Системы приточной вентиляции: минимизация энергозатрат

Уменьшение энергозатрат на нагревание приточного воздуха в холодный период года в системах приточной вентиляции производственных помещений имеет не только экономическое, но и экологическое значение, так как позволяет понизить мощность заводских котельных и затормозить процесс накопления парниковых газов в атмосфере.

Формулы см. в PDF-версии статьи

Определим вначале С_к для РРФ стандартной модификации при разных С_н , имеющих место в цехах шлифования фанеры и белого шлифования (мебельных заготовок и щитов).

Шлифование фанеры осуществляют на линии ЛШФ-14, включающей два последовательно установленных широколентных станка марок 2ШлКА (с конвейерной подачей) и 2ШлКН (с нижним расположением шлифовальных агрегатов), или на 6-шпиндельном станке марки Steinemann NOVA-Н16RFG.

Линию ЛШФ-14 и станок Steinemann NOVA-Н16RFG обслуживают две аспирационные пневмотранспортные системы с рециркуляцией воздуха АсПТСРВ100 всасывающего типа, подключенные к нижнему и верхнему шлифовальным агрегатам. Каждая из АсПТСРВ с учетом расхода воздуха через приемники оборудования L_р = 34 000 м³/ч и коэффициента подсоса воздуха в трубопроводы К_п = 1,1 имеет производительность по воздуху LАС = 37400 м³/ч и производительность по шлифовальной пыли М_п = 260 кг/ч. При этом начальная концентрация пыли в аспирационном воздухе перед рециркуляционным рукавным фильтром, встраиваемым в АсПТСРВ, составляет С_н = 6950 мг/м³ . Концентрация пыли перед РРФ в цехах белого шлифования Сн ~ 3000 мг/м³ .

Ниже приводится сравнительный анализ функциональных возможностей трех вариантов систем очистки воздуха от древесной шлифовальной пыли по критерию производительности систем приточной вентиляции (варианты 1, 2, 3), характеризующему энергозатраты.

Трехступенчатая очистка воздуха

Функциональные возможности РРФ стандартной модификации

Вариант 1 системы очистки воздуха — выпускаемые российскими и зарубежными производителями современные РРФ стандартной модификации с двухступенчатой очисткой воздуха. Первая ступень очистки выполнена в виде входной секции, играющей роль пылеосадительной камеры с коэффициентом очистки воздуха ŋ₁ = 0,5. Вторую ступень очистки воздуха представляют фильтровальные рукава с коэффициентом очистки ŋ2 = 0,999. Коэффициент очистки воздуха в таком фильтре составляет ŋ_1,2 = 1 — (1 — ŋ₁ )(1 — ŋ₂ ) = 0,9995, а коэффициент проскока пыли через фильтр N_1,2 = (1 — ŋ_1,2 ) = 0,0005.

Концентрация пыли в очищенном воздухе находится из выражения Ск = СнN1,2 и в РРФ стандартной модификации при коэффициенте проскока пыли N_1,2 = 0,0005 составит:

— для цехов шлифования фанеры С_к = 3,47 мг/м³ , что превышает ПДКРВ для рециркулируемого воздуха в 1,93 раза (3,47/1,8);

— для цехов белого шлифования С_к = 1,5 мг/м³ < ПДКРВ = 1,8 мг/м³ . Из полученных значений конечной концентрации пыли в очищенном воздухе С_к = 3,47 мг/м³ следует, что РРФ стандартной модификации, имеющие двухступенчатую очистку воздуха (ŋ_1,2 = 0,9995; N_1,2 = 0,0005) не пригодны для встраивания в аспирационные пневмосистемы, обслуживающие оборудование для шлифования фанеры. Низкая эффективность очистки таких РРФ (Е_1,2 = 100ŋ_1,2 = 99,95 %) при высокой начальной концентрации пыли (С_н = 6950 мг/м³ ) перед РРФ не обеспечивает выполнения условия С_к ≤ ПДКРВ, гарантирующего возможность возврата очищенного воздуха в цех.

Эмиссия при трехступенчатой очистке воздуха

Для очистки воздуха от древесной пыли, образующейся при шлифовании фанеры, и рециркуляции очищенного воздуха в цех нужны РРФ с более высокой эффективностью очистки, чем Е_1,2 = 99,95 %. Такую эффективность обеспечивает трехступенчатая очистка воздуха.

Ниже рассмотрим коэффициент очистки воздуха ŋ_1,2,3 и коэффициент проскока пыли N_1,2,3 , характеризующие эффективность Е (%) двух вариантов трехступенчатой очистки воздуха.

Вариант 2, предложенный и применяемый датской компанией JHM-Moldow [4], представляет собой систему пылеулавливания, состоящую из последовательно соединенных в линейку РРФ стандартной модификации с двухступенчатой очисткой воздуха (ŋ₁ = 0,5; ŋ₂ = 0,999) и большого тканевого рукава (ŋ₃ = 0,8), устанавливаемого в цехе и выполняющего функцию воздухораспределителя. Коэффициент трехступенчатой очистки воздуха по варианту 2 составляет ŋ_1,2,3 = 1 — (1 — ŋ₁ )(1 — ŋ₂ )(1 — ŋ₃ ) = 1 — (1 — 0,5)(1 — 0,999)(1 — 0,8) = 0,9999, а коэффициент проскока пыли через фильтр N_1,2,3 = (1 — ŋ_1,2,3 ) = 1 — 0,9999 = 0,0001.

При этом концентрация пыли в очищенном воздухе Ск определяется из выражения Ск = СнN_1,2,3 и для трехступенчатой системы пылеулавливания (вариант 2) при коэффициенте проскока пыли N_1,2,3 = 0,0001 составляет, мг/м³ :

— для цехов шлифования фанеры С_к = 6950×0,0001 = 0,695;

— для цехов белого шлифования С_к = 3000×0,0001 = 0,3.

Вариант 3 представляет собой РРФ с трехступенчатой очисткой воздуха в одном корпусе (патент RU 2336930С2). Это совместная разработка Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии (В. Е. Воскресенский) и ЗАО «КОНСАР» (Б. В. Проневич, Н. В. Ярошик). В фильтре последовательно установлены следующие стандартные ступени очистки:

— жалюзийная решетка (ŋ₁ = 0,5);

— фильтровальные каркасные рукава (ŋ₂ = 0,999);

— панель воздушных ячейковых фильтров типа ФЯК класса F7 (EU7) по EUROVENT 4/9 (ŋ₃ = 0,92).

Фильтр устанавливается на открытой промышленной площадке и имеет систему регенерации фильтровальных рукавов в виде обратной продувки очищенным воздухом. Условное обозначение фильтра ПФРОД-НВ [4]. Буквы «П» и «Д» означают наличие в фильтре соответственно предварительной и дополнительной очистки воздуха, а индекс «НВ» — непрерывную выгрузку пыли.

Таблица 1. Значения С_к для вариантов 2 и 3 трехступенчатой
очистки воздуха

Коэффициент трехступенчатой очистки воздуха ŋ_1,2,3 и коэффициент проскока пыли через фильтр N_1,2,3 для вариантов 2 и 3 очистки воздуха определяются по формулам (см. в PDF-версии статьи ).

Значения концентрации пыли в очищенном воздухе С_к (мг/м³ ) при использовании вариантов 2 и 3 трехступенчатой очистки воздуха в цехах белого шлифования и шлифования фанеры приведены в табл. 1.

Для доказательства того, что при использовании вариантов 2 и 3 трехступенчатой очистки воздуха в системах приточной вентиляции цехов белого шлифования и шлифования фанеры достигаются существенные показатели по энергосбережению, используем формулу для определения расхода наружного воздуха системой приточной вентиляции L_пр , полученную в результате совместного решения двух уравнений (расчета воздушного и пылевого балансов производственного помещения).

Из анализа формулы (1) следует, что при уменьшении значения С_к снижается расход наружного воздуха системой приточной вентиляции L_пр и пропорционально снижаются энергозатраты в системе на нагревание приточного воздуха.

Таблица 2. Расчетные значения L_пр= f(L_АС) для цехов белого
шлифования


Таблица 3. Расчетные значения L_пр= f(L_АС) для цехов шлифования
фанеры

В табл. 2 приведены значения расхода наружного воздуха приточными системами вентиляции L_пр , рассчитанные по формуле (1) для цехов белого шлифования при различной концентрации пыли в рабочей зоне: С_рз = 4,8; 5,0; 5,5; 6,0.

Значение С_рз может задаваться проектировщиками при проектировании систем приточной вентиляции. Расчет сделан при начальном содержании пыли перед РРФ С_н = 3000 мг/м³ для трех вариантов систем очистки воздуха:

1. РРФ стандартной модификации (двухступенчатая очистка воздуха: ŋ_1,2 = 0,9995; N_1,2 = 0,0005; С_к = 1,5 мг/м³ );

2. Трехступенчатая очистка воздуха по схеме компании JHM-Moldow (ŋ_1,2,3 = 0,9999; N_1,2,3 = 0,0001; С_к = 0,3 мг/м³ );

3. Трехступенчатая очистка воздуха в фильтре ПФРОД-НВ (патент RU 2336930C2) (ŋ_1,2,3 = 0,99996; N_1,2 = 0,00004; С_к = 0,12 мг/м³ ).

На основании анализа табл. 2 можно сделать следующие заключения.

1) уменьшение концентрации пыли в рабочей зоне С_р.з с 6,0 до 4,8 мг/м³ увеличивает расход наружного воздуха приточной системой вентиляции L_пр при использовании различных вариантов систем очистки воздуха:

— в 2,25 раза при варианте 1;

— в 3,8 раза при варианте 2;

— в 4,6 раза при варианте 3.

Поэтому при определении расхода воздуха системами приточной вентиляции L_пр в цехах белого шлифования может быть рекомендована С_р.з = ПДК_р.з = 6 мг/м³ , обеспечивающая наибольшее снижение энергозатрат при использовании различных систем очистки воздуха (варианты 1, 2, 3);

2) вариант 3 систем очистки воздуха цехов белого шлифования при концентрации пыли в рабочей зоне С_р.з = 6 мг/м³ обеспечивает минимально допустимый по санитарным условиям расход воздуха системами приточной вентиляции L_пр min = 0,1 L_в.о = 0,1 (LAC + L_выт ) = 0,1 (1,1LAC) = 0,11LAC (где L _{в. о} — воздухообмен, м³ /ч) и, как следствие, минимальные энергозатраты в этих системах;

3) вариант 3 системы трехступенчатой очистки воздуха в одном корпусе РРФ при концентрации пыли в рабочей зоне С_р.з = 6 мг/м³ по сравнению с вариантом 1 очистки аспирационного воздуха обеспечивает уменьшение расхода воздуха системами приточной вентиляции L_пр в 2,9 раза (0,32/0,11), а по сравнению со схемой компании JHM-Moldow (вариант 2) — в 1,09 раза (0,12/0,11);

4) вариант 3 систем трехступенчатой очистки воздуха следует признать оптимальным для цехов белого шлифования, так как он обеспечивает минимальные энергозатраты в системах приточной вентиляции;

5) при суммарной производительности нескольких аспирационных пневмосистем АсПТСРВ цеха белого шлифования LАС = 100 000 м³/ч система трехступенчатой очистки воздуха (вариант 3) по сравнению с РРФ стандартной модификации (вариант 1) обеспечивает снижение производительности систем приточной вентиляции на ΔL, м³ /ч: ΔL = (0,32 — 0,11)LAC = (0,32 — 0,11)105 = 21 000.

В табл. 3 приведены расчетные значения расхода воздуха приточными системами вентиляции L_пр для цехов шлифования фанеры при использовании двух вариантов систем очистки воздуха (2 и 3).

Из табл. 3 следует, что варианты 2 и 3 дают приблизительно одинаковые результаты по L_пр . Наименьшее L_пр = 0,11LАС обеспечивает система очистки воздуха по варианту 3 (фильтр с трехступенчатой очисткой воздуха ПФРОД-НВ). При этом система приточно-вытяжной вентиляции цеха с расчетным значением L_выт = L_пр = 0,11LАС обеспечивает концентрацию пыли в рабочей зоне C_р.з = 6 мг/м³ .

Экономия затрат в системах приточной вентиляции

Таблица 4. Климатологические данные для расчета тепловой
энергии на нагревание приточного воздуха

Ниже для варианта 3 трехступенчатой очистки воздуха приводится расчет экономии затрат на тепловую энергию на нагревание приточного воздуха в системах приточной вентиляции цеха белого шлифования с суммарной производительностью систем АсПТСРВ LАС = 100 000 м³/ч.

Климатологические данные для расчета тепловой энергии на нагревание приточного воздуха приняты для г. Приозерска Ленинградской области (табл. 4).

Количество сэкономленной тепловой энергии в год ΔQгод в рабочее время на нагревание приточного воздуха в результате сокращения производительности системы приточной вентиляции в проектируемом варианте (вариант 3) по сравнению с вариантом 1, на величину ΔL, м³ /ч, определяется по формуле (2), Гкал. Экономия затрат на тепловую энергию Э_з.т.э в первый год жизненного цикла проекта для цеха белого шлифования с суммарной производительностью АсПТСРВ LAC = 100 тыс. м³ /ч определяется по формуле (см. PDF-версию статьи ), где Ц_т.э — цена 1 Гкал тепловой энергии с НДС, руб.; учитывая, что значительное количество мелких деревообрабатывающих предприятий не имеет собственной котельной для выработки тепловой энергии, в данном примере тепловая энергия рассматривается как покупная, средняя цена которой, по данным ОАО «Теплосервис», в мае 2009 года составляла в г. Приозерске 1190 руб. без НДС (1404 руб. с НДС = 18 %); К_увц — коэффициент, увеличивающий цену одной гигакалории в первый год жизненного цикла проекта из-за планируемой инфляции 12,5%: К_увц = 1,125.

Заключение

На основании проведенного сравнительного анализа вариантов 2 и 3 систем трехступенчатой очистки воздуха с РРФ стандартной модификации (вариант 1) и циклонами типа УЦ можно сделать следующие выводы:

1. Функциональные возможности РРФ стандартной модификации, обеспечивающего двухступенчатую очистку воздуха (ŋ_1,2 = 0,9995; N_1,2 = 0,0005), зависят от начальной концентрации пыли Сн в аспирационном воздухе:

— при С_н = 6950 мг/м³ (шлифование фанеры) РРФ не пригоден для явстраивания в АсПТСРВ, обслуживающие шлифовальное оборудование, так как не выполняет условие Ск ≤ ПДКРВ = 1,8 мг/м³ , гарантирующее возможность возврата очищенного воздуха в цех; С_к превышает ПДКРВ в 1,93 раза (3,47/1,8);

— при С_н = 3000 мг/м³ (белое шлифование) минимальное значение расхода воздуха приточной системой вентиляции L_пр , которое может обеспечить РРФ, составляет 0,32 LАС.

2. Трехступенчатая очистка воздуха по вариантам 2 и 3 по сравнению с циклонами типа УЦ (модификация 1, D = 2 м; ŋ_ц = 0,976; N_ц = 0,024) обеспечивает в цехах шлифования фанеры при начальной концентрации пыли С_н = 6950 мг/м³ перед РРФ 9-кратное уменьшение расхода воздуха системами приточной вентиляции L_пр , которое вызывает:

— 9-кратное энергосбережение на нагревании приточного воздуха в холодный период года и на его круглогодичной подаче в цех;

— уменьшение пылевых выбросов в атмосферу в 250 раз.

3. Трехступенчатая очистка воздуха по вариантам 2 и 3 по сравнению с РРФ стандартной модификации (вариант 1) обеспечивает в цехах белого шлифования при начальной концентрации пыли С_н = 3000 мг/м³ перед РРФ уменьшение расхода воздуха соответственно в 2,6 и 2,9 раза и, как следствие, вызывает пропорциональное снижение энергозатрат на нагревание приточного воздуха в холодный период года и на его круглогодичную подачу в цех.

4. Экономия затрат на тепловую энергию Э_з.т.э , затрачиваемую на нагревание наружного воздуха в системах приточной вентиляции в первый год жизненного цикла проекта для одного цеха белого шлифования с суммарной производительностью АсПТСРВ LAC = 100 тыс. м³ /ч составляет примерно 640 тыс. руб.

5. Учитывая, что в России существует примерно 1500 цехов белого шлифования, трехступенчатая очистка воздуха от древесной шлифовальной пыли, выполненная по схеме компании JHM-Moldow (вариант 2) и в одном корпусе РРФ ПФРОД-НВ (патент RU 2336930C2) (вариант 3), является значительным резервом энергосбережения в системах приточной вентиляции названных производственных помещений.

6. Повышение эффективности трехступенчатой очистки воздуха Е с 99,996 до 99,999 % экономически нецелесообразно.

Владимир ВОСКРЕСЕНСКИЙ,
Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии,
академик МАНЭБ,
член-корреспондент РАЕН

Литература

1. Воскресенский В. Е. Инженерная методика расчета наружного воздуха приточными системами вентиляции цехов белого шлифования с рециркуляционным воздухообменом // Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, плиты, деревянные дома заводского изготовления, столярно­строительные изделия: Материалы Международной научно¬практической конференции 27−28 марта 2009 г. — СПб.: НП «НЦО МТД», 2009. — Том 1. — С. 137−142.

2. Внутренние санитарно­технические устройства: В 3 ч. — Ч. 3: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2 / Б. В. Баркалов, Н. Н. Павлов, С. С. Амирджанов и др.; под ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера; 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1992. — 416 с. (Справ. проектировщика).

3. Воскресенский В. Е. Системы пневмотранспорта, пылеулавливания и вентиляции на деревообрабатывающих предприятиях. Теория и практика: В 2 т. — Т. 1: Аспирационные и транспортные пневмосистемы: Учебное пособие. — СПб.: Политехника, 2008. — 430 с.

4. Воскресенский В. Е. Системы пневмотранспорта, пылеулавливания и вентиляции на деревообрабатывающих предприятиях. Теория и практика: В 2 т. — Т. 2. Ч. 1: Системы пылеулавливания: Учебное пособие. — СПб.: Политехника, 2009. — 295 с.