Proiectarea unui sistem de exhaustare a gazelor nocive rezultate în procese de prelucrări la cald [304956]

UNIVERSITATATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV

FACULTATEA DE

ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

Specializarea:

[anonimizat] –

Absolvent: [anonimizat]: Prof.univ. dr.ing. LUCA Mihai Alexandru

2017

UNIVERSITATATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV

Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor

Specializarea: Ingineria Securității în Industrie

Tema proiectului

Proiectarea unui sistem de exhaustare a [anonimizat] –

Absolvent: [anonimizat]: Prof.univ. dr.ing. LUCA Mihai Alexandru

2017

Cuprins

Introducere

Prezenta lucrare “Proiectarea unui sistem de exhaustare a gazelor nocive rezultate în procese de prelucrări la cald”

Capitolul I: Stadiul actual al cercetărilor despre instalatiile de exhaustare a noxelor.

Generalități

Caracteristicile aerului (temperatură, umiditate, curenți, presiune) din mediul de muncă

reprezintă factori de risc fizic pentru operatori.

[anonimizat], pulberi, praf, căldură degajate de desfășurarea procesului de muncă. [anonimizat], [anonimizat], produsele finite și alte elemente materiale se pot degrada. [1]

Ventilarea reprezintă principala măsură de protecție a mucii ce constă în eliminarea nocivităților din atmosfera locului de muncă. Aceasta reprezintă procedeul de înlocuire a aerului viciat sau impurificat din încăperi cu aer curat din exterior sau cu aer purificat. [2]

Substanțele nocive din mediul de muncă sunt eleminate din zonă prin instalațiile de aspirație. Acestea funcționează după următoarele principii:

[anonimizat];

aerul aspirat este condus prin canale de ventilare la un ventilator;

[anonimizat]. [3]

Scopul instalațiilor de ventilare și climatizare industriale este asigurarea condițiilor de puritate a aerului și a microclimei corespunzătoare activității depuse de om și a naturii procesului tehnologic.

O bună realizare a acestor condiții contribuie la menținerea capacității de muncă a lucrătorilor, [anonimizat], a [anonimizat].

Clădirile, [anonimizat], spații mari cu surse variate de nocivități. Felul surselor și amplasarea lor depind de procesul tehnologic din fiecare secție. [anonimizat], prin instalațiile de ventilare industrială se vehiculează debite mari de aer.

Proiectarea si realizarea sistemelor de ventilații în secțiile industriale necesită cunoașterea amănunțită a procesului tehnologic, a [anonimizat], condițiile de mediu cerute din punct de vedere tehnologic și al protecției muncii.

Tipuri de sisteme de ventilare aplicate în industrie

Sistemele de ventilare reprezintă asambluri de instalații de ventilare care asigură simultan microclimatul sau puritatea aerului unei încăperi sau grup de încăperi.

Criteriile de clasificare a sistemelor de ventilare sunt:

după modul de asigurare a energiei necesare vehiculării aerului;

după modul de acțiune a instalației de ventilare în zona de lucru;

după regimul de presiune;

după regimul de circulație a aerului.

După modul de asigurare a energiei necesare vehiculării aerului, distingem:

ventilarea naturală. Este benefică pentru elminarea excesului de căldură și în unele cazuri, pentru eliminarea noxelor mai ușoare decât aerul dacă degajarea lor este însoțită de căldură. Este folosită în cazul încăperilor unde au loc degajări mari de căldură și în mai mică măsură degajări de umiditate;

ventilarea mecanică. Circulația aeului se obține prin utilizarea unei forme de energie artificială, care se consumă în utilajele ce compun instalația respective. Realizarea ventilării artificiale implică folosirea simplă sau în combinație a două categorii de instalații: de evacuare a aerului și de introducere a aerului. Se optează pentru acest tip de ventilare atunci când în încăpere au loc degajări de substanțe nocive și nu este suficienta ventilarea naturală organizată;

După modul de acțiune a instalației de ventilare în zona de lucru, există:

ventilare generală. Sisteme care asigură circulația aerului din întreg spațiul supus acestei acțiuni. Acestea folosesc aer proaspăt din exterior pentru a dilua poluanții, diminuând doar concentrația substanțelor toxice în zona de lucru.

ventilare locală. Sisteme care asigură circulația aerului dintr-un spațiu limitat;

ventilare mixtă. Sisteme în care se combină captările locale de nocivități cu introducerea aerului proaspăt din exterior în tot spațiul ventilat.

După regimul de presiune:

ventilare în depresiune. Sistemele care mențin într-o încăpere sau la locul de muncă o depresiune constantă (debitul de aer introdus este mai mic decât cel evacuat);

ventilare în suprapresiune. Sistemele se bazează pe principiul menținerii într-o încăpere a unei suprapresiuni constant, realizată prin introducerea și dirijarea sub presiune a aerului în anumite locuri din încăperea de lucru;

ventilare în echilibru. Sisteme care asigură menținerea, într-o încăpere sau la locul de muncă, a aceleiași presiuni ca în mediul înconjurător, datorită faptului că debitul de aer introdus este egal cu debitul de aer evacuat.

După regimul de circulație a aerului:

ventilare în circuit deschis (fără recirculare). Sisteme care realizează circulația aerului într-un singur sens (debitul de aer introdus în încăpere este integral aer proaspăt din exterior);

Ventilare cu recirculare. Ssiteme în cadrul cărora o parte din aerul evacuate este utilizat de instalația de introducere a aerului adică, recirculate, cu scopul economisirii parțiale a energiei consumate pentru tratarea sa. [1]

Alegerea unei soluții de ventilație industrială se poate face parcurgând următoarea succesiune de pași:

definirea clară a încăperii și a posturilor de lucru din ea, a tipului de proces industrial ce are loc, a personalului folosit, a restricțiilor legate de mediu, de temperatură precum și a condițiilor de păstrare în bune condiții a clădirii;

determinarea și clasificarea surselor de poluare, a caracteristicilor lor fizice și chimice;

alegerea soluției tehnice de captare și de ventilare ținând cont de:

evoluțiile posibile ale procesului industrial și de modificările pe care aceste evoluții le pot antrena în ceea ce privește sistemul de ventilație;

eventualele incompatibilități între diverși poluanți (de exemplu praf și umiditate, acizi și baze etc.) care necesită separarea lor;

determinarea parametrilor (viteza aerului, debitul, încălzirea) și calculul instalației (determinarea pierderilor, de sarcină, a diametrului, a puterii instalate etc.);

alegerea elementelor de circuit (guri de insuflare a aerului, tubulatura necesară, ventilatoare, automatica necesară, etc.);

amplasarea fizică a elementelor componente

punerea în funcțiune, valori de referință, asigurarea mentenanțelor. [4]

.Tehnici de ventilare industrială

ventilație locală, numită și ventilație prin aspirație localizată sau exhaustare locală ;

ventilație generală, numită și ventilație prin diluare.

Ventilația locală (fig.1.1) captează substanțele nocive aflate în imediata apropiere a sursei de emiterea lor fara a le dilua.

Fig.1.1 Ventilație locală prin captarea poluanților la sursa de producere

1 – proces tehnologic cu degajare de poluanți; 2 – dispozitiv de captare;

3 – tubulatură; 4 – ventilator; 5 – intrare [4]

Ventilația generală ( fig.1.2) folosește aer proaspăt din exterior pentru a dilua poluanții, diminuând doar concentrația substanțelor toxice în zona de lucru.

Fig.1.2. Ventilație generală prin diluarea poluanților

1 – intrare aer; 2 – proces tehnologic cu degajare de poluanți; 3 – poluanți dispersați în incintă;

4 – ventilator extractor; 5 –ieșire aer poluat diluat. [4]

1.3.1.Exhaustarea (Evacuarea) locală

Exhaustarea locală este cea mai recomandată metodă industrială de captare a poluantilor cât mai aproape de sursa lor de emisie. Este benefică deoarece captează noxele înainte ca acestea să pătrundă în căile respiratorii ale operatorilor și înainte de a fi dispersate în întreaga atmosferă înconjurătoare.

Decizia introducerii unui sistem de exhaustare se ia numai după efectuarea de măsurători ale cantității și compoziției fumului și gazelor nocive emise. Dacă acestea depășesc limitele permisive introduse prin standarde, atunci exhaustarea este obligatorie. Oricum, există o serie de situații, unde experiența arată că exhaustarea fumului imediat din apropierea sursei este necesară pentru menținerea unui climat sănătos de lucru.

Principii de realizare a ventilației locale:

gura de captare a exhaustoarelor să cuprindă maxim posibil zonele de producere a poluanților;

captarea acestora cât mai aproape de zona de emitere;

poziționarea sistemului de exhaustare astfel încât operatorul să nu fie amplasat între acesta și sursa de poluare;

utilizarea mișcării naturale a poluanților, amplastarea dispozitivelor de aspiratie in traiectoria particulelor;

introducerea aerului cu o viteză suficient de mare efectelor de dispersie a curenților de aer ;

repartiție uniformă a vitezelor aerului la nivelul zonei de captare;

compensarea ieșirii aerului prin intrări echivalente de aer;

evitarea curenților de aer și a senzației de inconfort termic

evacuarea aerului poluat în afara zonele de aspirație a aerului nou [4]

Definirea principiilor de realizare a evacuarii locale:

gura de captare a exhaustoarelor să cuprindă maxim posibil zonele de producere a poluanților;

Activitatea, procesul, utilajul care emite gaze nocive trebuie izolată pe cât posibil într-o incintă, o cabină, sau cu panouri sau perdele separatoare, astfel încât să cuprindă maximul de poluanți degajați, să diminueze suprafața pe care aceștia se pot răspândi și să reducă la minim efectele curenților de aer care pot răspândi poluanții în restul incintei (halei). Astfel de dispozitive (fig. 1.3) cresc eficiența captării și reduc debitele de aer necesare.

– a – – b –

Fig.1. 3. Închiderea zonei de producere a poluanților

a – cu debit de aspirație mic; b – cu debit de aspirație mare [4]

Captarea acestora cât mai aproape de zona de emitere;

Eficacitatea dispozitivelor de aspirație scade rapid cu distanța (fig.1.4).

Debit = Q

Debit

poziționarea sistemului de exhaustare astfel încât operatorul să nu fie amplasat între acesta și sursa de poluare;

Deplasarea aerului curat trebuie să se facă întotdeauna dinspre operator spre dispozitivul de aspirație. Operatorul nu trebuie să se afle niciodată între sursa de poluanți și dispozitivul de captare a acestora.

utilizarea mișcării naturale a poluanților, amplastarea dispozitivelor de aspiratie in traiectoria particulelor;

Pentru procesele tehnice ce emit jeturi de particule cu viteză inițială mare (la perforarea lemnului, a metalelor etc.), dispozitivele de captare trebuie amplasate astfel încât să se afle pe traiectoria particulelor mai mari. În acest fel ele vor capta și pulberea mai fină antrenată în siajul creat de acestea.

Dacă nu este posibilă o astfel de amplasare se instalează ecrane pentru a rupe mișcarea particulelor mari și a întrerupe astfel și mișcarea dezordonată a pulberii. Atunci când aerul poluat este cald, dispozitivele de captare se amplasează astfel încât să ia în considerare forța ascensională a aerului cald (plus poluantul), având grijă să se respecte principiul de la punctul c (poziția lucrătorului).

Fig. 1.5 Exemplu de dispozitiv de captare amplasat pe traseul

particulelor grele

1 – dispozitiv de captare ; 2 –piatră de polizor; 3 –eliminarea particulelor [4]

introducerea aerului cu o viteză suficient de mare efectelor de dispersie a curenților de aer ;

Pentru ca un sistem de exhaustare să fie eficient este indicat ca viteza sau debitul de aer să fie suficient de mari pentru a se opune efectelor de dispersie a curenților de aer și mișcării inițiale a aerului poluat astfel încât să forțeze curgerea aerului poluat înspre rețeaua de aspirație. Valorile care se iau în considerație depind de tipul procesului tehnologic, de toxicitatea și debitul poluanților, de curenții de aer reziduali ca și de forța ascensională a poluanților gazoși calzi.

– a – – b –

Fig. 1.6. Captarea poluanților prin inducerea unei viteze satisfăcătoare a aerului

a – viteză suficientă ; b – viteză insuficientă [4]

f) Repartiția uniformă a vitezelor aerului la nivelul zonei de captare

Criteriile de ventilație sunt exprimate în general sub forma valorilor minime ale vitezelor medii de aspirație la nivelul zonei de captare. Vitezele de aspirație trebuie repartizate cât mai uniform posibil pentru a se evita scăpările de aer poluat în zonele cu viteze de aspirație mai reduse.

– a – – b –

Fig. 1.7. Repartiția uniformă a vitezelor aerului în zonele de captare a poluanților

a – distribuție corectă; b – distribuție incorectă (scăpări de poluanți la colțuri) [4]

Dispozitive de captare:

Sistemele locale de exhaustare prin viteza aerului generată, realizează o limitare a împrăștierii nocivităților, asigurând în același timp și deschiderile minim necesare desfășurării proceselor tehnologice. Dispozitivele utilizate trebuie să asigure o captare cât mai eficientă a degajărilor nocive, să nu modifice procesul de producție și să nu influențeze în mod negativ activitatea lucrătorului, încât acesta să nu se poziționeze între sursa generatoare de nocivități și deschiderea de aspirație. Aceste instalații sunt alcătuite din dispozitivul de captare, canal de aer și ventilator.

Clasificarea dispozitivelor de captare:

deschise: hote, dispozitive de aspirații marginale;

semiînchise: nișele de ventilare;

închise: carcasele

Hotele:

Hotele sunt dispozitive locale de exhaustare a nocivităților, amplasate deasupra, lateral sau sub surse.

Principalele tipuri de hote:

Fig.1.8. Tipuri constructive de hote [5]

Hota clasică (fig. 1.8.a) este proiectată și construită în funcție de forma sursei de nocivități, astfel se poate construi cu secțiune de aspirație pătrată, circulară sau dreptunghiulară. Marginile hotei trebuie să depășească perimetral sursa cu (0,3 … 0,4)y, unde y reprezintă distanța de amplasare față de sursă. Pentru uniformizarea câmpului de viteză în secțiunea de aspirație, unghiul de deschidere al hotei 60o iar la partea inferioară se poate monta un o bandă de uniformizare cu lățimea de (0,1 … 0,2)y.

Hota amplasată lângă perete sau deasupra ușii focarului (fig. 1.8.b) limitează aspirația curenților de aer și nu este influențată de direcția mișcării aerului în incintă.

Hota compartimentată (fig. 1.8.c) este utilizată pentru surse de poluanți de mare lungime, iar fiecare compartiment se prevede cu evacuare individuală.

, e) Hota cu aspirație centrală și periferică (fig. 1.8.d,e) se folosește pentru posturile de lucru unde sunt utilizate piese de diferite dimensiuni și si suprafața sursei de noxe este variabilă.

f) Hota rabatabilă (fig.1.8.f) permite schimbarea distanței de amplasare față de sursa poluantă și manevrarea pieselor și a materialelor cu dispozitive de transport (grinzi de rulare) prin rotirea cu 90o a dispozitivului de captare.

g) Hota telescopică (fig. 1.8.g) este benefică atunci când, în funcție de operațiile tehnologice necesare, este necesară o modificare a distanței față de planul de aspirație.

h) Hota cu acumulare (fig. 1.8.h) este utilizată pentru operațiile tehnologice cu scăpări accidentale de debite mari de nocivități, permițând captarea lor momentană și evacuarea.

Hotele pot fi confecționate din tablă zincată, tablă neagră tratată, din inox, sticlă, mase plastice etc. Caracteristicile în funcție de care este ales materialul sunt agresivitatea și temperatura degajărilor nocive. Pentru a evita transformarea hotei într-o suprafață radiantă, în cazul captării de degajări cu o temperatură ridicată, se prevăd măsuri de izolare termică, iar pentru a evita condensul se urmărește asigurarea unei temperaturi superficiale cu cel puțin un grad deasupra punctului de rouă a aerului și jgheaburi pentru colectarea și evacuarea condensului.

Evacuarea în exterior a nocivităților captate prin hote (fig. 3.2) se poate face prin:

– tiraj natural (fig. 1.9.a) cu condiția ca h (e – i)g (Rl+Z)DAL-CV;

– mărirea tirajului prin montarea de deflectoare (D) (fig. 1.9.b);

– ventilator de evacuare (VE) (fig. 1.9.c), în cazul debitelor mari de aer și pentru micșorarea tubulaturii;

– montajul ventilatorului în cot (fig. 1.9.d), cu motor de antrenare capsulat, antiexploziv;

– folosirea efectului de ejecție (fig. 1.9.e);

– ventilator și utilizarea dispozitivelor de reținere a impurităților (DRI) și dispozitive de recuperare a căldurii (DRC) (fig. 1.9.f); [5]

Fig. 1.9. Modalități de evacuare a nocivităților captate local [5]

Aspirațiile marginale:

Dispozitivele de aspirații marginale sunt folosite în special la captarea degajărilor nocive de la suprafața băilor industriale. Băile industriale conțin diferite substanțe reci sau calde, pentru procese industriale de spălare, decapare, degresare, grunduire, vopsire prin scufundare sau tratamente termice de suprafață ca: zincare, nichelare, cromare, etc., care prin evaporarea de pe suprafața lor produc vicierea încăperii. De obicei, piesele care vor fi tratate se introduc în soluție pe deasupra băii, astfel încât nu pot fi folosite hote sau nișe de ventilare.

Pentru evacuarea locală a gazelor și vaporilor degajate de pe suprafața băii industriale, se folosesc dispozitive de aspirație marginale de tip fante cu înălțimea între 50 … 250 mm, încât să asigure un câmp uniform de viteză în secțiunea de evacuare (fig. 1.10.).

În funcție de lățimea băii, ventilarea se poate face cu dispozitive:

– de aspirație amplasate pe o latură (unilaterală), pentru B 800 mm (fig1.10.a);

– de aspirație amplasate pe două laturi (bilaterală) pentru B 1000 mm (fig. 1.10b,c,);

– de refulare pe o latură și aspirație pe latura opusă (fig. 1.10.g,h);

– de aspirație pe tot conturul (aspirații inelare), în cazul băilor cilindrice (fig. 1.10.e,f);

Pentru a proteja dispozitivele de captare a noxelor împotriva coroziunii, acestea vor fi acoperite cu metale în funcție de natura agenților corozivi.

Realizarea unei aspirații uniforme pe toată lungimea băii este deosebit de importanta. Pentru uniformizare se folosesc fante cu pereți de ghidare sau mai multe dispozitive cu fante având lungimea de 500 – 800 mm; refularea aerului se face prin fante sau conducte circulare. La băile industriale unde există obstacole care împiedică dezvoltarea liberă a jetului, creșterea eficienței captării se realizează cu fante rabatabile.

În cazul refulării pe o latură și aspirație pe latura opusă, datorită fenomenului de inducție, debitul jetului crește și la aspirație trebuie realizată o deschidere mai mare comparativ cu fanta de refulare. Dacă se urmărește ca jetul să se „lipească” de suprafața lichidului, se mărește bătaia jetului și se va reduce debitul de aer indus (jet limitat).

Nișele de ventilare:

Nișele de ventilare sunt construite sub formă de mese de lucru, închise pe trei laturi, spațiul de acces și de lucru fiind poziționat la partea frontală, deschis / închis în timpul funcționării, utilizate. Nișele pot fi de tip laborator sau industriale.

Clasificarea nișelor de ventilare după modul de direcționare al maselor de aer din interiorul lor, dictat de densitatea nocivităților degajate în raport cu cea a aerului interior:

– nișe cu orificii de aspirație la partea superioară (fig. 1.11.a);

– nișe cu orificii de aspirație la partea inferioară (fig. 1.11.b);

– nișe cu orificii de aspirație la partea inferioară și superioară (fig. 1.11.c,d)

Fig. 1.11 Tipuri constructive de nișe de ventilare [5]

Nișele de ventilare pot fi confecționate din tablă neagră, tablă zincată, inox, mase plastice, sticlă, polistiren armat cu fibre de sticlă, etc. în funcție de agresivitatea chimică a nocivităților captate.

În incăperile cu mai multe nișe, regimul de depresiune dintre încăperi, va evita împrăștierea nocivităților degajate, amestecul cu diverse alte nocivități degajate. Astfel măsurile luate au în vedere evitarea amestecurilor explozibile, inflamabile sau cu grad ridicat de coroziune. Soluția optimă ar fi ca fiecare nișă să fie dublată de un ventilator sau grup pentru tratarea aerului de compensație.

Carcasele:

Carcasele sunt dispozitive de evacuare locală care îmbracă complet sursa generatoare de toxicități, reducând la minim scăpările de nocivități în incintă. Soluția constructivă de ventilare se poate aplica atunci când procesul tehnologic permite acest lucru și degajările nocive sunt toxice.

În cazul tratamentelor termice (fig.1.12a) carcasa este montată astfel încât aerul pentru antrenarea nocivităților este preluat prin zona de intrare respectiv de ieșire a benzilor (de exemplu, eloxarea benzilor de aluminiu).

În fig.1.12b este prezentat tipul de carcasa folosit pentru cuptoarele electrice cu arc. Carcasa este de tip hotă închisă, având șlițurile laterale și rosturile de culisare a electrozilor ca orificii pentru aspirarea aerului.

Fig. 1.12 Tipuri constructive de carcase [5]

Pentru proiectarea carcaselor trebuie sa se stabilească locul, numărul și suprafața necesara a orificiilor pentru accesul aerului, încât să se asigure o antrenare eficientă a nocivităților și să se evite cumularea lor în unele zone ale utilajului sau ale carcasei. Se va asigura starea de depresiune în interiorul utilajului și după caz o răcire a degajărilor de nocivități încât să nu afecteze rețeaua canalelor de evacuare a aerului.

1.3.2 Ventilația generală

Ventilația generală diminuează concentrația poluanților, dar nu reduce cantitatea totală de poluanți eliberată în incinta de lucru (atelier, hală de producție, etc.). Astfel ventilația generală admite un anumit nivel de poluare reziduală. De aceea, este indicat ca acest tip de ventilație să fie folosit doar ca o completare a ventilației locală, în mod special pentru a asigura un aport minim de aer nou în incinte și pentru a dilua poluanții necaptați de sistemul de aspirație locală.

Principii de realizare a ventilației generale:

analizarea, examinarea procesului tehnologic astfel încât să se asigure că nu se poate realiza o ventilație de tip local;

echilibrarea debitului de aer introdus cu debitul de aer extras;

poziționarea convenabilă a deschiderilor de intrare și ieșire a aerului astfel încât:

să tindem către o curgere generală dinspre zonele curate către cele poluate;

să facem ca prin zonele poluate să treacă cantitatea maxim posibilă de aer;

să se evite zonele cu fluide stagnante;

să se evite plasarea muncitorilor între sursele de poluanți și prizele de extracție a acestora;

să se utilizeze mișcările naturale ale poluanților și în particular efectul ascensional al aerului cald.

În practică, aplicarea ultimelor recomandări din enumerarea de mai sus este dificilă. Ventilația generală acționează prin diluare și amestecă poluantul cu aerul din incintă înainte de evacuare, și trebuie studiat exact modul de circulație al poluantului în incintă (vezi fig. 1.13).

Fig. 1.13. Ventilație generală prin diluarea poluanților:

a – funcționare ideală; b – funcționarea reală;

1 – intrare aer; 2 – proces tehnologic cu degajare de poluanți; 3 – poluanți dispersați în incintă;

– ventilator extractor; 5 – ieșire aer poluat diluat [4]

folosirea de preferință a intrării și ieșirii mecanice a aerului. Avantajele și inconvenientele diferitelor tipuri de ventilație (naturală , mecanică sau mixtă) sunt prezentate în tab. 1.1

Tab. 1.1. Comparația între diferite sistemele de ventilație generală [4]

Extracția prin ventilație naturală este de preferat doar în incintele înalte și care au degajări importante de căldură.

Evitarea curenților de aer și a senzației de discomfort termic.

Evacuarea aerului poluat în afara zonelor de absorbție a aerului proaspăt.

Soluții de realizare:

Teoretic, debitul de aer necesar într-o instalație de ventilație generală se calculează cu relația:

[m3/s] (1.1)

unde Q – debitul de ventilație generală;

q – debitul de poluant presupus constant în timp [kg/s] ;

C – concentrația admisă a poluantului în incintă [kg/m3]

C0 – concentrația în poluanți din aerului nou (de regulă C0 =0) [kg/m3]

K – factor de siguranță ce ține seama de uniformitatea repartiției debitului de aer, de poziția operatorilor față de surse, de gradul de toxicitate a poluanților, etc. Se consideră k = 3…10.

Rata de schimb orar – nominal de aer se determină cu relația :

(1.2)

unde: V – volumul incinte [m3],

dar ea nu intervine în calculul ventilației generale.

Folosirea acestei rate de schimb poate fi chiar periculoasă deoarece ea conduce, pentru o aceeași sursă de poluare, la debite de ventilație diferite funcție de volumul localului și deci la concentrații diferite ale poluanților.

Ținând cont de mulțimea evenimentelor, ventilația generală este folositadora în următoarele cazuri:

în completarea ventilației locale;

când poluanții sunt puțin toxici, cu un debit redus și constant în timp, lucrătorii fiind suficient de departe de sursele de poluanți

când folosirea ventilației locale este imposibilă din punct de vedere tehnic.

Aerul nou de compensare:

O încăpere are un volum constant, deci este obligatorie echilibrarea debitului de aer introdus cu debitul de aer extras. Această compensare poate avea loc astfel :

‰ necontrolat – prin neetanșeitățile clădirii (interstiții etc.);

‰ organizat – fie natural (ventilație simplă), fie mecanic (ventilator).

Introducerea aerului de compensare trebuie studiată astfel încât :

să se asigure eficacitatea sistemelor de ventilare. Lipsa aerului de compensare produce în incintă o depresiune și creează astfel o rezistență suplimentară pentru ventilatoare. Rezultă deci o diminuare a debitelor, care conduce în final la o pierdere parțială a eficacității (fig. 1.14).

Fig. 1.14. Scăderea eficacității unui sistem de ventilație prin necompensarea aerului extras

a – fără flux de aer de compensare – ventilatorul merge, realizează depresiunea în incintă, dar nu extrage poluanții;

b – cu flux de aer de compensare – ventilatorul realizează extragerea poluanților [4]

eliminarea uneia din cauzele curenților de aer de viteză mare proveniți din deschideri (uși , ferestre), cauză ce ar conduce la:

discomfort termic pentru personal

diminuarea eficacității dispozitivului de captare, dispersarea poluanților făcându-se în întreg volumul incintei.

să se evite ca aerul provenind din zone poluate alăturate să fie antrenat în zonele curate.

diminuarea eforturilor de deschidere a ușilor pentru ventilare;

asigurarea funcționării corecte a aparatelor de ardere existente în incintă

Modificarea celor doua debite de aer (introdus si extras), in orice sens ar avea loc, va modifica echilibrul conducand invariabil la modificarea punctului de funcționare al fiecărui ventilator, lucrându-se fie cu incinta sub depresiune (de preferat în cazul incintelor poluate), fie cu o ușoară suprapresiune.

Introducerea aerului de compensare se poate face și mecanic, având grijă ca sistemul mecanic să introducă pe cât posibil cât mai puțin zgomot în incintă. Când este necesar (iarna), aerul de compensare va fi încălzit și el va fi astfel dirijat încât să traverseze mai întâi zona lucrătorilor și apoi zona poluată.

Pentru evitarea curenților de aer este necesar un calcul corect al debitului de compensare, care să fie corect distribuit în incintă, protejând în același timp sistemele de captare a poluanților prin pereți speciali, ecrane etc. (fig. 1.15).

Ca o concluzie, se preferă introducerea mecanică cu dirijare corectă a aerului de compensare și încălzirea acestuia atunci când este cazul, cu grija permanentă ca viteza aerului în zona lucrătorilor să fie în limitele normale prevăzut

Capitolul II: Calculul de dimensionare a hotelor și a aspirațiilor marginale. Metode de calcul

Calculul hotelor:

Dimensiunile geometrice ale hotei sunt indicate în fig. 2.1, care au în vedere și dimensiunile sursei de nocivități.

Fig.2.1. Dimensiunile unei hote clasice [5]

Pentru calculul debitului de aer evacuat prin acest dispozitiv se utilizează relația:

Lev = A vm (2.1)

unde A – reprezintă secțiunea de aspirație a hotei, în m2;

vm – viteza medie în secțiunea respectivă, în m/s.

Viteza medie în planul hotei vm se poate determina prin:

2.1.Calculul hotelor cu metoda vitezei medii:

Se determină vm în funcție de viteza în centrul hotei v0 sub forma:

vm = v0 / Ɛ (2.2)

reprezentată grafic în fig. 2.2.a , în funcție de unghiul de deschidere al hotei α

Fig.2.2 a Viteza medie în planul hotei funcție de unghiul α

b Viteza adimensională în axul hotei vy / v0 [5]

Viteza în centrul hotei v0 se determină din expresia:

(2.3)

în care viteza adimensională vy / v0 se determină din graficul reprezentat în fig. 2.2b.

Mărimile din relația (2.3) reprezintă (fig. 2.3):

Fig. 2.3. Mărimile caracteristice pentru calculul hotei [5]

x – reprezintă abscisa particulei din poziția cea mai defavorabilă;

x0 – semilățimea hotei;

H – înălțimea hotei;

Mărimile adimensionale utilizează diametrul echivalent:

; ; ; (2.4)

Diametrul echivalent fiind: de = 2ab / (a+b), în care a și b sunt laturile hotei.

Determinarea vitezei v0 necesită și stabilirea vitezei vxy = 0,15 … 0,35 m/s funcție de gradul de toxicitate al degajărilor.

Debitul de aer aspirat de hote (prin secțiunea de aspirație) se poate determina din condiția ca aerul să aibă o viteză necesară antrenării degajărilor nocive. Pentru o deschidere de aspirație așezată liber în aer, viteza de captare (antrenare) vx la distanța x pe direcția axului deschiderii se calculează cu relația lui Dalla Valle, în funcție de viteza în planul deschiderii de aspirație, cu relația:

în care:

– v – viteza aerului în planul deschiderii de aspirație, în m/s;

– vx – viteza aerului la distanța x pe direcția de la planul deschiderii de aspirație, în m/s;

– x – distanța axială de la deschiderea de aspirație, în m;

– A – aria suprafeței deschiderii de aspirație, în m2.

Debitul de aer aspirat de hota liberă va fi conform tabelului 2.1 sau calculat cu relația:

(2.6)

în care:

– vm – viteza medie în spațiul dintre planul sursei și suprafața de aspirație a hotei, se poate considera:

– vm = 0,2 … 0,3 m/s pentru aer liniștit;

– vm = 0,3 … 0,4 m/s când există un ușor curent de aer transversal;

– vm = 0,4 … 0,5 m/s când curentul de aer transversal este puternic.

Pentru hote laterale:

(m/s)

Pentru hote laterale cu flanșe marginale:

(m/s)

Pentru hote cu aspirație de sus în jos:

(m/s)

în care :

– vx = 0,10 … 0,15 m/s pentru aer liniștit;

– vx = 0,15 … 0,30 m/s când există un ușor curent de aer transversal;

– vx = 0,20 … 0,40 m/s când curentul de aer transversal este puternic.

Vitezele în canalele de aer pentru evacuarea aerului captat se recomandă între 7,5 … 9,0 m/s.

Tab. 2.1 Debitul de aer aspirat de hotă pentru 1m din lungimea perimetrului [5]

Vitezele recomandate în secțiunea de aspirație a hotelor sunt:

0,9 … 1,20 m/s dacă hota este deschisă pe 4 laturi;

0,8 … 1,1 m/s dacă hota este deschisă pe 3 laturi;

0,7 … 0,9 m/s dacă hota este deschisă pe 2 laturi;

0,5 … 0,8 m/s dacă hota este deschisă pe 1 latură;

2.2.Calculul hotelor cu metoda spectrelor de viteză:

Se bazează pe curbele de viteză egală pentru diferite deschideri de aspirație, stabilite experimental, față de un sistem de axe adimensional cu originea în centrul dispozitivului de aspirație (fig. 2.4).

a) b)

Fig. 2.4 Repartiția curbelor de viteză egală pentru deschideri de aspirație a – așezată liber; b – cu flanșă [5]

Dacă se cunoaște distanța s până la particula aflată în situația cea mai defavorabilă și viteza minimă necesară captării vxy, rezultă curba de viteză relativă ce trece prin această poziție. Pe baza curbelor de viteză egală s-au determinat și relații de calcul pentru determinarea vitezei în planul de aspirație:

pentru deschideri de aspirație libere cu flanșe, se poate utiliza relația Dalla Valle:

(2.10)

pentru deschideri de aspirație libere, se poate utiliza relația Bromlei:

(2.11)

în care: k = 7,7 (a / b)0,34;

a și b fiind dimensiunile deschiderii

A0 este aria deschiderii de aspirație.

2.3.Calculul aspirațiilor marginale (băi industriale):

Principii generale de calcul:

– de pe suprafața liberă a băilor industriale se degajă vapori și uneori particule de lichid de dimensiuni mici; dacă soluția este caldă, aerul de la suprafață se încălzește și se umidifică micșorându-și densitatea, rezultă forțe ascensionale care antrenează vaporii și particulele fine

– dispozitivele de aspirație uni și bilaterale au rolul de captare de pe suprafață și de a nu permite împrăștierea nocivităților în încăpere

– o particulă ( fig. 2.5) care se degajă într-un punct A la distanța cea mai mare de dispozitivul de aspirație, având o viteză ascensională (de degajare) vu, este supusă curenților de aer din încăpere vi și efectului de aspirație prin fantă de viteză v

– traiectoria particulei trebuie să intersecteze planul fantei de aspirație

– viteza v trebuie să fie suficient de mare pentru ca ∆h să nu fie prea mare și să nu fie antrenați curenții de aer din încăpere

Fig. 2.5. Traiectoria particulei dezavantajate [5]

Factorii principali luați în considerare la proiectarea aspirației laterale la băi industriale, sunt: natura și temperatura soluției din băi; temperatura și viteza aerului din încăpere; dimensiunea și caracteristicile constructive ale băii; gradul de periculozitate al substanțelor degajate; gradul de uniformizare al vitezei în fantă. Nu toți acești factori se pot prinde în calcul, pentru o parte din ei se introduc coeficienți de corecție.

Debitul de aer evacuat local pentru o aspirație unilaterală se determină cu relația:

(m3/s) (2.12)

în care:

c1 – coeficient de corecție în funcție de poziția băii în incintă;

c1=1,0 pentru băi amplasate cu una din laturile mari lângă perete;

c1= 1,18 pentru amplasare liberă în incintă;

c2 – coeficient de corecție în funcție de viteza de mișcare a aerului interior (fig. 3.16);

La – debitul de aer aspirat, în m3/s.

Fig.2.6 Determinarea coeficientului c2

a- aspirație unilaterală; b- aspirație bilaterală [5]

Pentru viteza de mișcare a aerului interior se va considera:

– vi = 0,20 m/s pentru mișcare slabă;

– vi = 0,50 m/s pentru deplasarea mecanică a pieselor în hală;

– vi = 0,80 m/s pentru mișcare ascendentă a aerului în apropierea băilor.

Se admite că debitul degajat de pe suprafața băii Ld are o mișcare plan paralelă, fiind neglijate efectele marginale și mișcarea către fantele de aspirație nu este influențată de secțiunea transversală a băii. Raportul dintre debitul de aer aspirat și cel degajat (La/Ld) se poate determina în funcție de înălțimea relativă a fantei față de nivelul lichidului din baie (H/B) și înălțimea relativă a spectrului de aspirație ∆ (fig. 2.7).

Fig.2.7. Raportul dintre debitul aspirat La și degajat Ld

aspirație unilaterală; b- aspirație bilaterală [5]

Curbele din câmpul diagramelor corespund înălțimii totale a spectrelor, măsurate la partea inferioară a fantelor:

(2.13)

În care:

∆1 =H / B – înălțimea relativă a spectrului de aspirație de deasupra băii;

=e/ B – înălțimea relativă a fantei;

La = (La/Ld)Ld – debitul teoretic ce trebuie aspirat.

Pentru înălțimea relativă ∆ se recomandă valorile:

∆ =0,5 – pentru băi foarte toxice (cianuri, crom);

∆ =(0,15…0,50)- pentru băi cu miros pătrunzător;

∆ =(0,20…0,50) – pentru băi cu decapare.

Debitul ascendent de aer și vapori degajați de pe suprafața băii Ld se determină cu relația:

(m3/s) (2.14)

În care l și B sunt lungimea, respectiv lățimea băii, iar u este viteza convențională de degajare, cu valorile:

– recomandate: u = 0,30 m/s (arămire); u = 0,45 m/s ( zincare);

u = 0,50 m/s ( cromare);

– calculate: u = 0,155 Qd2/3 (m/s) (2.15)

în care Qd este fluxul convectiv de căldură degajat de pe 1m lungime de baie:

(kW) (2.16)

unde este coeficientul de transfer termic convectiv:

(W/m (2.17)

tb și ti fiind temperaturile soluției din baie, respectiv cea a aerului interior.

Pentru calculele practice se recomandă:

viteza medie a jetului în fața deschiderii de aspirație de 0,5 – 1,0 m/s iar debitul de aer conform tabelului 2.2;

înălțimea fantei de refulare de minim 5 – 7 mm și vr = 10 – 12 m/s; la viteze mai mari se pot forma valuri pe suprafața lichidului; vm asp./ vm finală jet ≥2 … 3; pentru rapoarte mai mici rezultă o frânare a jetului și o descompunere sub influența curenților din încăpere;

la băi cu lățime mare, se folosesc jeturi realizate cu ajutaje de secțiune circulară pentru a asigura o turbulență cât mai mică și o bătaie mai mare.

Tabelul 2.2 Debitul de aer aspirat la băi industriale (va= 5 – 10 m/s) [5]

– debit aspirat La = 1800 – 2700 m3/hm2

– debit refulat Lref. = (0,25 – 0,5) La

Capitolul III: Sisteme de exhaustare a gazelor nocive rezultate în procese de prelucrări la cald.

Sisteme de exhaustare a gazelor nocive rezultate din procesele de sudare

Când se alege un echipament de exhaustare se au în vedere următoarele:

Volumul și configurația spațiului de operare

Numărul și tipul operațiilor generatoare de noxe

Concentrația noxelor (agenților toxici sau inflamabili)

Viteza de curgere a aerului în zona de interes

Poziționarea zonei de respirație a sudorului relativ la zona de formare și existență a noxelor.

Principalele clase de echipamente de exhaustare existente în ofertele de pe piața producătorilor de structuri sudate sunt:

Exhaustoare mobile (figura 3.1 a) și exhaustoare portabile (figura 3.1 b)

Fig. 2.1 Exhaustor mobil (a.) și exhaustor portabil (b.) [6]

• Exhaustoare liber suspendate (figura 3.2)

Fig. 3.2 Exhaustoare liber suspendate [6]

• Exhaustoare montate deasupra sau sub masa de sudare-tăiere (figura 3.3)

• Exhaustoare încorporate în capetele active ale echipamentelor de sudare-tăiere sau atașate acestora (figura 3.4)

• Exhaustoare deschise cu evacuare generală din laboratorul de sudare-tăiere (figura 3.5).

Fig. 3.5 Sistem centralizat de absorbție și evacuare multipost [6]

Pentru primele două clase de exhaustoare, exhaustoarele mobile, portabile și liber suspendate, volumul și viteza de evacuare a aerului contaminat, deci capacitatea de exhaustare, determină dimensiunile componentelor exhaustorului (aeroduct, ventilator, filtre).

Din punct de vedere al capacității de exhaustare, aceste echipamente pot fi împărțite în:

Echipamente de exhaustare cu viteză redusă de absorbție sau așa-numitele exhaustoare „low-vacuum” – având un aeroduct cu diametrele tipice până în jurul valorii de 200 mm

Echipamente de exhaustare cu viteză mare de absorbție sau așa-numitele exhaustoare „high-vacuum” – având mai multe aeroducte cu diametrele tipice în jurul valorii de 40 mm, conectate la un sistem centralizat de exhaustare. Un singur astfel de sistem de exhaustare poate deservi mai multe posturi de lucru, pentru diferite tipuri de aplicații tehnologice creatoare de noxe.

Sunt cel mai des întâlnite sisteme de exhaustare, datorită performanțelor ridicate și autonomiei, combinate cu prețuri accesibile majorității producătorilor de structuri sudate.

Exhaustoarele montate deasupra sau sub masa de sudare-tăiere sunt variante fixe ale sistemelor prezentate anterior. Ele nu pot fi utilizate decât la postul de sudare unde sunt montate, deci autonomia de utilizare a lor este practic zero. Costul unui astfel de produs este mai mic decât al sistemelor mobile sau suspendate, iar dacă nu se dorește o autonomie deosebită pentru sistemul de exhaustare ce trebuie utilizat, atunci este soluția cea mai recomandată.

Sistemele de exhaustare având capetele active atașate sau încorporate în capul de sudare-tăiere conferă acestuia din urmă un volum relativ mare, fapt care restricționează numărul aplicațiilor acestui sistem, datorită lipsei de acces la zona de sudare-tăiere. Un al doilea dezavantaj al utilizării acestor tipuri de exhaustoare constă în faptul că alimentarea dispozitivului de absorbție (ventilatorul) are loc numai în același timp cu existența arcului de sudare. Acest fapt implică o accentuată lipsă de evacuare a noxelor emise imediat după stingerea arcului.

Prețul mediu al unui astfel de cap de sudare este de aproximativ 3 ori mai mare decât al unui cap de sudare normal.

Sistemele de exhaustare cu evacuare generală sunt sisteme gigant care asigură exhaustarea noxelor la nivelul unei hale în care funcționează multe posturi de sudare. Un astfel de exhaustor este compus dintr-un sistem de ventilare de capacitate mult mai mare decât al unui exhaustor monopost și un număr mai mic sau mai mare de guri de absorbție flexibile, activând la posturile de sudare care trebuie asistate.

3.1.1. Configurația generală a unui sistem de exhaustare

Principial, funcționarea sistemelor de exhaustare este, dacă nu identică, atunci cel puțin foarte asemănătoare, oricare ar fi clasa de exhaustoare pusă în discuție. Din acest motiv și configurația constructivă, de bază, a acestor sisteme este practic identică. Principalele componente ale acestei configurații comune exhaustoarelor, sunt:

Moto-ventilatorul cu carcasă melc (ciclon) pentru crearea depresiunii la gura de absorbție

Dispozitivul sau dispozitivele de filtrare a fumului absorbit

Dispozitivul de absorbție conectat printr-un aeroduct la moto-ventilator

Dispozitivul de evacuare a gazelor rezultate în urma filtrării fumului.

Fig. 3.6 Configurația comună a unui sistem de exhaustare [6]

După cum s-a precizat anterior, capacitatea de exhaustare este dată de dimensiunile exhaustorului. Făcând o clasificare după volumul de fum absorbit în unitatea de timp, se constată existența a două tipuri de sisteme de exhaustare: cu debit ridicat și cu debit redus.

Sistemele de exhaustare cu debit ridicat utilizează aeroducte cu diametre mari. Valorile uzuale ale acestor diametre se găsesc în intervalul 120-200 mm.

Aeroductele trebuie să fie flexibile pentru a putea fi orientate cu precizie către zona optimă de extracție.

În cazul proceselor de sudare cu arc electric, o parte a aeroductului se găsește în zonele în care evoluează stropii expulzați de la capătul electrodului sau din baie. Acest fapt introduce un oarecare risc de aprindere a aeroductului. Din acest motiv se recomandă confecționarea acestor componente din materiale, pe cât posibil, ignifuge.

Aeroductul se termină cu un dispozitiv de absorbție constituit dintr-o duză de captură, un filtru, un senzor de arc, în cazul în care se dorește ca sistemul de exhaustare să funcționeze numai în timpul derulării procesului de sudare și un dispozitiv de manipulare (figura 3.7).

Fig. 3.7 Dispozitiv de absorbție [6]

Duza de captare poate avea diverse forme în secțiune (elipsă, dreptunghi,…), aria secțiunii acesteia fiind însă mai mare decât aria secțiunii aeroductului. Această regulă este adoptată pentru eficientizarea capturii. În general, zona de capturare a unei duze mobile / portabile are o formă aproximativ semisferică, jetul capturat evoluând aproximativ orizontal (figura 3.8).

Fig. 3.8 Direcția uzuală de exhaustare [6]

Pentru o eficiență ridicată a capturii, duza de capturare trebuie așezată în lungul sudurii deasupra axei acesteia, pentru a se beneficia și de transferul termic prin convecție, care participă la antrenarea fumului.

Sistemele de exhaustare de volum mic, sunt sisteme de viteză, utilizând aeroducte cu diametre mult mai mici decât tipurile prezentate anterior: 30-40 mm. O diferență importantă între acest tip de sistem de exhaustare și tipul prezentat anterior constă în necesitatea asigurării unei distanțe de capturare mult mai mici la acest sistem comparativ cu tipul prezentat anterior. Această poziționare se realizează facil datorită faptul că fiind mai subțire, aeroductul este și mai flexibil. Trebuie însă verificat dacă poziționarea pentru o capturare eficientă nu afectează protecția de gaz în timpul sudării.

Aceste sisteme pot fi utilizate cu ușurință și montat sau atașate capului de sudare, la sudarea în mediu de gaze protectoare cu sârmă tubulară.

Pentru a curăța aerul poluat ce se dorește recirculat, se utilizează filtre de extragere a agenților din aerul absorbit. Această configurație asigură neîncărcarea palelor ventilatorului, a rulmenților și a altor componente aflate în mișcare cu praf, pelicule fine de uleiuri sau diverse lichide. Confecționate din metal, țesătură, spumă sau combinații ale acestora, filtrele sunt dimensionate pentru diferite domenii de diametre ale particulelor ce trebuie, eficient, reținute. Particulele având dimensiuni cuprinse între 0.01-10.0 micrometri sunt cel mai ușor de inhalat de către personalul aflat în zona de emitere; particulele având dimensiuni cuprinse între 0.5-5.0 micrometri creează efecte grave în cazul unei expuneri și rețineri îndelungate a respectivelor particule. Eficiența acestor filtre se apreciază prin raportul dintre numărul particulelor reținute și numărul total al particulelor absorbite de sistemul de exhaustare. Orice acțiune de optimizare a unui sistem de exhaustare trebuie să conțină și o componentă de optimizare a sistemului de filtrare.

Cunoscând aceste informații se poate concepe o temă de proiectare a unui sistem de exhaustare, urmărindu-se orice configurație dorită. Pornind de la avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de sisteme de exhaustare prezentate, se consideră oportună conceperea unei configurații constructive combinate, care să îmbine cât mai multe dintre avantaje și să reducă numărul dezavantajelor. Se propune astfel proiectarea și construirea unui sistem de exhaustare portabil, dar și cu posibilitatea montării pe un banc de lucru sau pe o masă de sudură. În ceea ce privește capacitatea de exhaustare se agreează ideea adoptării soluției tehnologice cu volum redus și viteză mărită. Filtrarea se va realiza pe 3 niveluri distincte pentru a se asigura un material cât mai curat la ieșirea din exhaustor.

Bibliografie

[1] Cătană D. – Evaluarea riscului în securitatea și sănătatea ocupațională. Editura Lux Libris, Brașov, 2013.

[2] Voicu V. – Combaterea noxelor în industrie. Editura Tehnică, București, 2002.

[3] Christea Al. – Ventilarea și condiționarea aerului. Reglarea și încărcarea instalațiilor de ventilare. Vol. II, Editura Tehnică, București, 1970.

[4] Rotariu M. – Instalații de ventilație și climatizare. Editura Tehnică, Iași, 2003.

[5] Bancea O. – Sisteme de ventilare industrială. Editura Politehnică, Timișoara, 2009.

[6] *** – Brațe de extracție, extensii brațe, motoventilatoare, flip-chart Ductil SA., Buzău, 2004

[7] *** – Lucrare de absolvire. Îndrumător: dr.ing. Dănuț Savu. Proiectarea si Realizarea unui Sistem Individual de Exhaustare a Fumului in Procesele de Sudare – Lipire – Taiere. , Drobeta Turnu-Severin, 2004.