Вредные вещества, с которыми сталкиваются в своей работе спе­циалисты по вентиляции, относятся к третьей группе загрязнителей. Промышленные выбросы можно разделить на технологические и вен­тиляционные. Первые, как правило, имеют более высокую концентра­цию загрязнителей.

Источники выбросов подразделяют на точечные, линейные и объем­ные. Они могут быть расположены на уровне поверхности земли или на некоторой высоте над ним.

К точечным источникам относятся трубы, через которые осуще­ствляется выброс загрязненного воздуха, шахты вытяжных систем вен­тиляции и т. п.

Линейные источники — аэрационные фонари и группы близко рас­положенных точечных источников (ряд вентиляционных шахт).

Объемные источники — зоны аэродинамического следа, загрязнен­
ные выбросами из зданий. Часть вредных веществ из аэрационных фо­нарей, вентиляционных и технологических шахт попадает в зону аэро­динамического следа и накапливается в ней, образуя приземное за­грязненное облако. Вредные вещества от наземных источников распространяются вдоль поверхности земли стелющимся потоком.

Наиболее хорошо изучены закономерности распространения вред­ных веществ от точечных источников.

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц разме­ром до 20 мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчи­няется одинаковым закономерностям. Более крупные частицы выпада­ют из газового облака и оседают на поверхность земли. Так как в на­стоящее время практически вся крупная пыль улавливается в очистных установках, то рассеивание пыли в атмосфере можно рассчитывать так же, как и рассеивание газообразных загрязнителей.

Форма струи, вытекающей из трубы, зависит в основном от состоя­ния атмосферы. Различёют три основные формы струи: волнообраз­ная, конусоЪбразная и веерообразная.

Изменение концентрации загрязняющих веществ вдоль оси струи зависит от высоты трубы и турбулентного перемешивания. На некото­ром расстоянии Хмакс всегда образуется максимальная концентрация Смаке - Это расстояние тем меньше, чем ниже труба и чем сильнее тур­булентность.

Как правило, вентиляционный загрязненный воздух поступает в атмосферу в виде факельных выбросов. Механизм действия факельно­го выброса основан на дальнобойности свободной затопленной струи и эжекционном перемешивании ее с окружающим воздухом. Ветер, есте­ственно, искривляет ось струи, уменьшая высоту выброса, но обеспечи­вает более интенсивное рассеивание выбросов благодаря турбулентной диффузии.

При рассмотрении законов движения частиц в атмосфере различа­ют два вида диффузии: 1) молекулярную, связанную со случайным и беспорядочным движением молекул; 2) турбулентную, обусловленную вихревым полем атмосферы. Интенсивность турбулентной диффузии даже в сравнительно спокойном воздухе во много раз превосходит ин­тенсивность молекулярной диффузии. Диффузионный перенос проис­ходит из областей с более высокими концентрациями примесей в облас­ти пониженных их значений (частично даже навстречу ветру).

Турбулентность атмосферы определяется двумя критериями — ди­намическим и термическим. Динамический — число Рейнольдса Re — характеризует отношение сил инерции к силам вязкости. Термиче­ский— число Ричардсона Ri — определяет стабильность турбулентно­сти атмосферы и ее расслоение по плотности:

(XXIV.2)

Где дТІдг—градиент температуры по вертикали; Г — адиабатический градиент температуры (равный в среднем минус 1°С на каждые 100 м), dv/dz — градиент ско­рости по вертикали.

Число Ri характеризует интенсивность турбулентного перемешива­ния атмосферы соотношением значений стабилизирующих и турбулизи - рующих факторов.

Процесс турбулентной диффузии математически описывается уравнением диффузии. Аналитические решения уравнения диффузии при значительном упрощении постановки задачи с экспериментальны­ми поправками положены в основу инженерных способов расчета рас­сеивания вредных веществ в атмосфере.

Расчет концентрации вредных примесей на промышленной площад­ке и в ее окрестносхи является обязательным приложением к проекту генерального плана объекта. Результаты такого расчета дают возмож­ность предъявлять вполне определенные требования к степени очистки выбросов. Зная мощность источников вредных веществ (по данным тех­нологов), можно определить и мощность очистных установок.

Расчетные формулы определяют концентрацию вредных примесей в точке с заданными координатами (обычно на уровне поверхности земли) в зависимости от мощности источника, скорости ветра, высоты трубы, координат места расположения источника и коэффициентов турбулент­ного обмена в воздухе атмосферы.

Решение уравнения диффузии вредных газов на основе статисти­ческой теории было получено Тейлором.

Сеттон использовал решение Тейлора для случая диффузии от точечных источников в приземном слое атмосферы. В точке с координа­тами х, у, z при высоте трубы Я средняя концентрация примесей в вы­бросах составляет:

Где Мт — суммарный расход вредных веществ в выбросах из трубы, кг/с; Су, Сг — коэффициенты, характеризующие вертикальную и горизонтальную составляющие турбулентной диффузии; величина коэффициентов зависит от конкретных условий; v — средняя скорость ветра, м/с; п — показатель, характеризующий метеорологические условия (для теплого периода года я=0, для холодного периода года п~0,2 ..0,3); начало координат совпадает с центром основания трубы, ось х— с направлением ветра.

Концентрация вредных веществ у поверхности земли максимальна в точке с координатами у—0, z—0, л:=л:Макс. При постоянных и равных коэффициентах Су и Cz эта концентрация, г/м3, равна:

2 Мт 0,235МТ Смакс~ envH*-~ vH» ' .(XXIV. 4)

При этом

— )2~п, (XXIV.5)

Т. е. концентрация прямо пропорциональна расходу вредных веществ и обратно пропорциональна скорости ветра v и квадрату высоты тру­бы Я.

Формулы Сеттона и аналогичные формулы, предложенные П. И. Андреевым, дают хорошую сходимость с данными эксперимента. Эмпирические коэффициенты, определяющие условия турбулентности в каждом конкретном случае, изменяются по данным разных авторов в широком диапазоне: Cy=Cz=0,05 (П. И Андреев), Cy=Cz=0,2 (С. А. Клюгин), Су—0,21 и Cz=0,12 (зарубежные авторы).

Действие кинетической и тепловой энергии приводит к подъему струи над трубой на некоторую высоту АЯ=ДЯк-|-ДЯт, вследствие чего фактическая, или эффективная высота выброса равняется

НЭ = Н~-АН. (XXIV.6)

Для определения подъема струи над устьем трубы за счет кине­тической энергии можно воспользоваться формулой:

Дяк=£к— , (XXIV. 7)

Фи

Где kK — числовой коэффициент, значение которого, по данным разных авторов, находится в пределах 1,6—2; dT — диаметр устья трубы, м; vt — средняя скорость вы­хода газов из устья трубы, м/с; ф — коэффициент, учитывающий изменение скорости ветра по высоте; v — скорость ветра на высоте 10 м, м/с.

Для определения подъема струи над устьем трубы за счет разницы плотностей наружного и выходящего воздуха можно воспользоваться формулой:

Q'

AHT = kT-^~ , (XXIV.8)

Vі

Где — эмпирический коэффициент, равный примерно 6-Ю-3; Q*r—количество тепла в удаляемых через трубу газах, кДж/с, равное crGr(tr—tH).

Главной геофизической обсерваторией имени А. И. Воейкова разра­ботан метод определения требуемой высоты дымовых труб крупных котельных и ТЭЦ. Этот метод предназначен для расчета труб высотой более 50 м, выделяющих свыше 20 м3/с газов при tT—£Н=30°С и более.

В каждом случае расчет проводят для скорости ветра, при ко­торой приземная концентрация вредных примесей максимальна. Такая скорость называется опасной, или критической. Эту скорость можно оп­ределить по формуле М. Б. Берлянда:

3. / VrAtT

Смаке = 0,65 у (XXIV.9)

Где уг — объем газовоздушной смеси, равный DTFt (FT — площадь сечения устья трубы, м2).

Значение этой скорости изменяется в широких пределах. Так, для труб ТЭЦ уМакс^5 м/с, для некоторых предприятий с низкими трубами

£>макс ~ 1 2 м/с.