Воздуха и, тем сггмым, весьма существенно сократить расходы как тепловой, так и электрической энергии в системах промышленной вентиляции

воздуха и, тем сггмым, весьма существенно сократить расходы как тепловой, так и электрической энергии в системах промышленной вентиляции.
В связи с этим необходимо продолжать совершенствовать аэродина-мические схемы и конструкции местных вытяжных, устройств и методы их
расчета.
По степени изоляции источника выделения вредностей от окружающего пространства все местные вытяжные устройства представляется возможным разделить на два основных вида: устройства открытого и закрытого типов.
1.5.1, Методы расчета местных вытяжных устройств открытого типа
а) Методы расчета по заданной скорости в спектре всасывания
Исторически сложилось так, что в начале был проведен ряд эксперимен-тальных исследований скоростей в потоках воздуха у всасывающих отверстий.
До настоящего времени сохранили практическое значение исследования, про-веденные М.Ф. Бромлеем [25] и A.C. Прузнер [154].
Бромлей М.Ф. установил ряд важных закономерностей изменения ско-ростей у всасывающих насадков, /доказав, в частности, подобие спектров ско-ростей у всасывающих отверстий, построенных в относительных координ'атах.
А. С.Прузнер продолжила исследование М.Ф. Бромлея, дополнив их изу-чением спектров с направляюптей плоскостью у всасывающего отверстия пря-моугольной формы и насадков в форме улитки. Опытами была доказана авто-модельность спектров по отношению к скорости всасывания . при изменении критерия Re в диапазоне и подтверждено подобие спектров, по-строенных в относительных координатах. Установление подобия позволяет использовать проведенные экспериментальные исследования достаточно ши-роко, вследствие чего они сохраняют свое значение до настояш,его времени.
Действительно, данные работ [25, 154] приводятся в современных публикаци-ях [37,150 и др. ];
Из более поздних опытных данных для других типов насадок, ветре-чающихся в вентилящюнной технике, отметим работы [8,' 9, 10], в которых приведены спектры всасывания у наклонных панелей без козырька и снабжен-ных козырьком, у обычной круглой воронки и воронки с косым срезом, а так-же изучены скорости при всасывании у кольцевой щели. Имея спектры всасы-вания, построенные в относительных координатах для типичных отверстий, можно во многих практических случаях определить скорости всасывания в любой точке потока.
Однако, вычерчивание спектров является весьма трудоемкой работой, кроме того, экспериментальные исследования не исчерпывают все встречаю-щиеся на практике варианты. Поэтому неудивительно, что сразу же с началом изучения закономерностей формирования скоростей всасывания опытным путем появилась необходимость получения аналитических зависимостей.
Эмпирические формулы, аппроксимирующие данные экспериментов, были подобраны М.Ф. Бромлеем [25] и обобщены A.C. Прузнер [154]. В по-следнем варианте они встречаются и в настоящее время, например, в [150].
Отметим, что все эмпирические формулы получены только для осевых скоро-стей спектров.
Выражения, пригодные для нахождения осевых скоростей вблизи сво-бодно расположенных круглых и прямоугольных патрубков на расстоянии от
плоскости всасывания приведены в работе [234].
Естественно, что эмпирические формулы справедливы только для тех диапазонов значений, в которых проведены опыты. Поэтому появилась необ-ходимость в получении теоретических зависимостей, выведенных на основе физического смысла происходящих процессов и описывающих явления подте-кания воздуха к всасывающим отверстиям для широкого класса встречающих-ся на практике случаев.
Теория точечного и линейного стоков предполагает, что удаление возду-ха производится из точки пространства и что скоростные поля, индуцируемые стоком, потенциальны (безвихревые). Тогда, в силу симметрии, поверхности равных скоростей вокруг точечного стока представляют собой сферы с радиу-сом в точке всасывания, а в случае линейного стока - цилиндры. Учитывая по-тенциальность поля и уравнение неразрывности, можно утверждать, что рас-ход воздуха, проходящего через каждую сферическую или цилиндрическую поверхности, равен количеству удаляемого воздуха .
Таким образом, ско-рость У в каждой точке пространства определяется как частное от деления рас-хода воздуха Ьо на площадь сферы с радиусом К, равным расстоянию от точки всасывания до рассматриваемой точки:


где x, у, z - координаты точки, если принять, что сток расположен в на-
чале координат.
Аналогичны рассуждения для линейного стока в расчете на единицу
длины:

Применительно к вентиляционной технике всасывающие отверстия как элементарные стоки рассматривал П.А. Коузов [107]. Живучесть и широкое ис-пользование теории точечных и линейных стоков объясняется, конечно, не только ее простотой, но и хорошим совпадением опытных и расчетных данных.
Еще A . C . Прузнер показала, что на расстоянии от всасывающего отвер-стия более, чем половина калибра , можно с достаточной точностью лю-бое всасывающее отверстие заменить точечным или линейным стоком. Форма и размеры отверстия влияют на скорости всасывания только в непосредственной близости от него. Именно для возможности расчета скоростей вблизи плоскости всасывания были направлены усилия при получении эмпирических формул.
Теория точечного стока, представляя собой простую изящную модель всасывающего отверстия, наглядно демонстрирует специфические особенно-сти всасывающих факелов по сравнению с приточными.
Из формул (1.4, 1.5) следует, что для точечного стока скорости убывают обратно пропорционально квадрату расстояния от стока, а в случае линейного стока - обратно пропорционально расстоянию в первой степени.
Ввиду малой зоны действия всасывающего факела, местные отсосы не-обходимо располагать как можно ближе к источнику выделения вредностей, на расстоянии меньшем, чем половина калибра. В этом случае, теории точеч-ного и линейного стоков оказывается недостаточно для определения скоростей всасывания. Поэтому значительные усилия прилагались для создания методов расчета полей скоростей в непосредственной близости от всасывающих отвер-стий конечных размеров. Надо заметить, что все теоретические методы расче-та, применительно к полям скоростей у всасывающих отверстий, строятся ис-ходя из предпосылки о потенциальности этих полей. Но как раз вблизи всасы-вающих отверстий эта текучесть может нарушаться вследствие срывов потока с острых кромок и поэтому все разработанные методы расчета требуют экспе-риментальной проверки.
Наибольший успех с точки зрения построений аналитических формул, позволяющих практически исчерпать задачу, был достигнут И.А. Шепелевым и его учениками для случаев круглого и прямоугольного отверстий располо-женных в стенке.
И.А. Шепелев [243] основывает свой метод на двух предпосылках. Во-первых, он принимает, что элементарный поток воздуха, направленный к вса-сывающему отверстию исчезающе малых размеров (точечный или линейный сток), подчиняется законам движения идеальной жидкости. Во-вторых, реальный поток воздуха, направленный к всасывающему отверстию конечных размеров, может быть представлен как результат сложения элементарных по-токов. Другими словами, разделив реальное отверстие (округлое или прямо-угольное) на элементарные площадки, считая, что на каждой площадке рас-положен точечный сток (вернее, полусток, т.к. отверстие расположено в стенке) и производя суммирование индуцированных точечными стоками ско-ростей путем интегрирования по площади всего отверстия, И.А. Шепелев по-лучил формулы для определения скоростей всасывания вблизи отверстий ко-нечных размеров. В работе [240] И.А. Шепелев, детально рассмотрев линей-ный и точечный стоки, решил задачу об определении относительных скоро-стей в любой точке пространства. В дальнейшем этим же методом И.А. Ше-пелевым совместно с Н.Г. Тягло [221] были получены формулы для расчета скорости всасывания в любой точке потока, стекающего к прямоугольному отверстию. Составляющие скорости удалось выразить через элементарные функции; правда, в общем виде формулы получились достаточно громоздкими.
В.И. Куница [108] получил выражение для вычисления скорости в любой точке потока от круглого и кольцевого всасывающих отверстий. Однако, в эле-ментарных функциях решение не удалось получить. Компоненты скорости пред-ставлены в виде интегралов, решаемых численными методами.
Метод суммирования элементарных стоков был использован также В.И. Посохиным [149, 150], который суммировал элементарные потенциалы для точечных стоков, и получил соотношения, совпадающие с формулами И.А. Шепелева. Г.В. Смирнов [196, 197], суммируя точечные стоки, получил выражение для осевой скорости кольцевого бортового отсоса. В.Н. Талиев [208], а также Ю.А. Коростелев [101], и Г.Д. Лифшиц [ПО] использовали ме-тод суммирования элементарных точечных стоков для получения выражений осевых скоростей вблизи прямоугольных и круглых всасывающих отверстий с учетом неравномерности скоростного поля во всасывающем отверстии (в ра-ботах И.А. Шепелева коэффициент неравномерности скоростного поля при-нимался равным единице).
Метод суммирования элементарных стоков был применен к расчету всасывающих отверстий, расположенных в стенке. Принципиальным поло-жением при выводе является тот факт, что любая точка из полупространства видна из любой точки всасывающего отверстия (точки могут быть соединены прямой линией). Это обстоятельство дает возможность интегрировать по площади патрубка для любой точки из полупространства. Кроме того, в слу-чае полупространства можно представить всасывающее отверстие как сумму элементарных полустоков. На первый взгляд для свободно расположенных патрубков таких возможностей нет. Однако, Г.Д. Лифшицем проведены ра-боты, в которых применяется метод суммирования элементарных стоков для свободно расположенных патрубков - патрубков с острой кромкой [110]. Те-чение во всасывающем отверстии с острой кромкой представляется как ре-зультирующее двух течений: а) создаваемого точечными стоками в отверстии и б) точечными источниками или стоком, расположенными по поверхности стенок патрубка и имеющими переменную по длине интенсивность. Причем, интенсивность подбирается из условия, что сумма проекций суммарной ско-рости на нормаль к стенке равна нулю, т.е. нет перетекания через стенку. Та-ким образом, моделируя потенциальное течение системой источников и сто-ков, расположенных на границах рассматриваемой области, удалось матема-тически записать задачу об определении скоростей всасывания для свободно расположенного патрубка. Для частного случая, когда плотность потенциала на поверхности равна нулю, формулы т.д. Лифшица преобразуются в полученные И.А. Шепелевым для всасывающих отверстий в стенке.
Из других методов получения аналитических формул для расчета всасы-вающих отверстий, в первую очередь, следует отметить метод конформных отображений, -примененный в работах В.Н. Талиева и Е.И. Шулекиной [208, 247]. Метод конформных отображений применим, как и все упомянутые тео-ретические методы, к потенциальным течениям и позволяет решать только плоские задачи. Однако, с помощью конформных отображений можно изучать задачи, решение которых затруднительно получить путем суммирования эле-ментарных стоков. Например, В.Н. Талиев [208] рассмотрел некоторые случаи расчета бортовых отсосов. Е.И. Шулекина использовала методику применения конформных отображений, и рассчитала всасывающие спектры у щели между двумя стенками, расположенными под углом 90°; у щели вблизи плоскости, у насадки Борда, а также рассмотрела спектр в стесненных условиях (в коробе).
Выражения получены только для осевых скоростей. Математически метод конформных отображений сложнее, чем метод суммирования элементарных стоков, но позволяет расширить круг решаемых задач.
Применение методов математической физики к анализу всасывающих спектров осуществлялось И.И. Конышевым [100]. В работе рассмотрена, в ча-стности, задача по определению скорости потока в любой точке перед прямо-угольным или щелевидным всасывающим отверстием, расположенным на бо-ковой поверхности трубы.
Все результаты, о которых говорилось выше, получены при условии, что сток воздуха к вытяжному отверстию осуществляется из пространства или по-лупространства. Весьма часто, особенно в случае встроенных местных отсо-сов, встречаются варианты, когда ограничивающие поверхности расположены вблизи всасывающих отверстий и их влияние на параметры течения необхо-димо учитывать.
Однако, исследований посвященных влиянию ограничивающих поверх-ностей на скорости всасывания проведено сравнительно мало. Отмечается только, как правило, что наличие ограничивающих поверхностей, служащих продолжением одной из сторон патрубка, позволяет увеличить скорость вса-сывания [110,122, 124;.
Можно отметить работы В.Н. Посохина [147], Д.Г. Гилязова [42], в кото-рых применен метод изображений, позволяющий решить некоторые частные, но важные задачи. Суть метода заключается в том, что реальное течение опре-деляется как результат наложения потоков, создаваемых рассматриваемым от-верстием и его изображением относительно ограничивающей плоскости.
В работе [42]' предлагается аналитически складывать составляющие ско-ростей для прямоугольных отверстий в стенке, используя формулы М.А. Ше-пелева - И. Г. Тягло. Однако, в общем виде эти формулы громоздки и для практического применения такой метод сложен. Наибольшая ценность указан-ных работ заключается в экспериментальном подтверждении справедливости метода изображений. Необходимость такой проверки была связана с тем, что вблизи границ нарушается потенциальность потока, а метод изображений справедлив лишь для потенциальных полей.
Используя метод изображений, Г.М. Позин [141] получил достаточно простые формулы для учета влияния ограничивающей плоскости примени-тельно к точкам в спектре всасывания, удаленным от отверстия на расстояние более половины калибра отверстия.
Влияние плоскости учитывается коэффициентом , равным отношению скорости в рассматриваемой точке У„л, при наличии плоскости, к скорости в той же точке для случая, когда плоскость отсутствует (У), т.е.
При расположении ограничивающей плоскости перпендикулярно оси,
проходящей через центр патрубка, изменение осевой скорости из-за ограничи-вающей плоскости учитывается формулами: - в случае цилиндрического патрубка (точечный источник):

- для щели (линейный источник):

h - расстояние от центра всасывающего отверстия до плоскости, м.
Если плоскость расположена параллельно оси патрубка, то осевая ско-рость изменяется следующим образом:
- для патрубка

- для щели

Распределение скоростей на ограничивающей плоскости можно рассчи-тать, используя соотношения:

где у - расстояние между проекцией центра всасывающего отверстия на плоскость и рассматриваемой точкой. Из формул нетрудно убедиться в том, что плоскость, поставленная перпендикулярно оси патрубка, всегда уменьшает осевые скорости всасывания( ) а поставленная параллельно оси - увели-чивает их( ).

б) Методы расчета отсосов с учетом потока выделяющихся вредностей Такими методами предлагается рассчитывать местные отсосы у источ-ников, поток вредных выделений от которых распространяется конвектив-ной струёй, а в некоторых случаях динамической струёй - активированные
отсосы.
Метод наложения потоков. Прием наложения потоков заключается в суммировании скоростей, индуцируемых в рассматриваемой точке по от-дельности конвективной струёй и всасывающим отверстием. Строго говоря, метод наложения справедлив лишь для потенциальных полей, описываемых линейными дифференциальными уравнениями математической физики (уравнением Лапласа, например) при линейных граничных условиях. Если поле скоростей, создаваемое отсосом, в общем-то подчиняется уравнению Лапласа (особенно в некотором отдалении от всасывающего отверстия), то конвективная струя имеет ярко выраженный турбулентный характер и не может быть представлена как потенциальное течение. Поэтому метод сумми-рования скоростей от конвективной струи и стока не может быть обоснован теоретически и его справедливость в случае прих\1енения должны быть под-тверждена экспериментальной проверкой.
Между тем этот метод получил значительное распространение, что объ-ясняется видимо, его простотой и наглядностью. Достаточно назвать работы!'
М.М. Баранова [6], С Е . Бутакова [30], В.Н. Тапиева [208], О.Н. Тимофеевой [214', 217], И.А. Шепелева [243], Т.А. Фиалковской [234] и ряда других иссле-дователей, использовавших метод наложения для создания физической модели процесса взаимодействия местного отсоса с конвективной и обычной турбулентной струёй.
Метод суммирования импульсов. В последнее время метод сумми-рования скоростей применяется все реже, так как рядом исследователей пока-зано, что гораздо лучшую сходимость с экспериментальными данными, при решении задач взаимодействия струй и отсоса, дает определение результи-рующей скорости как следствия взаимодействия квадратов скоростей сумми-руемых потоков, т.е.

где м и V - скорости, индуцируемые в рассматриваемой точке, соответст-венно, отсосом и струёй;. со- результирующая скорость в точке.

Экспериментально показано, что сложение квадратов осевых скоростей при расчете взаимодействия спектра всасывания с приточной струёй точнее, чем сложение осевых скоростей взаимодействующих потоков [149]. Д.Г. Гиля-зов [42] подтвердил это положение для системы конвективная струя - соосно расположенный отсос, а также для бокового отсоса. Неплохие результаты дает также определение суммарной скорости путем сложения энергий кубов скоро-стей конвективной струи и местного отсоса. Максимальное расхождение меж-ду результатами сложения скоростей различными методами может достигать значительной величины: разность между суммированием квадратов и простым
суммированием скорости может достигать порядка 30% от суммы составляю-
щих.
Таким образом, зная составляющие потока, можно, используя выраже-ние (1.11), приближенно рассчитать результирующую скорость. Скорости, ин-дуцируемые стоком, рассчитываются по формулам приведенным выкге.
Скорости в конвективной струе, определяются в настоящее время по из-вестным соотношениям полученным В.М. Эльтерманом [250], И.А. Шепеле-вым [242], М.И. Гримитлиным [58], Ю.И. Кацем [93, 94] и другими исследова-
телями.
Метод расчета по характерному расходу потока вредностей.
Метод расчета местного отсоса по характерному расходу потока вредно-стей впервые в отечественной практике был разработан Т.А. Фиалковской 234] с использованием теории конвективных потоков.
И.А. Шепелевым также предложено [242] расчет производительности местного отсоса выполнять с учетом расхода воздуха в конвективной струе. В дальнейшем В.Н. Посохни [149] усовершенствовал метод расчета открытых местных отсосов по характерному расходу потока вредностей, введя понятие оптимальной расчетной эффективности отсоса, т.е. такого режима его дейст-вия, когда допускается частичное неулавливание вредных выделений, которые разбавляются общеобменной вентиляцией.
Метод расчета зонтов-козырьков разработан В.Т. Серкиным [183] с ис-пользованием интегрального метода Эйлера.
Метод расчета зонтов-козырьков, разработанный В.Н. Посохиным, при-водится в Справочнике [188\ Обоснование метода расчета боковых отсосов, и в том числе их разно-видности - угловых отсосов, дано Л.В. Кузьминой [105].
1.5.2. Методы расчета местных вытяжных устройств закрытого типа Местные отсосы закрытого типа: вытяжные шкафы, камеры, укрытия и т.п. практически полностью изолируют источник вредностей от окружаюпдего пространства. Подсос воздуха, препятствующий выбиванию вредностей из та-кого типа устройств, осуществляется либо через рабочие проемы (в вытяжных шкафах), либо через щели и другие неплотности (камеры, укрытия и т.п.).
Необходимый объем воздуха, препятствующий выбиванию вредностей из такого типа вытяжного устройства, определяется как произведение сум-марной площади открытых проемов (щелей) на характерную расчетную ско-рость. Величины скоростей зависят, в первую очередь, от токсичности вредно-
0
стей и вида технологической операции, производимой внутри вытяжного уст-
ройства.
Расчетные скорости для местных вытяжных устройств, как правило, оп-ределяются экспериментально и приводятся в Справочниках и Указаниях [46, 47, 48, 49,124,167, 168,188, 189].
Резюмируя изложенное, можно утверждать, что более эффективными и требующими меньших объемов удаляемого воздуха (при одинаковой интен-сивности выделения вредностей) являются местные вытяжные устройства за-крытого типа, наиболее полно изолируюшие источник выделения вредностей от окружающего пространства. Но, к сожалению, не все технологические процессы и операции представляется возможным снабдить устройствами та-кого типа, особенно в случае нестационарных источников выделения вредно-стей. Для применения в этих случаях необходимы подвижные подъемно-поворотные вытяжные устройства, позволяющие максимально приблизить всасывающее отверстие к источнику выделения вредностей. На разработку, исследование и организацию выпуска таких устройств были направлены на-ши усилия.
При выделении в процессе производства особенно токсичных вредных веществ (аккумуляторные заводы, производство вискозного волокна и т.п.),' местные вытяжные устройства, как показывает отечественный и зарубежный опыт, целесообразно сочетать с местной приточной вентиляцией, создающей на рабочих местах зоны (острова) повышенной, по сравцению с окружающим пространством, чистоты воздуха.