Управление конвективными потоками для удаления вредностей от источников теплогазовыделений

Для решения вопроса вентиляции цехов с теплогазовыделениями необходимо установить, как распределяются потоки воздуха (газа и пыли) в объеме помещения цеха. Натурные исследования микроклимата показывают, что скорость воздуха и поле температур распределяются крайне неравномерно как по всему цеху, так и в рабочей зоне. Основная причина этого – конвективные потоки над источниками теплоты, которые под влиянием других воздушных течений вызывают неорганизованный разнос теплоты и циркуляцию воздуха во всем объеме помещения.

При работе нагретых печей и другого оборудования выделяются теплота и газы в виде конвективных струй. Изучению закономерностей конвективной струи посвящены работы Г.Н. Абрамовича, С.Е. Бутакова, Л. Прандтля, В.М. Эльтермана, В.В. Батурина. На основе работ В.Э. Эльтерманом установлена картина течения струй и с достаточной для практических расчетов точностью выведены расчетные формулы [1].

При рассмотрении тепловой струи, образующейся над горизонтальной нагретой пластиной, заделанной заподлицо с горизонтальной плоскостью, можно выделить четыре зоны (рисунок 1). Зона I – пограничный слой, состоящий из ламинарного подслоя, расположенного непосредственно у нагретой пластины и основного погрешного слоя. Зона II – участок разгона струи. Зона III – переходный участок, на котором поперечные профили скоростей и избыточных температур преобразуются в профили, характерные для основного участка тепловой струи. Зона IV – основной участок тепловой струи.

Рисунок 1 – Схема течения воздуха в тепловой струе

В пограничном ламинарном подслое движение происходит вдоль плоскости; вертикальная составляющая скорости очень мала и может быть принята равной нулю. Тепло от нагретой пластинки в этом подслое передается путем теплопроводности, поэтому здесь наблюдается значительный перепад температур. В пределах основного пограничного слоя характер движения неодинаков и зависит от величины произведений критериев Грасгофа и Прандтля (Gr- Pr). Эти критерии являются определяющими для процесса теплоотдачи при свободной конвекции. При значениях Gr- Pr 5102ламинарное течение потока воздуха наблюдается в основном в пограничном слое, и на значительном расстоянии от источника тепла тепловая струя тоже ламинарна. По мере увеличения размеров пластины и возрастания разности температур на ее поверхности и в окружающей среде (A tn), т.е. при больших значениях произведений Gr - Pr, движение в тепловой струе турбулизируется, а при значениях Gr - Pr порядка 1-106 наблюдается развитое турбулентное движение.

В производственных условиях преобладают турбулентные тепловые струи.

В технике вентиляции одним из основных способов обеспечения чистоты воздуха на рабочих местах вблизи источников выделения вредных веществ является создание потока воздуха, направленного от рабочего к источнику выделения вредных веществ или к месту их локализации.

Исследования конвективных потоков при различном размещении тепловых источников показали, что основной приток в конвективную струю происходит вблизи источника, кроме того, воздух присоединяется на всем пути движения струи из окружающего пространства, увеличивая конвективный поток. Дойдя до вытяжного отверстия, струя не успевает полностью раскрыться, претерпевая удар о перекрытия. Часть воздуха вытекает из отверстия, часть возвращается в нижнюю зону помещения.

Поэтому важно управление конвективными потоками с целью их удаления. Характер конвективных потоков воздушной среды цехов определяется размерами источника выделения теплоты и размерами здания. Исследования показали, что чем выше и уже здание, тем меньше влияние на рабочую зону оказывают конвективные струи. Наиболее целесообразным является отношение H / d = 9 ^ 12 . Данные рекомендации приемлемы к проектируемым цехам.

Для условий цехов с теплогазовыделяющим оборудованием наиболее приемлемы следующие решения: ограждения, зонты над источниками выделений (стационарные и поворотные), изоляция кожуха и т.п.

С помощью ограждений можно изменить схему формирования воздушных струй [2]. Применяют ограждение нижней части струи 2 (рисунок 2а), способствующее подтеканию приточного воздуха к средней части струи. Ограждение нижней части струи эффективно до значения z / d o = 3,5 , где Z - расстояние до рассматриваемого сечения струи, d o - диаметр теплоисточника 3. Размеры ограждений должны быть оптимальными: высота ограждений и расстояние между ними соответственно ( а = 1,25 d о , c = 1,5 d о ) [2]. Ограждение средней части струи (рисунок 2а) способствует лучшей эжекции приточного воздуха к струе. Ограждение верхней части струи (рисунок 2б) влияет на параметры воздуха в помещении до значения Z/d o = 2,5 и препятствует обратному движению загрязненных потоков воздуха в помещение. В данных трех случаях ограждением струи достигается снижение величины воздушного обмена и возможность управления вентиляцией цеха. Однако эффективность снижения концентрации пыли и газов невелика, и поэтому рекомендовать только ограждение для условий цехов с теплоизбытками нецелесообразно.

Более эффективным и распространенным способом локализации вредных выделений в помещениях с сосредоточенными источниками загрязнений является удаление воздуха с помощью местных отсосов. Применяют следующие конструкции отсосов: зонт, зонт-козырек, боковой отсос.

В [1] приведены уравнения поля концентраций в потоке, набегающем на источник выделения вредностей, что дало возможность разработать научно обоснованный метод расчета необходимых скоростей воздуха в открытых проемах укрытий типа вытяжного шкафа. Случай, когда направление потока параллельно плоскости выделения вредных веществ, используется для расчета так называемых «сдувок».

Классификацию местных отсосов от теплогазовыделяющего оборудования и их расчет приводит В.Н. Посохин [2].

В тех случаях, когда по конструктивным соображениям соосный отсос нельзя расположить над источником тепловыделений, а также когда необходимо отклонять конвективную струю от источника так, чтобы вредные выделения не попадали в зону дыхания работающего, применяют боковые отсосы.

а)                                                       б)

Рисунок 2 – Схема развития конвективной струи в цеху: а) с использование нижнего и среднего ограждений; б) с использованием верхнего ограждения:1 – среднее ограждение; 2 – нижнее ограждение; 3 – теплоисточник; 4 – верхнее ограждение

Визуальные наблюдения устанавливают следующую схему взаимодействия струи с боковым отсосом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема бокового отсоса, улавливающего конвективную струю:

1 –теплоисточник; 2 – струя; 3 – отсос

В режиме предельного улавливания удаленная граница струи замыкается на верхней кромке отсоса, а ближняя входит в плоскость отсоса выше нижней его кромки.

В тех случаях, когда основное назначение струи состоит в сдуве вредных выделений к отсосу и усилении подсасывающего действия последнего за счет эжекции, рассматриваем отсос, активированный приточной струей.

На металлургических предприятиях в литейных цехах при установке электроплавильных печей от них выделяется большое количество высокотемпературных вредных газов. Для их удаления на печах предусматриваются специальные укрытия, периодически открывающиеся для загрузки печи. Однако на ряде предприятий электроплавильные печи старых конструкций не имеют встроенных укрытий; печи загружаются малыми порциями металлического лома, проемы печей все время открыты, непрерывно работают мостовые краны над печами. В этих цехах не представляется возможным укрыть проемы печей стационарными укрытиями, поэтому предлагается устанавливать боковые отсосы, а для более полного улавливания вредностей использовать боковые струи для передувки газов под козырек отсоса.

Объем вытяжки будет составляться из начального объема струи плюс объем конвективной струи (от источника тепла до приточного патрубка).Обозначим полную ширину патрубка буквой е , длину – b , а расстояние от его кромок до середины всасывающего отверстия через x . Начальный расход струи, м³/сек, определяется по формуле

L о ′ = еb υ o ,                                 (1)

Расход на расстоянии x ах+0,41 .                                (2)

е

Присоединившийся к струе объем воздуха найдем, если из обеих частей вычтем по L_о ′ :

T -T -I

L_x - L_o = L_o

V

^ах + 0,41 - 1 ⎟^⎞ . е

⎠

Таким образом, объем конвективной струи должен быть равен или меньше L_x L_o , то есть

L = L конв o

⎛

_⎜⎜ 1,2 ^ах + 0,41 - 1 е

⎝

A _⎟⎟^⎞ . ⎠

Отсюда определяется L_о ′ :

L конв L_о =                  .

ах 1,2     + 0,41 - 6

е

Начальная ширина струи е принимается равной (0,01 ÷ 0,015) х ; а = 0,1 ÷ 0,12 .

Объем вытяжки, м3/час, определяется по формуле

L в ′ ыт = L о ′ + 0,65³ QF ² l ≤ L ′ x ,                 (6)

где Q – конвективное тепло, ккал/сек;

F – горизонтальная проекция источника, м²;

l – высота рассматриваемого сечения над источником, м.

Исследовались схемы передувки с подачей в конвективную струю приточного воздуха наклонно вниз и наклонно вверх.

Из генератора дыма подавался в модель печи различной конфигурации дым, который отсасывался через отсос. В качестве приточных патрубков использовались два плоских насадка, два круглых насадка и один насадок щелевидный по всей длине площадки печи.

Расположение насадков менялось по площади печи, насадки давали настилающуюся струю ( α = 0^о); струю под углом 30^о и 45^о к настилу, а также располагались на некоторой высоте над настилом печи. Менялась высота расположения самого отсоса над уровнем площадки.

Опыты показали, что с помощью приточных струй можно получить передувку вредных газовых выделений под укрытие и полное улавливание их отсосом, и наиболее рациональным является использование плоских и щелевидных насадок, расположенных под углом 30о к плоскости площадки печи.

На рисунке 4а представлена схема движения воздушных потоков с использованием передувки. Неуловленные вредные примеси отводятся через аэрационный фонарь. Для улучшения воздушной среды в рабочей зоне при расположении источников теплоты возле стены, аэрационный фонарь должен быть соосен с ним, либо должна изменяться конструкция крыши производственных зданий. Предлагается вместо аэрационных фонарей устанавливать над источниками теплоты односкатную крышу [4]. Лабораторные исследования показали, что при угле наклона ската 40о и более конвективная струя при ударе о плоскость скользит вверх к вытяжному отверстию и образует только непосредственно под крышей небольшие рециркуляционные токи. Большая часть объема помещения, включая и зону нахождения машинистов мостовых кранов, остается чистой.

а)                                                            б)

Рисунок 4 – Схемы вентиляции цеха: а) естественная с использованием местного отсоса с передувкой и фонаря; б) со скатной крышей и теплоутилизатором: 1 – вентилятор; 2 – пылегазоочистная установка; 3 – рециркуляционный воздуховод; 4 – приточный насадок; 5 – источник тепловыделений; 6 – рекуператор теплоты;

7 – аэрационный фонарь; 8 – местный отсос

При необходимости в цехах стабильных режимов вентиляции целесообразно использовать вместе со скатной крышей механическую вытяжку с системами пылегазоочистки воздуха и теплоутилизатором по схеме (рисунок 4б), предполагающей возврат очищенного воздуха в цех, что приведет к экономии тепловой и энергетической энергии.

Таким образом, для эффективного управления тепловыми потоками в цехах с теплоизбытками рекомендуются следующие мероприятия:

• -    использовать ограждение конвективной струи;

• -    при невозможности установки местного отсоса соосно с источником теплоты, применять боковые отсосы простые или активированные сдувом с использованием плоских или щелевидных насадков, расположенных под углом 30^о к плоскости площадки печи; использовать односкатную крышу, позволяющую выполнить эффективное улавливание пылегазовых вредностей с последующей

очисткой их в пылегазоуловителях, охлаждением в теплый период года в теплоутилизаторе, и рециркуляцией в помещение.