Применение — местный отсос — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

В зависимости от конструктивных особенностей (стационарные, переносные, малогабаритные и г. д.), а также от аэродинамических особенностей, характеризующих условия подтекания воздуха к всасывающим отверстиям, различают следующие местные отсосы: простые или активированные приточными струями; по направлению удаления вредных веществ; по степени ограничения зоны всасы­вания; по возможности регулирования расположения воздухоприем­ного отверстия.

В простых отсосах применяются пылегазоприемники, присоеди­няемые к вытяжным вентиляционным установкам или системам. За счет создаваемого ими разрежения у воздухоприемного отверстия (панели) местного отсоса образуется зона всасывания со скоростями, достаточными для улавливания вредных выделений.

В активированных отсосах в дополнение к всасывающему уст­ройству применяется приточная струя (или система струй), которая поддувает вредные выделения к вытяжному отверстию или выпол­няет роль воздушной завесы, препятствующей их прорыву в произ­водственное помещение. На рис. 19 представлено несколько схем активированных отсосов.

По схеме (рис. 19, а) в корпусе, разделенном внутренней перего­родкой, находятся местный отсос и приточное устройство, создаю­щее шиберующую воздушную струю, направленную под углом сверху вниз на рабочего. Выдвижной щиток над отсосом позволяет эффективно регулировать величину зоны всасывания. Кроме ши — берующего эффекта, приточная струя, подавая непрерывно в зону дыхания сварщика чистый воздух, создает нормальные метеороло­гические условия для рабочего.

Схема (рис. 19, б) разработана и проверена экспериментально фирмой Delvental В. и Konig R [37]. Струя приточного воздуха, подаваемая спереди под небольшим углом вдоль поверхности стола, позволяет удалять загрязненный воздух от лица сварщика, направ­ляя его вдоль задней стенки к верхнему вытяжному патрубку. Эксперимент показал, что задняя стенка должна быть профилиро­ванной, чтобы избежать вихреобразования и рассеивания вредных 50

веществ. Схема пригодна только при сварке мелких деталей неболь­шой высоты.

Схема (рис. 19, в) разработана в лаборатории охраны труда НИИСТ (г. Киев). Над вытяжной решеткой стола сварщика выше рабочей зоны размещена приточная панель, создающая равномерный поток воздуха вниз к отсосу. Образующиеся вредные вещества опро­кидываются и улавливаются нижним отсосом. Зона дыхания рабоче­го находится в потоке чистого приточного воздуха. Если свариваемое изделие перекрывает более 75% площади щелей решетки или при значительной высоте изделия, когда верхняя его плоскость распо­ложена горизонтально, эффективность отсоса резко снижается. Сдувающая приточная струя ударяется о плоскость детали и, увле­кая вредные вещества, уходит в помещение.

Активированные отсосы не получили широкого распространения в сварочных цехах в основном из-за необходимости дополнительного подвода чистого приточного воздуха, однако применение их для местной вентиляции является, на наш взгляд, перспективным.

По направлению удаления вредных веществ различают нижние, боковые и верхние отсосы.

Нижние отсосы, выполняемые в виде решетчатых поверхностей столов, опрокидывают факел вредных веществ вниз, не давая ему достичь зоны дыхания сварщика. В гигиеническом отношении они являются самыми рациональными, однако значительные скорости воздуха, необходимые для опрокидывания вредных веществ, тре­буют больших расходов для нижних отсосов, особенно при большой высоте свариваемых изделий. Нижние отсосы эффективны при свар­ке мелких и средних деталей высотой до 100—150 мм.

Боковые отсосы выполняют в виде отверстий или панелей, уста­навливаемых со стороны, противоположной рабочему месту свар­щика. Они создают зону всасывания, отклоняющую факел вредных
веществ в сторону отсоса. Различные конструкции боковых отсосов широко применяются в производстве чаще всего для улавливания вредных веществ на фиксированных рабочих местах (см. рис. 3 и 5).

Верхние отсосы выполняют в виде воронок или зонтов. По рас­ходу воздуха эти отсосы экономичны, так как направление движе­ния отсасываемого воздуха совпадает с направлением движения загрязненного факела (вверх), скорости воздуха в зоне отсоса ми­нимальны. Однако как указывалось ранее, поднимающиеся вредные вещества могут проходить через зону дыхания сварщика, что яв­ляется существенным недостатком верхних отсосов.

Часто применяют комбинированные отсосы, например, нижний и боковой. При соответствующих средствах регулирования работы отсосов такие решения дают хороший результат.

а) б)

Рис. 20. Расходы воздуха для обеспечения скорости 0,25 м/с в спектре всасывания при различных типах ограждений:

а —открытый отсос; б — закрытый отсос

Большое значение для повышения эффективности местиых отсо­сов имеет ограничение зоны всасывания плоскостями. Это позволяет уменьшить зону всасывания, повысить скорости движения воздуха и обеспечить более интенсивный отсос вредных веществ. 11о степе­ни экранирования зоны всасывания различают закрытые отсосы (шкафного типа) и открытые отсосы [8]. Схемы отсосов показаны на рис. 20.

В некоторой условной точке А (на рис. 20 она отмечена крести­ком) требовалось обеспечить скорость 0,25 м/с. При этом для откры­того отсоса (рис. 20, а), расположенного от указанной точки на рас­стоянии 300 мм, потребовался расход воздуха 2720 м3/ч, а для за­крытого отсоса (рис. 20, б) с проемом 300 X 300 мм — 255 м3/ч, т. е. почти в 11 раз меньше.

Местные отсосы закрытого типа выполняют в виде шкафов, внутри которых производится сварка мелких изделий. Открытыми остаются небольшие рабочие проемы, через которые внутрь шкафа всасывается воздух. Согласно рекомендациям [5] в зависимости от технологии процесса скорости воздуха в проемах могут изменяться от 0,3—0,5 до 1,5—2,5 м/с.

Расход воздуха, удаляемого от укрытия, определяется по фор­муле

L0 — 3600 vnFn, м3/ч,

где Fa — суммарная площадь открытых проемов и неплотностей, м2; t)u — скорость воздуха в проемах или отверстиях, м/с.

Весьма эффективным способом в ряде случаев является подача в укрытие струи воздуха, интенсифицирующей удаление вредных веществ [42, рис. 4 3]. Преимуществом закрытых отсосов является незначительное влияние на их эффективность подвижности окружающего воздуха в производственных помещениях.

Отсосы открытого типа выполняют в виде панелей или патруб­ков, не имеющих ограждающих плоскостей. Отсосы просты по конст­рукции, однако подвержены влиянию подвижности окружающего воздуха. Отсосы этого типа применяют при ручной, полуавтомати­ческой и автоматической сварке (см. п 4 гл IV). Всасывающее от­верстие выполняется в виде патрубка круглого или прямоугольно­го сечения, кольцевой щели или перфорации из мелких отверстий, размещенных вокруг сварочной головки. Скорости воздуха в вы­тяжных отверстиях могут быть значительными (20—40 м/с), при этом в зоне сварки не должно нарушаться качество газовой защиты.

Преимуществом открытых отсосов является их компактность и возможность размещения на небольшом расстоянии от точки свар­ки. Если местный отсос стационарно закреплен на сварочной голов­ке или сварочном оборудовании на определенном расстоянии от сварочной дуги (минимально 20—25 мм), то расход воздуха будет небольшим, как правило, до 100 150 м3/ч. При таких расходах

можно использовать ьоздуховоды небольшого сечения.

Установка ограждающих плоскостей улучшает работу отсоса Например, отсос (см. рис. 3, а) может быть выполнен в виде вытяж­ной панели, установленной над столом для сварки, а дополнитель­ными ограждающими плоскостями являются стенки кабины и козырек.

В отсосах различных типов можно повысить их эффективность регулированием места расположения всасывающего отверстия — из глубины укрытия, у передней его кромки и т. д.

Нерегулируемые местные отсосы применяют, если на данном ра­бочем месте постоянно выполняются одни и те же операции или усло­вия технологического процесса изменяются незначительно (на­прямі ), свариваются только мелкие детали). Местный отсос рас­считывается по заданным параметрам технологического процесса и в этом узком диапазоне оказывается эффективным. Однако в ряде случаев, когда на рабочем месте выполняются различные операции, целесообразно перестраиваться при определенном изменении тех­нологии. Чаще всего местные отсосы выполняют подвижными, спо­собными перемещаться в заданной зоне, и располагают их как мож­но ближе к точке сварки. Примером отсоса указанного типа явля­ются хорошо известные подвижные пылегазоприемники ЛИОТ-1 и ЛИОТ-2, описанные выше (п. З гл. III).

Для столов сварщика ВИСПом разработана панель с изменяе­мым углом наклона (см. рис. 51). При большой длине стола панель может быть выполнена из нескольких секций с клапанами в каждой

из них, что значительно повышает возможности регулирования работы отсоса.

Схема работы другой регулируемой панели показана на рис. 21. При сварке в верхней части изделия подвижный щиток 3 опускает­ся ВНИЗ, обеспечивая ЛГиСпСг. ВНЫЙ ошос вредных веществ из верх­ней зоны, а при сварке нижней части изделия щиток перемещается вверх, способствуя созданию зоны эффективного отсоса в нижней части рабочей зоны. По данным разработчиков, указанный местный отсос обеспечивает снижение расходов на электроэнергию и тепло до 5000 р в год.

Рис. 22. Схема к расчету нижнего отсоса при улавливании сварочного факела

Ряд конструкций местных отсосов с автоматическим перемеще­нием в рабочей зоне разработан СПКИ (г. Одесса). Схема местного отсоса с управляющими фотоэлементами показана ниже на рис. 57. Небольшая вытяжная панель укреплена на подвижном воздуховоде и снабжена по бокам фотоэлеменшми. При перемещении точки свар­ки в сторону фотоэлементы выдают команду на механизм перемеще­ния панели, обеспечивая перестановку местного отсоса к сварочной дуге и способствуя удалению токсичных газов и пыли. В ряде слу­чаев такое устройство может оказаться полезным, стоимость данной конструкции невысока.

Наиболее эффективными при сварке и тепловой резке являются два способа локализации вредных веществ.

Улавливание вредных веществ нижним отсосом. В этом случае загрязненный поток опрокидывается вниз к вытяжной панели, не проходя через зону дыхания рабочего. Сварочный факел поднимает­ся над плоскостью свариваемого изделия, образуя клуб дыма, за­тем на некотором удалении от точки сварки он поворачивается вниз к вытяжной решетке и затягивается в отверстия местного отсоса (рис. 22).

Отклонение факела вредных веществ от лица сварщика при по­мощи бокового отсоса, выполненного в виде вытяжной панели, или 54

всасывающего патрубка. Сварочный факел, поднимающийся вверх, потоком подтекающего к местному отсосу воздуха постепенно откло­няется вместе с вредными веществами в сторону всасывающих отверстий. При достаточных скоростях (0,25—0,5 м/с) загрязненный факел полностью улавливается местным отсосом. Как видно на рис. 77, в процессе взаимодействия с местным отсосом сварочный факел деформируется, становится не круглым, а плоским. Непо­средственно у всасывающих отверстий периферийные струйки фа­кела размываются подтекающим воздухом и остается только ядро с большими концентрациями вредных веществ.

В работах ряда авторов (например, Л. В. Кузьминой, Т. А. Фиал- ковской) процессы взаимодействия факела вредных веществ с раз­личными типами местных отсосов описываются сложными зависи­мостями, при этом вводится ряд допущений, не всегда позволяющих получить желаемый результат применительно к сварке.

Авторами на основании анализа действующих сил получены ре­шения, позволяющие определить эффективные расходы воздуха для нижнего и бокового отсосов с учетом геометрических размеров от­соса, положения точки сварки и мощности сварочной дуги (для элект­роду говой сварки плавящимся электродом).

Для расчета нижнего подрешетчатого отсоса выделен контур и составлена схема взаимодействия потоков для составления уравне­ния количества движения в проекции па вертикальную ось (см. рис. 22). В начальном участке сварочного факела скоростьобиз — начена vc, плотность ус и площадь факела Fc. В рассматриваемом уравнении количества движения в отличие от других решений учи­тывается подъемная сила в сварочном факеле А. Уравнение имеет вид

Рі /’і — А р2 (/’ рсш—Кде,) — ^2 — /гс Jr /.’і, (24)

где — разрежение в сечении / — /, Па, равное динамическому давлению, подсчитанному по скорости v{, А — подъемная сила в конвективном потоке, равная А = AychnFc, Н; р2 — разрежение у вытяжной решетки в сечении II — II, Па; Нп — высота подъема факела над поверхностью детали, м; kx и k2 — количества движения воздуха в сечениях / — / и // — II, Н; кс — количество движения воздуха в начальном сечении конвективного потока, Н.

Раскрывая содержание отдельных членов уравнения (24), полу­чим

£ I 5vz

-А— У в ДУс „ Р Тем (Рреш ~ F^) —

2 в 2Я

=——- — Ус <■Fреш — f дет)——— Yc Fc Ув Ft. (25)

g 2ё g

В результате решения уравнения (25) определяем величину осе­вой скорости (в м/с) воздушного потока, обеспечивающей опрокиды-

ванне факела;

Скорость г, определяется рядом величин, характеризующих сва­рочный факел и отсос. По найденной величине опрокидывающей скорости и известным закономерностям спектров определить расход воздуха в решетке отсоса не представляет затруднений

Рис. 23. Удельные эффективные расходы воздуха для столов с нижними отсосами:

а — решетка 1000X700 мм; б — рл*четка 700X 500 мм. Ручная сварка* / элек­троды 0 3 мм, /св — ПО А; 2 тектро — ды 0 4 мм, /св — 140 А; 3 — э — ктроды 0 5 мм, /св — 190 А; 4 — 3 ктроды 0 6 мм, /св = 200 А; х — полуавтомати­ческая сварка в С02 проволокой 0 1,6 мм, /св — 250 А

Отметим, что абсолютная величина эффективной опрокидываю­щей скорости в точке сварки не зависит от высоты расположения детали над всасывающей решеткой. Это положение подтверждено экспериментально. Приняв, что высота подъема сварочного факела над точкой сварки (до опрокидывания) не должна превышать 0,1 м, были определены величины опрокидывающих скоростей при разной мощности сварочной дуги. Эксперименты показали, что величина опрокидывающей скорости Uj для данного технологического процес­са является постоянной. Например, при ручной сварке электродами Q Змм при силе тока 110 А она равна 0,5 м/с, а при сварке электро­дами ~ 5 мм током силой 200 А — 0,67 м/с. С учетом полученных результатов построены графики для определения удельных эф­фективных расходов воздуха для столов с решетками размером 1000 х 700 и 700 X 500 мм (рис. 23). Номограмма для расчета ниж­них отсосов в зависимости от размеров решеток и мощности свароч­ной дуги дана в приложении 5. Нижние подрешеточные отсосы ре­комендуется применять при сварке деталей высотой не более 100— 150 мм. При этом свариваемая деталь не должна перекрывать боль­ше 25—30% площади всасывающих отверстий решетки.

Пример пользования номограммой (приложение 5). Определить расход воздуха при ручной сварке деталей высотой 0,11 м электродами (S3 мм для стола с нижним отсосом размером 1000X700 мм. Подвижность воздуха в по­мещении 0,5 м/с.

Прежде всего по заданным размерам отсоса определяем эквивалентный диаметр вытяжной решетки, он равен 0,83 м (точка 1). Затем, приняв долю конвективного тепла сварочного факела равной 10% общей тепловой мощности дуги, находим величину Q„ = 330 Вт. После этого отмечаем на левой части нижней шкалы высоту свариваемой детали у = 0,11 м (удаленье точки свар­ки от поверхности вытяжной решетки) и проводим через указанную точку вверх вертикальную прямую до пересечения с прямой D3KB = 0,83 м (точка 2). Из точки 2 проводим вправо горизонтальную линию до пересечения с кривой Qi( = 330 Вт (точка 3), далее опускаемся по вертикали вниз и находим значе­ние удельного расхода воздуха. Для заданных условий L“n = 2200 м8/ч на 1 м2 вытяжной решетки.

При определении эффективного расхода воздуха для нижнего отсоса необ­ходимо учесть отрицательное влияние на работу отсоса подвижности воздуха в цехе. Поэтому по графикам рис. 25 найдем значение поправочного коэф­фициента К’1 .При скорости сносящего потока пСц = 0,5 м/с и высоте дета­лей у = 0,11 м величина KJJ = 1,12.

Необходимый расход воздуха для нижнего отсоса размером 1000Х 700мм

LH = Fp Кр = 2200-0,7-1,12 1730 м3/ч.

Для расчета боковых местных отсосов использованы закономер­ности движения свободной неизотермической струи в боковом сносящем потоке [36] Путем преобразования уравнения сил, воз­действующих на струю, получено уравнение изогнутой оси струи в сносящем потоке в относительных координатах:

у = К |/ lx ~ Jx2 ,

2 11

где К = —у — безразмерный коэффициент, зависящий от коэф-

Усп С

фициента лобового сопротивления струи сп и коэффициента формы струи с / и./ — безразмерные комплексы, отражающие относитель­ное влияние начального импульса и гравитационной силы на раз­витие струи [361.

Так как сварочный факел является конвективным потоком без начального импульса, выражение для у упрощается и записывает­ся в виде

У = Якон V Jx~ • (27)

Поскольку пользоваться формулой (27) в относительных коорди­натах для практических расчетов не совсем удобно и важнее учиты­вать основную определяющую величину сварочного факела — его конвективное тепло QK; преобразуем выражение комплекса J:

Подставляя полученное зна­чение (28) в (27), после преобра­зования перейдем к бсолют­ным координатам (в м):

0,278/Скон

Тс сро

Координаты в формуле (29) привязаны к системе координат струи (рис. 24).

Расчетная схема для слу­чая взаимодействия конвектив­ного потока с местным боко­вым отсосом представлена на рис. 24. Центр вытяжной ре­шетки расположен над плоско­стью стола на высоте Н, через центр решетки проходит ось К, а ось X лежит в плоскости стола. Вместо величины скорости сносящего потока можно подста­вить значение составляющей скорости vx по формуле (21). Подставив в выражение (23) значение из (21) и координаты конечной точки оси условленного факела хк и ук в плоскости вытяжной панели, можно получить величину эффективного расхода воздуха. Так как для вытяжных панелей конечных размеров следует учитывать попра­вочный коэффициент на длину отсоса Л’, (см. рис. 18), значение удельного расхода воздуха (в м3/с • м) будет иметь вид

Фактические скорости в спектрах всасывания отсосов, обеспе­чивающие эффективную локализацию вредных веществ, должны быть несколько больше расчетных, чтобы компенсировать влияние подвижности воздуха в цехах (сквозняков). Экспериментально оп­ределяется коэффициент запаса Kv, учитывающий это явление (ве­личина его более единицы). Вспомогательный график для нахожде­ния величины Kv для нижних и боковых отсосов приведен на рис. 25.

Результаты экспериментальной проверки эффективности дейст­вия боковой панели с решеткой 560 v 200 мм приведены на рис. 26. Центр вытяжной панели был расположен на высоте 0,5 м над столом. Анализ полученных данных показывает, что при высоте сваривае­
мых деталей до 400 мм расход воздуха изменяется незначительно, а для более высоких деталей расход резко возрастает. Особенность работы боковых отсосов заключается в следующем. Если точка свар­ки лежит выше центра отсоса, то при относительно небольших скоростях в зоне всасывания сварочный факел не успевает откло­ниться к отсосу. Поэтому в этом случае для улавливания вредных веществ скорости воздуха и, следовательно, расходы воздуха долж­ны быть увеличены.

Из рис. 26 видно, что расход воздуха значительно возрастает при удалении точки сварки от местного отсоса. Величина расхода воздуха пропорциональна также силе сварочного тока. Сравним

например, величины эффективных расходов для электродов диамет ром 3,5 и 6 мм при х = 0,53 м. Опытные данные показывают, что мак­симальные расходы необходимы при сварке электродами Q6 мм. При одинаковых значениях сварочиою тока 250 А расходы воздуха при сварке в среде углекислого газа (точки отмечены крестиками) не­сколько больше, чем при ручной сварке электродами ~)5 мм. Причи­на заключается в том, что при сварке в С02 величина QK больше (см. и. 1 гл IV).

Видимо, существует оптимальное положение отсоса относитель­но точки сварки; центр боковой панели должен располагаться выше точки сварки примерно на 150 мм, при этом расход удивляемого воздуха будет минимальным.

Анализ опытных данных показывает, что на расход воздуха больше всего влияет удаление точки сварки от отсоса Ах (рис. 27). Поэтому для столов сварщиков G боковыми отсосами может быть предложена упрощенная формула

Аб = 70/фАг^УОГА^. ~(3D

где I — длина решетки вытяжной панели, м; фб — величина зоны всасывания (см. рис. 24), радиан; и Kt — поправочные коэф­фициенты на относительные размеры панели и подвижность возду­ха, которые находятся по графикам соответственно рис. 18 и 25; Q„ — количество конвективного тепла, Вт.

Формула (31) справедлива в пределах Д* = 0,1Н-0,6 м, ф — = 3/4 я-г-3/2 я и при силе сварочного тока до 630 А. При этом погреш­ность в определении эффективных расходов не превышает 10%

Пример. Определить расход воздуха, удаляемого панелью стола сварщи­ка при ширине стола до 1250 мм. Принимаем высоту всасывающих щелей решетки панели 0,2 м, длину решетки панели — 1,2 м. На столах обычно руч­ная сварка производится при токе силой до 600 А. Поэтому количество конвек­тивного тепла в сварочном факеле составит 10% общей тепловой мощности дуги:

QK = 1,022 1 дПд-0,1 = 0,1022X600 32 = 1920 Вт.

При наличии над панелью козырька, установленного под углом 30*» к горизонту, величина зоны всасывания я (или 3,14 радиан). При установке стола сварщика в кабине величина подвижности воздуха в рабочей зоне цеха нс превышает обычно 0,25 м/с и поэтому К® = 1,1 (см. рис. 25). На графике

рис. 18 по кривой для ф = я в зависимости от относительного размера I —■

1,2

=0″2*= 6 находим величину коэффициента К(= 1,25. Затем по формуле (31) при Ах = 0,4 м определяем необходимое количество удаляемого воздуха

з

Lo-^70 1,2-3,14-1,25-1,і/ 1920-0,42=2250 мз/ч. (32)

Приведенная методика расчета применялась ВИСПом при разработке ряда нижеописанных конструкций местных отсосов, встроенных в меха­ническое сварочное оборудование Широко применяются воронкооб­разные отсосы, устанавливаемые сбоку от зоны сварки (рис. 28). На основании использования интеграль­ного метода Л. Эйлера В. Р. Зайче­нко получена формула, позволяющая определить среднюю скорость воздуха v0 в плоскости всасывающего отвер­стия:

где уср — средняя по сечению скорость воздуха в

(36)

рср — средняя плотность газов в сварочном факеле в пределах раз­гонного участка, кг/м3, определяемая с учетом избыточной тем­пературы А/ в рассматриваемом сечении; F0 — площадь приемного отверстия отсоса, м2; £ — коэффициент местного сопротивления воронкообразного отсоса; ср — угол наклона плоскости приемного отверстия отсоса к горизонтальной плоскости, радиан; Р — угол между прямой, соединяющей центр всасывающего отверстия с точ­кой сварки и вертикалью, радиан.

Как видим, при определении эффективной скорости учитываются основные характеристики местного отсоса, положение точки сварки, а также характеристики сварочного факела. При расчете воронко­образных отсосов рекомендуется также вводить поправочный коэф­фициент К v> учитывающий отрицательное влияние подвижности воздуха в производственном помещении.

Для определения расхода воздуха (в м/с), удаляемого от укры­тия машин контактно-стыковой сварки, А. Г. Степановым получена формула

(37)

где Fy — площадь укрытия (кабины), м2; Fo6 — площадь укрытия, занимаемая сварочной машиной, м2; s — предельно допустимая концентрация сварочного аэрозоля в атмосфере, мг/м3; sB — кон­центрация сварочного аэрозоля в воздухе, поступающем в укрытие, мг/м8; Smax — удельное пылеобразование при стыковой сварке, мг/кг; GM — масса расплавляемого металла, кг; q — коэффициент приращения удельного пылевыделения, с/м2; т — время оплавления изделия, с; vm, — скорость движения воздуха, при которой уста­навливается постоянство пылевыделения, м/с.

Если знак дискриминанта отрицательный, то объем удаляемого воздуха (в м3/с) рекомендуется определять по формуле

(38)

Как видим, автор считает необходимым при расчете количества воз­духа учитывать динамику выделения вредных веществ в процессе сварки, введя в формулу (38) время т.