طراحی تهویه وبهداشت صنعتی

تهویه صنعتی روندی است برای کنترل تأثیرات ذرات آلاینده، گازهای سمی و شیمیائی، بخارات و ذرات قابل اشتعال یا انفجار بر روی پرسنل و افرادی که در معرض بـرخورد با آنها قرار دارند. یکی از روش‌های کنتـرل توسط تخلیه هوای آلوده از محیط کاری و جایگزین نمودن آن با هـوای تمیز می‌باشد. روش‌های دیگر شامل تغییرات در فرآیند، تغییرات در رویه کار کردن جایگزینی و استفاده از گـازهای کمتـر سمی و یا حـذف گـازهای سمی است. در تهویه صنعتی عموماً تخلیه دود و بخارات ناشی از جوشکاری، بخـارات محلول‌ها، بخارات مواد نفتی یا شیمیائی و غبارات از محوطه کاری مد نظر می‌باشد. با تخلیه هـوای آلوده و جـایگزین نمودن هـوای سالم، می‌باید مشکل سرمایش و گرمایش پرسنل و هدر دادن انرژی به جد در نظر قرار گیرد. روند تغییرات در فرآیند ساخت، تولید و ارائه خدمات و نیاز فزآینده در بهبود فضا و محیط کار، چالشی جدی در فراروی طراحان سیستم‌های پیشرفته صنعتی قرار داده است. این نوع سیستم‌های تهویه با فـرآیندهای تولید و سیستم‌های خدماتی تأسیسات تشکیل مجموعـه‌ای یکپارچه را مـی‌دهند. بهینه سازی سیستم‌های تهـویه صنعتی نیـاز به ابـزارهای جـدید طراحی و نوآوری‌های فنی دارد. چالش‌های رو در رو در تهویه صنعتی فقط محدود به راه حل‌های فنی نمی‌باشند. بلکه در برگیرنده استانداردهای فنی و سیاست‌های عملی جدید جهت تقویت پیشرفت‌های تکنولوژیکی نیز می‌باشند.

تهویه صنعتی عمومی اصطلاحی است کلی که عبارت است از: تزریق هوا به یک محیط بسته، پارکینگ و یا تونل و نیز تخلیه آن از چنین محیط هایی.

تهویه صنعتی ممکن است به منظور اهداف زیر مورد استفاده قرار گیرد:

1. کنترل مخاطرات بهداشتی

2. پیشگیری از حریق و انفجار

3. تامین آسایش

با توجه به اهداف بالا تهویه صنعتی ممکن است به گروه های اختصاصی زیر تقسیم شود:

تهویه رقتی و یا رقیق سازی

تهویه رفتی عبارت است از رقیق سازی هوای آلوده با هوای پاک به منظور کنترل مخاطرات بهداشتی و پیشگیری از حریق و انفجار و یا کنترل بو در محیط کار. از جنبه های بهداشتی، تهویه صنعتی نمی تواند مانند موضعی موثر و مفید باشد. البته در شرایطی ممکن است از نظر اقتصادی یعنی سرمایه گذاری اولیه به صرفه تر باشد. اما همیشه نباید جنبه های اقتصادی را در نظر داشت. خصوصا اینکه هزینه های راهبری تهویه رفتی به مراتب بیش از تهویه موضعی است.

 

تهویه به منظور کنترل گرما

عبارت است از کنترل شرایط جوی محیط های کاری صنایع گرم مانند صنایع ریخته گری، نانوایی، لباسشویی و غیره به منظور تامین آسایش و جلوگیری از صدمات حاد ناشی از شرایط نامطلوب جوی محیط کار.

 

اصول تهویه رقیق سازی

 

مراحل طراحی تهویه رقتی به قرار زیر است:

1. با استفاده از اطلاعات موجود، مقدار حجم هوای مورد نیاز برای رقیق سازی کافی بر آورد می شود.

2. در صورت امکان نزدیک منابع آلاینده دهانه مکنده نصب می شود. در این صورت فرمی از تهویه نقطه ای (محلی) خواهیم داشت.

3. قسمت های مکنده و دمنده باید به گونه ای نصب شوند که هوای آلوده حتی المقدور از منطقه تنفسی کارگر عبور نکند. کارگر باید بین دمنده و منبع آلاینده قرار گیرد.

4. هوای خارج شده باید توسط یک سیستم مولد (هواساز) جایگزین شود. هوای جایگزین شده باید در صورت لزوم فرآروی شود. در تهویه رقتی حجم زیادی از هوا توسط هواکش های فشار پایین تامین می شود. برای کار صحیح این هواکش ها، هوای تخلیه شده حتما باید جایگزین شود.

5. با تخلیه هوای آلوده توسط دودکش های بلند، باید از ورود مجدد آن به محل کار جلوگیری کرد. علاوه بر آی باید مطمئن بود که در نزدیکی خروجی های هوای آلوده (در صورت فقدان دودکش) پنجره و یا ورودی های باز برای برگشت هوای آلوده به درون کارگاه وجود ندارد.

تهویه رقتی برای کنترل مخاطرات بهداشتی

محدودیت های استفاده از تهویه رفتی برای کنترل مخاطرات بهداشتی عبارتند از:

1. مقدار آلاینده تولید شده نباید زیاد باشد، در غیر این صورت جریان هوای لازم برای رقیق سازی زیاد و غیره عملی خواهد شد.

2. فاصله کارگر از منبع آلاینده به اندازه کافی زیاد باشد و یا مقدار آلودگی به اندازه کافی در غلظت های کم رها شود نه کارگر در معرض آلودگی بیش از حد مجاز تماس شغلی قرار نگیرد.

3. سمیت آلاینده پایین باشد.

4. آلاینده به طور یکنواخت رها شود.

از تهویه رقتی اغلب برای کنترل بخارات حاصل از مایعات آلی که حد تماس شغلی آنها از 100 قسمت در میلیون (قدم) بیشتر است استفاده می شود. برای استفاده بهتر در چنین شرایطی لازم است بطور دقیق از مقدار بخارات تولید شده و یا میزان تبخیر مایعات مطلع بود. اغلب اوقات این اطلاعات را می توان از سوابق موجود در مجتمع صنعتی (سوابق مربوط به مواد مصرفی) به دست آورد.

 

روابط تهویه رقیق سازی عمومی

هوای مورد نیاز برای تهویه رقیق سازی یک آلاینده را که به طور یکنواخت تولید می شود برای حالتی که بخواهیم غلظت آلاینده در داخل کارگاه ثابت نگهداشته شود و با فرض اینکه هوای تمیز مورد استفاده فاقد مورد استفاده فاقد آلودگی است می توان از رابطه اساسی تعادل مواد برآورد کرد یعنی:

مقدار دفع – مقدار تولید = مقدار تجمع

و یا: Vdc=Gdt-Q`Cdt

در این رابطه:

V- حجم اتاق و یا کارگاه

G- میزان تولید

Q`-حجم هوای موثر

C- غلظت گاز یا غبار

t- زمان

در شرایط پایدار یعنی در شرایطی که قرار است غلظت آلاینده در محیط کار در یک حد ثابت نگهداشته شود یعنی

0 dc= باشد می توان نوشت:

Gdt = Q`Cdt

∫ Gdt = ∫Q`Cdt

در غلظت ثابت C و در تولید یکنواخت G داریم:

G (t₂- t₁) =Q`C (t₂- t₁)

Q` = G/C

بدلیل عدم اختلاط کامل هوای تمیز وارد شده به کارگاه و آلودگی تولید شده، مقدار هوای واقعی مورد نیاز بیش از هوای موثر است. به همین دلیل ضروری است مقدار هوای موثر در یک ضریب به نام K ضرب شود پس:

Q = KQ`

در این رابطه:

Q – میزان هوای واقفی مورد نیاز

Q`- میزان هوای موثر مورد نیاز

K – ضریب اختلاط

در این صورت رابطه فوق به صورت زیر در می آید:

Q = K G/C

ضریب K به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله:

1. کارآیی اختلاط و توزیع هوای تمیز جایگزین در فضای تهویه شده

2. سمیت آلاینده، هر چند که حد تماس شغلی مترادف با سمیت نیست اما برای انتخاب ضریب K راهنمای زیر مفید است:

 

ردیف	حد تماس شغلی مجاز ppm	سمیت ماده
1	بیش از 500	کم
2	بین 100 تا 500	متوسط
3	کمتر از 100	زیاد

 

3. قضاوت کارشناس تهویه و یا بهداشت حرفه ای در امرو دیگر که بر اساس تجربه فردی و طرح مورد نظر ممکن است مهم به نظر آید. از جمله این موارد می توان به نکات زیر اشاره کرد:

الف- طول فرآیند (زمان فرآیند) چرخه عملیات و محل های معمولی کارگران نسبت به منابع آلاینده

ب- موقعیت و تعداد نقاط مولد آلاینده در محل کار

ج- تغییرات فصلی در تهویه طبیعی

د- کاهش راندمان دستگاه های مکانیکی به حرکت در آورنده هوا

ه- موارد دیگری که ممکن است در غلظت مواد خطرناک در منطقه تنفسی کارگر موثر باشد.

با توجه به شرایط فوق مقدار K از یک تا ده انتخاب می شود.

برآرود تهویه رفتی برای شرایط یکنواخت (پایدار)

غلظت یک گاز و یا بخار را در شرایط یکنواخت (پایدار) میتوان از رابطه تعادل مواد زیر بدست آورد قبلا دیدیم که:

Q`= G/C

در نتیجه اگر بتوان میزان تولید آلودگی را تعین کرد به آسانی می توان جریان هوای تمیز مورد نیاز برای حفظ غلظت مواد خطرناک در یک حد ثابت قابل قبول را محاسبه کرد.

معمولا غلظت قابل قبول (C) بر حسب قسمت در میلیون (ppm) مساوی مقادیر حد تماس شغلی (TLV) منظور میشود. برای حلال های مایع میزان تولید مساوی است با:

G= 403*SG*ER

       MW     

در این رابطه:

G- میزان تولید (بخار تولید شده)، فوت مکعب بر دقیقه

403- حجم بار حاصل از تبخیر یک پینک مایع در شرایط استاندارد (فضایی که بخار حاصل از تبخیر یک پینت مایع اشغال می کند.) فوت مکعب بر پینت

SG- چگالی نسبی مایع فرار

ER- حجم مایع تبخیر شده در دقیقه، پینت بر دقیقه

MW- وزن ملکولی مایع

با جایگذاری در رابطه2- 2 خواهیم داشت:

Q`= 403*10⁶*SG*ER

MW*C       

مثال:
مقدار نتیل کلروفرم بخار شده از یک مخزن مساوی 1.5 پینت در هر ساعت است. میزان هوای موثر و هوای واقعی لازم را برای حفظ غلظت بخار حاصل در حد تماس شغلی (TLV) چقدر است. مقدار K را مساوی 5 فرض کنید.

TLV = 350 PPM ,SG = 1.32 , MW=133.4

حل:

Q`= 403*10⁶*SG*ER

MW*C 

Q` = 403*10⁶*1.32*1.5/60 = 285^-cfm

133.4*350                  

Q = K*Q`=5*285= 142^CFM

 

بر آورنده غلظت آلاینده:

غلظت آلاینده را می توان بعد از گذشت زمان معین بر آورد نمود. رابطه تعادل مواد را می توان به صورت رابطه دیفرانسیلی زیر نوشت:

  dc  =     dt   

      V        G-q`C   

که با انتگرال گیری مساوی می شود با:

Ln   (G-Q`C<sub>2</sub>)   = Q`(t₂- t₁)

V           (G-Q`C₁)

 

که زیر نویس 1 و 2 معرف شرایط اولیه و نهایی است. برای برآورد زمان لازم برای رسیدن به یک غلظت معین می توان نوشت:

rt= -V  Ln (G-Q`C₂)

            Q`     (G-Q`C₁)

 

که t₂- t₁ rt= می باشد و اگر C₁=0 باشد به عبارتی در شرایط اولیه آلودگی صفر باشد:

 

rt= -V  Ln (G-Q`C₂)

                    Q`          G    

توجه:

غلظت نهایی C₂  بر حسب قسمت در میلیون است. مثلا 200^PPM=200/10⁶ برای محاسبه میزان غلظت نهایی C₂  پس از گذشت زمان معین rt چنانچه غلظت اولیه صفر باشد خواهیم داشت:

C₂= G[1-e^[-Q`rt]]

       Q`     

 

برای تبدیل مقدار C₂حاصل از رابطه بالا به PPM باید پاسخ حاسل را در 10⁶ ضرب کرد

مثال:
بخارات متیل کلروفرم در شرایط زیر تولید می شود. مقدار تولید مساوی 1.2 فوت مکعب در دقیقه، حجم کارگاه مساوی 100000 فوت مکعب، غلظت اولیه مساوی صفر و جریان هوای موثر مورد نیاز مساوی 2000 فوت مکعب در دقیقه است. پس از چه مدتی غلظت نهایی به 200 قسمت در میلیون می رسد. غلظت پس از 60 دقیقه چقدر خواهد شد؟

 

rt= -V  Ln (G-Q`C₂)

                    Q`        G      

 

 

rt= -100000 Ln (1.2-2000*200/1000000)= 20.3 min

                      2000                    1.2                              

مثال:

با استفاده از اعداد مسئله قبل غلظت پس از 60 دقیقه چقدر خواهد شد؟

 

C₂= G[1-e^[-Q`rt]]

       Q`     

 

C₂= 1.2 [1-e^{[-2000*60/100000]}]*10⁶=419 ppm

2000                                                

 

میزان پاک سازی

هنگامی که هوا آلوده شده اما تولید آلاینده و آلودگی بیشتر متوقف شود میزان کاهش غلظت آلاینده در هوا را در یک فاصله زمانی معین می توان محاسبه کرد. بدین منظور می توان نوشت:

 

Vdc= -Q`Cdt

 

Dc=-Q`dt

C    V    

 

^C2∫ dc= Q`^t2∫dt

C^t1  V      c₁

 

Ln    C₂   =- Q`(t₂- t₁)

C₁       V            

 

(t₂- t₁)=   VLn    C₂        

C₁      Q`      

 

 

و یا: C₂ = C_1e^{[Q`(t2- t1)]}

 ^v              

 

 

مثال:

فرض کنید در محل کار مثال قبل، تهویه به طور یکنواخت ادامه داشته اما فرآیند آلوده کننده قطع شده است. چه مدت طول می کشد تا غلظت آلودگی از مقدار اولیه 100 قسمت در میلیون به غلظت نهایی 25 قسمت در میلیون کاهش یابد.

 

 

(t₂- t₁)=   VLn    C₂               

C₁      Q`             

 

(t₂- t₁)= -100000Ln 25= 69.3^min

           100     2000 

 

 

اگر در مثال بالا غلظت اولیه مساوی 100 قسمت در میلیون باشد پس از 60 دقیقه مقدار نهایی چقدر خواهد شد؟

C₂ = C_1e^{[Q`(t2- t1)]}

   ^v

 

C₂ = 100_e^{[2000(60)/100000]}= 30.1 ppm

 

 

تهویه رقتی برای کنترل مخاطرات بهداشتی ناشی از مخلوط مواد

در بسیار از موارد ماده اصلی که تهویه رفتی برای آن طراحی می شود ترکیبی از چند حلال است. روش معمول به صورت زیر است:

زمانی که دو یا چند ماده مخاطره آمیز وجود دارد باید علاوه بر اثر مستقل هر یک، به اثر ترکیب و مخولط آنها نیز توجه شود. در صورت عدم اطلاع از تاثیر متقابل مواد، باید آثار مواد موجود را به طور تجمعی (فزاینده) در نظر گرفت. یعنی اگر مجموع عبارت زیر

C₁     + C₂ +    C₃+…..+ C₁>1

    TLV_n  TLV₃    TLV₂          TLV₁

 

بیش از یک باشد، میزان آلودگی از حد مجاز فراتر تلقی می شود. در صورت عدم اطلاع از تاثیر متقابل نیز آثار مواد به طور تجمعی فرض میشود. در این حالت هوای مورد نیاز برای کل مخلوط مساوی است با مجموع هوای مورد نیاز برای اینکه غلظت هر آلاینده را در حد تماس شغلی مجاز نگهداشت.

 

Q_rap= Q₁+ Q₂+ Q₃+…..+Q_n

 

در صورتی که دلایل قانع کننده مبنی بر عدم تاثیر متقابل مواد در دست باشد و تاثیر آنها تجمعی نبوده و مستقل باشد، یعنی هر یک به تنهایی در عضوی مختلف از بدن تاثیر کند، در این گونه موارد مقدار موارد غلظت آلاینده مخلوط در صورتی از حد مجاز فراتر در نظر گرفته می شود که هر یک از نسبت های زیر از 1 تجاوز نکند:

C₁   OR  C₂   OR   C₃ OR ….. OR C₁>1

         TLV_n     TLV₃      TLV₂                TLV₁          

 

در نتیجه وقتی که دو یا چند ماده خطرناک اثرات مستقل بر بدن داشته و تاثیر تجمعی ندارد، هوای مورد نیاز برای رقیق سازی هر عنصر از ترکیب بر آورد شده و بیشترین آنها را به عنوان هوای مورد نیاز برای رقیق سازی کل مخلوط در نظر می گیرند.

 

Q_rap= Q_rap   

                                          

مثال:
در یک عملیات تمیز کاری و چسب کاری، دو ماده تولوئن و متیل اتیل کتون mek رها می شود. هر دو ماده خاصیت تخدیری (بیهوشی آور) دارند. نتایج حاصل از نمونه گیری نشان می دهد که غلظت متیل اتیل کتون مساوی 150 قسمت در میلیون و غلظت تولوئن مساوی 50 قسمت در میلیون است. در صورتی که ماده رها شده از هر یک، مساوی 2 پینیت در ساعت بوده و سایر اطلاعات لازم به صورت زیر باشد مطلوبست:
 
الف- ارزیابی شرایط

ب- برآورد حجم هوای مورد نیاز برای رقیق سازی.

 

 

 

	متیل اتیل کتون	تولوئن
TLV	200 قدم	100 قدم
SG	805/0	866/0
MW	1/72	13/92
K	4	5

 

Q = 403*10⁶*SG*ER*K

MW*C         

 

 

Q = 403*10⁶*0.805*2/60*4= 2000 cfm

72.1*200                        

 

 

 Q = 403*10⁶*0.805*2/60*5= 6313 cfm

    92.13*100                         

 

 

Q_mix= Q _mex+Q_toluene= 3000+6313=9313 CFM

 

 

تهویه رفتی برای پیشگیری از حریق و انفجار

 

یکی دیگر از کاربرد های تهویه رفتی، استفاده از آن برای پایین آوردن غلظت بخارات در یک فضای محدود، به پایین تر از حد پایین انفجار است. البته باید تاکید کرد که این تهویه هرگز در محیط هایی که کارگر حضور دارد به کار نمی رود. زیرا در چنین مواردی همیشه میزان رقیق سازی برای اهداف بهداشتی در نظر گرفته میشود و چون مقدار حد مجاز تماس شغلی TLV به مراتب از حد پایین انفجار LEL مواد کمتر است لذا در صورت کنترل مخاطرات بهداشتی، مسئله خطر حریق و انفجار منتفی است. مثلا در رابطه با گزیلن، باشد. یعنی کمنتر از 2500 قسمت در میلیون، مسلما تماس کارگران با چنین غلظتی می تواند سبب بیماری جدی و حتی مرگ شود. البته در فضای بسته، نظیر فر های پخت و خشک کن ها و غیره ممکن است از تهویه رقتی برای پیشگیری از حریق و انفجار در یک محیط محدود استفاده شود تا غلظت آلاینده در حد کمتراز حد پایین انفجار نگهداشته شود در تهویه رقتی، حجم هوای مورد نیاز به منظور پیشگیری از حریق و انفجار، از رابطه زیر به دست می آید (برای هوای استاندارد).

 

Q=403*10²*SG*ER*Sƒ

        MW_Liq*LEL*B   

 

 

 

تذکر:

1. چون حد تماس شغلی بر حسب قسمت در میلیون و حد پایین انفجار در صد بیان می شود لذا ضریب 10⁶در صورت به 10⁶تبدیل

گردید.

2. S£ عبارت است از ضریب ایمنی که به درصد پایین انفجار لازم برای شرایط ایمن بستگی دارد. معلوم شده است که در اغلب خشک کن ها و کوره های ممند ضریب ایمنی S£ مساوی 4 می باشد. در کوره های پاتیلی یا مرحله ای با توزیع خوب هوا به دلیل وجود مقدار زیادی مواد خشک شدنی به یکبار مقدار S£ مساوی 10 تا 12 در نظر گرفته میشود تا در تمام اوقات شر ایط ایمن شود. در کوره های پاتیلی (مرحله ای) بدون جریان هوا با تهویه نامناسب، باید بیشترین ضریب ایمن را در نظر گرفت.

3. مقدارر B ضریب ثابتی است بیانگر این واقعیت که دما های بالا حد پایین انفجار کاهش می یابد. برای دماهای تا 250 درجه فارنهایت مقدارB مساوی 1 و برای دما ها ی مساوی و بالاتر از 250 درجه فارنهایت مساوی 0.7 است.

4. مثال:
یک سری از قفسه های رنگ کاری شده در یک کوره که دارای جریان هوا است پخته میشود. دمای کوره 350 درجه فارنهایت و زمان پخت 60 دقیقه است. مواد فرار در رنگ (لعاب) شامل 2 پینت گزیلن است. حجم هوای لازم برای رقیق سازی بخارت گریلن بحد ایمن در تمام اوقات در داخل کوره چقدر است؟

حل: مشخصات گزلین عبارتند از:

 

Sƒ=10          MW=106        SG=0.88      LEL=1%           B=0.7  

 

Q=403*10²*SG*ER*Sƒ

  MW_Liq*LEL*B   

 

 

Q=403*10²*0.88*2/60*10

 106*1*0.7         

 

چون حجم هوای به دست آمده مربوط به شرایط استاندارد است، باثید حجم هوا از شرایط استاندارد 70 درجه فارنهایت به شرایط داخل کوره یعنی 350 درجه فارنهایت تغییر داده شود، بنابر این:

Q_a= Q_ST_a= 159*(460+350)= 243^CFM

T_S             (460+70)                

                             

بنابر این حجم هوای واقعی مساوی است با:

Q_a= Q_S (460+θ)

530  

 

در بسیاری از موارد به دلیل دمای فر آیند یا حالت حلال، تبخیر آن یکنواخت نیست. در چنین مواردی باید زمان تبخیر را ملاک زمان مصرف در نظر گرفت در این خصوص به مثال زیر توجه کنید:

 

مثال:
در یک چرخه 10 دقیقه ای از یک مخلوط کن به قطر 6 فوت برای اختلاط ماسه و رزین استفاده میشود. هر مرحله شامل 400 پوند ماسه و 19 پوند زرین و 8 پینت (یک گالن) اتیل الکل است. در 2 دقیقه اول بخار می شود. حجم هوای لازم برای تهویه چقدر است. مشخصات اتیل الکل عبارت است از:

 

Sƒ=4           MW=46.07      SG=0.789       LEL=3.28%             B=1  

 

 

Q=403*10²*SG*ER*Sƒ

        MW_Liq*LEL*B   

 

 

Q=403*10²*0.789*8/2*4

        46.07*3.28*1        

تهویه رفتی برای پیشگیری از حریق و انفجار مخلوط مواد

در این حالت هنگامی که بخار چندین ماده قابل احتراق در محیط وجود دارد، روش معمول این است هوای لازم برای هر یک را حساب می کنند و بیشترین هوای لازم، مساوی هوای مورد نیاز برای رقیق سازی مخلوط خواهد بود.