Features of protection technology of air from transport complex objects

Full Text

При защите воздушной среды на первый план обычно ставится охрана атмосферы от вредных производственных выбросов, в связи с чем основное внимание уделяется лишь технике и технологии обработки загрязнённого воздуха, удаляемого от источника его образова- ния [1]. Вместе с тем, аппараты для очистки атмосферных выбросов являются составной ча- стью современной механической приточно-вытяжной вентиляции производственных объек- тов, которая решает комплексную задачу защиты воздушной среды от вредных факторов, и в первую очередь это должно быть обеспечено на рабочем месте операторов, а затем уже - во внешней среде [2]. Особенностью функционирования такой комбинированной системы является то, что поступающий в производственное помещение воздух приточной вентиляцией забирается снаружи, т. е. из окружающего пространства, куда вытяжная вентиляция удаляет выбросной воздушный поток. Чем лучше осуществлена очистка этого потока от вредных примесей, тем меньше будет нагрузка на приточную вентиляцию. Поэтому даже с позиции снижения затрат на обработку приточного воздуха, выброс в атмосферу загрязнённого потока вытяжной вен- тиляцией является не допустимым. Следовательно, вопрос выбора рациональных функцио- нальных параметров общей системы защиты от вредных производственных факторов внеш- ней и внутренней воздушной среды должен решаться во взаимосвязи двух указанных подси- стем. Помимо отмеченного, в настоящее время к современным комплексным механическим системам защиты воздушной среды предъявляются определённые требования по обеспече- нию их экологичности с позиции энергосбережения [3, 4]. Как-указывалось, назначением приточно-вытяжной вентиляции является удаление из рабочей зоны загрязнённого воздуха и подача вместо него кондиционированного воздуха с целью обеспечения здесь требований санитарных норм к параметрам микроклимата и содер- жанию вредных веществ, а также снижении при этом негативного воздействия на окружаю- щую среду вредных производственных факторов. В связи с этим современная приточно- вытяжная система вентиляции состоит из двух самостоятельных подсистем [2, 3] - приточ- ной и вытяжной, оборудованных каждая своим вентилятором, и содержащих аппараты для обработки воздуха. В первой подсистеме необходима круглогодовая тепловлажностная об- работка воздуха с его очисткой, и поэтому здесь должен быть отопитель с воздухоохладите- лем и фильтром. Вторая же подсистема должна быть снабжена соответствующим агрегатом для очистки атмосферных выбросов. При этом приточная вентиляция должна возмещать расход воздуха как на его удаление местными отсосами от источников вредных выбросов, так и возможные потери воздуха, затраченные на различные технологические нужды (огне- вые процессы, пневмотранспорт, компрессорные установки и т.п.).К тому же общий расход воздуха (т.е. подача) в сочетании с его температурой должен обеспечивать на рабочем месте нормируемые параметры микроклимата в течение всего года. Объектами автотранспортного комплекса (АТК) являются подвижной состав, включа- ющий в себя различного вида машины (легковые и грузовые автомобили, автобусы, тракто- ры, коммунальные машины и др.), и предприятия по их техническому обслуживанию, такие как базы центрального технического обслуживания (ЦБТО), станции техобслуживания (СТО) и автозаправочные станции. В связи с этим по негативному воздействию на внутрен- нюю и внешнюю воздушную среду различают передвижные и стационарные источники [5]. К передвижным источникам относятся машины, перемещающиеся как в транспортных го- родских потоках, так и движущиеся или хранящиеся на территории обслуживания. К стаци- онарным же источникам относятся указанные выше автотранспортные предприятия. Если по характеру воздействия на воздушную среду и связанной с ним технологией её защиты стационарные источники АТК аналогичны объектам промышленных предприятий, то передвижные источники имеют свою специфику. Так, если в первом случае обязательно имеется механическая приточно-вытяжная вентиляция, состоящая, как указывалось, из двух самостоятельных подсистем, то на машинах применяется так называемая «вытесняющая вентиляция» [4], где кондиционированный воздух подаётся в кабину в количестве, достаточ- ном для обеспечения в ней не только нормируемого микроклимата, но и некоторого избы- точного давления, препятствующего проникновению в рабочую зону загрязнённого наружного воздуха через неплотности в её ограждениях из-за встречного потока уходящего в атмо- сферу чистого воздуха кабины. В связи с этим на машинах вытяжная вентиляция, как от- дельная подсистема, по существу, отсутствует, что должно учитываться при решении рас- сматриваемого вопроса. Отметим, что в отличие от «вытесняющей вентиляции» на стацио- нарных объектах АТК используется «восстановительная вентиляция» [4], существо которой заключается в качественной очистке воздуха от вредностей источника их возникновения в рабочей зоне и возврат его в помещение. С учётом изложенного выше рассмотрим пути решения вопроса защиты внутренней и внешней воздушной среды объектов АТК. При этом в первую очередь уделим внимание обеспечению на рабочем месте параметров микроклимата, рациональных как с точки зрения нормализации теплового состояния операторов, так и с позиции энергосбережения в аппара- тах для её достижения. Микроклимат производственных помещений характеризуется действующими на орга- низм человека сочетаниями температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, а также температуры окружающих его поверхностей и механизмов, т.е. интенсивно- сти теплового излучения. Гигиеническое нормирование параметров микроклимата для помещений стационарных объектов производится по ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН 2.2.4.548-96. Нормируются опти- мальные и допустимые показатели микроклимата. Оптимальные распространяются на всю рабочую зону, а допустимые принимаются раздельно для постоянных и непостоянных рабо- чих мест. При этом значения параметров микроклимата учитывают категорию, выполняемых человеком работ по уровню энергозатрат и способности человеческого организма к акклима- тизации в разное время года, а также по теплонапряженности помещения. При нормировании различают тёплый период года (среднесуточная температура наружного воздуха выше 10 C ) и холодный период года (среднесуточная температура наружного воздуха ниже). 10 C и Таблица 1 Оптимальные и допустимые температуры воздуха в рабочей зоне производственных помещений стационарных объектов Поскольку важнейшим параметром микроклимата в первую очередь является темпера- тура воздуха по сухому термометру, в таблице 1 приведены её нормируемые значения для помещений стационарных объектов. Что же касается относительной влажности и скорости движения воздуха на рабочем месте, то в рамках приведённых в этой таблице температур предписывается: для холодного периода года оптимальная относительная влажность воздуха должна со- ставлять 40 60 % и допустимая не более 75 % при скорости движения воздуха 0,1 0,5 м с ; для тёплого периода года оптимальная относительная влажность воздуха также должна составлять 40 60 % , а допустимая 55 % при температуре 28 C , 60 % при 27 C , 65 % при 26 C и 70 % при 25 C и ниже. Однако, если вопрос нормирования температуры воздуха на рабочем месте в холодный период года в определённой мере является относительно простым, то для тёплого периода года он требует дополнительного рассмотрения с позиции влияния внешней среды и тепло- напряжённости помещения на выбор её рационального значения. В таблице 2 дана характеристика параметров наружного воздуха для некоторых пред- ставительных пунктов [6]. Расчётные параметры наружного воздуха для тёплого периода года Таблица 2 Покажем в качестве примера, как следует регламентировать параметры микроклимата при выполнении работы средней тяжести. Здесь в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 предпи- сывается следующее. Когда средняя расчётная температура наружного воздуха в 13 ч самого жаркого месяца (параметр А наружного воздуха по таблице 2) превышает 25 C , допустимую на рабочем месте температуру можно увеличить на 3 C нии с незначительными избытками явной теплоты и на 5 C (но не более 31 C ) в помеще- (но не выше 33 C ) в помещениях со значительными теплоизбытками. Это обусловлено тем, что климатические условия местности постоянного проживания человека (его адаптация к этим условиям) и характер его деятельности должны обязательно учитываться при назначении расчётных параметров мик- роклимата, чтобы уменьшить перепад между наружной и внутренней температурами для ис- ключения простудных заболеваний операторов, функционирующих на непостоянных рабочих местах. Показательными в этом плане являются соответствующие рекомендации [7], которые устанавливают рациональный верхний предел температуры воздуха на рабочем месте tпом как о учётом его внешней температуры tнар 30 C параметрам Б (таблица 2), так и в зависимости от времени непрерывного пребывания оператора на рабочем месте: tпом  280,5 с tнар 30 , (1) где: с - численный коэффициент, зависящий от продолжительности времени п непрерывного пребывания оператора на рабочем месте: с  0, 3 при п до 3 ч. до 1 ч и с  0,1 при п Например, примем по данным таблицы 2 для условий г. Ташкента tнар 35, 7 С и с  0,3 . По формуле (1) получим tпом 32, 6 С , т.е. не более допустимой температуры 33 C для помещений стационарных объектов со значительными теплоизбытками, что имеет место в таких жарких климатических условиях. Необходимо иметь в виду, что нормирование параметров микроклимата мобильных объектов имеет свою специфику. Так в соответствии с ГОСТ 12.2.120-88, распространяю- щимся на рабочие места операторов тракторов, самоходных строительно-дорожных машин, одноосных тягачей, карьерных самосвалов и др., для тёплого периода года предписывается, что при оснащении кабины охладителем температура воздуха в ней не должна превышать:  28 C для районов эксплуатации с расчётной средней температурой наружного воздуха по параметрам А до 25 C ; 31 C при расчётной средней температуре до 30 C ; 33 C при расчётной средней температуре выше 30 C . При этом относительная влажность воздуха в кабине не должна превышать 60 % , а в районах с повышенным влагосодержанием наружного воздуха - 70 % . Подвижность воздуха в кабине не должна превышать 1, 5 м с . ГОСТ Р 50993-96 устанавливает, что система кондиционирования должна исключать возможность охлаждения воздуха в зоне головы водителя более чем на 8 C относительно температуры внешней среды при его скорости на рабочем месте не более 0,8 C . Таким образом, например, при наружной температуре 35, 7 C (г. Ташкент по таблицу 2) нижняя граница температуры воздуха в кабине должна составлять 27, 7 C (при его допустимой верхней температуре 33 C ). Что же касается чистоты воздуха, то его загрязнение происходит на объектах АТК [5] в течение производственного процесса (автотранспортные средства, слесарно-механическое, гальваническое, кузнечно-прессовое, медницко-жестяницкое, электротехническое, обойное, сварочное отделения; участки - аккумуляторный, монтажа шин и их ремонта, лакокрасочных покрытий, обкатки двигателей внутреннего сгорания, отстоя подвижного состава и т.п.) с выбросом в окружающую среду комплекса вредных веществ (различная пыль, сажа, кислот- ный и масляный туманы, оксиды углерода, азота и серы, углеводороды, пары растворителей и т.д.). Поскольку в нашем случае речь идёт о защите воздушной среды в целом, рассмотрим вопрос нормирования атмосферных примесей как на рабочем месте, так и во внешней среде. Предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны ПДКрз регламентируется ГОСТ 12.1.005-88 и ГН 2.2.5.686-98. Данные по некоторым веществам приведены в таблице 3. Здесь же даются для них нормируемые значения максимально разовых ПДКмр и среднесуточных ПДКсс концентраций в воздухе населённых мест [8]. Поскольку мы имеем дело с приточно-вытяжной вентиляцией, важным условием является, что- бы содержание вредных веществ в воздухе, поступающем извне в производственное помещение, не превышало 0,3ПДКрз 98 [2]. определённой указанными ГОСТ 12.1.005-88 и ГН 2.2.5.686- Таблица 3 Нормативы контроля загрязнения воздуха Отметим, что в соответствии с ГОСТ 12.1.007-88 по степени воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности: 1 - чрезвычайно опасные ( ПДКрз менее 0,1 мгм3 ); 2 - высокоопасные ( ПДКрз от 0,1 до 1, 0 мг м3 ); 3 - умеренно опасные ( ПДКрз 10, 0 мг м3 ). от 1, 0 до 10, 0 мгм3 ); 4 - малоопасные ( ПДКрз более Для обеспечения выполнения требований по нормированным показателям микрокли- мата и чистоте воздуха на рабочем месте подсистема приточной вентиляции в тёплый период года должна обладать необходимыми холодопроизводительностью, зависящей от подачи воздуха Lпр и его температуры после охладителя, а также необходимой степенью его очистки от вредных примесей. Для определения требуемой производительностью по воздуху (воз- духообмена помещения) существует следующее. В ряде случаев необходимый воздухообмен помещения может быть определён по нормативной кратности kр , которая является отношением объёмного расхода приточного воздуха Lпр к объёму помещения Vп . Значения kр для различных помещений приводятся в соответствующих нормативных документах, таких как СНиП 41-01.2003 для стационарных объ- ектов и ГОСТ 12.2.120-88 для мобильных машин. Однако более объективным является рас- чёт необходимого количества приточного воздуха, когда он производится с учётом следую- щих конкретных условий [2]: для помещений с тепловыделениями (теплопотерями) - по балансу явной теплоты; для помещений с тепло- и влаговыделениями - по избыткам явной теплоты, влаги и скрытой теплоты парообразования; для помещений с избытками влаги - по её количеству, исходя из условия обеспечения на рабочем месте нормируемой относительной влажности (влагосодержания) воздуха; для помещений с выделением вредных веществ - по их количеству, исходя из условия обеспечения на рабочем месте предельно допустимой концентрации ПДКрз . Определение необходимой подачи приточного воздуха в помещение с избытками влаги производится по формуле [2]: Lпр  mW , dрз  dпр   где: W - количество влаги, выделяющейся в помещении, г ч ; dпр влагосодержание приточного воздуха, г кг ; d рз влагосодержание воздуха в рабочей зоне по условию обеспечения нормируемой здесь относительной влажности (определяется по диаграмме I  d [3, 6]), г кг ;  - плотность приточного воздуха, кг м . Коэффициент m по влаге выражает отношение приращения влагосодержания воздуха в рабочей зоне к приращению влагосодержания по всему помещению: m  d рз  dпр , dух  dпр где: dух - влагосодержание уходящего из помещения воздуха, г кг . Значения коэффициента m , например, для схемы воздухообмена «снизу - вверх» при- нимаются в зависимости от высоты помещения: более 5 м - 0, 6 0,8 ; от более 3, 5 до 5 м - 0,8 0,9 ; менее 3,5 м - 1, 0 . Определение воздухообмена в помещении при выделении в нём вредных веществ про- изводится по формуле [2]: Lпр  Gв , cрз cпр где: Gв количество вредных веществ, выделяющихся в помещение в течение 1 часа, мг ч ; срз  ПДКрз концентрация вредных веществ в помещении, мг м3 ; спр концентрация вредных веществ в приточном воздухе, мгм3 . Определение подачи приточного воздуха для удаления теплоизбытков производится по формуле [2]: L  Qизб ,  пр с  t ух tпр  где: Qизб - избытки явной теплоты в помещении, кДжч ; с - теплоёмкость воздуха, кДж кгC ; tух и tпр - температура соответственно уходящего и приточного воздуха, C . Необходимую подачу приточного воздуха для помещений с тепло- и влагоизбытками определяют по формуле [2]: L  Qизб , пр  I ух  Iпр  где: I ух и Iпр энтальпия соответственно уходящего и приточного воздуха, кДж кг (определяется по диаграмме I  d ). Далее прежде всего рассмотрим вопрос энергосбережения в системе с позиции обеспе- чения функционального назначения приточной вентиляции, учитывая, что одним из способов снижения энергетических затрат в современных системах кондиционирования воздуха в помещениях гражданских объектов является рационализация режимов охлаждения приточ- ного воздуха [4]. Поэтому оценим, в какой мере это может быть реализовано в нашем случае. В приточном аппарате защиты воздушной среды помещения энергия в итоге расходуется на обеспечение на рабочем месте необходимой температуры воздуха tрз . Как указывалось ранее, здесь летом требуется охлаждение приточного воздуха с помощью кондиционе- ра-воздухоохладителя, функциональными характеристиками которого в режиме прямотока являются температура охлаждённого воздуха tо /она равна tпр в формуле (5)/, подача воздуха Lо /равна Lпр в формуле (2)/, полная холодопроизводительность Qo и потребляемая мощность Nо . При этом, когда охлаждение воздуха осуществляется без его осушения, имеет ме- Q о сто только холодопроизводительность я определяется по формуле [7]: по отведённой явной теплоте. В этом случае она Qя  с  L t t  , o  о о н о где: о плотность воздуха при температуре tо , кгм3 ; tн C . температура наружного воздуха, Здесь Lо определяется по выражению аналогичному (2): L  Qизб , o с  t t  где: tрз  tух в формуле (2).  о рз о Подставив (5) в (4), получим выражение: о Qя  Qизб tн tо  . tрз tо о По этой формуле, на первый взгляд, можно заключить, что Qя снизится, если возрастёт разница t1 tрз tо за счёт увеличения глубины охлаждения tо приточного воздуха. Однако о при этом возрастёт и перепад t2 tн tо что приведёт к увеличению Qя . Для оценки взаимного влияния t1 и t2 по соотношению   tн tо  tрз tо  на велио чину Qя проведём следующий расчёт, например, для условий г. Ташкента при tн  35, 7 С по таблицы 2 и при tрз  29 С по таблице 1 для непостоянного рабочего места при выполнении работы средней тяжести. В этом случае t3  tн tрз составит 6, 7 С , т.е. не более допустимой величины в 8 C по ГОСТ Р 50993-96. Что же касается величины tо , то в практике кондиционирования воздуха [9] для исключения простудных заболеваний человека перепад tас tрз tо должен быть ограничен. Так принимают tо ниже tо на 2 C при непосредственной раздаче воздуха на человека, на 4 6 C - при удалении от него на 2, 5 м и на 6 8 С - на удалении 4 м . Реально в рассматриваемых производственных помещениях это удаление достигает 2 4 м , в связи с чем в нашем случае можно принять Тогда в первом варианте получим: 1  35, 7 23 2923  2,12 . tас  6 C , но не более 8 C . Вместе с тем, как отмечалось, по рекомендации [6] целесообразно увеличить температуру tрз и принять её значение равным 33 C по ГОСТ 12.1.005-88 и ГОСТ 12.2.120-88. Тогда, приняв tас 8 C для второго варианта будем иметь: 2 35, 7 25 3325 1,34 , В этом случае при отношении 12 1,58 Q о холодопроизводительность я аппарата может быть соответственно снижена. Следовательно, с точки зрения энергосбережения целесообразно принимать на непостоянных рабочих местах расчётную температуру tрз по предельно допустимому значению. Кроме этого, с позиции энергосбережения, система должна оцениваться с учётом холодильного коэффициента, величина которого зависит от типа аппа- рата, в котором осуществляется охлаждение приточного воздуха [7]: î  Qî Nî , где: Nо - потребляемая мощность при холодопроизводительности Qо . Так, например, по данным [9] для реальных стационарных прямоточных хладоновых кондиционеров с воздушным обдувом конденсатора величина холодильного коэффициента составляет î 1, 4 1, 6 , а для кондиционеров мобильных машин - î  0, 9 1, 4 . В то же время согласно [4] даже для климатических условий г. Москвы у адиабатных водоиспарительных воздухохладителей величина этого коэффициента составляет не менее î  5 , а для аппаратов двухступенчатого косвенно -прямого водоиспарительного охлаждения она может достигать î  9,8 , причём с повышением температуры обрабатываемого воздуха величина î возрастает. Кроме того, в орошаемой насадке таких установок одновременно с охлаждением воздуха может осуществляться высокоэффективная его очистка от твёрдых и газооб- разных вредных примесей [9, 10]. В части стратегического направления энергосбережения в системах ВОК [4] необходи- мо учитывать указание СНиП [6] о том, что применение хладоновых кондиционеров, отно- сящихся к искусственным источникам холода, следует предусматривать, если нормируемые параметры микроклимата не могут быть обеспечены с помощью установок водоиспаритель- ного охлаждения. При этом выбор источника холода должен быть экономически обоснован. Например, хладоновый кондиционер требуется в условиях жаркого влажного климата, когда на постоянных рабочих местах необходимо обеспечить так называемую «комфортную» температуру (порядка 22 C по таблице 1), вследствие чего процесс охлаждения воздуха должен сопровождаться его осушением, а полная холодопроизводительность Qп принимается при подаче Lпр , определяемой по формуле (3) по разности энтальпий приточного и уходящего воздуха. В нашем случае осушение приточного воздуха не требуется, и как показано выше, нормируемая tрз на уровне предельно допустимой для непостоянных рабочих мест может быть обеспечена, причём по данным [4, 9-11] это осуществимо с помощью энергосберегаю- щих водоиспарительных охладителей, для чего в нашей стране создана соответствующая ма- териальная база [12]. Вместе с тем, в отличие от стационарных объектов самоходные машины работают в условиях повышенной запылённости наружного воздуха. Особенно это характерно для сель- скохозяйственных тракторов, что обусловлено следующим. При выполнении агротехнических операций при контакте движителей ходовой систе- мы тракторов и рабочих органов сельхозмашин с почвой образуется ярусное пылевое облако, доходящее до крыши кабины. Это при отсутствии достаточно эффективной пылезащиты приточной вентиляции приводит к превышению запылённости воздуха кабины против ПДКрз . Другой важный фактор, также приводящий к указанному явлению - это комки почвы, грязь и пыль, заносимые оператором в кабину на обуви и одежде, учитывая, что он покидает её и вновь возвращается 10 - 15 раз за смену [13]. В результате на полу кабины накаплива- ются комки, которые затем измельчаются обувью оператора, превращаясь в пыль, которая поднимается в воздух кабины потоком приточного воздуха. Уменьшить количество вносимой в кабину пыли, например, путём изменения формы обуви или очистки её и одежды при входе в кабину нереально. Поэтому здесь единственным практически осуществимым способом является использование энергии потока приточного воздуха путём его подачи сверху в сторону пола, где необходимо выполнить перфорации (отверстия) для удаления поднимаемой с него пыли наружу, т.е. осуществить эксфильтрацию запыляемого воздуха. При этом суммарная площадь таких отверстий в панели пола, характе- ризующаяся эквивалентным диаметром, выбирается из условия обеспечения в кабине нор- мируемого избыточного давления воздуха. Необходимо отметить ещё одну положительную сторону эксфильтрации воздуха через панель пола. Дело в том, что значительный тепловой поток в кабину поступает от солнечной радиации. При этом теплопритоки через потолок кабины составляет относительно незначи- тельную долю в общих теплопоступлениях, поскольку зачастую на крыше монтируется солнцезащитный экран, а потолок снабжён теплоизоляцией. С боковых же сторон кабина практически полностью остеклена (исключение составляют элементы каркаса и непрозрач- ные панели в нижней её части. Солнечная радиация, проходя в кабину через стёкла, воздей- ствует на пол и указанные непрозрачные панели в её нижней части, нагревает их, что в свою очередь повышает температуру воздух в этих местах, а затем и на рабочем месте в целом. Следовательно, необходимо снизить указанное негативное воздействие на микроклимат ка- бины, и в этом плане путём инфильтрации воздуха возможно блокировать этот источник теплопоступлений в кабину, поскольку подогреваемый поток воздуха сразу будет удаляться в атмосферу. Проведённые исследования на примере хлопководческого трактора [13] показали, что использование указанного технического приёма, реализующего, по существу, принцип «вы- тесняющей вентиляции» с применением модели водоиспарительного воздухоохладителя мо- дели СНМ-1 унифицированного типажа [9] с подачей охлаждённого, очищенного от пыли воздуха в количестве 650  670 м3 ч даёт следующее. При наружной температуре воздуха 34, 4  41, 4 C и запылённости 136 180 мг м3 норматив по температуре и относительной влажности на рабочем месте выполняется. При этом перепад температуры воздуха по объёму кабины составлял 2, 4 C (допускается 4 C ), подвижность воздуха в зоне дыхания была 1, 2 1,3 м с (допускается 1, 5 м с ), запылённость воздуха равнялась 2  2,8 мг м3 (допускается 4 мг м3 по таблице 3), избыточное давление воздуха в кабине поддерживалось на уровне 30  43 Па (должно быть не ниже 10 Па ). Таким образом, эффективность указанного варианта технологии защиты воздушной среды в кабине самоходной машины подтверждена.

About the authors

V. A Mikhailov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ravn@mail.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 495 223-05-23, ext. 1527

N. N Sharipova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ravn@mail.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, ext. 1527

A. E Esakov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ravn@mail.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, ext. 1527

References

Supplementary files