Энергосберегающие решения при реализации проектных решений по вентиляции гальванического производства

Одним из наиболее вредных, с точки зрения производственных выбросов, является процесс нанесения покрытий методом гальванизации. Источником выделения вредных веществ является технологическое оборудование: установки, реакторы, гальванические ванны [1-4].

Задача нижеизложенного исследования заключается в разработке оперативных, эффективных и экономически выгодных решений для обеспечения требуемого микроклимата в рабочей зоне на производстве гальваники завода «LD» в г. Челябинске.

Цех гальваники размещен в одноэтажном двухпролетном здании с трёхэтажными торцовыми вспомогательными пристройками. Раннее цех представлял собой производственное помещение, где производилась сборка деталей другого предприятия. В 2020 году принято решение перепроектировать данное помещение под цех гальваники, в котором будет производиться окраска деталей, и, как следствие, возникла необходимость в разработке проекта вентиляции в связи с проблемой вентиляции в гальванических цехах.

Гальваническое производство предполагает нанесение различных защитных покрытий с помощью электролита и с пропусканием через него электрического тока [5]. Обычно используют емкости, называемые гальваническими ваннами, стоящие друг за другом, создающие гальваническую линию. Все изделия проходят поэтапную обработку: механическую очистку, полировку, а также обезжиривание [4, 6, 7], после чего на изделие наносится требуемое покрытие. На заводе «LD» используется обезжириватель ДХТИ-НТ, который предназначен для очистки поверхности черных и цветных металлов от различных видов загрязнений, следов смазки, масел, смазочноохлаждающих жидкостей. Обезжириватель используется в водных и водно-щелочных растворах перед нанесением гальванических и других защитных покрытий [8]. Далее изделия промывают и в зависимости от нанесения требуемого покрытия выбирают соответствующую ванну [9, 10].

Местная вытяжная вентиляция на производстве представляет собой бортовые отсосы, кото- рые по конструктивному выполнению бывают обычные, также называемые простыми, и опрокинутые [11]. У простых отсосов щелевые отверстия расположены в вертикальной плоскости, у опрокинутых - в горизонтальной. В случае, когда щель бортового отсоса расположена с одной стороны зеркала ванны, отсос называется односторонним, или однобортовым. При расположении щелей с двух противоположных сторон зеркала бортовой отсос называется двусторонним (рис. 1 а, б) [1, 12].

Если с одной стороны зеркала вредностей располагается бортовой отсос, а с другой - щель для подачи воздуха, то такое устройство называется отсосом со сдувом (поддувом) (рис. 1 в). Отсос со сдувом может быть назван активированным отсосом [1].

Расчет бортового отсоса состоит в определении количества воздуха, отсасываемого от него. При этом имеется в виду, что частицы восходящего от зеркала ванны потока должны замыкаться на щель отсоса, т. е. удаляться системой вентиляции и не попадать в помещение, где расположены ванны.

На основании проведенного выше анализа для расчета воздухообмена гальванического цеха завода «LD» выбран метод И.И. Елинского [13]. Источниками вредностей в цехе являются четыре ванны размером 0,8 х 1,2 м и девять ванн размерами 0,4 х 1,1 м, оборудованные двухбортовым отсосом.

Объем воздуха, м3/ч, удаляемого через бортовые отсосы, определен по формуле для неактивированных отсосов со щелью всасывания в горизонтальной или вертикальной плоскости:

V = 1400 (0,53 B‘ I / (B‘ + Q + h)1/3 х х B‘ l Сt Сtox C1 С2 Сз С4.                   (1)

Формула учитывает габариты ванны, расстояние от зеркала раствора до оси всасывающего отверстия, разность температур раствора и воздуха, токсичность вредных веществ и интенсивность их выделения:

B' - расчетная ширина ванны;

I - длина ванны;

h - расчетное расстояние от зеркала раствора до борта ванны или до оси всасывающего отверстия;

Рис. 1. Разновидности бортовых отсосов: а – обычный (простой) отсос; б - опрокинутый отсос; в - отсос с поддувом

С _t - коэффициент, учитывающий разность температур раствора и воздуха в помещении, для неактивированных отсосов С _t = 1 + 0,0157A t, для активированных отсосов С _t = 1 + 0,003At.

С tox — коэффициент, учитывающий токсичность вредных веществ и интенсивность их выделения, для активированных отсосов C _tOx = 1;

С ₁ - коэффициент, учитывающий конструкцию отсоса;

С 2 - коэффициент, учитывающий наличие воздушного перемешивания;

С 3 - укрытие поплавками;

С 4 - укрытие пеной.

Суммарный расход вытяжного воздуха по цеху гальваники составил 27 200 м3/ч, для обеспечения воздушного баланса объем приточного воздуха также равен 27 200 м3/ч.

Основной задачей при выполнении проекта вентиляции цеха является разработка энергоэффективных решений, позволяющих снизить расход потребляемых ресурсов при вентиляции.

Поскольку гальваническое производство не позволяет использовать такие широко распространенные методы снижения затрат, как рециркуляция и рекуперация воздуха [14–17], был рассмотрен вариант сокращения расходов воздуха за счет использования конструкции бортового отсоса со сдувом (рис. 1 в). При этом для увеличения эффективности улавливания вредных веществ создаются поддувочные струи, образующие воздушноструйное укрытие ванны. Это приводит к сокращению расхода отсасываемого воздуха по сравнению с бортовыми отсосами обычного типа [13].

Для сравнения выполним расчет отсасываемого воздуха бортовым отсосом со сдувом по методике расчета М.М. Баранова [12].

Расход воздуха в данном случае определится зависимостью

L = 1800 • К • I • Ь2, (2) где К - коэффициент, зависящий от температуры жидкости, при температуре жидкости 40 °С К = 0,5.

Таким образом, для ванны 0,8 х 1,2 м при температуре раствора ванны 40 °С, объем воздуха, отсасываемого от ванны, равен 690 м³/ч.

Расход воздуха для сдува: L_C д = 115 м³/ч.

Результаты сравнения представлены в табл. 1.

Из расчета видно, что использование бортовых отсосов со сдувом в цехе гальваники более эффективно, чем применение двусторонних бортовых отсосов за счет сокращения требуемых объемов удаляемого воздуха.

Для рассматриваемого цеха расчетный расход воздуха сократился примерно на 40 % и составил 14 630 м3/ч, суммарный расход воздуха для сдува равен 2380 м3/ч, соответственно, расход подаваемого приточного воздуха также был снижен. Согласно проектному решению, подача приточного воздуха и его нагрев осуществляется воздушно-отопительным агрегатом с газовым нагревом «Тепловей». Таким образом, сокращение расхода приточного воздуха позволило уменьшить типоразмер воздушно-отопительного агрегата, расход газа на нагрев воздуха и, как следствие, электрическую мощность вентилятора и газовой горелки (табл. 2).

Таблица 1

Результаты расчета бортовых отсосов

Наименование	Требуемый объем удаляемого воздуха, м3/ч	Вид
Ванна 0,8 х 1,2 м; t ж = 40 °С / Ванна 0,4 х 1,1 м; tж= 40 °С
Двусторонний бортовой отсос	910 / 380
Бортовой отсос со сдувом	690 / 160

Таблица 2

Сравнительные характеристики альтернативных решений по вентиляции гальванического цеха

Наименование	При установке двусторонних бортовых отсосов	При установке бортовых отсосов со сдувом
Требуемый расход вытяжной вентиляции, Vв1, м3/ч	7280	4360
Требуемый расход вытяжной вентиля-ции,Vв2, м3/ч	7280	4360
Требуемый расход вытяжной вентиля-ции,Vв3, м3/ч	5760	5760
Требуемый расход вытяжной вентиля-ции,Vв4, м3/ч	6840	2880
Максимальный диаметр воздуховода вытяжной системы при бортовых отсосах, d, мм	630	455
Потребляемая мощность вытяжного вентилятора В1, кВт	5,5	2,7
Потребляемая мощность вытяжного вентилятора В2, кВт	3,0	3,0
Потребляемая мощность вытяжного вентилятора В3, кВт	5,5	2,7
Потребляемая мощность вытяжного вентилятора В4, кВт	5,5	2,7
Требуемый расход приточной вентиляции, Vп1, м3/ч	27630	14980
Потребляемая мощность приточной установки П1, кВт	39,2	21,6
Наличие приточной вентиляции для сдува	–	Да
Расход воздуха приточной вентиляции для сдува, Vп2, м3/ч	–	2380
Потребляемая мощность приточной установки П2, кВт	–	2,2 · 2

Сокращение расхода удаляемого воздуха позволяет изменить типоразмер вытяжных вентиляторов, приточной установки, уменьшить сечения вытяжных и приточных воздуховодов, типоразмер воздухораспределителей, что в конечном итоге приведет к снижению не только капитальных затрат, но и затрат на эксплуатацию систем [18, 19, 20]. При установке бортовых отсосов со сдувом необходимо учесть проектирование дополнитель- ной системы вентиляции для сдува с двумя вентиляторами (один – резервный).

Для оценки двух альтернативных проектных решений выполнен расчет капитальных и эксплуатационных затрат на реализацию проекта гальванического цеха (табл. 3):

• –    с применением двусторонних бортовых отсосов;

• –    с применением бортовых отсосов со сдувом.

Таблица 3

Сравнительные величины капитальных и эксплуатационных затрат на реализацию проекта вентиляции

Наименование	При установке двусторонних бортовых отсосов	При установке бортовых отсосов со сдувом
Капитальные затраты на монтаж оборудования и материалов, руб.	763 900	667 090
Стоимость оборудования и материалов, руб.	2 669 196	1 752 362
Суммарные капитальные затраты, руб.	3 814 601	2 694 752
Nуст, суммарная мощность вентиляторов и газовой горелки, кВт	58,7	37,1
Затраты на потребление электричества, руб./год	2 839 452	1 794 611
Затраты на потребление тепловой энергии (газа), руб./год	1 493 133	2 485 600

Выполненная работа показывает, что одним из эффективных энергосберегающих решений при проектировании вентиляции гальванических производств является использование в конструкции гальванических ванн в качестве местной вытяжной вентиляции бортовых отсосов со сдувом вместо стандартных двухбортовых отсосов. За счет сокращения расходов удаляемого воздуха при реализации проекта вентиляции снижаются капитальные затраты на оборудование и материалы, а также эксплуатационные затраты на тепловую и электрическую энергию.