Проектирование системы вентиляции промышленного объекта: Структура и пример курсовой работы

Проектирование вентиляции для промышленных объектов, и в особенности для сварочных цехов, — это не вопрос комфорта, а ключевой элемент безопасности труда и стабильности технологического процесса. Системы вентиляции должны эффективно удалять вредные газы, аэрозольную пыль, избыточное тепло и влагу, что является критически важной задачей для производств, связанных со сваркой. Неправильно спроектированная система может привести к серьезным профессиональным заболеваниям и снижению качества выпускаемой продукции. Проектирование должно строго соответствовать нормативным документам, таким как СНиП и ГОСТ.

Цель этой статьи — предоставить студентам и начинающим инженерам пошаговый и исчерпывающий алгоритм выполнения курсовой работы по вентиляции. На примере сварочного цеха мы разберем все этапы: от сбора исходных данных и выполнения расчетов до подбора оборудования и оформления проектной документации. Этот материал поможет систематизировать знания и избежать типичных ошибок. Успешное проектирование начинается с тщательного анализа исходных условий. Перейдем к первому и самому важному этапу — сбору и систематизации данных.

Глава 1. Как собрать и проанализировать исходные данные для проекта

Любой качественный проект начинается с фундамента — скрупулезно собранных и проанализированных исходных данных. Этот этап формирует техническое задание, на основе которого будут выполняться все последующие расчеты. Ошибка здесь может обесценить всю дальнейшую работу. Основой для проекта служат архитектурно-строительные чертежи (планы этажей, разрезы), климатические данные региона строительства и детальное описание технологического процесса.

Для нашего примера — сварочного цеха — перечень ключевых параметров выглядит следующим образом:

• Геометрия помещения: Точные размеры — длина, ширина, высота до перекрытий, общая площадь и объем.
• Характеристики ограждающих конструкций: Материалы и толщина стен (внутренних и наружных), полов, перекрытий, а также тип и площадь остекления. Эти данные необходимы для расчета теплопотерь.
• Климатические параметры: Расчетные температуры, влажность и скорость ветра для теплого и холодного периодов года в регионе строительства (согласно СНиП «Строительная климатология»).
• Технологический процесс: Это самый важный пункт для промышленного объекта. Необходимо знать количество и мощность сварочных постов, типы сварки, расход сварочных материалов (электродов, проволоки), а также количество работников, их график и режим работы цеха.

Кроме того, необходимо строго соблюдать нормативные требования к параметрам микроклимата в рабочей зоне (температура, влажность, скорость движения воздуха) согласно действующим санитарным нормам. Когда все исходные данные собраны, наша следующая задача — определить, с какими «врагами» будет бороться наша система вентиляции, то есть рассчитать поступления тепла и вредных веществ.

Глава 2. Расчет теплового баланса и определение вредных выделений

На этом этапе мы переводим собранные данные на язык цифр. Наша цель — понять, сколько тепла помещение теряет зимой и получает летом, а также какое количество вредных веществ выделяется в процессе работы. Это обязательный раздел любого курсового проекта.

Теплопотери и теплопоступления

В холодный период года основной задачей является расчет теплопотерь. Они складываются из двух составляющих:

1. Теплопотери через ограждающие конструкции (стены, окна, крышу, пол). Они рассчитываются по формуле, учитывающей площадь конструкции, разницу температур внутри и снаружи, и коэффициент теплопередачи материала.
2. Теплопотери на нагрев инфильтрующегося (проникающего через щели) наружного воздуха.

В теплый период года мы, наоборот, рассчитываем избыточные теплопоступления. Основные источники явного тепла в сварочном цехе это:

• Работающее технологическое оборудование (сварочные аппараты).
• Люди, находящиеся в помещении.
• Системы искусственного освещения.
• Солнечная радиация, проникающая через окна.

Вредные выделения

Это ключевой аспект для сварочного цеха. В процессе сварки выделяется целый комплекс вредных веществ — сварочные аэрозоли (мелкодисперсные частицы) и различные газы (например, оксиды азота, угарный газ). Их количество напрямую зависит от типа сварки, марки используемых электродов или проволоки и интенсивности работы. Расчет массы выделяемых вредностей производится на основе справочных данных о расходе сварочных материалов и удельных показателях выделения вредных веществ на единицу массы материала. Зная, сколько тепла и вредностей нужно удалить, мы можем перейти к сердцу проекта — расчету необходимого воздухообмена.

Глава 3. Фундамент системы, или как рассчитать требуемый воздухообмен

Расчет воздухообмена определяет, какой объем воздуха необходимо подавать в помещение и удалять из него в час (м³/ч) для поддержания безопасных и комфортных условий. Это основа, на которой строится вся система. Существует несколько методик расчета, и выбор правильной зависит от специфики объекта.

Основные методы расчета воздухообмена:

• По кратностям: Самый простой метод, при котором требуемый объем воздуха определяется умножением объема помещения на нормативную кратность воздухообмена. Он часто применяется для административных помещений, но для производств с конкретными источниками вредностей является слишком грубым.
• На ассимиляцию избытков тепла: Этот расчет выполняется для теплого периода года. Его цель — определить, сколько воздуха нужно подать, чтобы «разбавить» избыточное тепло от оборудования, людей и солнца до нормативной температуры.
• На разбавление вредных выделений до ПДК: Это основной и самый важный метод для сварочного цеха. Зная массу вредных веществ, поступающих в воздух цеха (из Главы 2), мы рассчитываем объем воздуха, необходимый для их разбавления до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами.

Расчет по вредностям является определяющим, поскольку обеспечение химической безопасности воздуха в рабочей зоне — приоритетная задача.

Для сварочного цеха расчет разделяется на две части: сначала определяется производительность местных отсосов, которые должны улавливать основную массу вредностей прямо у источника, а затем рассчитывается производительность общеобменной вентиляции для ассимиляции оставшихся загрязнений и тепла. Важнейшим понятием здесь является воздушный баланс: объем приточного воздуха должен полностью компенсировать суммарный объем воздуха, удаляемого всеми вытяжными системами (местной и общеобменной). Расчет показал, что нам нужны две взаимодополняющие системы. Начнем проектирование с самой важной для сварочного цеха — локальной вытяжной вентиляции.

Глава 4. Проектирование местной вытяжной вентиляции для сварочных постов

Борьба с производственными вредностями наиболее эффективна, когда загрязненный воздух удаляется непосредственно в месте его образования, не успевая распространиться по всему объему помещения. Именно эту задачу решает местная вытяжная вентиляция. Для сварочных цехов ее наличие является обязательным. Правильно спроектированные местные отсосы способны улавливать до двух третей всех вредных выделений.

Существует несколько типов местных отсосов, применяемых для сварочных постов:

• Поворотно-вытяжные устройства (консольные рукава): Наиболее популярное решение. Представляют собой гибкий или шарнирный воздуховод, который рабочий может легко позиционировать непосредственно над зоной сварки.
• Вентилируемые сварочные столы: Рабочая поверхность стола имеет перфорацию, через которую загрязненный воздух отсасывается вниз.
• Вытяжные зонты: Размещаются над стационарными сварочными постами, но их эффективность ниже, чем у рукавов, из-за большого расстояния до источника.

Расчет производительности, например, для вытяжного рукава, основан на определении необходимой скорости всасывания воздуха в его приемном сечении. Эта скорость должна быть достаточной, чтобы преодолеть конвективный поток от сварочной дуги и эффективно захватить дым и газы. Зная требуемую скорость и площадь сечения, мы легко определяем необходимый расход воздуха. Далее на схеме производится трассировка воздуховодов от каждого сварочного поста к общему сборному коллектору, который, в свою очередь, подключается к вентилятору. Местные отсосы удалили основную часть загрязнений. Теперь нужно спроектировать систему, которая будет поддерживать нормативные параметры воздуха во всем объеме цеха.

Глава 5. Конструирование общеобменной приточно-вытяжной системы

Если местные отсосы — это «хирургический» инструмент для точечного удаления вредностей, то общеобменная вентиляция — это система, обеспечивающая общее «здоровье» воздушной среды в цехе. Ее основные задачи:

1. Удаление оставшейся трети вредных выделений, которые не были уловлены местными отсосами и попали в объем помещения.
2. Ассимиляция избыточного тепла от оборудования и технологических процессов.
3. Компенсация воздуха, удаленного местными и общеобменными вытяжными системами, путем организованной подачи свежего воздуха.

Схема организации воздухообмена для сварочного цеха, как правило, стандартна. Приточный воздух, очищенный и подогретый в зимний период, подается непосредственно в рабочую зону (на высоте 1.5-2 метра). Вытяжка организуется из верхней зоны помещения. Такая схема обусловлена законами физики: нагретый в процессе сварки загрязненный воздух как более легкий поднимается вверх, где его и улавливают вытяжные решетки. Производительность приточной и вытяжной систем определяется на основе воздушного баланса, рассчитанного в Главе 3. Отдельное внимание уделяется подбору и расчету воздухораспределительных устройств (приточных решеток и диффузоров), чтобы подача воздуха происходила равномерно и не создавала сквозняков на рабочих местах. Мы определили производительность всех систем и наметили трассы воздуховодов. Следующий шаг — выполнить аэродинамический расчет, чтобы «заставить» воздух двигаться по этим трассам с нужной скоростью.

Глава 6. Аэродинамический расчет как способ оживить систему

Аэродинамический расчет — это неотъемлемая часть проектирования, позволяющая превратить набор линий на чертеже в работающую инженерную систему. Его главная цель — подобрать такие размеры (сечения) воздуховодов, которые обеспечат транспортировку требуемого расхода воздуха к каждой точке системы при минимально возможных потерях давления. Также расчет позволяет удержать скорость воздуха в воздуховодах в пределах допустимых значений для предотвращения избыточного шума.

Процесс расчета выполняется пошагово для каждой системы (например, для местной вытяжной) и выглядит следующим образом:

1. Построение аксонометрической схемы: Вся сеть воздуховодов изображается в виде наглядной трехмерной схемы.
2. Разбивка на расчетные участки: Схема разбивается на участки с постоянным расходом воздуха. Участок — это отрезок воздуховода между двумя тройниками, отводами или другим фасонным элементом.
3. Определение параметров для каждого участка:
   • Рассчитывается расход воздуха, проходящий через участок.
   • Задается рекомендуемая скорость движения воздуха (из справочных таблиц).
   • На основе расхода и скорости вычисляется требуемая площадь сечения воздуховода и подбирается его стандартный размер.
   • Рассчитываются потери давления, которые складываются из потерь на трение воздуха о стенки воздуховода и потерь в местных сопротивлениях (повороты, сужения, тройники).
4. Увязка ветвей: Если в системе есть параллельные ветви, потери давления в них должны быть примерно одинаковыми. Это достигается установкой дросселирующих диафрагм или изменением сечений воздуховодов.

Итогом расчета является определение общего сопротивления сети — это суммарные потери давления в самой нагруженной ветви системы. Именно эта величина (в Паскалях, Па) потребуется нам для главного шага — подбора вентилятора. Теперь, когда мы знаем, какой расход воздуха и какое давление должна развивать каждая система, мы можем приступить к самому ответственному этапу — подбору оборудования.

Глава 7. Сердце и легкие системы, или как подобрать основное оборудование

На основе выполненных расчетов мы можем приступить к выбору конкретных моделей оборудования. Подбор осуществляется по каталогам заводов-производителей. Ключевыми элементами любой приточно-вытяжной системы являются вентилятор, калорифер и фильтр.

Вентилятор

Вентилятор — это сердце системы, создающее движущую силу для потока воздуха. Его подбирают по так называемой «рабочей точке», которая имеет две координаты:

• Требуемый расход воздуха L (м³/ч), определенный при расчете воздухообмена.
• Полное сопротивление сети P (Па), полученное в результате аэродинамического расчета.

Используя эти два значения, на графике аэродинамических характеристик вентилятора (который есть в каждом каталоге) находят точку их пересечения. Эта точка должна лежать в рабочей зоне характеристики. По ней определяют типоразмер вентилятора, необходимую скорость вращения его рабочего колеса и потребляемую электрическую мощность.

Калорифер (воздухонагреватель)

Это «легкие» приточной системы, отвечающие за подогрев наружного воздуха в холодный период года до требуемой температуры. Сначала рассчитывается его тепловая мощность (в кВт). Она зависит от расхода воздуха и разницы температур наружного воздуха (например, -25°C) и воздуха, подаваемого в цех (+18°C). Затем по каталогу подбирается модель калорифера (водяного или электрического), способная обеспечить эту мощность.

Фильтр

Очистка приточного воздуха от пыли обязательна, чтобы защитить как здоровье людей, так и само оборудование (в первую очередь калорифер) от загрязнения. Фильтр подбирается по требуемой производительности (м³/ч) и необходимому классу очистки. Все подобранное оборудование заносится в итоговую спецификацию проекта. Проект практически готов. Осталось грамотно оформить результаты нашей работы.

Глава 8. Визуализация проекта через графическую часть

Графическая часть курсовой работы — это язык инженера, позволяющий наглядно представить принятые проектные решения. Она должна быть не только технически грамотной, но и аккуратно оформленной, так как именно по чертежам будут монтировать систему в реальности. Проекты всегда включают в себя планы и схемы.

Стандартный состав графической части для проекта вентиляции цеха включает:

• План помещения с нанесенными системами вентиляции. На плане этажа показывают трассировку воздуховодов приточной и вытяжной систем, места установки основного оборудования (вентиляторы, приточные установки), расположение воздухораспределительных и вытяжных устройств (решеток, местных отсосов).
• Аксонометрические схемы систем. Это объемное изображение каждой системы в отдельности (например, схема приточной системы П1, схема местной вытяжной системы ВМ1). На схемах указывают размеры воздуховодов, расходы воздуха по участкам и отметки высот.

Все чертежи должны выполняться в строгом соответствии с требованиями ГОСТ 21.602 «Правила выполнения рабочей документации отопления, вентиляции и кондиционирования». Этот стандарт определяет условные графические обозначения элементов систем, правила нанесения выносок, маркировки и спецификаций. Как правило, чертежи компонуются на одном или нескольких листах большого формата (например, А1), чтобы обеспечить их информативность и хорошую читаемость. Чертежи готовы. Финальный штрих — это систематизация всех расчетов и описаний в пояснительной записке.

Заключение

В рамках данного руководства мы последовательно прошли все ключевые этапы курсового проекта по вентиляции сварочного цеха: от сбора исходных данных и расчета вредных выделений до аэродинамического расчета и подбора основного оборудования. В результате была спроектирована комплексная система, состоящая из эффективной местной вытяжной вентиляции для удаления загрязнений от сварочных постов и общеобменной приточно-вытяжной системы для поддержания нормативных параметров микроклимата во всем объеме помещения. Такой подход гарантирует соблюдение санитарно-гигиенических норм в рабочей зоне.

Все расчеты, обоснования принятых решений, спецификации оборудования и использованные нормативные документы сводятся в единый документ — пояснительную записку (ПЗ). Ее объем для подобного проекта может достигать 60-80 страниц. Завершается работа выполнением графической части.

Следует помнить, что грамотно выполненный курсовой проект — это не просто очередная учебная задача. Это первый серьезный шаг к профессии инженера-проектировщика, на котором лежит ответственность за создание безопасной, здоровой и продуктивной среды для людей.

Список литературы

1. СНиП 2.04.05-91 (2003) «Отопление, вентиляция и кондиционирование»;
2. СН 245-71 «Санитарные нормы проектирования проимышленных предприятий»;
3. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»;
4. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология»;
5. «Руководство по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха» в редакции Б.А. Крупнова и Шарафадинова.
6. Отопление, вентиляция и кондиционирование объектов промышленного комплекса и жилищно-коммунальных хозяйств: Учебник для вузов. – 2е изд. – СПБ.: Политехника, 2007. – 423.:ил.
7. А. Бекер, «Системы вентиляции», Москва.: Техносфера, Евроклимат, 2005. – 232с.