодолеть или смягчить его.

Последняя задача предполагает наличие достаточной освещенности всех трех факторов. В действительности этого не наблюдается, т. к. вентиляционная техника полностью освоила только третий фактор, два же первых являются еще новыми проблемами, выдвинутыми в последнее время. Такое положение вещей, несомненно, отражается на результатах изучения единовременного действия всех трех факторов и существенно сказывается на эффективности построенных искусственных вентиляций. Основные принципы этой последней - см. вентиляция заводская (I); основные принципы второго фактора приведены ниже, по поводу первого при водим следующие данные. Побудителем вентиляции при действии первого фактора является живая сила ветра, т. е. энергия, которую можно было бы назвать даровой в том случае, если бы использование ее не было сопряжено со значительными единовременными затратами денежных средств. В действительности это далеко не всегда имеет место. Возможность использования даровой энергии является существенным, но по-видимому единственным положительным свойством рассматриваемого способа вентиляции, получившего название аэрации. Отрицательные стороны аэрации несравненно многочисленнее. К ним относятся: непостоянство действия, обусловленное изменчивостью ветра по силе и направлению, неприменимость аэрации в тех случаях, когда приточный воздух должен иметь свойства, отличные от свойств наружного воздуха (повышенная влажность, повышенная температура зимой и т. п,), условная применимость аэрации в случаях, когда независимо от тепловых выделений в помещении имеют место и другие вредные выделения, например, газы, увлекаемые конвективными токами кверху под перекрытие, а оттуда удаляемые в атмосферу. В общем применение аэрации в наиболее ответственных и опасных случаях (вредные или ядовитые газы) не должно допускаться, и наиболее благоприятными условиями для ее применения следует считать борьбу с одними тепловыми выделениями. Заметим, что в этом случае искусственная вентиляция располагает не более, а возможно и менее сложными, чем для аэрации, устройствами, действующими под влиянием постоянного теплового побуждения, возникающего под влиянием технологических тепловых выделений, а не переменного, представляемого движением ветра. Единственной бесспорно более выгодной областью применения аэрации по сравнению с другими факторами обмена воздуха являются помещения складского и полускладского характера, не нуждающиеся в температуре высшей, чем наружная, и требующие более или менее энергичного, хотя и нерегулярного проветривания. Однако непременным условием и в этом случае следует считать отсутствие таких вредных выделений, которые в повышенной концентрации могут оказаться опасными для человека.

Естественная вентиляция горячих цехов. Особенности вентиляции горячих цехов определяются следующими факторами: сравнительной мощностью развивающихся в них тепловых выделений, почти всегда сопровождаемых обильными выделениями газа, пыли, а иногда водяных паров; характером архитектуры помещений горячих цехов, которые обычно имеют значительную высоту и почти всегда снабжены вверху открываемыми фонарями, вытяжными шахтами, а внизу открытыми по условиям работ дверями и даже воротами, и наконец мощной естественной вентиляцией, являющейся результатом двух первых факторов. Тепловые выделения в горячих цехах иногда достигают 2—3 млн. Cal и даже более на сравнительно небольшой площади, тогда как тепловые выделения в других хорошо изученных с санитарной точки зрения цехах выражаются десятками, самое большее сотнями тысяч Cal/час. Очень часто при этом выделяются и газы и притом настолько обильно, что заметно окрашивают воздух; пылевые выделения могут измеряться, правда в исключительных случаях, сотнями кг/час; выделения водяных паров также достигают иногда очень значительных размеров. Особенности архитектуры, как было указано выше, создают неплотности ограждений, которые представляют лишь незначительные препятствия для входа и выхода воздуха. Эти неплотности наряду с обилием тепловых выделений вызывают могучую естественную вентиляцию, которая нередко достигает 12—15 обменов, а в виде исключения доходит даже до 40 обменов. Т. к. искусственная вентиляция обычно устраивается в объеме 3—5 обменов, то естественная вентиляция горячих цехов в несколько раз превосходит мощностью те системы искусственной вентиляции, которые обычно устраивают на заводах. Поэтому выяснение естественной вентиляции является необходимым условием проектирования искусственной вентиляции в горячих цехах.

Естественная вентиляция возникает вследствие подогревания воздуха у горячих поверхностей аппаратов, печей и других нагревателей. Численное значение этого подогревания Δ t при постоянном температурном режиме определяется почти исключительно от температуры поверхности нагревателя. Согласно измерениям, нагревание воздуха равно 25—30°С у наружной обмуровки печей с поверхностной температурой 100—120°С; 15°С у поверхности электролизных ванн с температурой 60°С; 4°С у поверхности сосуда, наполненного водой, с температурой 30°С; одетый человек подогревает проходящий мимо него воздух в среднем на 3,1°С. Общее количество воздуха, составляющего конвективный ток от нагретого предмета, является частным от деления общего количества тепла, теряемого этим предметом, на среднее количество тепла, приобретаемого каждым м3 воздуха, и является величиной б. или м. постоянной. Так, печь Гумбольта дает воздушный поток, равный около 10000 м3/ч, электролизная ванна - около 1000 м3/ч, человек - 40 м3/ч, вольтова дуга для спекания карбида - до 66000 м3/ч. Сезонные колебания и индивидуальные отклонения не играют большой роли и могут не учитываться при проектировании. Конвективные токи создаются и нетеплопрозрачными телами, нагревающимися тепловыми лучами. Эти вторичные токи имеют меньшие значения Δ t и меньшую мощность. Основные конвективные токи, будучи окрашены газами, имеют вид тонких плоских слоев, поднимающихся к перекрытию. Слои, имеющие высшую температуру и большую скорость, инжектируют окружающий воздух и сравнительно быстро охлаждаются (например, токи от вольтовой дуги). Токи с низкой температурой (например, 15°С) поднимаются, почти не охлаждаясь, и, следовательно, почти не инжектируют окружающий воздух. Если, достигая перекрытия, струи нагретого воздуха находят отверстия (фонари, шахты), достаточные для выхода в атмосферу без изменения скорости, то при наличии свободного входа воздуха через ворота в помещении устанавливается простой воздухооборот: холодный воздух входит через ворота и направляется к нагревателю образуя питающий ток. Пройдя у поверхности нагревателей, воздух направляется к шахтам, образуя конвективные токи (фиг. 1). Часть помещения, не занятая ни питающими ни конвективными токами, носит название промежуточной зоны.

Естественная вентиляция

Питающие токи по санитарным свойствам приближаются к наружному воздуху, т. е. не содержат газа и пыли, но зимой имеют низкую температуру. Конвективные токи перед выходом из помещения захватывают все газы, тепло и пыль, которые выделились за время их прохождения. Их воздух - худший воздух всего помещения. Если при свободном выходе вход воздуха стеснен, то для образования питающих токов идет часть воздуха конвективных токов, которые изменяют свое восходящее направление, заворачивают вниз и образуют обратные токи (фиг. 2). Эти последние возвращают вниз удалившиеся в верхнюю зону газ, пыль и тепло и заражают ими нижнюю зону. При полном прекращении притока в двери образование конвективных токов происходит за счет воздуха верхней зоны (фиг. 3).

Естественная вентиляция

В результате этого являются или одновременные приток и удаление воздуха из верхнего отверстия (при больших размерах его) или же чередование притока и удаления воздуха (при малых размерах). В последнем случае происходит и вовлечение части конвективных токов в циркуляцию. При свободном притоке воздуха и стесненном выходе его через верхнее отверстие под перекрытием образуется «мешок» теплого воздуха (фиг. 4), который увеличивается по высоте до тех пор, пока увеличивающаяся в связи с этим скорость истечения воздуха из шахт не окажется достаточной для создания равновесия между количествами воздуха, поступающего под перекрытие и удаляющегося в атмосферу.

Помещения с заполненной «мешком» верхней зоной очень характерны для горячих цехов. При достаточном стеснении отверстий «мешок» может заполнить всю промежуточную зону, и тогда часть воздуха из «мешка» идет на образование питающих токов (фиг. 5).

Естественная вентиляция

В предельном случае при полном закрытии притока и вытяжки питающий ток образуется исключительно воздухом, спускающимся из «мешка» (фиг. 6). Это всегда имеет место в жилых помещениях при действии отопления (фиг. 7 и 8). В таких случаях обмен вентиляции значительно ниже обмена циркуляции. Внутренний воздух помещения все время перемешивается и получает приблизительно одинаковые качества по всему помещению.

Естественная вентиляция

При составлении проекта вентиляции весьма важно знать, в каких именно зонах находятся места пребывания рабочих. Если они находятся в зоне питающих токов, то как правило тепло, пыль и газы могут проникать в них лишь сверху из ниспадающих обратных токов или из «мешка», холодный же воздух может притекать непосредственно из дверей, ворот и других отверстий. Поэтому, если задачей вентиляции является борьба с теплом, газами или пылью в зоне питающих токов, то необходимо обеспечить условия, при которых питающие токи будут составляться исключительно из наружного воздуха, а для этого нужно оставить достаточно широкие входные и выходные отверстия. Напротив, если задачей является повышение температуры в зоне питающих токов, то следует уменьшить доступ свежего воздуха и этим увеличить приток циркуляционного воздуха из верхней зоны. Если рабочие места попадают в зоны конвективных токов, то в подавляющем большинстве случаев задача улучшить санитарные условия рабочей зоны путем улучшения качества воздуха в конвективных токах оказывается совершенно безнадежной. Недостаточно надежными являются и такие средства, как изоляция, герметизация аппаратуры и т. п. Поэтому нужно стремиться перевести рабочие места из зоны конвективных токов в промежуточную зону или, лучше, в зону питающих токов. Это м. б. достигнуто устройством воздушных душей, отклоняющих перегородок, экранов или совмещением обоих приемов - выгораживанием рабочих мест в особые кабинки с подачей в них приточного воздуха. При нахождении рабочих мест в «мешке» наиболее естественным приемом является расширение выпускных отверстий до таких пределов, при которых «мешок» исчезает полностью или частично. При значительном количестве пыли в конвективном воздухе все пространство под «мешком» является зоной выпадания пыли, которая в этом случае двигается независимо от движения воздуха (в «мешке» скорость движения воздуха сильно падает). В этом случае все пространство под «мешком», в том числе и питающие токи, оказывается запыленным. Методом борьбы с этим является снова уничтожение мешка путем облегчения выхода воздуха. Напротив, газы почти всегда послушно следуют движению воздушных токов и собственного независимого от них движения почти не имеют. Представление о скоплении легких газов вверху, а тяжелых внизу совершенно неправильно. Неправильным следует считать и влияние диффузии, которое обычно сильно преувеличивается.

В некоторых случаях (кузницы) задачей вентиляции ставится полный захват токов нагретого и испорченного газами воздуха, в этом случае конвективные токи, «мешок» и обратные токи в помещении отсутствуют, и вентиляционная задача оказывается полностью разрешенной, но такое решение возможно лишь при сравнительно малых объемах улавливаемых токов, т. е. практически тогда, когда удается искусственно увеличить величину Δ t. В других случаях стараются обезвредить конвективные токи путем изоляции горячих поверхностей, герметизацией аппаратуры, местных отсосов газа и т. д. Однако средства эти являются лишь паллиативами, так как герметизация, как бы тщательно она ни была проведена, очень часто расстраивается, особенно на химических заводах и при переменном тепловом режиме аппаратуры. Изоляция способна б. или м. уменьшить тепловые выделения, но их общий характер в горячем цехе от этого не переменится. Наконец устройство местных отсосов может дать эффект лишь при наличии ограниченного числа мест возможных вредных выделений. Т. о. удачное применение этого метода вентиляции мало вероятно. Устройство в горячих цехах общей искусственной вентиляции в большинстве случаев совершенно бесцельно, т. к. для улучшения санитарных условий пришлось бы в несколько раз увеличить обмен естественной вентиляции, который и без того нередко достигает 12—15 обменов. Т. о. для устройства эффективной общей вентиляции пришлось бы давать не менее 40—50 обменов, что недопустимо по экономическим соображениям. На практике иногда устраивают общие системы вентиляции, не считаясь с обменом естественной вентиляции. Это приводит к опрокидыванию общей системы вентиляции, если она предполагает движение воздуха навстречу токам естественной вентиляции, или к бесполезному поглощению токов искусственной вентиляции токами естественной, если направления их параллельны. Так, при подаче подогретого воздуха он уходит через шахты и фонари, самое большее несколько увеличивая глубину мешка. При подаче холодного приточного воздуха вверху он увлекается конвективными токами в шахты, а если подача совершается с большей скоростью, то струи приточного воздуха прорываются донизу, но, инжектируя по пути, встречные токи конвективного воздуха приходят в нижнюю зону совершенно зараженными. Подача холодного воздуха внизу замещает естественный приток холодного воздуха через двери, но очевидно, что пользы такое замещение не приносит. Холодным в этом случае обозначается приток воздуха с температурой, близкой к температуре питающих токов, какова бы она ни была, теплым же - приток воздуха с температурой, близкой к температуре конвективных токов. Поддерживание температуры в нижней зоне горячих цехов в зимнее время не только на уровне требований охраны труда, но даже только не ниже 0°С до сего времени является задачей неосуществленной. Нижняя зона заполнена питающими токами, температура которых близка к температуре наружного воздуха, поэтому надежных способов обогревания ее в настоящее время не имеется. Следует предостеречь от установки с этой целью нагревательных приборов и других мероприятий.

Некоторые особенности представляют помещения с большими выделениями водяных паров. В этих помещениях свободные конвективные токи чрезвычайно неприятны, т. к. зимой они конденсируют влагу на балках перекрытий, на верхнем остеклении, что производит капель, иногда только нежелательную, иногда же крайне опасную, например, при работе с расплавленными металлами и шлаками. С другой стороны, места выделения водяных паров обычно немногочисленны, а конвективные токи непосредственно у поверхности жидкости имеют большое численное значение Δ t и, следовательно, малый объем (1 кг пара, выделяясь, имеет объем около 1,7 м3 при температуре 100°С, на расстоянии 1 м от поверхности распространяется на 14—22 м3, и температура падает до 40°С). В этом случае следует устраивать закрытия с забором всего конвективного тока непосредственно от места его выбивания. Важно устроить возможно более плотные ограждения, т. к. это позволяет экономить на количестве отсасываемого воздуха. В некоторых случаях оказывалось достаточным (при плотных ограждениях) давать только одни вытяжные трубы, через которые выходит почти чистый пар. При этом помещение почти не теряет воздуха и нет необходимости восполнения его. При менее плотных ограждениях высасывается паровоздушная смесь с большим или меньшим содержанием пара. При наличии зонтов температура паровоздушной смеси падает до 40°С (под зонтом) и содержит 15—22 кг воздуха на 1 кг пара и конденсата. При открытых поверхностях паровоздушная смесь имеет температуру около 35°С (вблизи от поверхности).

При составлении проектов вентиляции горячих цехов необходимо замерами или вычислениями найти следующие величины: 1) количество выделяющегося тепла, 2) среднее значение Δ t и 3) количество воздуха, составляющего конвективные токи. Далее, для летнего времени шахты д. б. рассчитаны т. о., чтобы иметь возможность выпустить весь воздух без опускания «мешка» в рабочие зоны. В тех случаях, когда помимо тепловых выделений имеется пыль, нужно вообще избегать образования «мешков». Напротив, зимой при изолированной тепловой вредности «мешок» следует спускать ближе к полу и этим отапливать помещение. При наличии газов или пыли следует мириться с низкой температурой в нижней зоне и полностью удалять конвективные токи, избавляясь вместе с этим от пыли и газов. Механизированная вентиляция может и должна применяться лишь для вентиляции выделенных кабинок (убежища).

К архитектуре здания естественная вентиляция горячих цехов предъявляет следующие требования. Отверстия в крыше д. б. расположены т. о., чтобы весь конвективный воздух мог выходить из помещения и притом по мере возможности кратчайшим путем и без увеличения скорости. Не д. б. мертвых, застойных пространств, по крайней мере часть шахт д. б. расположена в наиболее высоких пунктах здания. При наличии газов, пыли или паров воды ограждения, в особенности перекрытия, следует делать малотеплопроводными. При наличии пыли высота помещения не д. б. чрезмерной, т. к. это удлиняет путь конвективного тока. Для притока следует помимо ворот устраивать специальные отверстия, которые следует располагать в самой нижней зоне по всему внешнему периметру помещения, стараясь, однако, так разместить их, чтобы подтекающие токи (зимой) не проходили через пункты пребывания людей.

Определение обменов вентиляции по учету объема конвективных токов на основании замеренных значений Δ t является методом сравнительно новым и сложившимся на почве обследования горячих цехов химических заводов. С этих последних применение его быстро распространяется на другие помещения, в которых имеют место тепловые выделения. Главным удобством этого метода являются несомненная реальность значений Δ t (т. к. они берутся из замеров с натуры) и, следовательно, действительно минимальные значения требующихся в соответствии с ними обменов. При других методах подсчета произвольный выбор значений Δ t вел за собой ошибочное определение обменов. В помещениях, лишенных быстро двигающихся механизмов, ремней и других факторов, способствующих перемешиванию конвективных токов с окружающим их воздухом, преимущество использования естественной вентиляции сказывается несравненно более полно и выпукло. Наоборот, во всех случаях, где это перемешивание происходит, преимущества использования естественной вентиляции в большей или меньшей степени уменьшаются. Поэтому обмены в ткацких и прядильных отделениях текстильных фабрик с их мощными тепловыми выделениями с меньшим основанием могут рассчитываться по принципу естественной вентиляции, чем, например, в цехах с несравненно более слабыми выделениями тепла, но лишенных вращающихся веретен, двигающихся батанов и т. п. Имеется полное основание производить определение обменов в чугунолитейных и сталелитейных цехах по принципу естественной вентиляции, Отметим в заключение еще две крайне интересные области применения принципа естественной вентиляции при определении обменов для зал общественных собраний и при расчете извлечения воздуха из химических шкафов, В первом случае источником тепловых выделений являются обитатели зала, создающие свои конвективные токи, которые по замерам, произведенным нами, составляют на одного человека около 40 м3/ч при Δ t = 3,1°. Во втором случае помещением является шкаф, нагревателем же его - газовые горелки, «бани», горячая аппаратура, поверхность горячих сосудов и пр.

Понятие о переместительности воздушных нагрузок в воздуховодах и способ расчета переместительных систем. При расчете вытяжных воздуховодов вентиляционных систем очень часто приходится встречаться с переменной нагрузкой отдельных участков в зависимости от открытия или закрытия в отдельных пунктах крышек, шиберов, дроссель-клапанов или других регулирующих приборов. При этом условии во всех участках труб меняются количества проходящего воздуха, а, следовательно, его скорости и сопротивления. Заметим, что сопротивления меняются в направлении, обратном желательному, например, при уменьшении вытяжки они падают, а этим уменьшение вытяжки в большей или меньшей степени задерживается. Путем управления регулирующими приборами было бы возможно создать нужное распределение воздуха по участкам, но если изменение нагрузки совершается непрерывно, то такое управление становится невозможным. В этих случаях необходимо соблюдение особых правил расчета трубопроводов, которые в общей совокупности мы будем называть условиями переместительности. Сообразно с этим системы, в которых заданная скорость в засосных отверстиях поддерживается автоматически, будем называть переместительными. Первоначальная регулировка таких систем также требует особых приемов. В переместительных системах мы должны различать: 1) приемные отверстия, снабженные крышками или шиберами, от положения которых должно зависеть количество воздуха, забираемого от каждого приемного отверстия; 2) отростки, проводящие воздух от каждого приемного отверстия коллектора до глушителя; 3) коллектор-глушитель; 4) воздухоотводный канал, соединяющий глушитель с вентилятором. Воздухоотводный канал имеет назначением отводить от глушителя постоянное количество воздуха. Расчет его производится обычным образом. Отростки и приемные отверстия должны находиться в таком взаимоотношении, чтобы отношение падения напора, происходящее в отростке, к падению напора в приемном отверстии было величиной по возможности меньшей. Система будет тем чувствительнее и тем в большей степени реагирует она на поднятие и закрывание крышек и перестановку шиберов, чем меньше

(Rl + Z2)/ Z1

где RI - сопротивление трения отдельной ветви от засоса до глушителя, Z2 - местные сопротивления на том же пути, Z1 - сопротивления засосного отверстия. Поэтому для увеличения переместительности системы нужно увеличивать Z1 или уменьшать Rl + Z2. Первое сопряжено с увеличением расхода воздуха, т. е. стоимости оборудования и эксплуатации системы. Второе требует устройства широких и прямых каналов, что вызывает также увеличенный расход средств и требует больше места для размещения их. Зато соблюдение условий переместительности позволяет сокращать производительность вентилятора, расход энергии на него, уменьшает мощность и стоимость как вытяжного устройства, так и приточной системы. Выгодность или невыгодность переместительной системы определяется из следующих соображений. Если средний расход каждого отверстия не разнится существенно от максимального и если процент бездействующих отверстий невелик, то переместительная система невыгодна и лучше рассчитывать вентилятор на сумму максимальных отсосов отдельных отверстий. Если же максимальный расход воздуха на каждое отверстие значительно разнится от среднего и если большой процент отверстий не работает, то выгоднее рассчитывать систему как переместительную, т. е. на средний расход воздуха. Что касается, коллектора-глушителя, сопротивление в нем д. б. возможно меньшим, а для этого следует делать его или очень большого сечения или весьма коротким, например, сводя отростки от всех отсосных пунктов к одной точке (у диффузора). Сопротивления всех участков на пути до глушителя д. б. выравнены. Системы вполне переместительные имеют постоянную скорость засоса и переменное количество воздуха. Системы совершенно непереместительные имеют постоянные количества воздуха в отдельных отсосах и меняют скорость засоса при изменении степени открытия засосного отверстия. Системы с частичной переместительностью меняют и количество воздуха, проходящего через каждое приемное отверстие, и скорость засоса.

Кроме того меняется общий расход воздуха, общее сопротивление и расход энергии. При составлении проекта нужно знать амплитуду возможных колебаний этих величин. Для определения максимальных сопротивлений необходимо допустить, что наиболее удаленные от вентилятора отверстия работают на максимальный расход воздуха, а более близкие закрыты. На этом основании определяется и число оборотов вентилятора. Для определения максимального расхода энергии необходимо принять равномерную нагрузку при числе оборотов, выведенном для случая максимального сопротивления. В этом случае общий расход воздуха повышается, а вместе с ним повышается и расход энергии. Системы вполне переместительные или совершенно непереместительные должны иметь постоянное сопротивление и расход энергии. Соблюдение принципа переместительности является важным, например, в следующих практических случаях: отсосы от центрифуг, от хлорных ящиков, красильных фабрик, от красковарочных котлов и т. п.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.