Системы аспирации

Аспирация

Звучание и написание существительного «аспирация» напрямую подсказывают, что оно имеет иностранное происхождение. И правильным будет предположение, что попало это слово в русский язык вместе со многими сотнями других из латыни. Одни пришли сразу, другие через языки посредники ─ французский, немецкий, польский, английский. Почти доказательством их латинской родословной является окончание на «-ум», «-ур(а)», «-yc» «-ент», «-тор» и, конечно же, на «-ция» («акселерация», «аффектация», «аннотация» и т. д.).

Существительное «аспирация» происходит от латинского aspiratio, что в переводе означает дуновение, дыхание, надувание, вдыхание.

В начале прошлого XX столетия  в России было издано несколько словарей заимствованных иностранных слов. Среди наиболее популярных ─ выдержавший несколько изданий в Санкт-Петербурге «Словарь иностранныхъ словъ, вошедшихъ въ составъ русскаго языка» составленъподъ редакцiею А. Н. Чудинова», также увидевший свет в тогдашней столице Российской империи «Словарь иностранныхъ словъ, вошедшихъ въ составъ русскаго языка», изданiе Ф. Павленкова»,и «Полный словарь иностранныхъ словъ, вошедшихъ въ употребление в русскомъ языкъ», составилъ по лучшимъ источникамъ М. Поповъ, Москва, 1907 г.» (орфография заголовков сохранена).   Во всех них слово «аспирация» растолковывается почти одинаково. Но отличия есть. Везде аспирация ─ это вдыхание воздуха, т. е. медицинский термин. Но где-то еще его всасывание и выкачивание (термин технический) и даже стремление к чему-нибудь.

Если посмотреть в аналогичные словари, изданные сто лет спустя, уже в наше время, можно увидеть, что смысловое наполнение существительного «аспирация» заметно расширилось. Медицинский термин «аспирация» означает сегодня не только дыхание, но и проникание посторонних веществ в дыхательные пути при вдохе или отсасывание воздуха и различных жидкостей (крови, например) из дыхательных путей и полостей тела. Используется термин «аспирация» и в языкознании, для обозначения фонетического явления, правда, также напрямую связанного с дыханием, ─ произношения с придыханием. В технике «аспирация» это, прежде всего, процесс удаления из производственных помещений пыли и газов, образующихся в результате работы технологического оборудования.

Лучше понять «физический смысл» аспирации применительно к промышленным технологиям поможет обращение к языку, в котором существительное «аспирация» не заимствованно, а, что называется исконное. На польском «аспирация» ─ это zasysanie, т. е. засасывание.  Понимание систем аспирации как комплексов оборудования, обеспечивающих «засасывание» пыли и других вредностей, содержащихся в промышленном воздухе, в целом правильное, хотя и не исчерпывающее. Действительно, одним из вариантов аспирации являются всасывающие системы аспирации, когда рядом с источником загрязнения формируется область пониженного давления воздуха. Существуют также всасывающе-напорная и напорная система аспирации.

Аспирация и вентиляция

Аспирацию можно рассматривать как один из вариантов местной вентиляции ─ оснащенную местными отсосами вытяжную вентиляцию закрытого типа, где источники вредностей надежно защищены аспирационными укрытиями.

О том, что аспирация и вентиляция не одно и то же, свидетельствуют названия нормативных документов, например, Приказ Минтруда России от 13.03.2017 № 266н «Об утверждении профессионального стандарта «Монтажник систем вентиляции, кондиционирования воздуха, пневмотранспорта и аспирации».

В учебниках и справочной литературе можно встретить суждение, что аспирационные установки, наряду с транспортными, являются разновидностью пневмотранспортных установок.

Использование аспирации оборудования с локализацией мест выделения пыли, стружки, опилок и газов помогает добиться максимально рациональной работы с этими загрязнениями, что позволяет снизить кратность обмена воздуха в производственных помещениях, и тем самым, уменьшить нагрузку на общеобменную вентиляцию.

Где используют системы аспирации

Системы аспирации применяют везде, где имеет место выделение в атмосферу загрязняющих ее пыли, газов, а также избыточных теплоты и влаги. И применяют тем в больших масштабах, чем сильнее ужесточаются требования к санитарно-гигиеническим условиям на рабочих местах, охране окружающей среды и экономии энергоресурсов. Происходит это на производствах совершенно разного профиля. Там, где обрабатывают сыпучие грузы, в литейных цехах и участках, при переработке полезных ископаемых (особенно дробильно-измельчительным оборудованием), в деревообрабатывающей и пищевой (элеваторы) промышленности, химической индустрии, металлообработке и очень многих других отраслях.

Аспирационные установки не только осуществляют очистку воздуха, но и выполняют технологические функции (системы аспирации и пневмотранспорта). Система аспирации для деревообработки, обеспечивает в т. ч. транспортировку отходов деревообрабатывающего производства ─ пыли и стружки, а на элеваторах ─  очистку зерна от примесей. Но в любом случае объем отсасываемого воздуха определяется исходя из выполнения приоритетной функции ─ очистки воздуха, а уже затем надежности транспортирования отходов и иных технологических операций.

Для поддержания на требуемом уровне санитарно-гигиенических условий труда использование систем аспирации на порядок эффективнее, чем средств индивидуальной защиты (СИЗ). 

Пыль ─ главная мишень систем аспирации

Пыль ─ основная вредность, из числа убираемых с помощью систем аспирации. Размеры промышленной пыли находятся в широком диапазоне ─ от долей микрометра (1 мкм = 10^-6 м) до 300 мкм в поперечном сечении. Если крупнодисперсная пыль с частицами размером 50 мкм и более при отсутствии внешних возбуждающих факторов достаточно быстро оседает, то наиболее вредная для здоровья мелкодисперсная пыль с частичками менее 10 мкм образует пылевоздушные смеси, способные подолгу пребывать во взвешенном состоянии. В том, что пыль опасна для здоровья, убеждать никого не надо. Пыль обладает высокой адсорбционной способностью, ─ адсорбируя содержащиеся в воздухе токсичные газы, сама становится ядовитой, а еще, накапливает электростатические заряды, повышающие ее активность. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) пыли для рабочих зон регламентированы в отраслевых нормативных документах. Значительные выделения пыли опасны для окружающей среды, в частности ухудшают условия жизни в жилых микрорайонах, расположенных рядом с «пылящими» предприятиями.

Пыль опасна также с точки зрения возникновения пожаров и даже взрывов. Особенно мелкая пыль, благодаря значительной удельной поверхности имеющая хороший контакт с поддерживающим горение кислородом воздуха.

Есть и менее катастрофичные, но также наносящие значительный экономический ущерб последствия ее воздействия. Попадая на трущиеся поверхности, пыль приводит к их преждевременному износу. Избыток пыли может отрицательно влиять на качество продукции. 

Виды и типы систем аспирации

Системы аспирации классифицируют, исходя из различных признаков.

Подобно тому, как централизованным или автономным может быть снабжение сжатым воздухом, так и системы аспирации делятся на централизованные (модульные системы аспирации) и автономные (децентрализованные или моноблочные системы аспирации). Моноблочное оборудование обслуживает конкретное рабочее место, модульное ─ производственные мощности в комплексе. Область применения первого, ─ как правило, небольшие цеха и мастерские, второго ─ крупные производства. Моноблочные аспирационные установки включают вентилятор, фильтр, возможно, циклон, емкость для хранения отходов. Аспирационные моноблоки могут быть передвижными или стационарными. Устройство автономной аспирации обойдется дешевле, но диапазон решаемых с ее помощью задач ограничен.

Модульное аспирационное оборудование ─ сложная система, включающая множество компонентов, в т. ч. воздуховоды, вертикальные и горизонтальные отводы, сепараторы, вентиляторы, циклоны, фильтры и проч. Смесь воздуха и пыли, отсасываемая от производственного оборудования, соединяется в единый поток и только затем осуществляется очистка воздуха. В моноблочном оборудовании объединения потоков не происходит.

По способу отвода очищенного воздуха различают прямоточную и рециркуляционную схемы систем аспирации. Прямоточная система аспирации выводит очищенный воздух за пределы помещения. Рециркуляционная система аспирации полностью или хотя бы частично возвращает его обратно в цех. Преимущества второго варианта становятся очевидными, если принимать во внимание затраты на вентиляцию, нагрев и увлажнение воздуха и связанные с этим ощутимые потери при его безвозвратной эвакуации в атмосферу.

В случае прямоточной аспирации применяют приточную общеобменную вентиляцию, компенсирующую расход воздуха в результате работы системы аспирации и поддерживающую требуемый микроклимат.

В случае рециркуляционной аспирации оправдано использование приточно-вытяжной вентиляции, добавляющей чистый приточный воздух, удаляющей накапливающиеся запахи, регулирующей температуру и влажность воздуха.

Комбинация рассмотренных выше признаков позволяет говорить о следующих принципиальных схемах аспирационных систем: прямоточно-централизованная, рециркуляционно-централизованная, прямоточно-автономная, рециркуляционно-автономная системы аспирации воздуха.

Различают аспирационные установки с переменной и постоянной производительностью. 

Особенности проектирования и расчета систем аспирации

Расчет и проектирование аспирационных систем ─ сложная инженерная задача, требующая выбора оптимальной для каждого конкретного случая схемы. Необходимо определиться,  будет она централизованной или децентрализованной, установить количество и расположение точек отсоса, выбрать конструкции аспирационных укрытий, установить оптимальный тип и пропускную способность пылеулавливающих устройств и производительность вентилятора, выполнить аэродинамический расчет воздуховодов.  И все это, ─ принимая во внимание общую производственно-технологическую конфигурацию производства, особенности размещения оборудования, состав и последовательность технологических операций, качество и количество вредных выбросов, объем помещений, влажность и температуру воздуха, а также целый ряд других факторов.

Система аспирации должна быть не только надежной, компактной (излишне удлиненные коммуникации неоправданно увеличат энергозатраты систем аспирации и сделают их более взрыво- и пожароопасными) и абсолютно безопасной, но экономически эффективной, простой в эксплуатации и обслуживании. Недопустимо, чтобы  излишне сложным, трудоемким и дорогостоящим было изготовление системы аспирации, а монтаж системы аспирации сопровождался изменениями компоновки производственного оборудования. Необходима высокая герметичность соединений, без которой не удастся обеспечить высокую эффективность аспирации. Этому комплексу требований должны отвечать как отдельные, компоненты (детали) систем аспирации, так и вся система в целом. 

Из чего состоят системы аспирации

Оборудование систем аспирации включает различные компоненты ─ аспирационные укрытия, пылеуловители, вентиляторы, местные отсосы, воздуховоды, отводы, тройники и другие фасонные элементы, клапаны, шиберы, устройства для выгрузки, транспортировки и  хранения пыли, КиП и А. От их правильного подбора, а затем гармоничного взаимодействия зависят стоимость, эффективность и надежность систем аспирации.

Аспирационные укрытия

Назначение аспирационного укрытия, ─ локализовав от окружающего пространства место образования вредностей, предотвратить их попадание в производственное помещение. В местах интенсивного пылеобразования укрытие должно быть особенно герметичным. Препятствовать эмиссии загрязнений за его пределы должно разряжение воздуха, поддерживаемое внутри аспирационного укрытия вытяжной вентиляционной системой.

Аспирационное укрытие может иметь вид кожуха, «накрывающего» фрагмент технологического оборудования. Разумеется, укрытие не должно мешать его работе и обслуживанию. Если установить такой кожух не представляется возможным, в непосредственной близости от источников загрязнений размещают напольные отсосы периодического или постоянного действия. К аспирационным укрытиям присоединяют местные отсосы, часто выполненные в виде патрубков с воронками. Вообще, от местных отсосов ─ их конструкции и присоединения ─ во многом зависит эффективность аспирации.

Пылеуловители

Эффективность системы аспирации в значительной степени зависит от пылеуловителя.

Пылеуловители ─ аппараты для очистки газов от взвешенных частиц ─ в отличие от фильтров применяют для обработки воздуха, имеющего высокую начальную концентрацию пыли, скажем, от 10 и более граммов на 1 м³ воздуха. Пылеуловитель в комплексе с регулирующим оборудованием вентилятором и разгрузочным устройством образует т. н. пылеулавливающее устройство.

В зависимости от того, применяется жидкость или нет, пылеуловители можно разбить на два больших класса ─ сухие и мокрые. А в зависимости от того, под действием каких сил ─ механических или электрических ─ происходит отделение взвешенных частиц от газа, разделяют механические и электрические пылеуловители. Более подробно о пылеуловителях, используемых в системах аспирации, рассказано в специально посвященной им статье.

Показательным примером пылеуловителей являются состоящие из двух цилиндров  – наружного и внутреннего ─ циклоны. Попавшая в циклон пылевоздушная или иная материаловоздушная смесь, приходит во вращательное движение. При этом крупные частицы прижимаются к стенкам циклона и, теряя скорость, по спиральной траектории направляются к разгрузочному отверстию и далее в приемную емкость.

Циклоны ─ простые и надежные устройства, но им трудно справиться с мелкодисперсной пылью, поэтому они оптимальны для первой ступени очистки воздуха ─ грубой и средней. Более тонкую очистку осуществляют с помощью фильтров. Для удаления из воздуха тонкодисперсной пыли в системах аспирации используют рукавные фильтры, способные улавливать более 99 % твердых частичек.

Магистральным направлением развития аспирационных систем является применение двухступенчатых пылеулавливающих установок. С грубой пылью справляются циклоны, а тонкую очистку обеспечивают фильтры.

Вентилятор системы аспирации

Вентилятор ─ важнейший компонент системы аспирации. При его включении создается воздушный поток, обеспечивающий эвакуацию загрязненных воздушных масс. Вентилятор может быть расположен до пылеуловителя или после него. При выборе схемы следует учитывать, что, проходя через вентилятор, запыленный воздух способствует его ускоренному изнашиванию и может провоцировать искрообразование.

Воздуховоды для систем аспирации

Говоря о трубопроводах (воздуховодах), транспортирующих газопылевую смесь в системах аспирации, необходимо обратить внимание на особенности их работы.

Скорость воздуха в системе аспирации существенно выше, чем в общеобменной вентиляции, что должно предотвратить оседание пыли на стенках воздуховодов. Наличие значительных количеств пыли,  равно, как и других твердых включений, обуславливают повышенную механическую нагрузку на воздуховоды, что приводит к использованию для их изготовления более толстого металла и, как следствие, более мощных монтажных кронштейнов.

Для систем аспирации применяют металлические ─  оцинкованная или легированная сталь, алюминий ─ воздуховоды диаметром от 100 до 2000 и более мм преимущественно круглого поперечного сечения. Воздуховоды круглого сечения менее сложны в изготовлении, дешевле и прочнее прямоугольных, могут быть прямошовными и спиральными. При необходимости используют звукопоглощающие или теплоизолированные трубы. Для слияния и разделения потоков служат специальные элементы воздуховодов ─ тройники, крестовины, коллекторы. На прямых участках устанавливают диафрагмы, позволяющие выровнять сопротивления ответвлений от одного коллектора. 

Используют и неметаллические (поливинилхлоридные, силиконовые, полиуретановые, виниуретановые) трубопроводы, диаметром до нескольких сотен миллиметров.

Аспирационные системы ─ не только эффективный способ оздоровления условий труда и защиты окружающей среды, но и прямой путь повышения безопасности производственных процессов, роста производительности труда и экономической эффективности. Поэтому столь важное для экономики значение имеют дальнейшее совершенствование систем аспирации, как в части развития методик расчета и проектирования, так и использования современного оборудования.