CC BY
66
Обоснование и выбор организации воротного проёма в сельскохозяйственных производственных помещениях
Н.А. Старикова, аспирантка, Челябинская ГАА
Оптимальное или допустимое тепловое состояние организма обеспечивает эффективную работу операторов на рабочем месте, поэтому показатели микроклимата в помещении должны обеспечивать сохранение теплового баланса человека с окружающей средой [1]. В холодное время года наиболее существенные изменения параметров среды в производственных помещениях происходят за счёт проникновения воздушных масс через открытые воротные проёмы [2]. В связи с этим, большое значение при создании нормальных условий труда в производственных сельскохозяйственных помещениях имеет не только конструкция, но и правильная организация воротного проёма.
Многие десятилетия воротные проёмы большинства сельскохозяйственных помещений (95—97%) оборудуются распашными воротами с деревянным щитовым полотном. Это обусловлено их дешевизной и возможностью изготовления
своими силами в хозяйстве. Весьма небольшой процент воротных проёмов в сельскохозяйственных производственных помещениях оборудован откатными воротами. Практически существующие ворота не механизированы. Устройства, препятствующие проникновению потока холодного воздуха (такие, как завесы, тамбуры и др.), используются в единичных случаях. Это приводит к поступлению большого количества атмосферного воздуха через открытый воротный проём, что отрицательно сказывается на микроклиматических параметрах в помещении в холодное время года (снижается температура, повышается влажность, скорость движения воздуха). Это значительно ухудшает условия труда на рабочих местах и снижает производительность [2].
Количество воздуха, поступающего в помещение через воротный проём здания, зависит от ряда факторов, в том числе от конструктивных особенностей воротного проёма и времени, когда ворота открыты при технологических операциях [3]. Рассмотрим закономерности по-
ступления воздуха в помещения через три типа организации воротных проёмов: 1) оборудованные распашными воротами; 2) оборудованные откатными немеханизированными воротами; 3) оборудованные откатными механизированными воротами с воздушно-тепловой завесой (ВТЗ).
Количество воздуха, врывающегося в воротный проём здания, зависит от ветрового давления на стену здания (ветра), размеров воротного проёма и времени, в течение которого ворота открыты. Это количество выражается формулой [4]:
Ь = К т• У„.
(1)
где Ь — количество воздуха, врывающегося в воротный проём здания, м3;
Уе — скорость набегающего потока, м/с;
Уе — площадь открытого воротного проёма, м2;
т — время, в течение которого воротный проём открыт, с.
Из аэродинамики (гидравлики) известно [5], что давление набегающего потока (ветра) равно:
Р =к •
р •У2
(2)
где Рв — давление набегающего потока на стену здания, Па;
к — аэродинамический коэффициент, характеризующий тип воротного проёма (он одинаков для геометрически подобных проёмов, не зависит от скорости ветра, но зависит от его направления и угла [5]);
Уе — скорость набегающего потока, м/с; р — плотность наружного воздуха, кг/м3.
Из формулы (2) определяем квадрат скорости ветра:
2-Р
к • р
(3)
Из равенства (3) находим действительную скорость ветра:
Ув
(4)
Подставив значение скорости ветра из уравнения (4) в формулу количества воздуха, врывающегося в воротный проём здания (1), получим, что:
(5)
Поскольку были изучены аналогичные типовые сельскохозяйственные помещения, воротные проёмы по размеру были также аналогичны. Поэтому площадь открытого проёма Уе для всех описываемых воротных проёмов одинакова.
Из уравнения (1) видно, что Ь = /(т). То есть количество поступающего в воротный проём воздуха прямо пропорционально времени поступления воздушных масс через открытые ворота. Чем длительнее ворота будут открыты, тем больше холодного воздуха поступит через них. Известно, что время поступления воздушных масс через немеханизированные ворота больше, чем через механизированные [6]. В этом случае за счёт механизации процесса открывания — закрывания ворот т1 > т3, т2 > т3, где т1 — время поступления воздуха через распашные ворота, т2 — время поступления воздуха через откатные ворота без механизации и т3 — время поступления воздуха через откатные механизированные ворота. Причём установлено, что т1 > т2 [6].
Обозначим аэродинамический коэффициент для воротного проёма, оборудованного распашными воротами через кь откатными через к2, откатными воротами с ВТЗ через к3. Так как воротные проёмы во втором и третьем случаях геометрически подобны, то к2 = к3. То есть количество поступающего воздуха через эти проёмы должно быть одинаково при равных размерах ворот и времени поступления воздуха. Следует отметить, что расчёт количества воздуха, врывающегося в воротный проём здания, подобным образом ведётся для ворот, не оборудованных воздушно-тепловой завесой. Поэтому количество поступающего воздуха через такие ворота равным не будет, поскольку третьи ворота оснащены ВТЗ.
Для ворот с завесой количество прорывающегося в ворота воздуха (Ьз) определяется по формуле:
(6)
где ^ коэффициент расхода воздуха через ворота, защищённые завесой (^ = 0,1—0,8). ^ — величина, обратно пропорциональная квадратному корню коэффициента сопротивления £ [7].
Учитывая скорость ветра по равенству (4), найдём формулу количества воздуха, прорывающегося в ворота, оснащённые ВТЗ:
Из уравнения (5) видно, что количество воздуха, врывающегося в воротный проём здания, зависит не только от площади воротного проёма Уе и времени, когда ворота открыты т, но и будет различным в зависимости от аэродинамического коэффициента к, то есть от типа конструкции воротного проёма.
(7)
Это количество будет меньше, чем для ворот, не оборудованных завесой, так как учитывается значение коэффициента расхода (^<1).
Если количество воздуха, врывающегося в воротный проём здания, оборудованного распашными воротами, обозначить через Ь1, от-
катными — Ь2, механизированными откатными с ВТЗ — через Ь3, то с учётом аэродинамического коэффициента к, характеризующего тип проёма, и коэффициента расхода для ворот, оборудованных ВТЗ (^), формулы (5) и (7) для каждого типа воротного проёма примут вид:
А = К т
Ь2 = Рв • т
4 = ц- Рв -т
(8)
(9)
(10)
Анализируя вышеизложенное, получим следующее неравенство:
¿1 > ¿3 < ¿2.
(11)
В этом случае Ь1 > Ь2 и Ь1 > Ь3; Ь2 > Ь3.
Таким образом, теоретически обосновано предположение, что количество воздуха, врывающегося в здание через воротный проём, оборудованный откатными механизированными воротами с воздушно-тепловой завесой, меньше, чем через воротные проёмы, оборудованные распашными или откатными немеханизированными воротами без завесы.
Данный факт подтверждается и аэродинамическими закономерностями образования различных спектров натекания потоков при разных конструкциях воротных проёмов. Так, при открытых распашных воротах формируется картина воздушных потоков, отражённая на рисунке 1, когда ворота открыты под углом около 90° к стеновому проёму.
цепляющими элементами, неустойчивость такого расположения из-за напора ветра и их центра тяжести).
Поэтому, как правило, распашные ворота открываются довольно широко, практически вдоль стенового проёма, и там фиксируются специальными упорами (рис. 2). При этом образуется картина набегающих потоков, подобная той, что формируется у откатных ворот, уходящих вдоль стены при открытии (рис. 3).
Рис. 2 - Принципиальная схема натекания воздуха
при полностью открытых распашных воротах: 1 - полотно ворот; 2 - стена здания
Рис. 1 - Принципиальная схема натекания воздуха
при открытых под углом распашных воротах:
1 - полотно ворот; 2 - стена здания
Открытое полотно в этом случае перекрывает часть натекающего потока, отсекая и предотвращая попадание некоторого количества наружного воздуха в проём. Однако такое расположение ворот нетипично и редко используется в связи с непрактичностью и небезопасным расположением створки (есть риск смещения полотна
Рис. 3 - Принципиальная схема натекания воздуха при открытых откатных воротах:
1 - полотно ворот; 2 - стена здания
При таком положении ворот натекание воздуха происходит как по центру, так и с периферии, воздух подтекает вдоль стен и втягивается в общий поток. То есть та часть воздушных масс, которая отсекалась воротным полотном при его открытии под углом, тоже проникает в помещение.
При открытых откатных воротах (рис. 3) видна аналогичная закономерность поступления воздушных потоков в помещение.
Иная картина наблюдается при наличии в воротном проёме воздушной завесы. В этом случае направленный поток воздуха из отверстий воздухораспределителей перекрывает организованной воздушной струёй путь набегающему снаружи потоку атмосферного воздуха (рис. 4).
При этом воздушная завеса выполняет роль воздушного воротного полотна и предотвращает врывание набегающего потока атмосферного воздуха в здание, значительно снижая его поступление в помещение [7].
Количество поступающего воздуха через открытый воротный проём обусловлено не только
Средние значения времени поступления атмосферного воздуха в период выполнения технологических операций при перемещении транспортного средства в производственное помещение (с, мин)
Типы воротных проёмов в производственных сельскохозяйственных помещениях Время этапов поступления воздуха через проём открытых ворот
ti t2 t3 t4 t5 t6 t7 итого, с итого, мин
Распашные ворота 31 8 6 120 6 18 31 220 3,67
Откатные ворота 26 4 6 100 6 18 25 185 3,08
Откатные механизированные ворота 6 8 6 20 0,33
с дистанционным управлением
Примечание: % — время открывания последовательно одной и другой створки ворот, ^ — время следования оператора от ворот до транспортного средства, ^ — время посадки в транспортное средство, ^ — время въезда машины до места постановки в помещении и постановка его, 15 — время выхода оператора из транспортного средства, І6 — время следования до воротного проёма, ^ — время закрывания последовательно одой и другой створки ворот.
Рис. 4 - Принципиальная схема натекания воздуха
при открытых откатных воротах, оборудованных воздушной завесой:
1 - полотно ворот; 2 - стена здания
конструкцией самого воротного проёма, но и зависит от времени, когда ворота открыты в период выполнения технологических операций по въезду — выезду техники в производственное здание (табл.). Чем длительнее ворота открыты, тем больше наружного воздуха поступит в производственное помещение [2].
В таблице приведены средние значения общего времени поступления атмосферного воздуха в здание в период выполнения технологических операций по въезду транспортного средства через воротные проёмы аналогичных размеров. Среднее значение времени поступления воздуха через проём, оснащённый распашными воротами, составило 220 (или 3,67 мин), откатными 185 (3,08 мин), механизированными откатными — 20 с.
Из представленной таблицы видно, что наибольшее количество времени поступления атмосферного воздуха приходится на воротные
проёмы, оснащённые распашными воротами, а наименьшее — откатными механизированными воротами с дистанционным управлением. Разница составляет 3,34 мин, или 11,2 раза.
Анализ вышеизложенного наглядно демонстрирует, что организация воротного проёма путём оснащения его откатными воротами с ВТЗ, механизацией и дистанционным управлением позволяет значительно сократить поступление холодных воздушных масс в производственное сельскохозяйственное помещение. Это показывает, что применение предложенной организации воротных проёмов значительно сократит энергетические затраты на нагрев воздуха до приемлемых величин в производственных помещениях и улучшит условия труда работающих.
Литература
1. Шкрабак В.С., Луковников А.В., Тургиев А.К. Безопасность жизнедеятельности в сельскохозяйственном производстве. М.: КолосС, 2004. 216 с.
2. Горшков Ю.Г., Старикова Н.А. Активная воздушно-тепловая завеса дверного проема производственных сельскохозяйственных помещений // Экология. Риск. Безопасность: матер. Междунар. науч.-практич. конф. Сб. науч. тр.: в 2 т. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. Т. 1. С. 163-165.
3. Шерешевский Ю.Н., Осипов Л.Г. Гражданские промышленные здания. М.: Промиздат, 1982. 327 с.
4. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. М.: Профиздат, 1965. 379 с.
5. Талиев В.Н. Аэродинамика. Вентиляция. М.: Стройиздат, 1979. 295 с.
6. Старикова Н.А. Механизация и автоматизация воротных проёмов в сельскохозяйственных производственных помещениях // Достижения науки агропромышленному производству: мат. L Междунар. науч.-технич. конф. Сб. науч. тр.: в 8 ч. Челябинск: ФГУО ВПО Ч1АА, 2011. Ч. 6. С. 136-145.
7. Круглова Е.С. Разработка ресурсосберегающей воздушнотепловой завесы для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК: дис. ... кан,д. техн. наук. Челябинск, 2006. 268 с.
