Введение

Проектирование систем аспирации и вентиляции литейных цехов осложняется наличием оборудования с принципиально разными механизмами выделения вредностей. В одном объёме могут одновременно работать:

– электродуговые печи (конвективно-радиационный нагрев);

– заливочные емкости с жидким металлом (преимущественно излучение и конвекция от открытой поверхности);

– камерные сушила (конвективно-влажностный поток);

– дробилки валковые и бегуны смешивающие (холодная пыль, аэрозоль).

При этом руководства [1, 2] предлагают типовые схемы отсосов, но не содержат алгоритма выбора при одновременном действии источников разных классов. На практике это приводит либо к избыточному запасу по расходу воздуха, либо к неэффективной работе местной вытяжки.

Результаты

1. Классификация конвективных источников по трём признакам

1.1. Температурный напор — ΔT = T _ист − T _в . [2]

– низкий (ΔT < 30 °C) — конвективный факел слабый, скорость подъёма <0,3 м/с. Опасность — рассеивание пыли в рабочей зоне;

– средний (ΔT = 30–150 °C) — устойчивый ламинарный факел, требуется перехват до зоны фонарей;

– высокий (ΔT > 150 °C) — мощная турбулентная струя, возможен выброс через фонари, но опасность облучения и конвективного нагрева рабочей зоны.

Возьмём электродуговую печь:

– температура газов над ванной T _ист = 400 °C;

– температура воздуха в цехе T _в = 25 °C;

– ΔT = 400–25 = 375 °C — высокий напор.

Подъёмная скорость на высоте 2 м над печью (по приближённой формуле) составит ≈2,5 м/с.

Полученная скорость очень высока. Без кожуха факел достигнет фонарей за считанные секунды, расширившись до 3–4 м в диаметре. Никакой зонт такого потока не перехватит — нужен кожух, охватывающий источник.

1.2. Влагосодержание выделяемого воздуха — φ _ист . [2]

– сухой (φ _ист < 5 г/кг) — только тепло и пыль;

– влажный (φ _ист > 10 г/кг) — конденсация в воздуховодах, риск обмерзания, изменение плотности факела.

Возьмём камерное сушило:

В отличие от температуры, влажность влияет не на динамику факела, а на фазовое поведение вредностей и условия эксплуатации отсосов.

– Температура внутри сушила: 120 °C;

– Относительная влажность: 15 % (режим сушки форм);

– Атмосферное давление: 101325 Па;

Давление насыщенного пара при 120 °C: P _нас = 198540 Па;

Парциальное давление пара: P _пар = 0,15 ⋅ 198540 = 29781 Па;

Влагосодержание: φ _ист = 622 ⋅ 29781/ 101325–29781 = 259 г/кг.

φ _ист = 259 г/кг — это очень влажный воздух. При выходе из сушила и смешении с цеховым воздухом (φ _цех ≈ 10 г/кг) начнётся интенсивная конденсация на холодных поверхностях воздуховода.

Для камерного сушила нельзя использовать обычный зонт — нужен зонт с подогревом (или с коротким вертикальным воздуховодом без горизонтальных участков), чтобы избежать конденсации внутри системы отсоса.

Для таких источников обязательным является использование коротких вертикальных воздуховодов, тепловой изоляции или подогрева стенок. В сухих процессах (электродуговые печи, дробилки валовые, бегуны смешивающие) это ограничение отсутствует.

1.3. Дисперсность пыли — d ₅₀ . [2]

– это размер частиц пыли, относительно которого 50 % массы пыли состоит из частиц меньшего диаметра, а 50 % — из частиц большего диаметра.

Крупная (d ₅₀ > 100 мкм) — быстрое оседание, достаточно укрытия.

Мелкая (d ₅₀ < 20 мкм) — требуется высокая скорость всасывания и герметизация.

Пыли нет — только тепло и/или газ.

Самая опасная и трудная для улавливания пыль — от электродуговой печи (мелкая оксидная) и бегунов смешивающих (кварцевая d ₅₀ = 5–20 мкм). Именно эти источники требуют максимальной герметизации отсосов. При движении воздуха к всасывающему отверстию она легко отклоняется вместе с линиями тока. Если есть хотя бы маленькая щель — воздух пойдёт через щель (меньше сопротивление), а пыль уйдёт мимо отсоса.

На основе этих трёх признаков все оборудование цеха разбивается на 5 типов конвективных источников (таблица 1).

Таблица 1

Типы конвективных источников

Учет общеобменных факторов при выборе отсосов:

Классификация источников является необходимой, но недостаточной. В цехе с размерами 54×48×10 м и 6-ю аэрационными фонарями необходимо дополнительно учитывать:

– взаимное влияние отсосов — два рядом стоящих кожуха не должны создавать перекрёстных струй (минимальное расстояние 3 м по оси).

– компенсация вытяжки притоком — при одной приточной системе на весь цех местные отсосы не должны создавать разрежение более 5 Па [2].

– душирование — не размещать душирующие патрубки напротив открытых проёмов шкафов, так как сдувает пыль в цех.

2. Анализ сечений потоков воздуха на уровне людей и поперечного сечения цеха как ограничивающих факторов при выборе местных отсосов

Любая классификация источников и таблица решений остаются неполными без анализа двух принципиальных факторов: распределения скоростей в зоне дыхания (уровень людей, 1,5–2,0 м от пола) и поперечного сечения цеха как единого аэродинамического тракта.

На уровне людей (высота 1,5–2 м) скорость воздуха от приточных устройств не должна превышать 0,5 м/с в холодный период и 0,8 м/с в тёплый [3]. Если душирующий патрубок создаёт на уровне головы скорость > 1,0 м/с — он вызовет локальное охлаждение и жалобы персонала, даже если тепловыделения большие.

Ниже приведено: поперечного сечения А-А (разрез через плавильное и формовочное отделения) и сечение потоков воздуха на уровне людей (1,5 м), расчеты выполнены в программе ANSYS.

Рис. 1. Поперечное сечение А-А

Важное ограничение, вытекающее из поперечного сечения:

Рис. 2. Сечениях потоков воздуха на уровне людей

Местные отсосы, установленные в нижней зоне (0–4 м), не должны создавать горизонтальных потоков, пересекающих всё сечение цеха. Максимальная дальность действия всасывающего отверстия — не более 10 его диаметров.

Вывод

Разработана классификация конвективных источников литейного цеха по трём признакам: температурный напор, влагосодержание, дисперсность пыли. Выделено 5 типов.

Предложенная классификация может служить основой для постановки задачи математического моделирования: для каждого типа источника определены граничные условия (температура, скорость факела, начальный диаметр), которые необходимо задавать в моделировании.

Литература:

1. «Проектирование промышленной вентиляции» — М.: Стройиздат, 2019, Торговников Б. М.;
2. «Местные отсосы на предприятиях машиностроения» — М.: Машиностроение, 2020, Сафонов В. С.;
3. ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.