V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Конструкции междуэтажных перекрытий зданий и помещений с производствами категорий А, Б, согласно Правил безопасности [1], должны исключать возможность образования непроветриваемых пространств. С этой целью, в зависимости от применяемых в технологии производства вредных веществ, Правилами предусматриваются открытые или перекрытые решетчатыми настилами проемы. Площадь проемов должна составлять не менее 10% от общей площади перекрытия каждого этажа, если относительная плотность вредных веществ более 0,8 по отношению к воздуху и не менее 15%, если относительная плотность менее 0,8.

Удаление загрязненного воздуха системами вытяжной общеобменной вентиляции в помещениях таких производств предусматривается в зависимости от относительной плотности выделяющихся вредных веществ и избытков теплоты – в объеме 100% из верхней зоны всего помещения, если выделяются легкие газы и в соотношении 60% из нижней зоны и 40% из верхней, если выделяются тяжелые газы с незначительными избытками теплоты и 40% из нижней и 60% из верхней при выделении тяжелых газов со значительными избытками теплоты [2].

Анализ нормативных документов [1, 2] показывает, что документами допускается, при проектировании систем вентиляции, перетекание загрязненного воздуха с этажа на этаж через открытые проемы или с площадок, размещенных на разных уровнях от пола, от 40% до 100% общей величины расчетного воздухообмена. Несомненно, что перетекание загрязненного воздуха между этажами приводит к увеличению содержания вредных веществ в рабочей зоне. Особенно опасно перетекание загрязненного вредными веществами воздуха при аварийных ситуациях. Поэтому разработка рекомендаций по размещению проемов в плане перекрытий и их размеров, определение условий при которых можно предусматривать перетекание воздуха и в каком количестве, совершенствование методики расчета воздухообмена с учетом взаимовлияния структуры потоков воздуха на отдельных этажах или площадках является актуальной задачей.

Решению исследуемой в статье задачи были посвящены работы [3, 4], в которых на основе моделирования воздухообмена на физической модели были рекомендованы для практической реализации схемы общеобменной вентиляции. в частности, равномерно-распределенный приток в рабочую зону каждого этажа при 100% вытяжке из верхней зоны каждого этажа.

Однако, как показывают исследования Титова В.П. [5] и практика эксплуатации подобных производств между этажами через проемы происходит перетекание загрязненного воздуха и при рекомендованных схемах вентиляции за счет разности статических давлений между этажами или площадками, расположенными на разных уровнях.

Натурные обследования ряда цехов заводов синтетического каучука (г. Воронеж, г. Ефремов и др.) показали, что площадь проемов, их количество, форма и расположение в плане перекрытий самые различные. Так, в одном из цехов отношение площади проемов к общей площади перекрытия составляет 21%, во втором – 3%, в третьем 48% для второго и 12% для третьего этажей, в четвертом – 31% для второго и 25% для третьего этажей. В каждом цехе имеются большие проемы с отношением сторон 1:1 – 1:6 и узкие длинные щели с отношением сторон 1:30 – 1:50, а во втором цехе – проемы в виде круглых отверстий диаметром 200 мм, проделанных в металлических листах. Большие проемы во всех цехах размещены по фронту окон, а проемы с отношением сторон 1:30 – 1:50 в центральной части перекрытия в первом и втором цехах, в третьем цехе – у глухих стен, в четвертом – между продольной осью цеха и глухой стеной. Исходя из этого, можно полагать, что расположение проемов в плане перекрытия их размеры и форма существенным образом влияют на структуру воздушных потоков в помещении, а, следовательно, и качество воздуха рабочей зоны.

Для проверки такого предположения в обследуемых цехах замерялись концентрация паров стирола и температура воздуха в рабочей зоне, а также скорость воздуха, перетекающего через проемы между этажами и концентрация стирола.

В результате обследования было установлено, что в открытых проемах и проемах перекрытых решетчатыми настилами происходит перетекание воздуха с нижних этажей в верхние и только в больших проемах наблюдалось перемещение воздуха с верхних этажей в нижние. Скорость перетекающего воздуха для проемов с отношением 1:2 – 1:7 находилась в пределах 0,2 – 0,45 м/с, в проемах с отношением сторон 1:30 – 1:50 от 0,5 до 1,02 м/с.

Концентрация стирола в проемах, расположенных по фронту окон была в пределах 3,1 – 11,2 мг/м³, в центральной части здания 5 – 22,4 мг/м³, у глухих стен – 5,6 – 9,5 мг/м³, между продольной осью здания и глухой стеной – в пределах 0,7 – 1,4 мг/м³.

На рис. 1 представлена зависимость средних значений избыточной температуры воздуха и концентраций стирола от отношения площади проемов к общей площади междуэтажного перекрытия, полученные на основании натурных обследований.

Рис. 1 - Зависимость избыточной температуры (1) и концентрации стирола (2) от отношения площади проемов к площади междуэтажного перекрытия, F_ПР/F_ПЕР, %

Из рис. 1 видно, что проемы являются одним из основных факторов формирования параметров микроклимата в рабочей зоне помещений при действующих схемах технологического процесса и системах вентиляции.

Температура и концентрация паров стирола в рабочей зоне близки к допустимым, когда отношение площади проемов к общей площади перекрытия находится в пределах 21 – 31%. Следует отметить, что архитектурно-строительная характеристика, технологический процесс и вентиляция в обследуемых цехах находились примерно в равных условиях. Все обследуемые цехи расположены в кирпичных двух- и трехэтажных зданиях, продольная ось которых направлена с запада на восток. Окна имеются только с северной стороны. Технологический процесс представляет собой вертикальную схему производства, включающую размещение насосов, конденсаторов на первом этаже, на остальных – паропроводы, пароэжекционные установки, компрессоры и другое оборудование. Вентиляция приточно-вытяжная с механическим побуждением и, частично, в теплый период года, естественная через открывающиеся фрамуги окон и дефлекторы. Приток воздуха равномерно-распределенный в рабочую зону каждого этажа через двусторонние и диффузорные насадки. Вытяжка из нижней зоны каждого этажа в объеме 65 – 70% и из верхней через дефлекторы в объеме 30 – 35% от всего объема приточного воздуха. Средняя кратность воздухообмена составляет 14 ч^-1, удельные теплоизбытки 19 – 27 Вт/м³, удельные газовыделения 0,299 – 0,610 г/(ч∙м³).

Для оценки влияния места расположения проемов на качество воздуха рабочей зоны были проведены экспериментальные исследования на физической модели двухэтажного цеха по производству стирола при организации воздухообмена по схеме при которой весь объем приточного поступал через открытые фрамуги первого этажа, расположенные на уровне рабочей зоны. Удаление воздуха производилось из верхней зоны второго этажа в объеме 100% всего приточного воздуха. При такой схеме организации воздухообмена влияние проемов сказалось наиболее наглядно на структуру потоков воздуха.

Размеры модели равны: длина 1,6м, ширина 0,8 м, высота каждого этажа 0,4 м. Масштаб по отношению к натуре 1:15 (рис. 2). Моделирование приводилось в полном соответствии с условиями пособия [6].

Рис. 2 - Модель двухэтажного цеха по производству стирола, оборудованная системой общеобменной вентиляции

Испытаниям подверглись шесть вариантов расположения проемов в плане междуэтажного перекрытия при сохранении одной и той же площади живого сечения – 21%. Открытые проемы располагались в центральной части модели и у окон – вариант «а», у окон – «б», у глухой стены – «в», в центральной части – «г», равномерно по площади перекрытия – «д», у окон и глухой стены – «е».

На рис. 3 приведены значения избыточных температур и картина циркуляции воздушных потоков в поперечном сечении помещения цеха при удельных теплоизбытках 27,8 Вт/м³ и кратности воздухообмена 12 ч^-1. Картина циркуляции воздушных потоков была получена путем применения дымообразующего вещества TiCl₄. В качестве выделяющегося вредного вещества применялся толуол.

Рис. 3 - Распределение избыточных температур (ºС) и схема циркуляции воздушных потоков при различных вариантах расположения проемов; 1 – источники тепловыделений, 2 – источники газовыделений

Из рис. 3 следует, что при изменении расположения проемов в плане междуэтажного перекрытия изменяется характер циркуляции и структура воздушных потоков, а, следовательно, температура и концентрация вредных веществ в рабочих проходах. Проемы в перекрытии для первого этажа являются вытяжными, а для второго – приточными отверстиями. При расположении проемов по варианту «б» воздушные потоки, поступающие с первого этажа, отклоняют тепловые струи, возникающие над паропроводами в рабочий проход у глухой стены, в связи с чем увеличились избыточные температуры и концентрация в этом проходе (см. рис. 3б). Если в варианте «а» осредненное значение избыточной температуры воздуха было 6,2 ºС, в центральном проходе 5,6 ºС и концентрации 0,17 г/м³ и 0,14 г/м³, соответственно, то при расположении по варианту «б», значения избыточной температуры стали 7,9 ºС и 7,2 ºС, а концентрации 0,23 г/м³ и 0,157 г/м³.

При расположении проемов по варианту «в» интенсивность циркуляции потоков воздуха на втором этаже возрастает. Это объясняется тем, что при таком расположении проемов воздушные потоки поступают с первого этажа с большей энергией, чем в варианте «б», где часть энергии расходуется на взаимодействие с междуэтажным перекрытием, лежащим на пути приточного воздуха (см. рис. 3б, 3в). Поэтому в варианте «б» осредненное значение концентрации в воздухе, уходящем из первого этажа на второй было 0,21 г/м³, а в варианте «в» – 0,17 г/м³ при одном и том же валовом выделении толуола – 11,3 г/ч.

Наличие сплошного междуэтажного перекрытия у глухой стены и у окон (вариант «г») привело к образованию двух циркуляционных зон над средним проходом. Нагретые потоки воздуха опускаются до пола второго этажа для питания тепловых и приточных струй. При этом у глухой стены и у окон увеличились перепады температур до 6,9 ºС и концентрации до 0,31 г/м³. При расположении проемов по варианту «д» неравномерность распределения температуры и концентрации в рабочей зоне стала почти в 1,5 раза меньше, чем в остальных вариантах. Большие циркуляционные кольца, которые наблюдались в варианте «г», исчезли. Температура в рабочей зоне уменьшилась на 30%, а концентрация на 34 – 36% по сравнению с другими вариантами. При расположении проемов по варианту «е» характер циркуляции воздушных потоков складывается из циркуляции потоков по вариантам «б» и «в». Скорость истечения воздуха на второй этаж из проемов распределялась неравномерно. Наибольшая скорость 0,32 м/с при кратности воздухообмена 18 ч^-1 наблюдалась у проемов, расположенных у глухой стены, у проемов, расположенных вблизи окон скорость составляла 0,18 м/с при той же кратности. В связи с этим тепловые струи оттеснялись к краю проема у окон, что привело к увеличению концентраций и температур в центральном проходе (рис. 3е). На первом этаже траектория циркуляции воздушных потоков в основном сохранилась независимо от расположения проемов. Характер циркуляции потоков воздуха, полученный на физической модели, подтверждается результатами математического моделирования [7, 8, 9, 10].

На рис. 4 приведена зависимость концентрации паров толуола от величины газовыделений G_Г, г/ч, и величины воздухообмена, G, кг/ч, для исследуемых вариантов.

Анализ полученных результатов показывает, что при выделении теплоты и вредных веществ на первом и втором этажах и равномерном расположении проемов по площади междуэтажного перекрытия (вариант «д») условия труда в рабочей зоне первого и второго этажей по сравнению с другими вариантами заметно улучшаются. При выделении газов только на втором этаже и соотношении G_Г / G = 0,053 концентрации паров толуола составляют: для варианта «б», «г» – 0,05 г/м³; варианта «в» – 0,038 г/м³; варианта «д» – 0,06 г/м³ и варианта «е» – 0,069 г/м³.

В этом случае вариант расположения у глухой стены является лучшим.

Из рис. 4 следует, что концентрация вредных веществ в воздухе перетекающем с этажа на этаж равна С_УХ =к∙G_Г / G, а избыточная температура Δt_УХ = к₁Q_ИЗБ / G, где к, к₁ – экспериментальные коэффициенты, равные к = 1,23, к₁ = 4,16.

Эльтерман В.М. [6] предложил параметр Р, который взаимоувязывает концентрацию и температуру воздуха:

Р=Сух(1-Мв/Мг)∆tух, (1)

где М_в, М_г – относительная молекулярная плотность воздуха и газа соответственно.

Подставляя полученные значения для с_УХ и Δt_УХ, имеем:

Рух=0,29GГQизб(1-Мв/Мг). (2)

Нормируемые параметры микроклимата на втором этаже будут, если будет выполнено условие:

Р_УХ≤Р_НОРМ, т.е.

0,29GГQизб(1-Мв/Мг)≤0,3Спдк(1-Мв/Мг)(0,3÷0,5)∆tн , (3)

где С_ПДК – предельно-допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны; Δt_Н – нормируемый перепад температур, ºС.

Рис. 4 - График зависимости концентрации паров толуола в рабочей зоне от отношения валовых газовыделений к величине воздухообмена

Установлено, что условия труда в производственных помещениях нефтехимических предприятий с выделением теплоты и вредных веществ на каждом этаже могут быть улучшены, способствуя повышению производительности труда при равномерном расположении проемов по площади междуэтажного перекрытия. При выделении вредных веществ на вышележащем этаже проемы в перекрытии рекомендуется размещать у глухой стены.

Получена новая зависимость, позволяющая определить до каких значений валового выделения вредных веществ и теплоизбытков можно допускать перетекание загрязненного воздуха через проемы между этажами или площадками, расположенными на разных уровнях.

Библиографический список

1. Правила безопасности во взрывоопасных и взрыво- пожароопасных химических и нефтехимических производствах (ПБВХП-74). - М.: Недра, 1976. – 76 с.

2. Сорокин, Ю.Г. Охрана труда в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Правила и нормы / Ю.Г. Сорокин, М.С. Сибилев. – М.: Химия, 1985. – 380 с.

3. Полосин, И.И. Организация воздухообмена в цехах производства и ректификации стирола / И.И. Полосин // Известия вузов. Строительство и Архитектура. – 1974. - №8. – С.137-141.

4. Полосин, И.И. Воздухообмен в химических цехах / И.И. Полосин // Водоснабжение и санитарная техника. – 1975. - №3. – С.15-17.

5. Богословский, В.Н. Отопление и вентиляция. ч.2. Вентиляция / В.Н. Богословский, В.И. Новожилов, Б.Д. Симаков, В.П. Титов. – М.: Стройиздат, 1976. – 439 с.

6. Эльтерман, В.М. Вентиляция химических производств / В.М. Эльтерман. - М.: Химия, 1980. – 288 с.

7. Полосин, И.И. Реализация математической модели для оценки эффективности схем организации воздухообмена в цехах гальванопокрытий / И.И. Полосин, С.Н. Кузнецов, А.В. Портянников, А.В. Дерепасов // Приволжский научный журнал. – 2009. - №2(10). – С.42-47.

8. Мелькумов, В.Н. Взаимодействие воздушных потоков с конвективными потоками от источников теплоты / В.Н. Мелькумов, С.Н. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. – 2009. - № 1. – С. 63-69.

9. Гримитлин, А.М. Отопление и вентиляция производственных помещений / А.М. Гримитлин, Т.А. Дацюк и др. – Санкт-Петербург: АВОК Северо-Запад, 2007. – 399 с.

10. Потапов, Ю.Б. Разработка математической модели распространения дымовых газов в начальной стадии пожара / Потапов Ю.Б., Скляров К.А., Сотникова К.Н., Кончаков С.А. // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2011. - № 1. - С. 136-143.

Код для цитирования: Скопировать