Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и анализ современного подхода к обеспечению нормируемых параметров микроклимата электропомещений химических производств 9
1.1. Требования к параметрам микроклимата электропомещений 9
1.2. Методы и средства обеспечения параметров микроклимата электропомещений 10
1.3. Выводы по первой главе. Постановка цели и задач исследования 18
2. Динамика воздухообмена в электропомещениях химических производств 21
2.1 .Исследование динамики концентраций взрывоопасных вредных веществ в электропомещениях 21
2.2. Разработка математической модели переноса взрывоопасных вредных веществ навстречу потоку воздуха через отверстия, неплотности и поры в ограждающих конструкциях 24
2.3. Разработка методов и конструктивно-технических решений по предотвращению поступления вредных веществ в помещение 38
2.4. Расчет воздухообмена с учетом степени герметизации ограждающих конструкций 45
2.5. Выводы по второй главе 53
3. Экспериментальные исследования в промышленных условиях процессов воздухообмена и микроклимата в электропомещениях химических производств 60
3.1. Исследование эффективности вентиляции электропомещений 60
3.2. Исследование подпора воздуха в электропомещениях 79
3.3. Выводы по третьей главе 84
4. Разработка метода расчета воздухообмена электропомещений химических производств с учетом их эксплуатации в условиях нормального технологического режима, аварийных ситуаций и неблагоприятных метеорологических условий 85
4.1. Алгоритм и блок-схема расчета воздухообмена в электропомещениях 85
4.2. Экономический анализ метода расчета и проектирования воздухообмена в помещениях с подпором воздуха 92
4.3. Разработка мероприятий по обеспечению нормируемых параметров микроклимата и взрывобезопасности электропомещений 96
4.4. Выводы по четвертой главе 101
Общие выводы 102
Литература 104
Приложения 115
- Методы и средства обеспечения параметров микроклимата электропомещений
- Разработка математической модели переноса взрывоопасных вредных веществ навстречу потоку воздуха через отверстия, неплотности и поры в ограждающих конструкциях
- Исследование подпора воздуха в электропомещениях
- Экономический анализ метода расчета и проектирования воздухообмена в помещениях с подпором воздуха
Методы и средства обеспечения параметров микроклимата электропомещений
Согласно нормативным документам [19, 44] электропомещения, расположенные на территории химических предприятий, должны иметь гарантированный подпор воздуха для предотвращения поступления внутрь этих помещений взрывоопасных веществ и пыли. Подпор воздуха обеспечивается приточной вентиляцией в комплексе со строительными мероприятиями. Отопление этих помещений, как правило, совмещено с вентиляцией.
Согласно научным положениям, касающихся вентиляции промышленных зданий, разработанных Баркаловым Б.В., Батуриным В.В., Богословским В.Н., Гримитлиным М.И., Позиным Г.М., Полушкиным В.И., Сазоновым Э.В.,
Титовым В.П. [8, 9, 11, 15, 32, 73, 78, 89] санитарно-гигиеническая и энергетическая эффективность систем вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха во многом зависит от количества приточного воздуха и способа его распределения в помещениях.
Количество приточного воздуха для электропомещений определяют из условий ассимиляции теплоизбытков летом, допуская максимальную разность температур уходящего и поступающего воздуха 15С, но не менее 5 ч"1 для обеспечения гарантированного подпора воздуха [44]. Выбор способа подачи воздуха рекомендуется производить с учетом деления помещений на две категории [82].
К первой категории относятся помещения высотой от 6-8 м до 18м (основные цеха заводов автомобилестроения, вагоностроения, судостроения, химического машиностроения, домостроительных комбинатов и т.п.). Помещения, как правило, размещаются в зданиях с пролетами шириной от 12 до 36 м. Кратность воздухообмена до 5-7 ч"1. Особых технологических требований к равномерности распределения параметров воздуха по рабочей зоне не предъявляют.
Ко второй категории относятся производственные помещения высотой менее 6-8 м (основные цеха заводов радиотехнической, электронной, приборостроительной, станкостроительной, легкой промышленности и т.п.). Помещения, как правило, размещаются в многоэтажных зданиях с пролетами шириной 6,9 и 12 м. Кратность воздухообмена свыше 5 ч"1. Технологический процесс существенно зависит от равномерности распределения параметров воздуха рабочей зоны.
Характерной чертой электропомещений является относительно небольшая высота (Н=4- 8 м). Технологическое оборудование имеет высоту 2-2,4 м, равномерно распределено по периметру и занимает не более 30% площади пола. Практически постоянные тепловыделения от оборудования и освещения не превышают 30 Вт/м . Технологический процесс существенно зависит от равномерности распределения параметров воздуха помещения. На основании этого данные помещения можно отнести ко второй категории. В производственных помещениях второй категории рекомендуются следующие способы подачи воздуха [82]: - настилающимися компактными и неполными веерными струями через воздухораспределители (решетки) типа РР и РВ; - веерными, несмыкающимися и смыкающимися коническими струями через воздухораспределители типа ВР, ВДШ и ПРМ; - плоскими струями через воздухораспределители типа ВПК. При выборе способа подачи воздуха в электропомещениях необходимо так же руководствоваться и характерным месторасположением технологического оборудования, так как, натурные исследования показали (см. главу 3), что в результате эксплуатации данных помещений, часто между наружными ограждающими стенами и технологическим оборудованием (щитами) возникают "застойные" слабо вентилируемые зоны. В этих зонах наблюдались концентрации взрывоопасных веществ и в летнее время значительное повышение температуры. Наличие концентраций взрывоопасных веществ в случае образования искры может привести к взрыву. Однако, существующие нормативные документы [19, 44, 80] не содержат никаких рекомендаций для того, что нужно предпринимать в случае возникновения данных аварийных ситуаций. В нормативных документах [19, 44, 80, 81] отмечается, что приточная система, обеспечивающая подпор, постоянно действующая и может обслуживать несколько помещений. Удаление воздуха осуществляется неорганизованно через неплотности строительных ограждений. Организованное удаление воздуха системами вытяжной вентиляции предусматривают, если приточная вентиляция создает 10-ти кратный и более воздухообмен. Однако, в рассмотренных нормативных документах нет указаний как и каким образом проектировать вытяжные устройства, чтобы не допускать поступление через них загрязняющих веществ внутрь помещения и одновременно создать гарантированный подпор воздуха при любых погодных условиях, особенно в период неблагоприятных метеорологических условиях, а так же аварийных ситуаций. Так как удаление воздуха из электропомещений осуществляется неорганизованно [19, 44], то при проектировании и в ходе эксплуатации трудно предугадать места и количество удаляемого воздуха. Возможно, что в действительности окажутся самые неблагоприятные условия, при которых будет очень трудно, а иногда и невозможно обеспечить гарантированный подпор воздуха, а так же равномерность распределения параметров воздуха в этих помещениях. В результате возникает необходимость организованного воздухообмена в данных помещениях. Однако, действующая инструкция [44] и другие нормативные документы [19, 80, 81, 94] не содержат никаких рекомендаций по этому вопросу.
В настоящее время организованный воздухообмен в помещениях с подпором воздуха наиболее полно рассмотрен применительно к убежищам гражданской обороны [16, 45, 88, 118]. Однако, данные решения требуют огромных капитальных и эксплутационных затрат, что затрудняет их более широкое применение. В "чистых" помещениях больниц - операционных, реанимационных и т.д., рекомендуется поршневой способ подачи воздуха [4, 47, 53, 97, 115, 120], при котором приточный воздух подается с одного конца помещения со скоростью 0,5 м/с равномерно по всей площади поперечного сечения помещения. Далее воздух проходит как поршень через помещение в другой его конец, где осуществляется вытяжка воздуха с загрязнениями, захваченными потоком воздуха. Данный способ можно было бы применить в электропомещениях, однако, поршневой поток весьма чувствителен к аэродинамическим препятствиям, а технологическое оборудование этих помещений - щиты высотой до 2,5 м могут погасить и без того малую скорость (0,5 м/с) поршневого потока. К тому же воздухораспределительные устройства будут занимать всю площадь, что очень дорого и экономически не выгодно для предприятий.
Разработка математической модели переноса взрывоопасных вредных веществ навстречу потоку воздуха через отверстия, неплотности и поры в ограждающих конструкциях
Естественно предположить, что чем больше будут площади наружных ограждений помещения, тем больше будет величина эквивалентного отверстия. Иными словами, можно принять, что площадь эквивалентного отверстия будет прямо пропорциональна площади наружных ограждений. Такое допущение не вполне соответствует действительности. Однако, поскольку при общепринятом приближенном подсчете теплопотерь исходят из более грубого предположения, что теплопотери прямо пропорциональны кубатуре помещения [13,18,35,42,117], можно считать сделанное допущение вполне правомерным.
Тогда очень удобно ввести дополнительное понятие об удельной площади эквивалентного отверстия, понимая под ним площадь эквивалентного отверстия, приходящего на 1 м2 ограждения, т.е. где fэ - удельная площадь эквивалентного отверстия м2/м2; Рэ - площадь 2 2 эквивалентного отверстия, м ; ЕР - суммарная площадь ограждения, м .
Введя понятие об эквивалентном отверстии, необходимо также решить вопрос о его нахождении. Так как действительное расположение многих неплотностей неизвестно, то действительная картина распределения неплотностей, строго говоря, также не известна. Поэтому в рамках точности интегральных расчетов можно считать, что в каждой данной конструкции неплотности расположены равномерно. Если исходить, из этой трактовки, то при определении гравитационного воздухообмена придется заменить неплотности, расположенные ниже нейтральной зоны, одним отверстием, а расположенные выше - другим. Если условится об их местоположении, то задача определения воздухообмена сводится к элементарной задаче о воздухообмене через два одинаковых по площади отверстия. Что касается вертикального расстояния между осями отверстий, определяющего их местоположение, то вопрос о нем может быть решен различно.
При равномерном расположении неплотностей можно заменить действием двух отверстий, расположенных на одной (нижнее) и на трех (верхнее) четвертях высоты помещения (от пола). Можно считать эти отверстия расположенными на уровне пола и потолка (термически эквивалентные отверстия) или представить себе как щели, идущие по периметру здания. Однако, из теории аэрации следует, что при подобной замене площадь эквивалентных отверстий будет меньше, чем в первом, поскольку расстояние между осями их так же больше, чем в первом. Таким образом, плотности площади эквивалентных отверстий для одного и того же помещения могут быть разными в зависимости от избранного их расположения.
Представляя, что оба варианта в принципе одинаково приемлемы для расчетов, тем более, что приведенные выше соображения относились к случаю наличия разностей температур и отсутствия ветра. При наличии же одного ветра расстояние от оси эквивалентного отверстия до пола уже перестает быть фактором, определяющим величину воздухообмена.
Из всего изложенного вытекает, что для одного и того же здания величина эквивалентного отверстия при наличии одной разности температур будет меньше, чем при наличии одного ветра. Во избежание путаницы можно рекомендовать для учета воздухообмена при гравитационном движении воздуха пользоваться предложенным Г. А. Максимовым [58] понятием о "термически эквивалентных отверстиях" Рэт и об "эквивалентной щели". Поясним это понятие. В любом помещении благодаря наличию разности внутренней и наружной температур создается определенный воздухообмен. Как бы ни было велико сопротивление проходу воздуха, создаваемое наружными ограждениями, наличие дверей, а следовательно, и довольно значительных неплотностей в нижней зоне помещения неизбежно. Можно представить себе, что все ограждения помещения абсолютно воздухонепроницаемы, но на уровне потолка и на уровне пола (или дверей) имеются отверстия площадью Рэ.т.в. и Рэ.т.н. с коэффициентом расхода ц,=1.
Можно подобрать площади "термически эквивалентных" отверстий так, что создающийся через них воздухообмен (при безветрии) будет равен воздухообмену, имеющему место через совокупность всех неплотностей. Так как при равных условиях суммарная площадь неплотностей тем больше, чем больше размер помещения, то термически эквивалентные отверстия в ряде случаев удобно отображать в виде щели, идущей по всему периметру помещения. Например, термически эквивалентное отверстие верхней зоны Рэ.т в. можно заменить эквивалентной щелью, расположенной на уровне потолка и имеющей высоту где Рп - периметр помещения (в плане), м. Действие верхней щели заменяет действие всех неплотностей, лежащих выше нейтральной зоны, а действие нижней - ниже нейтральной зоны. Таким образом, имеем для верхней зоны: суммарная площадь для прохода воздуха выше и ниже нейтральной зоны, м ; ив - коэффициент расхода данных площадей; ув и ун удельный вес внутреннего и наружного воздуха, Н/м ; Ь—расстояние между осями отверстий, т.е. от уровня потолка до уровня пола, м; Ьн - расстояние от оси нижнего отверстия до нейтральной зоны, м; Ьэтв и Ьэхн - высота "эквивалентных щелей" в верхней и нижней зонах, т.е. на уровне потолка и пола (или на уровне оси дверей), м. Степень герметизации помещений по удельной площади эквивалентных отверстий. На основании натурных исследований в работе /58/ был определен порядок величин относительной площади эквивалентного отверстия fэ, отнесенных к помещению или зданию в целом (см. табл. 2.1)
Исследование подпора воздуха в электропомещениях
Нижнекамского нефтеком- бината (НХК). В холодный период года замеры производились при температуре наружного воздуха 1:н=-11 С, в теплый период года - при температуре наружного воздуха 1:Н=21,60С. Из рисунка 3.1 видно, что в помещении двое двойных входных дверей 1200x2250 мм, расположенных напротив друг друга, остекление двойное, раздача воздуха в верхнюю зону через сеть решеток размером 840x160 мм. Решетки расположены на высоте +3.200 м от уровня пола. Температура притока в холодный период года составила 26С, в теплый период года 22С. Истечение воздуха по сечению решеток неравномерное. В центре решетки скорость воздуха составила 7м/с, ближе к краям 3-5 м/с. Результаты замеров представлены в приложении 1, а результаты расчетов в табл. 3.2.
На рисунке 3.2 показаны точки измерений температуры, подвижности, относительной влажности воздуха и концентрации углеводородов помещений КИП цехов 506,507 Нижнекамского нефтекомбината. В холодный период года измерения проводились при температуре наружного воздуха =-11С, в теплый период года - при температуре наружного воздуха 1Н=21,6С. Низ оконных проемов расположен на отметке 0,6 м от уровня пола. Высота окон - 2,2 м, остекление двойное. Подача воздуха осуществляется в каждом отделение с двух торцевых сторон через решетки с отм. 2,9 м от уровня пола. Температура притока в холодный период года составила 25,5С, в теплый период года 22С. Щиты с прибором имеют высоту 2,4 м, общая высота помещения 3,2 м. Помещения КИП цехов 506 и 507имеют подшивной поток. Расстояние по вертикали между щитами с приборами и подшивных потоком 0,8м. Истечение воздуха по сечению решеток неравномерное, в центре решетки скорость воздуха составила 6,5 м/с, ближе к краям 3 м/с. Результаты замеров представлены в приложении 1, а результаты расчетов в табл. 3.2.
Щиты с приборами могут располагаться не только по периметру здания, но и в виде дугообразной линии (рис. 3.3), при этом пространство за щитами по углам здания значительно увеличивается. Размеры помещения 12x18x6 м. Помещение без подшивного потолка. Раздача воздуха осуществляется через решетки в верхнюю зону помещения КИП с отм. 5,0 от уровня пола. Температура притока в холодный период года составила 24С, в теплый период года 22С. При данной системе воздухораспределения температура воздуха в холодный период года за щитами значительно ниже, чем возле стола оператора. Это происходит из-за того, что щиты с приборами высотой 2 м оказывают аэродинамическое сопротивление воздушным потоком, в следствии чего за щитами создается масло проветриваемая зона. Параметры воздуха в этой зоне определяются, в основном теплообменом у наружных ограждений. Результаты натурных измерений помещения КИП цеха 508 Нижнекамского НХК представлены в приложении 1, а результаты расчетов в табл. 3.2.
На рис. 3.4 показано помещение КИП цеха ДК-1-2 Ефремовского завода СК. Раздача воздуха осуществляется через решетку 600x400 мм. Высота помещения КИП 6 м, помещение разделено перегородкой из стеклоблоков на операторную и помещение ремонта аппаратов. Высота перегородки 4,4 м. В операторской установлены щиты с приборами высотой 2,4 м. Подшивного потолка нет. В помещении ремонта аппаратов раздача воздуха осуществляется в рабочую зону через решетку 160x200 мм. Скорость притока распределялась по сечению решеток неравномерно и колебалась от 4,5-8,8 м/с. Результаты натурных измерений помещения КИП цеха цеха ДК-1-2 Ефремовского завода СК представлены в приложении 1, а результаты расчетов в табл. 3.2.
Раздача воздуха через одну решетку наблюдалась и в других помещениях КИП Ефремовского завода СК, например в помещении КИП цеха ДК-5 (см. рис. 3.5). Размер решетки 500x500 мм. Воздушный поток из решетки направлен вниз под углом 45 к стене. Скорость потока на выходе из решетки 5,2 м/с. Высота помещения 4 м, высота щитов 2,4 м. В помещении установлены нагревательные приборы М 140-А0 с общим количеством секций - 59. Результаты натурных исследований представлены в приложении 1, а результаты расчетов в табл. 3.2..
На рис. 3.6 представлена картина распределения точек замера помещения КИП цеха Дк-5-II Воронежского завода СК. Из рис. 3.6 видно, что в помещении двое входных дверей, остекление тройное, раздача воздуха в верхнюю зону через 4 решетки с высоты 4,0 м при высоте помещения 6м. Истечение воздуха по сечению решеток неравномерное, в центре решетки скорость воздуха составила 6 м/с, ближе к краям 3-5 м/с. Высота приборных щитов 2 м. Из анализа натурных исследований систем воздухораспределения и тем- пературно-влажностного режима помещений КИП видно, что раздача приточного воздуха в помещениях КИП предусматривается не только через потолочные воздухораспределители типа В ДИМ, ВЦ, но и через решетки, расположенные с торцевых или боковых сторон помещений. Скорость приточного воздуха при этом изменялась от 3-8,8 м/с. Существенное влияние на формирование полей температур, подвижности и относительной влажности оказывают приборные щиты, высота которых колеблется от 2 до 2,4 м. Приборные щиты оказывают аэродинамическое сопротивление воздушным потокам, в результате чего за щитами образуется мало проветриваемая ("застойная") зона. Кондиционеры в период обследований не работали. Кратность воздухообмена в обследуемых помещениях КИП была в пределах от 4,1 до 8 1/час, а величина подпора 0-10 Па. Замеры концентрации углеводородов показали, что приточный воздух не содержит концентраций взрывоопасных вредных веществ. Вместе с тем в самих помещениях КИП в "застойных" зонах наблюдались следы концентраций (см. приложение 1) углеводородов в пределах от 0,001 до 0,003 мг/м .
Экономический анализ метода расчета и проектирования воздухообмена в помещениях с подпором воздуха
Согласно натурным (см. раздел 3.1) и теоретическим исследованиям (см. раздел 2.1) подпор воздуха не является полной гарантией чистоты воздуха в электропомещениях. При аварийных ситуациях, залповых выбросах, особо неблагоприятных метеоусловиях или остановках завода, которые проводятся 1-2 раза в год для профилактических осмотров и ремонта оборудования, на промышленных площадках химических предприятий возникает резкое повышение концентрации взрывоопасных вредных веществ, которые в десятки раз могут превышать предельно допустимые значения. В результате этого взрывоопасные вредные вещества из области с большей концентрацией (промплощадки) перемещаются в область с меньшей концентрацией взрывоопасных вредных веществ, в том числе в помещения через отверстия, щели и не плотности в ограждающих конструкциях. Если время работы источника выделения взрывоопасных вредных веществ будет продолжительным, то накопившиеся в помещении до нижнего предела взрываемости эти вещества могут привести к взрыву и пожару и, как следствие, к чрезвычайной ситуации, которая приведет к серьезным последствиям. Практика эксплуатации химических предприятий показывает, что многие аварийные ситуации происходят из-за искрообразования в электропомещениях, в которые через не плотности, щели и отверстия поступают взрывоопасные вредные вещества, поэтому необходимо предусмотреть дополнительные меры защиты этих помещений на данный период времени.
В качестве такой меры защиты рекомендуется использовать кратковременное проветривание промплощадок. Существующие методы расчета обеспечивающего проветривания рассматриваются применительно к горным тупиковым выработкам [33, 34, 59,68]. Исследуем процесс нагнетательного проветривания проездов промплощадки для химических производств (см. рис. 4.2). Обозначим через V объем зоны, подлежащей проветриванию. Количество взрыво опасных вредных веществ, поступающих в проветриваемый объем за время будет равно
Разработан метод расчета воздухообмена в электропомещениях химических производств, который позволяет на стадии проектирования объекта определить требуемую степень герметизации помещения и оптимальное количество приточного вентиляционного воздуха, обеспечивающего гарантированный подпор при любых метеорологических условиях, что позволит избежать дополнительных затрат на теплоту, холод и электроэнергию в процессе эксплуатации. 2. Разработана методика расчета по снижению величин концентраций взрывоопасных веществ на промплощадках, позволяющая определить минимальное количество проветриваемого воздуха, необходимого для снижения концентраций до допустимых значений. 1. Разработана математическая модель динамики концентраций взрывоопасных вредных веществ в электропомещениях химических производств, учитывающая количество вредных веществ, поступающих с приточным воздухом и неорганизованным путем через неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях позволяющая определить величину воздухообмена, обеспечивающую нормируемые параметры внутреннего воздуха. 2. Разработана математическая модель переноса взрывоопасных вредных веществ навстречу потоку воздуха, создаваемому приточными системами вентиляции через неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях. Получены теоретические зависимости, определяющие влияние концентраций вредных веществ на промплощадках химических производств на чистоту воздуха помещений. Определен показатель взаимодействия наружного воздуха и воздуха помещения у внутренней поверхности ограждающей конструкции, позволяющий найти необходимую величину подпора воздуха в зависимости от наружных метеорологических условий. Установлено, что проникновение взрывоопасных веществ в помещение будет исключено, при значениях показателя больше 5, концентрациях вредных веществ до 2ПДК у наружной поверхности ограждения и толщине ограждающей конструкции более 0,6 м. 3. Систематизированы типы ограждающих конструкций по их основным характеристикам: вид материала, его пористость, воздухопроницаемость, площадь эквивалентных отверстий, что позволяет оценить степень герметизации ограждающих конструкций и помещений в целом. Получены зависимости величины подпора воздуха от удельной площади эквивалентного отверстия и зависимости, позволяющие определить количество удаляемого воздуха через неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях помещений с учетом ветрового и гравитационного давлений. 4. Определены эффективные способы воздухораспределения в электропомещениях химических производств. Подтверждена адекватность математической модели переноса взрывоопасных вредных веществ навстречу потоку воздуха через неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях исследованиями в промышленных условиях воздушного, газового и теплового режимов помещений. Получены экспериментальные зависимости подпора воздуха в помещениях от отношения площади открытых отверстий к общей площади дверных (оконных) проемов и площади ограждений, от удельной площади эквивалентного отверстия, позволяющие определить граничные условия, при которых обеспечивается подпор воздуха. Установлено, что подпор воздуха в помещениях обеспечивается при площади эквивалентного отверстия менее 6-10" м /м или пористости не более 0,3. 5. Разработан метод расчета воздухообмена электропомещений, расположенных на территории химических производств, который позволяет на стадии проектирования и реконструкции объекта определить требуемую степень герметизации помещения и необходимое количество приточного вентиляционного воздуха, обеспечивающего нормируемые параметры микроклимата и гарантированный подпор при любых наружных метеорологических условиях и аварийных выбросах, что позволяет повысить взрывобезопасность и избежать дополнительных затрат на энергоносители, при этом чистый дисконтированный доход в процессе эксплуатации помещения за 5 лет составит 562,4 тыс. рублей.
