Полная версия

Главная arrow Строительство arrow ВЕНТИЛЯЦИЯ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Газы и пары

Вредные вещества в виде газов и паров могут поступать в воздух помещений через неплотности в оборудовании и трубопроводах, при испарении с открытых поверхностей,и поверхностей,покрытых пленками (окраска изделий), в резульате жизнедеятельности живых организмов, при различных технологических операциях.

Поступление вредных веществ в воздух помещения обусловлено истечением их вследствие разности давлений в оборудовании и окружающем пространстве; турбулентным и молекулярным переносом при разности концентраций вредных веществ в оборудовании и помещении; конвективным переносам и испарением с различных поверхностей.

Газо- и паровыделения из оборудования, находящегося под давлением. Из оборудования, находящегося под давлением, через неплотности в соединениях, а также вследствие газопроницаемости материалов происходит поступление в окружающую среду вредных веществ. Количество поступающих газов и паров за- сит от многих причин, главными из которых являются их физические свойства, разность давления внутри и снаружи аппарата, суммарная площадь неплотностей (степень не герметичности оборудования).

Нормативные требования к оборудованию, находящемуся под давлением, выражаются коэффициентом негерметичности оборудования ж,ч“ , представляющим собой относительно допустимое падение давления за время *t, ч , т.е.

где рн , рк - абсолютное давление в начале и в конце испытания, Па; V Тк - абсолютная температура среды в оборудовании в начале и в конце испытаний, К.

Если температура в начале и в конце испытаний остается постоянной ( Тн « Тк), то выражение (3.9) упрощается:

где Др - падение давления в оборудовании за время испытаний, Па.

Значение коэффициента негерметичности для некоторого оборудования приведено в табл. 3.3.

Таблица 3.3.. Коэффициент негерметичности оборудования и трубопроводов [26*1

Оборудование и трубопроводы

Среда

в оборудовании

Коэффициент негерметичности т. , ч

Сосуды, поршневые компрессоры и другое технологическое оборудование, работающее под давлением:

вновь установленное

Токсичная

ОД • 10-2

Пожаровзрывоопасная 0,2 • 10”^

эксплуатируемой

Токсичная и пожаро- вэ рывоопа с ная

0,5 • 10“2

Трубопроводы для горючих, токсичных и сжиженных газов:

цеховые

Токсичная и горючая

0,05 • 10-2

Горючая

0,110-2

межцеховые

Токсичная и горюча!

i 0,1 - 1СГ2

Горючая

0,2 • IQ-2

Количество проникающего из оборудования газа можно получить, используя характеристические уравнения для всего количества газа, находящегося в аппарате: в начале процесса

по истечении Т часов

где V - объем аппарата, м^; М^* - масса газа в аппарате в

начале и в конце процесса, кг; R - газовая постоянная для рабочей среды, Дж/(кг«К).

Расход газа Q , кг/ч, вытекающего из оборудования, получим, используя уравнения (3,11) и (3.12):

если Т * Ти s Т , то формула (3.13) принимает вид:

Умножив числитель и знаменатель зависимости (3.14) не Рн , получим:

Первый множитель в выражении (3.15) - это коэффициент не герметичности т ? см. формулу (3.10)J , а второй - плотность газа jOH при давлении рн и температуре 7 , следовательно,

Допуская, что истечение газов через нешотности оборудования проходит по адиабатному закону, Н.Н.Репин предложил следующую зависимость:

где к пр ” коэффициент пропорциональности, зависящий от перепада давления в аппарате и в окружающем пространстве и от коэффициента не герметичности , кг*К/(м^-ч); М/ - относительная молекулярная масса газа.

Для практического применения формула (3.15) преобразована [2 б] в следующий вид:

где коэффициент запаса, принимаемый равным 1,5-2’,О.

В формуле (3.16) расход газа принят в кг/ч, а численный коэффициент имеет размерность с • К °*S /м^.

Газ о- и паровыделения из оборудования, находящегося под разрежением. Вредные и токсичные вещества, находящиеся в оборудовании под небольшим разрежением (до юЗ Па), в результате молекулярной диффузии могут поступать через неплотности в окружающую среду. Такой процесс, представляющий собой перенос вещества навстречу потоку воздуха, особенно сильно проявляется, когда концентрация вредных веществ в оборудовании на четыре-пять порядков превышает предельно допустимую концентрацию. При разрежении в оборудовании больше 1000 Па оно рассматривается как вакуумное и к его герметизации предъявляются повышенные требования.

Рассмотрим процесс молекулярной диффузии через щели каналов шириной е и общей площадью Fo . Обозначим среднюю скорость просасывающегося в оборудование воздуха через v • Можно предположить, что ввиду значительных концентраций вредных веществ в оборудовании с0 концентрация диффундирующего вещества через щель св будет превышать предельно допустимую концентрацию сПдк в воздухе помещения, т.е. сспдк- Тогда для определения величины cg можно воспользоваться зависимостью по определению концентрации примесей навстречу потока воздуха (с. 105) и расход вредных веществ из оборудования, находящегося под разрежением, G , г/с, определять по формуле

где D - коэффициент диффузии, м^/с.

Коэффициент диффузии пара или газа в воздухе при температуре Т , барометрическом давлении р^, , Па, равен:

где D0 - коэффициент диффузии при давлении 101,3 • 103 Па и температуре 20° С (табл. 3.4).

Таблица 3.4. Величина коэффициента диффузии 3)0

Система

D0 , м2

Воздух - водяной пар

0,0209-10"3

Воздух - пары аммиака

0,0198-Ю"3

Воздух - пары цианистого водорода

0,0172-10"3

Воздух - пары спирта

0,0100 *10“3

Воздух - пары эфира

0,0077-10"3

Воздух - пары бензола

0,0075 •10"’3

Коэффициент диффузии для любых газов и паров можно получить, используя закон Грэхема, по которому в одинаковых условиях скорости диффузии газов Б, и Ъг обратно пропорциональны корням квадратным из их относительных молекулярных масс Mt и Мг :

Течение через щели и поры будет ламинарным. Тогда зависи - мость (3.17) с учетом характерного для ламинарного течения профиля скоростей примет вид [2б] :

где L * f v - количество воздуха, подсасываемое в оборудование, мЗ/с; J - суммарная плошадь щелей и пор, м^.

Если выразить количество подсасываемого в оборудование воз - духа через разрежение в нем Д р , Па, и параметр , характеризующий негерметичность оборудования, т.е. Lss ш1Д р , то формула (3.18) преобразится следующим образом :

Испарение с поверхностей, покрывающихся пленками. Многие вещества (лакокрасочные материалы, связующие стеклопластиков, клеи, смолы) при нанесении на поверхность высыхают за счет испарения растворителей, разбавителей и разжижи- телей. В результате образуется пленка - слой вязкого геля, толщина и твердость которого с течением времени увеличиваются. Поэтому в первые минуты летучие составляющие веществ свободно испаряются как с открытых поверхностей. Затем пленка начинает мешать испарению и скорость его уменьшается, интенсивность выделения летучих веществ в этом случае зависит от физико-химических свойств материала и метеорологических условий окружающей среды.

Анализ процессов испарения при нанесении покрытий позволил предположить [2б], что скорость испарения растворителей в каждый момент времени пропорциональна количеству, растворителя, оставшегося в материале. Тогда масса летучих , кг/м2, выделяющихся за время % , мин, с единицы поверхности, определится

выражением:

где к - коэффициент, зависящий от .метеорологических условий испарения и удельного расхода материала, мин"* [24j ; Вр количество растворителя, выделяющегося с единицы поверхности при полном высыхании материала, кг/м^.

Разделив в уравнении (3.19) переменные

и проинтегрировав полученное выражение, найдем:

При Т = О и В * = О C=tn?A. Тогда формула (3.19) приобретает вид

Испарение с открытых поверхностей. Поток массы вещества G* , кг/с, испарившейся с поверхности площадью р,м^, можно рассчитать по видоизмененной формуле Дальтона:

где р -коэффициент массообмена, м/с; сж , с0 - концентрация паров испаряющегося вещества на некотором удалении от поверхности испарения (в окружающем пространстве) и при 100%-ном насыщении и температуре поверхности жидкости (в непосредственной близости от поверхности), кг/м^.

Коэффициент массообмена р можно определить, используя диффузионный критерий Нуссельта:

из которого

Общий вид функции, определяющей величину диффузионного критерия Нуссельта, можно представить в виде

С - коэффициент, зависящий от граничных условий, формы поверхности испарения и режима конвекции (свободная или вынужденная конвекция); Gr - критерий Грасгофа, Gr = -^ж)/(?2^ж );

Рг - диффузионный критерий Прандтля, Рг"")/В; и - показатель степени, зависящий От режима конвекции.

При испарении жидкости возможны три режима процесса: пленочный, ламинарный и турбулентный.

Пленочный режим. Над поверхностью жидкости создается пленка неподвижного воздуха и перенос вещества с поверхности через эту пленку происходит в результате диффузии. В этом случае показатель степени в зависимости (3J22) к - О и поток испарившегося вещества Ьж , мЗ/с. можно определять по формуле Стефана:

где р0 , р ж - парциальное давление паров на некотором расстоянии от источника (в окружающем воздухе) и непосредственно над поверхностью жидкости, Па.

Так как >> Ро и р$ >> рж , то формула (3.23) после разложения в ряд Маклорена и суммирования первых двух членов для числителя и знаменателя принимает вид:

Для упрощения выражения (3.24) используем характеристичес— кое уравнение (3.11) или (3.12), заменив плотность испаривше - гос я вещества в окружающем пространстве р0 , кг/м^ и в непосредственной близости от поверхности , кг/м^, на соответствующие концентрации с0 и сж . Тогда давление рж и р„ определится так:

а поток испарившейся массы G,* , кг/с, -

Концентрацию паров вещества сж можно определить по его парциальному давлению р , Па, в рассматриваемой точке, плотности воздуха р , кг/м3, и по относительным молекулярным массам паров жидкости Мп и воздуха М0 в 29:

Ламинарный режим. Произведение определяющих режим течения критериев Грасгофа и Прандтля находится в пределах 2-102крмт. Верхний предел режима течения зависит от положения поверхности испарения к плоскости горизонта и физических свойств испаряющейся жидкости: для процессов испарения с вертикальной стенки (Gr Рг)^ 2,3 *10®; для процессов испарения с горизонтальной поверхности жидкости, пары которой легче воздуха (GrPr/) = 7,1*10^; тяжелее воздуха (GrPr) “ = 1,25.109. Т крт

Показатель степени для данного режима н = 0,25. Поэтому уравнение (3.22) имеет вид

Совместное решение уравнений (3.20), (3.21) и (3.26) с учетом значения критерия Грасгофа Gr и /D дает формулу

для расхода паров испаряющейся жидкости в кг/с:

где др*Я0-<Рж*

Величину др , кг/м^, можно вычислить, пользуясь уравнением для определения изменения плотности воздуха при подмешивании к нему газа или пара (с. 97 ):

гдс J3® о ж ” плотность воздуха без примеси паров испаряющегося вещества на некотором удалении от источника испарения (в окружающем пространстве) и над поверхностью испарения при температуре поверхности испарения, кг/м^.

Если допустить, что температура испаряющейся жидкости близка к температуре воздуха, то j>0 ж « j3 в 0 и формула (3.28) принимает вид:

при м' ^ Mg

при М„ >

Подставив полученные значения в зависимость (3.2 7), а также учитывая, что согласно теории диффузии Ланжевена значение критерия Прандтля для процессов испарения постоянно и равно Р/« 0,66, получим

В формуле (3.31) множитель (1- М.7/ М ' ) берется по абсолютному значению. Величину коэффициента С в зависимости (3.31) Л.С.Клячко [26J предлагает принимать сл^дуюи^ей: при испарении с горизонтальных поверхностей при < Mg С =1, при

* 0,55; при испарении с вертикальных поверхностей

С = 0,67.

в /

Турбулентный режим. При произведении критериев GrPr >

>(Gr Pr')Kpt режим течения приобретает турбулентный характер, коэффициент к ? 0,33 и зависимость (3.22) принимает вид

Поступая так же, как и при выводе зависимостей, характеризующих ламинарный режим течения, получаем формулу для определения расхода испарившегося вещества:

ж-со)35°’!5(РгГМ’(Л^/ржГ (3.32) или с учетом значения Lfi , определенного зависимостями (3,29) и (3.30):

В формулы (3.32) и (3.33) не входит линейный размер I , так как в условиях турбулентного режима он не является определяющим.

Л.СЛСлячко [2б] рекомендует принимать следующие величины коэффициента С для условий турбулентного режима: при испарении с горизонтальных поверхностей при М„ < Мй С* 0,18; при

м;>м; с- о,99. 6

В приведенных выше расчетных формулах парциальное давление рж и концентрация паров испаряющегося вещества сж должны приниматься при температуре поверхности жидкости. Для адиабатного процесса температуру поверхности испаряющейся жидкости С,можно определить исходя из равенства теплосодержания воздуха непосредственно над поверхностью жидкости и на некотором удалении от поверхности (в окружающем пространстве):

где t*n - теплота парообразования вещества, кДж/кг; ср , сп - удельная теплоемкость воздуха и пара вещества, кДж/(кг .°С).

Наиболее заметно понижение температуры поверхности испарения по сравнению с температурой окружающего воздуха у легколетучих веществ, имеющих при атмосферном давлении низкую температуру кипения (ниже 80°С). Например, при температуре воздуха 20° С температура кипения у этилового эфира -2 8° С, у ацетона -17° С, у спирта, бензола, этилацетета около нуля.

В реальных* условиях процессы испарения обычно являются не- адибатными в основном за счет передачи теплоты от ограждающих конструкций и оборудования к поверхности испарения излучением. Поэтому в практических расчетах для теплого периода года в формулы по определению количества испарившегося вещества следует вносить поправочный коэффициент к , равный [2 6} :

Температура кипения жидкости, °С

80

100

150

200

к

1.5

1.3

1.1

1

В холодный период года, когда температура ограждающих поверхностей ниже температуры воздуха помещения, тепловой радиацией можно пренебречь и поправки в расчетные формулы не вносить.

При облучении поверхности жидкости высокотемпературными источниками теплоты количество образовавшихся паров можно подсчитать по следующей формуле:

где Qa - количество лучистой теплоты от нагревательного источника, Вт.

Испарение вещества при скорости движения воздуха в помещении, превышающей скорость конвективных^отоков, и неизотермических условиях (Re > 2*104;Аг<(Рг' )0,может быть представлено следующей критериальной зависимостью:

где Re = *1 - критерий Рейнольдса; Ar = 2Яж)“

критерий Архимеда; tr - средняя скорость движения воздуха вдоль поверхности испарения, м/с,

Газо- и паровыделения от живых организмов и от оборудования и технологических процессов. Количество углекислого газа, содержащегося в выдыхаемом человеком воздухе, зависит от интенсивности затрачиваемой им работы и определяется по таблицам на основании опытных данных [2 4] . Газовыде ления животными и птицей зависит от их вида, массы и определяется пО экспериментальным данным.

Производственное оборудование и многие технологические процессы и операции сопровождаются значительными паро- и газо- поступлениями в окружающую среду. Прежде всего сюда относится работа двигателей дизельных и внутреннего сгорания; термическая обработка, сварка, гальванизация и травления металлов; многие операции литейного производства; процессы прессования изделий из пластических масс и др. В настоящее время не представляется возможным дать аналитическое описание многих из названных процессов, поэтому для определения количества вредных поступлений пользуются, как правило, эмпирическими зависимостями [24]

Количество выделяющихся газов можно рассчитывать, используя формулы химических реакций. Например, количество выделяемых газов при травлении металлов определяется зависимостью

где Gf - количество выделяемого газа, кг/ч; GMeT - количество стравленного металла, кг/ч; М*г , МмсТ- относительные молекулярные массы определяемого газа и металла; к - численный множитель определяемого газа в формуле химической реакции (при травлении меди азотной кислотой Си + 4HN0$ =Cu(N03)j +

+ 2Нг0 +2N01t численный мн (житель к * 2).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>