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 Ск для РРФ стандартной модификации при разных Сн , 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 Lр = 34 000 м³/ч и коэффициента подсоса воздуха в трубопроводы Кп = 1,1 имеет производительность по воздуху LАС = 37400 м³/ч и производительность по шлифовальной пыли Мп = 260 кг/ч. При этом начальная концентрация пыли в аспирационном воздухе перед рециркуляционным рукавным фильтром, встраиваемым в АсПТСРВ, составляет Сн = 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 Трехступенчатая очистка воздуха](http://lesprominform.ru/uploads/images/lpi64/72f22a1f95.jpg)
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 ŋ1,2 = 1 — (1 — ŋ1 )(1 — ŋ2 ) = 0,9995, а коэффициент проскока пыли через фильтр N1,2 = (1 — ŋ1,2 ) = 0,0005.
Концентрация пыли в очищенном воздухе находится из выражения Ск = СнN1,2 и в РРФ стандартной модификации при коэффициенте проскока пыли N1,2 = 0,0005 составит:
— для цехов шлифования фанеры Ск = 3,47 мг/м3 , что превышает ПДКРВ для рециркулируемого воздуха в 1,93 раза (3,47/1,8);
— для цехов белого шлифования Ск = 1,5 мг/м3 < ПДКРВ = 1,8 мг/м3 . Из полученных значений конечной концентрации пыли в очищенном воздухе Ск = 3,47 мг/м3 следует, что РРФ стандартной модификации, имеющие двухступенчатую очистку воздуха (ŋ1,2 = 0,9995; N1,2 = 0,0005) не пригодны для встраивания в аспирационные пневмосистемы, обслуживающие оборудование для шлифования фанеры. Низкая эффективность очистки таких РРФ (Е1,2 = 100ŋ1,2 = 99,95 %) при высокой начальной концентрации пыли (Сн = 6950 мг/м3 ) перед РРФ не обеспечивает выполнения условия Ск ≤ 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 Е1,2 = 99,95 %. Такую эффективность обеспечивает трехступенчатая очистка воздуха.
Ниже рассмотрим коэффициент очистки воздуха ŋ1,2,3 и коэффициент проскока пыли N1,2,3 , 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 ŋ1,2,3 = 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 N1,2,3 = (1 — ŋ1,2,3 ) = 1 — 0,9999 = 0,0001.
При этом концентрация пыли в очищенном воздухе Ск определяется из выражения Ск = СнN1,2,3 и для трехступенчатой системы пылеулавливания (вариант 2) при коэффициенте проскока пыли N1,2,3 = 0,0001 составляет, мг/м3 :
— для цехов шлифования фанеры Ск = 6950×0,0001 = 0,695;
— для цехов белого шлифования Ск = 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.
очистки воздуха
![Таблица 1. Значения Ск для вариантов 2 и 3 трехступенчатой очистки воздуха Таблица 1. Значения Ск для вариантов 2 и 3 трехступенчатой очистки воздуха](http://lesprominform.ru/uploads/images/lpi64/tb_64-46.png)
Коэффициент трехступенчатой очистки воздуха ŋ1,2,3 и коэффициент проскока пыли через фильтр N1,2,3 для вариантов 2 и 3 очистки воздуха определяются по формулам (см. в PDF-версии статьи ).
Значения концентрации пыли в очищенном воздухе Ск (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 Lпр , полученную в результате совместного решения двух уравнений (расчета воздушного и пылевого балансов производственного помещения).
Из анализа формулы (1) следует, что при уменьшении значения Ск снижается расход наружного воздуха системой приточной вентиляции Lпр и пропорционально снижаются энергозатраты в системе на нагревание приточного воздуха.
шлифования
![Таблица 2. Расчетные значения Lпр= f(LАС) для цехов белого шлифования Таблица 2. Расчетные значения Lпр= f(LАС) для цехов белого шлифования](http://lesprominform.ru/uploads/images/lpi64/tb_64-47_1.png)
Таблица 3. Расчетные значения Lпр= f(LАС) для цехов шлифования
фанеры
![Таблица 3. Расчетные значения Lпр= f(LАС) для цехов шлифования фанеры Таблица 3. Расчетные значения Lпр= f(LАС) для цехов шлифования фанеры](http://lesprominform.ru/uploads/images/lpi64/tb_64-47_1.png)
В табл. 2 приведены значения расхода наружного воздуха приточными системами вентиляции Lпр , рассчитанные по формуле (1) для цехов белого шлифования при различной концентрации пыли в рабочей зоне: Срз = 4,8; 5,0; 5,5; 6,0.
Значение Срз может задаваться проектировщиками при проектировании систем приточной вентиляции. Расчет сделан при начальном содержании пыли перед РРФ Сн = 3000 мг/м3 для трех вариантов систем очистки воздуха:
1. РРФ стандартной модификации (двухступенчатая очистка воздуха: ŋ1,2 = 0,9995; N1,2 = 0,0005; Ск = 1,5 мг/м3 );
2. Трехступенчатая очистка воздуха по схеме компании JHM-Moldow (ŋ1,2,3 = 0,9999; N1,2,3 = 0,0001; Ск = 0,3 мг/м3 );
3. Трехступенчатая очистка воздуха в фильтре ПФРОД-НВ (патент RU 2336930C2) (ŋ1,2,3 = 0,99996; N1,2 = 0,00004; Ск = 0,12 мг/м3 ).
На основании анализа табл. 2 можно сделать следующие заключения.
1) уменьшение концентрации пыли в рабочей зоне Ср.з с 6,0 до 4,8 мг/м3 увеличивает расход наружного воздуха приточной системой вентиляции Lпр 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 Lпр в цехах белого шлифования может быть рекомендована Ср.з = ПДКр.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 Ср.з = 6 мг/м3 обеспечивает минимально допустимый по санитарным условиям расход воздуха системами приточной вентиляции Lпр min = 0,1 Lв.о = 0,1 (LAC + Lвыт ) = 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 Ср.з = 6 мг/м3 по сравнению с вариантом 1 очистки аспирационного воздуха обеспечивает уменьшение расхода воздуха системами приточной вентиляции Lпр 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 Lпр 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 Lпр . Наименьшее Lпр = 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 Lвыт = Lпр = 0,11LАС обеспечивает концентрацию пыли в рабочей зоне Cр.з = 6 мг/м3 .
Экономия затрат в системах приточной вентиляции
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 Эз.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 Цт.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 %); Кувц — коэффициент, увеличивающий цену одной гигакалории в первый год жизненного цикла проекта из-за планируемой инфляции 12,5%: Кувц = 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 (ŋ1,2 = 0,9995; N1,2 = 0,0005), зависят от начальной концентрации пыли Сн в аспирационном воздухе:
— при Сн = 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; Ск превышает ПДКРВ в 1,93 раза (3,47/1,8);
— при Сн = 3000 мг/м3 (белое шлифование) минимальное значение расхода воздуха приточной системой вентиляции Lпр , 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; ŋц = 0,976; Nц = 0,024) обеспечивает в цехах шлифования фанеры при начальной концентрации пыли Сн = 6950 мг/м3 перед РРФ 9-кратное уменьшение расхода воздуха системами приточной вентиляции Lпр , 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 Сн = 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 Эз.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.