МЕТОДЫ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 62

А.С. Попова

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ

В работе рассмотрены методы очистки и обеззараживания воздуха в системах вентиляции, рассмотрены различные параметры процессов и их проблематика.

Ключевые слова: микроклимат, системы вентиляции, обеззараживание, фильтрация.

Вентиляция чистого помещения имеет своим назначением имеет те же цели, что и вентиляция любого другого помещения, она поддерживает микроклимат в нем, то есть обеспечивает определенные значения температуры, влажности, иногда давления. Но для технологически чистых помещений установлены жесткие нормы по загрязнению вентиляционного воздуха. Правила стерильности необходимо соблюдать еще на стадии выбора строительных материалов, конструкций. Они не должны с течением времени осыпаться и выделять даже мельчайшие частицы.

Строгие правила стерильности необходимо соблюдать в некоторых помещениях медицинских учреждений, в помещениях фармацевтического производства, а также в электротехнической промышленности.

Любому технологически чистому помещению назначается класс чистоты. Требуемый класс помещения принимается в зависимости от задач, реализуемых в нем.

В атмосферном воздухе всегда присутствуют различные примеси, многие из них классифицируются к группе загрязнений. Различают физические, механические и биологические загрязнения воздуха.

К механическим загрязнениям относят твердые частицы разных размеров и отличных по составу, например, свинец, пыль, ртуть. Механические примеси атмосферного воздуха образуются в процессах горения органического топлива (угля, дров, в том числе при неорганизованном горении - пожаре), при производстве различных строительных материалов, в результате естественных процессов разрушения горных пород - причин образования механических примесей множество.

Физическое загрязнение атмосферы бывают световые (воздействие искусственных источников), тепловые (выброс горячих газов), шумовые, электромагнитные, радиоактивные. Загрязнения атмосферы биологическими загрязнениями происходит вследствие размножения микроорганизмов в результате антропогенной деятельности.

Разные загрязнения отличаются воздействием и свойствами. Токсичными веществами в атмосферном воздухе являются: СО (окись углерода), NOx (оксиды азота), SO2 (диоксид серы), пылевые частицы, различные углеводороды.

По механизму образования и источнику различают вторичные и первичные загрязнения атмосферного воздуха. Первичными являются химические вещества, поступающие в воздух напрямую из источников, где образуются. Вторичные вещества образуются из-за химических реакций, происходящих в атмосфере из первичных выбросов, которые вступают во взаимодействия между собой, а также с компонентами воздуха, при влиянии ультрафиолетового излучения. Нередко бывает, что вторичные загрязнители существенно токсичнее первичных веществ, выбрасываемых в воздух. Правда, и обратное случается нередко, когда атмосфера нейтрализует выбрасываемые вещества.

С учетом токсичности, распространенности, а также опасности загрязнителей, они классифицируются на группы:

-основные (критериальные) вещества, загрязняющие атмосферу: фотохимические оксиданты, углеводороды, диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, твердые частицы;

-ароматические полициклические углеводороды (ПАУ);

-твердые частицы, характеризующиеся абразивными свойствами;

-следы различных элементов (например, металлы, а также их оксиды);

-пестициды;

-постоянные газы (фторхлорметаны, диоксид углерода и пр.);

© Попова А.С., 2021.

Научный руководитель: Угорова Светлана Вениаминовна - зав.кафедрой ТГВиГ, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.

-загрязнители, оказывающие разностороннее воздействие на живой организм (альдегиды, озон, по-лихлорированные бифенилы (ПХБ), нитраты, нитрозамины, сульфаты и пр.).

По уровню опасности загрязняющие вещества классифицируют на четыре класса:

-IV класс - вещества мало опасные;

-III класс - вещества умеренно опасные;

-II класс - вещества высоко опасные;

-I класс - вещества чрезвычайно опасные.

Вредное вещество относят к тому или иному классу опасности по показателю, величина которого соответствует наиболее высокому классу.

Загрязняющие воздух частицы классифицируют еще и по степени дисперсности, то есть по размеру частиц.

Принято различать первичные размеры частиц, свойственные им в момент их образования, а также размеры агрегатированных частиц, если при выбросе происходит агломерация примесей.

В технике защиты окружающей среды имеется понятие о стоксовских размерах частиц, под которыми понимают размер сферической частицы, которая обладает такой же скоростью седиментации, как и рассматриваемая частица неправильной формы. Для выявления дисперсного состава загрязнений производится анализ фракционного состава загрязнений воздуха.

Фракцией считается относительная доля частиц, размеры которых находятся в определенном интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов. Когда процентное содержание каждой из фракций разделить на разность размеров частиц, принятых в качестве граничных, и найденные значения отложить в системе координат, как ординаты точек, абсциссы которых равны среднему для соответствующих фракций размеру частиц, то через полученные точки можно провести плавную дифференциальную кривую распределения частиц по размерам, которая показана на рисунке.

Рис. 1. Дифференциальное распределение частиц по размерам

Для технологических расчетов, где учитываются результаты дисперсионных анализов, удобно аналитическое представление функций распределения частиц по размерам. Ненарушенные распределения частиц по первичным размерам чаще всего являются логарифмически-нормальными и могут быть представлены в виде следующего выражения:

%= 1--е (1)

где 4 — удельное содержание частиц с размерами dч;

^Сч - среднее квадратичное отклонение в функции данного распределения;

^^чМщ) - логарифм отношения размера частиц к медианному для данного распределения размеру, который является таким размером, при котором количество частиц крупнее dm равно количеству частиц мельче

dm.

Интегральная кривая для частиц с логарифмически-нормальным распределением может быть записана в виде следующего выражения:

100

,„2/4

lg 4,

* (Х,)

ч —да

или:

D(4ч-i е ^(^) (2)

i nn lgd- -lg ()

R(dч) = ■ i е 2lg2- d(lgd4) (3)

Если прибегнуть к подстановке ^ = ^ иш у, то уравнения примут вид:

D(d- )=^ J е-^d(t)

2 ИГЛ (4)

R (dч ) = ^ ■ J еМ (t)

t2

2Л(Л (5)

100

или:

100

Введение аналитических функций распределения дают возможность автоматизировать процесс расчета систем очистки воздуха, используя компьютерную технику.

Вычисление функций распределения тех или иных аэрозолей позволяет прогнозировать эффективность работы очистного оборудования, дает информацию и понимание о процессах взаимного влияния загрязнителей атмосферного воздуха.

Методы очистки воздуха от пылевых частиц

Очистка воздуха для систем вентиляции производится в фильтровальных установках. Множество систем выполняются многоступенчатыми.

Воздушные фильтры классифицируют на четыре категории в зависимости от степени очистки атмосферного воздуха:

-фильтры сверхвысокой эффективности (Ш7, Ш6, Ш5); -фильтры высокой эффективности (Н14, Н13, Н12, Н11, Н10); -фильтры тонкой очистки (Б9, F8, F7, F6, F5); -фильтры грубой очистки ^4, G3, G2, G1).

Первой ступенью в системах фильтрации устанавливаются фильтры грубой очистки воздуха, они производят первичную очистку воздуха. Для грубой очистки применяют рулонные, панельные, карманные, кассетные фильтры с наполнением в виде гофрированных листов, перфорированной сетки, полиэст-ровых или тканевых материалов.

Аппараты тонкой очистки применяются для следующего шага очистки воздуха, более качественной по сравнению с грубыми префильтрами. Как правило, это ячейковые модели с различным наполнением. К этой категории принято относить кассетные жироулавливающие фильтры, которые применяют в вытяжной вентиляции, а также ячейковые аппараты специального назначения.

Наполнителем для фильтров сверхвысокой и высокой эффективности очистки преимущественно является клееная бумага, состоящая из очень тонких волокон, покрытых гидрофобным составом, стекловолокно, активированный уголь в форме наполнения или засыпки картриджа.

Многие воздушные фильтры выполняются сухими или имеют смоченную растворами или маслами фильтрующую поверхность, что добавляет эффективности в деле осаждения загрязнений на фильтрующих элементах.

Характеристическими показателями любого фильтра являются следующие:

-рабочая эффективность, представляющая собой отношение количества уловленной пыли к суммарному количеству частиц перед фильтром;

-минимальный размер фракций частиц, улавливаемый аппаратом полностью;

-аэродинамическое сопротивление;

-производительность;

-максимально допустимая величина аэродинамического сопротивления, которая учитывается при определении времени работы;

-пылеемкость, количество загрязнений, которые могут быть уловлены фильтром на единицу объема или площади

-долговечность.

Сейчас на рынке вентиляционной техники представлено множество моделей для воздуховодов различной формы и сечения.

В диссертационной работе производится сравнение нескольких фильтровальных материалов высокого класса очистки. Для сравнения выбраны фильтр НЕРА класса Н14, фильтр ULPA класса U15 и мембранный фильтр.

НЕРА-фильтр представляет собой пластиковый или металлический корпус, в который помещается фильтрующий материал, сложенный гармошкой. Фильтрующие волокна имеют толщину от 0,45 до 4,5 мкм. Расстояние между волокнами от 4 до 45 мкм. Воздух проходит через фильтр, а частицы загрязнений застревают между волокнами, работает так называемый эффект зацепления. НЕРА-фильтр улавливает частицы от 0,25 мкм. С течением времени при работе НЕРА-фильтра, он собирает частицы, накапливает их. При этом сначала происходит рост эффективности, поскольку уловленная пыль тоже становится фильтровальным агентом и улавливает другие частицы, а затем эффективность резко падает из-за срыва уже уловленных частиц и уноса их потоком воздуха. Аэродинамическое сопротивление при этом неуклонно возрастает, и фильтр необходимо заменять. Регенерации фильтры такого класса не подвергаются.

Таблица 1

Характеристики НЕРА ( шльтров разных классов

Класс фильтра Эффективность очистки воздуха, %

Н14 от 99,995

Н13 от 99,95

Н12 от 99,5

Н11 от 95

Н10 от 85

Фильтр ЦЬРА сверхвысокоэффективной очистки воздуха классов Ш5-Ш6 - это высоко эффективные фильтры финишной очистки воздуха систем кондиционирования.

Конструктивно фильтры ЦЬРА состоят из корпуса, сделанного из алюминиевого профиля и фильтрующего пакета, состоящего из миниплиссированного стекловолокнистого материала. На выходной плоскости установлена поддерживающе-защитная металлическая сетка, которая вместе с фильтрующим пакетом герметизирована в металлической рамке-корпусе.

Таблица 2

Характеристики ULPA ф шльтров разных классов

Класс фильтра Эффективность очистки воздуха, %

U17 от 99,9995

U16 от 99,99995

U15 от 99,999995

Рассматриваемые далее фильтрующие элементы ЭКОПОР-Б^ имеют своим назначением удаление бактерий, а также других загрязнений размером более 0,2 мкм из воздуха. Фильтровальный материал является гидрофобной пористой мембраной, которая изготовлена из политетрафторэтилена (PTFE).

Сравнение фильтровальных материалов необходимо производить по комплексу показателей. Самое главное, они должны обеспечивать требуемую степень очистки воздуха, создавать не высокое аэродинамическое сопротивления, быть приемлемыми по стоимости и удобству использования.

Методы обеззараживания воздуха

Процесс обеззараживания воздуха направлен на уничтожение в нем болезнетворных микроорганизмов. При этом в воздухе убивается вся органика.

Метод ультрафиолетового облучения воздуха широко применяется для его обеззараживания. Ультрафиолетовое излучение представляет собой электромагнитное излучение, которое охватывает длины волн в диапазоне от 0,1 до 0,4 мкм оптического спектра электромагнитных колебаний, значит, между рентгеновским и видимым излучением. Виды ультрафиолетового излучения по одной из общепринятых классификаций показаны в таблице.

Таблица 3

Виды ультрафиолетового излучения_

Название Спектр Длина волны, нм Энергия фотона, эВ

Вакуумный VUV 200 - 10 6,2 - 124

Экстремальный EUV, XUV 121 - 10 10,2 - 124

Дальний FUV 200 - 122 6,2 - 10,2

Средний MUV 300 - 200 4,13 - 6,2

Ближний NUV 400 - 300 3,1 - 4,13

Использование ультрафиолетового спектра излучения набирает популярность среди инженеров, создающих системы обеззараживания, поскольку является простым способом инактивации бактерий, вирусов и грибков. Термин «инактивация» принят к применению для обозначения такой обработки микроорганизмов, после которой происходит потеря ими способности к размножению. Многие микроорганизмы погибают при обработке ультрафиолетом.

Для бактерицидной обработки используют ультрафиолетовое излучение, длина волны которого лежит в диапазоне от 0,205 до 0,315 мкм. Такое излучение приводит к фотохимическому деструктивно-модифицирующему повреждению ДНК клеток микроорганизма. Такие изменения в ДНК микроорганизмов имеют эффект накопления, что впоследствии приводит к нарушению процессов размножения, а также к дальнейшему вымиранию. Проведенные множественные исследования доказали, что максимальный бактерицидный эффект наблюдается в очень узком диапазоне длины волны от 253 до 255 нм.

Живые клетки микроорганизмов по-разному реагируют, получая ультрафиолетовое облучение, реакция зависит от длин волн излучения и особенностей самого микроорганизма.

Технически ультрафиолетовая бактерицидная обработка вентиляционного воздуха осуществляется с использованием излучательного оборудования, генерирующего соответственное излучение в заданном диапазоне длины волны. Принцип работы излучателя основан на прохождении электрического разряда сквозь слой разреженного специального газа, который находится внутри герметичного корпуса, в процессе чего происходит излучение.

Оборудование для обработки воздуха представлено облучателями, бактерицидными лампами, а также комплексными установками. Бактерицидная лампа представляет собой источник излучения, генерирующий преимущественно бактерицидное излучение, производящий волны с длиной в диапазоне от 205 до 315 нм. Самыми распространенными являются ртутные разрядные лампы низкого давления, в них процесс электрического разряда в аргоно-ртутной смеси преобразуется в излучение, длина волны которого равна 253,7 нм. Ртутные разрядные лампы характеризуются большим сроком службы, порядка восьми тысяч часов. Производятся также лампы ртутные высокого давления, характеризующиеся большой мощности единицы (от 100 Вт до 1 кВт), при этом обладающие небольшими габаритными размерами. Использование ламп большой мощности позволяет сократить их количество в бактерицидной установке. Однако, лампы большой единичной мощности имеют существенно меньший срок службы, при этом из бактерицидная эффективность в пересчете меньше, чем у ламп низкого давления, поэтому их используют крайне редко.

Лампы ультрафиолетового излучения есть в линейке, пожалуй, у всех крупных электроламповых фирм (Osram, Radium, Sylvania, Philips и пр.). В России выпуск бактерицидных ламп ультрафиолетового излучения налажен у следующих производителей: ОАО СКБ «Ксенон» (город Зеленоград), ООО «ВНИСИ» и НПО «ЛИТ» (город Москва), ОАО «Лисма-ВНИИИС» (город Саранск) и другие. Номенклатура ламп весьма широка и разнообразна, выпускаются лампы для установок различного назначения: для обработки воздуха, воды, поверхностей, материалов.

Совершенно отдельным классом оборудования являются бактерицидные установки, входящие в состав агрегатов для подготовки воздуха центральных систем вентиляции и кондиционирования. В таком случае система обеззараживания предусматривается не в каждом помещении, а в приточной камере. В некоторых случаях, бактерицидные установки требуется предусматривать и на вытяжных системах, когда в обслуживаемом помещении идет работа, сопровождающаяся с вероятностью попадания микроорганизмов в воздух вытяжной вентиляции (исследовательские лаборатории, боксы инфекционных больниц и пр.), тогда вытяжной воздух требуется обеззараживать для защиты окружающей среды.

Для производственных помещений существуют нормативные требования по обеззараживанию воздуха. Для технологических помещений обеззараживание воздуха должно проводиться обязательно.

Помещения, в которых предусматривается установка бактерицидных агрегатов, классифицируют на две группы:

-обеззараживание воздуха производится в присутствии людей, установки работают непрерывно в течение рабочего времени, используются внутренние ультрафиолетовые установки, в которых облучатели закрыты и нет вероятности облучения людей;

-обеззараживание воздуха производится в то время, когда помещение пустое, в нем нет людей, в таком случае используются бактерицидные установки открытого типа, оснащенные открытыми или комбинированными облучателями, расчетное время периодичности нахождения людей в помещении и обработки его для обеззараживания вычисляется с учетом процессов, происходящих в помещении.

Функционирование бактерицидных установок может сопровождаться генерацией озона из кислорода воздуха, что в высоких концентрациях вредно для человека. Это нужно учитывать при использовании такого типа обеззараживания воздуха и контролировать концентрацию озона в воздухе.

Сравнение различных установок для обеззараживания воздуха представлено в таблице.

Таблица 4

Сравнительная характеристика систем обезза

заживания воздуха

Установка Назначение Технология Эффективность Режим работы

бактерии и вирусы грибы (плесневые и дрожжевые) летучие органические соединения Запахи

Фотокаталитические воздухоочистители Очистка и обеззараживание воздуха Уничтожение микроорганизмов за счет разрушения клеточных стенок. Разлагает органические соединения до простых веществ. Все Все Разлагает до безопасных веществ Да ПЛ*

Ионные электростатические воздухоочистители Очистка и обеззараживание воздуха Притяжение частиц аэрозоля при прохождении через пластины ионизатора Все Все Нет Нет ПЛ

УФ-облучатели рециркуляционного типа Обеззараживание воздуха Уничтожение микроорганизмов за счет повреждения ДНК клеточного ядра, длина волны 220-254 нм Все Нет Нет Нет ПЛ

УФ-лампы (без рециркуляции) Обеззараживание в-ха и поверхностей Уничтожение микроорганизмов за счет повреждения ДНК клеточного ядра, длина волны 220-254 нм В зоне действия лампы Нет Нет Нет ОЛ

Импульсные ксеноновые УФ-облучатели Обеззараживание в-ха и поверхностей Вызывает деструктивное воздействие на нуклеиновые кислоты, белки, мембраны и пр. Длина волны 200-700 нм. В зоне действия лампы Все Нет Да ОЛ

Аэрозольные генераторы Обеззараживание в-ха и поверхностей Воздействие на микроорганизмы дезинфицирующими средствами. Механизм зависит от свойств раствора. Все Зависит от свойств раствора. Зависит от свойств раствора. Да ОЛ

Озоновые генераторы Обеззараживание в-ха и поверхностей Уничтожение микроорганизмов за счет разрушения клеточных стенок. Разлагает органические соединения до простых веществ. Все Все Разлагает до безопасных веществ Да ОЛ

Примечание: *ПЛ - непрерывный в присутствии людей; ОЛ - в отсутствии людей

Для обеззараживания воздуха можно применять различные технологии, причем и параллельно, и последовательно в зависимости от поставленных задач. Каждая из возможных технологий характеризуется преимуществами и недостатками, которые нужно учитывать при выборе тех или иных систем и технологий, а также при эксплуатации полученных систем. Ведь важно не только грамотно установить и запустить систему, но и правильно ее обслуживать (менять фильтры, проверять лампы и пр.) для долгой правильной работы оборудования.

Библиографический список

1.Неумержицкая Н.В. Оценка фракционного состава, формы частиц и концентрации древесной пыли в атмосферном воздухе // ИВД. 2018. №1 (48).

2.Ветошкин А.Г. Теоретические основы защиты окружающей среды: учебное пособие / А.Г. Ветошкин. М.: Высшая школа, 2008. - 397 с.

3.Коузлов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / П.А. Коузлов. М.: Химия, 1987. - 264 с.

4.Тимонин, А.С. Инженерно-экологический справочник: в 3 томах / А.С. Тимонин. Калуга: Н. Бочкаревой, 2003. Т.1. - 917 с.

5.Голубцов А. А. Критерии рационального выбора оборудования обеззараживания воздуха в системе стандартов оснащения «Чистых помещений» ЛПУ // Менеджер здравоохранения. 2012. №10.

6.Уляшева В.М., Анисимов С.М., Михайлов Е.В. Совершенствование очистки воздуха в системах обеспечения микроклимата чистых помещений // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. 2019. №2.

ПОПОВА АНАСТАСИЯ СЕРГЕЕВНА - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.