Движение воздуха у вытяжных отверстий

 

В производственных помещениях целесообразно улавливать вредные пары, газы или пыль непосредственно у мест их выделения с помощью местной вытяжной (локализующей) вентиляции. При таком способе вентилирования в каждом кубическом метре удаляемого воздуха удаляет большее количество вредных веществ по сравнению с общеобменной вентиляцией, поэтому необходимый санитарно-гигиенический эффект достигается при меньшем воздухообмене.

Потоки воздуха, образующиеся вблизи вытяжных отверстий, существенно отличаются от струйных течений. Расход воздуха в подтекающем ко всасывающему отверстию потоке сохраняется постоянным (L = const), в то время как в струе постоянно количество движения (М = const). Учитывая, что для спектра всасывания характерно постоянство расхода воздуха, скорости в потоке вблизи вытяжного отверстия убывают обратно пропорционально площади, через которую происходит подтекание воздуха ко всасывающему отверстию.

Если отверстие в торце цилиндрической трубы в первом приближении рассматривать как точечный сток и иметь в виду, что одинаковые скорости находятся на поверхности сфер радиусом , то скорости в спектре всасывания на различных расстояниях от центра всасывающего отверстия могут быть определены из выражения

(1.1)

где: - расход воздуха, удаляемого через всасывающее отверстие, м³/с; - поверхность сферы радиусом r, м².

Радиус сферы r может быть выражен через координаты расчетной точки как

(1.2)

Подставив в формулу (1.1) выражение

(1.3)

(здесь - диаметр всасывающего отверстия, - скорость воздуха в отверстии), ее можно записать в виде

(1.4)

Коэффициент зависит от расположения отверстия относительно плоскостей, ограничивающих подтекание воздуха к нему. При ограниченном подтекании воздуха ко всасывающему отверстию падение скоростей в спектре всасывания происходит медленнее и коэффициент возрастает. Значение для круглых и квадратных отверстий при различных условиях подтекания воздуха приведены в табл. 1.1.

Всасывающее отверстие в виде вытянутой прямоугольной щели длиной и шириной при приближении можно рассматривать как линейный сток, т.е. линию, состоящую из ряда точечных стоков. Учитывая, что в этом случае при достаточно большой длине щели скорости на поверхности цилиндра будут одинаковые, скорость в спектре всасывания, образованная такой целью, может быть определена по выражению

(1.5)

где - поверхность цилиндра радиусом r.

 

Таблица 1.1 – Значения коэффициента

 

Схемы отверстия	Угол между плоскостями, ограничивающими сферу всасывания	Коэффициент
круглые или квадратные отверстия	прямоугольные вытяжные щели
		0,06	0,16
		0,12	0,32
		0,24	0,64

 

Подставив в выражение (1.5) значение , его можно записать в виде

(1.6)

В случае линейного стока ограничение сферы подтекания воздуха ко всасывающей щели также приводит к увеличению скорости в спектре всасывания (табл. 1.1).

Пользуясь формулами (1.4) и (1.5), можно с достаточной точностью определить скорость подтекания воздуха на сравнительно большом расстоянии от всасывающего отверстия, превышающем: - для круглых и квадратных отверстий; - для вытянутых и прямоугольных отверстий.

Как видно из приведенных формул, падение скоростей в потоке воздуха по мере удаления от всасывающего отверстия происходит весьма быстро. Например, при удалении воздуха через торец цилиндрической трубы ( = 0,06) на расстоянии скорость воздуха в потоке в 16 раз меньше скорости его в отверстии. В связи с этим для повышения эффективности улавливания целесообразно вытяжное отверстие местного отсоса располагать на минимальном расстоянии от источника выделения вредных веществ, допустимом по конструктивным и технологическим соображениям.

Для определения скоростей в воздушных потоках в непосредственной близости от всасывающего отверстия можно оспользоваться зависимостями, полученными Г.Д. Лифшицем.

Для прямоугольных отверстий с различным соотношением сторон от 1 до 10 относительная скорость определяется в зависимости от относительных координат

, ,

где x, y, z – координаты расчетной точки.

Значения относительных скоростей в центре всасывания для патрубка с острой кромкой и отверстия в стенке приведены на рис. 1.1 и 1.2. Пользуясь приведенными на этих рисунках кривыми, можно определить относительную скорость при удалении воздуха через круглое вытяжное отверстие диаметром d₀. В этом случае следует принять относительные координаты , , , и значение n = 1.

 

 

Рис. 1.1.

Относительная скорость в спектре всасывания патрубка с острой кромкой 0 < z < 4

 

Местные отсосы, особенно встроенные в оборудование, зачастую располагают на некотором расстоянии от ограничивающей поверхности. Используя метод отображений, Г.М. Позин получил формулы, позволяющие учесть влияние такого рода поверхностей для точек, удаленных от центра отверстия на расстоянии более половины его калибра. Скорость в рассматриваемой точке определяется как произведение скорости, вычисленной для случая без ограничивающей плоскости , на поправочный коэффициент

= (1.7)

При расположении ограничивающей поверхности перпендикулярно оси (рис. 1.3, а), проходящей через центр отсоса, влияние ее на осевую скорость всасывания учитывается формулами:

для квадратного или прямоугольного отверстия

(1.8)

для щели

(1.9)

где h – расстояние от центра всасывающего отверстия до плоскости, м.

 

 

Рис. 1.2.

Относительная скорость в спектре всасывания отверстия в стенке 0 < x < 4

 

а

б

Рис. 1.3. Схемы взаиморасположения ограничивающих плоскостей

 

Если плоскость расположена параллельно оси отсоса (рис. 1.3, б), то коэффициент определяется по формуле

для патрубка

(1.10)

для щели

(1.11)

Распределение скоростей воздуха вблизи ограничивающей плоскости можно рассчитать, используя соотношение для патрубка и для щели

(1.12)

Очевидно, что плоскость, перпендикулярная оси патрубка, всегда уменьшает осевые скорости всасывания ( поставленная параллельно оси – увеличивает их ( > 1).

Наличие у вытяжного отверстия фланцев сравнительно больших размеров способствует увеличению скоростей в спектре всасывания и учитывается с помощью коэффициента

(1.13)

Значения , , приведены на рис. 1.4, на котором:

для круглого отверстия

для прямоугольного отверстия

.

 

 

 

Рис. 1.4.

Коэффициенты , , , учитывающие влияние фланцев

По степени влияния области действия отсоса воздуха от окружающего пространства местные вытяжные устройства можно разделить на устройства закрытого и открытого типов.

 

Местные вытяжные устройства закрытого типа

 

В местных вытяжных устройствах закрытого типа источник выделения вредных веществ (и собственно отсос) изолирован от остального объема помещения и находится внутри укрытия: полного (укрытия ленточных конвейеров, точек, дробеструйные камеры и т.п.) или с рабочим проемом (лабораторные вытяжные шкафы, камеры для ручной окраски и т.п.). Такие вытяжные устройства наиболее надежные и требуют наименьших по сравнению с устройствами открытого типа расходов удаляемого воздуха.

Если источник вредных выделений снабжен полным укрытием, имеющим неплотности или рабочие проемы, то внутри укрытия под действием выделения теплоты или падающего материала создается избыточное (по сравнению с окружающей средой) давление, способствующее выходу загрязненного воздуха в помещение через проемы и неплотности. Действие отсоса должно создавать в зонах возможного выхода вредных выделений разрежение, которое препятствует поступлению их в цех из укрытия через его неплотности или рабочие проемы.

Рекомендуемые разрежения в укрытиях конвейеров и течек в зависимости от вида перемещаемого материала приведены в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1 – Рекомендуемые разрежения в укрытиях, Па

 

Вид материала	Укрытие с одинарными стенками	Укрытие с двойными стенками
Кусковой	10 - 12	6 - 8
Зернистый	9 - 10	6 - 8
Порошковый	-	5 - 6

 

Количество воздуха, удаляемого от укрытий с рабочим проемом, рекомендуется определять по формуле

, м³/ч (2.1)

где: Q – количество тепловыделений, Вт; - соответственно высота и ширина рабочего проема, м.

В практических расчетах наиболее часто необходимый объем воздуха, удаляемого от вытяжных устройств закрытого типа, определяется по рекомендуемым скоростям всасывания

, м³/ч (2.2)

где F – площадь рабочего проема и неплотностей, м².

Рекомендуемые скорости всасывания зависят от токсичности выделяющихся вредных веществ, их концентрации, интенсивности тепловыделений, и колеблются в значительных пределах – от 0,3 до 2,5 м/с.

Для местных вытяжных устройств закрытого типа В.М. Эльтерманом предложен метод расчета, позволяющий определить необходимую скорость воздуха в рабочем проеме укрытия с учетом диффузионного переноса вредных веществ навстречу потоку. При этом уменьшаются концентрации этих веществ внутри укрытия и на рабочем месте и коэффициент турбулентной диффузии. Для возможности более широкого использования этого подхода необходимо накапливать данные о коэффициентах турбулентной диффузии для различного вида укрытий.

Для уменьшения выноса вредных веществ из укрытия рекомендуется отверстия в укрытии оформлять в виде патрубков обтекаемой формы длиной не менее 100 мм. Закругленные кромки исключают вихреобразование и турбулизацию потоков воздуха, входящего в укрытие. Повысить эффективность вытяжного устройства можно путем подачи в укрытие воздуха (рис. 2.1), что позволяет снизить концентрацию вредных веществ. Воздух в укрытие рекомендуется подавать снизу вверх с малой скоростью через решетку у задней стенки укрытия.

Рис. 2.1.

Вытяжной шкаф с подачей в него воздуха

 

Местные вытяжные устройства открытого типа

 

В тех случаях, когда не представляется возможным по условиям выполнения технологического процесса применить вытяжное устройство закрытого типа, применяют устройства открытого типа.

При одновременном выделении теплоты и вредных веществ вытяжные устройства открытого типа можно расположить по степени эффективности улавливания (при одинаковом расходе удаляемого воздуха) в такой последовательности:

- зонты (рис. 3.1, а), верхнее, щелевые и круглые отсосы;

- боковые, угловые отсосы (рис. 3.1, б);

- кольцевые отсосы (рис. 3.1, в);

- нижние отсосы (рис. 3.1, г).

 

а б в г

Рис. 3.1.

Основные типы местных вытяжных устройств открытого типа

С целью повышения эффективности работы местного отсоса и сокращения количества удаляемого воздуха необходимо учитывать следующие положения:

- местный отсос должен быть максимально приближен к источнику вредных выделений;

- отсос следует ориентировать так, чтобы поток вредных выделений при улавливании минимально отклонялся от естественного направления движения;

- форма и размеры отсоса должны соответствовать форме и размерам источника вредных выделений;

- подтекание воздуха к отсосу целесообразно максимально ограничивать стенками, фланцами, свесями;

- должны быть обеспечены устойчивость потоков вредных веществ и направление их к местному отсосу с помощью воздушных струй;

- работа местных отсосов не должна нарушаться подвижностью воздуха в помещении, создаваемой системами приточной вентиляции, движущимся транспортом, оборудованием и т.п.

По используемым методам расчета местные отсосы открытого типа могут быть условно разделены на два класса.

К первому классу отнесены отсосы, улавливающие вредные вещества, доминирующий фактор переноса которых отсутствует, эффективность отсоса определяется закономерностями спектра всасывания (например, перенос осуществляется за счет турбулентной диффузии).

Ко второму классу отнесены отсосы от источников, перенос вредных веществ от которых осуществляется под влиянием доминирующего фактора (конвективной или динамической струи).

Наиболее характерные схемы отсосов первого класса приведены на рис. 3.2, примерный перечень технологических процессов и некоторые рекомендуемые скорости всасывания приведены в табл. 3.1.

 

 

Рис. 3.2.

Наиболее характерные расчетные схемы отсосов первого класса: 1 – вытяжной воздуховод; 2 – ограничивающая поверхность; 3 - фланец

 

Расчет местных отсосов первого класса следует проводить, пользуясь закономерностями спектра всасывания.

Количество воздуха, удаляемого от местного отсоса

(3.1)

Величина зависит от: площади отверстия (; рекомендуемой скорости в расчетной точке спектра всасывания ; относительной скорости (), индуцируемой отсосом в расчетной точке в случае подтекания к нему воздуха свободно или из полупространства и определяемой по данным рис. 1.1 и 1.2, а также наличием плоскостей, ограничивающих подтекание воздуха к отсосу () и условиями входа воздуха в отсос (), определяемыми наличием фланцев, конфузоров и т.п.

 

Таблица 3.1 –

Рекомендуемые значения скорости в расчетной точке спектра всасывания

 

Наименование технологического процесса	Вредные вещества	Расчетная скорость, м/с
Ручная сварка, сварка в среде углекислого газа, порошковой проволокой, под слоем флюса, точечная сварка	марганец и его соединения, фтористый водород, оксиды азота, сварочная пыль и др.	0,3-0,5
Сварка в среде инертных газов	сварочная пыль, озон и др.	0,15-0,3
Пайка	аэрозоль свинца	0,4
Лужение	аэрозоль свинца, t = 300-3500С	0,4
Флюсование	этиловый спирт t = 15-250С	0,3

 

За расчетную точку М при расположении источника вредных выделений в пространстве принимается точка источника, наиболее удаленная от местного отсоса. При расположении источника вредных выделений на ограничивающей плоскости выбор расчетной точки М зависит от соотношения между координатами наиболее удаленной от местного отсоса точки источника l и точки у плоскости, в которой скорость, индуцируемая отсосом, максимальна ():

- при за расчетную точку М принимается точка, в которой скорость у плоскости максимальна (рис. 3.3);

- при за расчетную точку М принимается точка источника, наиболее удаленная от местного отсоса.

 

Рис. 3.3.

Определение расчетной точки при расположении источника вредных выделений на плоскости

Расстояние для представленных на рис. 3.1 схем отсосов равно: для круглых и прямоугольных отсосов (n < 5) ; для прямоугольных отсосов () - .

Расход воздуха через открытые местные вытяжные устройства второго класса, улавливающие вредные вещества, переносимые конвективной или динамической струей, может быть определен из выражения

(3.2)

где - расход воздуха в характерном сечении струи, м³/с.

Расход воздуха на разгонном участке конвективной струи может быть определен по формулам:

для компактных струй

(3.3)

для плоских струй

(3.4)

Осевая скорость на разгонном участке в конвективной струе определяется по формулам:

для компактных струй

(3.5)

для плоских струй

(3.6)

где: l – расстояние от источника до уровня всасывания; r – радиус источника вредных выделений.

Количество теплоты, отдаваемой теплоисточником путем конвекции, определяется по формулам:

от горизонтальной поверхности источника

, Вт (3.7)

от вертикальной поверхности источника

, Вт (3.8)

Суммарное количество конвективной теплоты

(3/9)

Значения поправочного коэффициента принимают в зависимости от

 

t, 0С
	1,35	1,27	1,14	0,97	0,86	0,7	0,48

 

Входящий в формулу (3.2) коэффициент k в первую очередь зависит от взаиморасположения источника вредных выделений и отсоса. При верхнем отсосе конвективной струи (рис. 3.1, а), когда направление движения воздуха в спектре всасывания и потоке вредных веществ совпадает, коэффициент k имеет меньшее значение. В случае бокового (рис. 3.1, б) или бортового отсоса (рис. 3.1, в), когда требуется отклонить поток вредных веществ в сторону, величина k возрастает. При нижнем расположении отсоса (рис. 3.1, г) при направлении скоростей в конвективной струе и во всасывающем спектре навстречу друг другу величина k имеет наибольшее значение.

Расчет местных вытяжных устройств открытого типа второго класса детально рассмотрен В.Н. Посохиным.