Общеобменная вентиляция
Общеобменная вентиляция предназначена для ассимиляции избыточной теплоты, влаги и вредных веществ во всем объеме рабочей зоны помещений. Она применяется в том случае, если вредные выделения поступают непосредственно в воздух помещения, рабочие места не фиксированы, а располагаются по всему помещению. Обычно объем воздуха Lпр, подаваемого в помещение при общеобменной вентиляции, равен объему воздуха LB, удаляемого из помещения. Однако в ряде случаев возникает необходимость нарушить это равенство (рис. 1.9). Так, в особо чистых цехах электровакуумного производства, для которых большое значение имеет отсутствие пыли, объем притока воздуха делается больше объема вытяжки, за счет чего создается некоторый избыток давления в производственном помещении, что исключает попадание пыли из соседних помещений. В общем случае разница между объемами приточного и вытяжного воздуха не должна превышать 10...15%.Существенное влияние на параметры воздушной среды в рабочей зоне оказывают правильная организация и устройство приточных и вытяжных систем.
Воздухообмен, создаваемый в помещении вентиляционными устройствами, сопровождается циркуляцией воздушных масс в несколько раз больших объема подаваемого или удаляемого воздуха. Возникающая циркуляция является основной причиной распространения и перемешивания вредных выделений и создания в помещении разных по концентрации и температуре воздушных зон. Так, приточная струя, входя в помещение, вовлекает в движение окружающие массы воздуха, в результате чего масса струи в направлении движения будет возрастать, а скорость падать.
При истечении из круглого отверстия (рис. 1.10) на расстоянии 15 диаметров от устья скорость струи составит 20 % от первоначальной скорости Vo, а объем перемещающегося воздуха увеличится в 4,6 раза.
Скорость затухания движения воздуха зависит от диаметра выпускного отверстия do: чем больше do, тем медленнее затухание. Если нужно быстрее погасить скорость приточных струй, подаваемый воздух должен быть разбит на большое число мелких струй.
Существенное влияние на траекторию струи оказывает температура приточного воздуха: если температура приточной струи выше температуры воздуха помещения, то ось загибается вверх, если ниже, то вниз при изотермическом течении она совпадает с осью приточного отверстия.
К всасывающему отверстию (вытяжная вентиляция) воздух натекает со всех сторон, вследствие чего и падение скорости происходит весьма интенсивно (рис.1.11). Так, скорость всасывания на расстоянии одного диаметра от отверстия круглой трубы равна 5 % Vo.
Рис. 1.12. Схемы организации воздухообмена при общеобменной вентиляции
Циркуляция воздуха в помещении и соответственно концентрация примесей и распределение параметров микроклимата зависит не только от наличия приточных и вытяжных струй, но и от их взаимного расположения. Различают четыре основные схемы организации воздухообмена при общеобменной вентиляции: сверху–вверх (рис. 1.12, а); сверху –вверх (рис. 1.12, б); снизу –вверх (рис. 1.12, в); снизу – вниз (рис. 1.12, г). Кроме этих схем применяют комбинированные. Наиболее равномерное распределение воздуха достигается в том случае, когда приток равномерен по ширине помещения, а вытяжка сосредоточена.
При организации воздухообмена в помещениях необходимо учитывать и физические свойства вредных паров и газов и в первую очередь их плотность. Если плотность газов ниже плотности воздуха, то удаление загрязненного воздуха происходит в верхней зоне, а подача свежего–непосредственно в рабочую зону. При выделении газов с плотностью большей плотности воздуха из нижней части помещения удаляется 60 ..70 % и из верхней части 30...40 % загрязненного воздуха.
В помещениях со значительными выделениями влаги вытяжка влажного воздуха осуществляется в верхней зоне, а подача свежего в количестве 60 % –в рабочую зону и 40 % –в верхнюю зону.
По способу подачи и удаления воздуха различают четыре схемы общеобменной вентиляции (рис. 1.13): приточная, втяжная, приточно-вытяжная и системы с рециркуляцией. По приточной системе воздух подается в помещение - после подготовки его в приточной камере. В помещении при этом создается избыточное давление, за счет которого воздух уходит наружу через окна, двери или в другие помещения. Приточную систему применяют для вентиляции помещений, в которые нежелательно попадание загрязненного воздуха из соседних помещений или холодного воздуха извне.
Установки приточной вентиляции (рис. 1. 13, а) обычно состоят из следующих элементов: воздухозаборного устройства 1 для забора чистого воздуха; воздуховодов 2, по которым воздух подается в помещение, фильтров 3 для очистки воздуха от пыли, калориферов 4, в которых подогревается холодный наружный воздух; побудителя движения 5, увлажнителя-осушителя 6,
приточных отверстий или насадков 7, через которые воздух распределяется по помещению. Воздух из помещения удаляется через неплотности ограждающих конструкций.
Вытяжная система предназначена для удаления воздуха из помещения. При этом в нем создается пониженное давление и воздух соседних помещений или наружный воздух поступает в данное помещение. Вытяжную систему целесообразно применять в том случае, если вредные выделения данного помещения не должны распространяться на соседние, например, для вредных цехов, химических и биологических лабораторий.
Установки вытяжной вентиляции (рис. 1.13,6) состоят из вытяжных отверстий или насадков 8, через которые воздух удаляется из помещения; побудителя движения 5; воздуховодов 2, устройств для очистки воздуха от пыли или газов 9, устанавливаемых для защиты атмосферы, и устройства для выброса воздуха 10,
которое располагается на 1...1.5 м выше конька крыши. Чистый воздух поступает в производственное помещение через неплотности в ограждающих конструкциях, что является недостатком данной системы вентиляции, так как неорганизованный приток холодного воздуха (сквозняки) может вызвать простудные заболевания.
Рис. 1.13. Схемы общеобменной вентиляции:
а – приточная вентиляция; б – вытяжная вентиляция; в – приточно-вытяжная вентиляция с рециркуляцией
В отдельных случаях для сокращения эксплуатационных расходов на нагревание воздуха применяют системы вентиляции с частичной рециркуляцией (рис. 1.13, в). В них к поступающему снаружи воздуху подмешивают воздух, отсасываемый из помещения П вытяжной системой. Количество свежего и вторичного воздуха регулируют клапанами 11 и 12. Свежая порция воздуха в таких системах обычно составляет 20...10 % общего количества подаваемого воздуха. Систему вентиляции с рециркуляцией разрешается использовать только для тех помещений, в которых отсутствуют выделения вредных веществ или выделяющиеся вещества относятся к 4-му классу опасности и концентрация их в воздухе, подаваемом в помещение, не превышает 30 % ПДК. Применение рециркуляции не допускается и в том случае, если в воздухе помещений содержатся болезнетворные бактерии, вирусы или имеются резко выраженные неприятные запахи.
Отдельные установки общеобменной механической вентиляции могут не включать всех указанных выше элементов. Например, приточные системы не всегда оборудуются фильтрами и устройствами для изменения влажности воздуха, а иногда приточные и вытяжные установки могут не иметь сети воздуховодов.
Расчет потребного воздухообмена при общеобменной вентиляции производят исходя из условий производства и наличия избыточной теплоты, влаги и вредных веществ. Для качественной оценки эффективности воздухообмена применяют понятие кратности воздухообмена kв – отношение объема воздуха, поступающего в помещение в единицу времени L (м3/ч), к объему вентилируемого помещения Vn (м3). При правильно организованной вентиляции кратность воздухообмена должна быть значительно больше единицы.
При нормальном микроклимате и отсутствии вредных выделений количество воздуха при общеобменной вентиляции принимают в зависимости от объема помещения, приходящегося на одного работающего.
Отсутствие вредных выделений –это такое их количество в технологическом оборудовании, при одновременном выделении которых в воздухе помещения концентрация вредных веществ не превысит предельно допустимую. В производственных помещениях с объемом воздуха на каждого работающего Vni<20 м3 расход воздуха на одного работающего Li должен быть не менее 30 м /ч. В помещении с Vпi ==20...40 м3 L пi - 20 м3/4. В помещениях с Vni>40 м3 и при наличии естественной вентиляции воздухообмен не рассчитывают. В случае отсутствия естественной вентиляции (герметичные кабины) расход воздуха на одного работающего должен составлять не менее 60 м3/ч.
Необходимый воздухообмен для всего производственного помещения в целом
L = nLi,
где n –число работающих в данном помещении.
При определении потребного воздухообмена для борьбы с теплоизбытками составляют баланс явной теплоты помещения:
DQизб
+ Gпрcрtпр + Gвcрtух = 0,
где ? Qизб–избытки явной теплоты всего помещения, кВт; GпрСрtпр и GBCptyx –теплосодержание приточного и удаляемого воздуха, кВт; Ср – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг•°С); tnp и tух–температура приточного и уходящего воздуха, °С.
В летнее время вся теплота, которая поступает в помещение, является суммой теплоизбытков. В холодный период года часть тепловыделений в помещении расходуется на компенсацию теплопотерь
где б т –тепловыделения в помещении, кВт; Z б пот–потери теплоты через наружные ограждения, кВт.
Температура наружного воздуха в теплый период года принимается равной средней температуре самого жаркого месяца в 13 ч. Расчетны температуры для теплого и холодного периодов года приведены в СНиП 2.04.05–91. Температура удаляемого из помещения воздуха
где tрз –температура воздуха в рабочей зоне, °С; а – градиент температуры по высоте помещения, °С/м; для помещений с qя<23 Вт/м3 можно применять а = 0,5 °С/м. Для «горячих» цехов с qя>23 Вт/м3 – а = 0,7... 1,5 °С/м; Н –
расстояние от пола до центра вытяжных отверстий, м.
Исходя из баланса явной теплоты помещения, определяют необходимый воздухообмен (°С/ч) для ассимиляции теплоизбытков
где ?пр
– плотность приточного воздуха, кг/м3.
При определении необходимого воздухообмена для борьбы с вредными парами и газами составляют уравнение материального баланса вредных выделений в помещении за время d? (с):
где GBPd?–масса вредных выделений в помещении, обусловленных работой технологического оборудования, мг; LnpCnp d? – масса вредных выделений, поступающих в помещение вместе с приточным воздухом, мг; LBCBd?–масса вредных выделений, удаляемых из помещения вместе с уходящим воздухом, мг; Vпdc d? с–масса вредных паров или газов, накопившихся в помещении за время d?; Спр и Св – концентрация вредных веществ в приточном и удаляемом воздухе, мг/м3.
При равенстве масс приточного и удаляемого воздуха и, принимая, что благодаря вентиляции вредные вещества не накапливаются в производственном помещении, т.е. dc/ d? = 0 и Св = Спдк, получим L=GBP/(Cпдк-Спр). Концентрация вредных веществ в удаляемом воздухе равна концентрации их в воздухе помещения и не должна превышать ПДК. Концентрация вредных веществ в приточном воздухе должна быть по возможности минимальной и не превышать 30 % ПДК. Необходимый воздухообмен для удаления избыточной влаги определяют исходя из материального баланса по влаге
где GB^ – масса водяного пара, выделяющегося в помещение, г/с; ?пр –плотность воздуха, поступающего в помещение, кг/м3; dyx –допустимое содержание водяного пара в воздухе помещения при нормативной температуре и относительной влажности воздуха, г/кг;dпp – влагосодержание приточного воздуха, г/кг.
При одновременном выделении в рабочую зону вредных веществ, не обладающих однонаправленным действием на организм человека, например теплоты и влаги, необходимый воздухообмен принимают по наибольшей массе воздуха, полученной в расчетах для каждого вида производственных выделений.
При одновременном выделении в воздух рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия (триоксид и диоксид серы; оксид азота совместно с оксидом углерода и др., см. СН 245–71) расчет общеобменной вентиляции надлежит производить путем суммирования объемов воздуха, необходимых для разбавления каждого вещества в отдельности до его условных предельно допустимых концентраций [ci], учитывающих загрязнения воздуха другими веществами.
Эти концентрации меньше нормативных Cпдк и определяются из уравнения ?ni=1
С помощью местной вентиляции
необходимые метеорологические параметры создаются на отдельных рабочих местах. Например, улавливание вредных веществ непосредственно у источника возникновения, вентиляция кабин наблюдения и т.д. Наиболее широкое распространение находит местная вытяжная локализующая вентиляция. Основной метод борьбы с вредными выделениями заключается в устройстве и организации отсосов от укрытий.
Конструкции местных отсосов могут быть полностью закрытыми, полуоткрытыми или открытыми (рис. 1.14). Наиболее эффективны закрытые отсосы. К ним относятся кожухи, камеры, герметично или плотно укрывающие технологическое оборудование (рис. 1.14, а). Если такие укрытия устроить невозможно, то применяют отсосы с частичным укрытием или открытые: вытяжные зонты, отсасывающие панели, вытяжные шкафы, бортовые отсосы и др.
Один из самых простых видов местных отсосов – вытяжной зонт (рис. 1.14, ж).
Он служит для улавливания вредных веществ, имеющих меньшую плотность, чем окружающий воздух. Зонты устанавливают над ваннами различного назначения, электро- и индукционными печами и над отверстиями для выпуска металла и шлака из вагранок. Зонты делают открытыми со всех сторон и частично открытыми: с одной, двух и трех сторон. Эффективность работы вытяжного зонта зависит от размеров, высоты подвеса и угла его раскрытия. Чем больше размеры и чем ниже установлен зонт над местом выделения веществ, тем он эффективнее. Наиболее равномерное всасывание обеспечивается при угле раскрытия зонта менее 60°.
Отсасывающие панели применяют дня удаления вредных выделений, увлекаемых конвективными токами, при таких ручных операциях, как электросварка, пайка, газовая сварка, резка металла и т.п. Вытяжные шкафы – наиболее эффективное устройство по сравнению с другими отсосами, так как почти полностью укрывают источник выделения вредных веществ. Незакрытыми в шкафах остаются лишь проемы для обслуживания, через которые воздух из помещения поступает в шкаф.
Форму проема выбирают в зависимости от характера технологических операций.
Необходимый воздухообмен в устройствах местной вытяжной вентиляции рассчитывают, исходя из условия локализации примесей, выделяющихся из источника образования. Требуемый часовой объем отсасываемого воздуха определяют как произведение площади приемных отверстий отсоса F(м2 ) на скорость воздуха в них. Скорость воздуха в проеме отсоса v (м/с) зависит от класса опасности вещества и типа воздухоприемника местной вентиляции (v = 0,5...5 м/с).
Смешанная система вентиляции является сочетанием элементов местной и общеобменной вентиляции. Местная система удаляет вредные вещества из кожухов и укрытий машин. Однако часть вредных веществ через неплотности укрытий проникает в помещение. Эта часть удаляется общеобменной вентиляцией.
Рис. 1.14. Устройства местной вентиляции:
а – укрытие-бокс; б – бортовые отсосы (1–однобортовой; 2 –двухбортовой); в –боковые отсосы (1–односторонний; 2–угловой); г–отсос от рабочих столов; д–отсос витражного типа; е –вытяжные шкафы (1–с верхним отсосом; 2–с нижним отсосом; 3–с комбинированным отсосом); ж–вытяжные зонты (1–прямой; 2–наклонный).
Аварийная вентиляция предусматривается в тех производственных помещения, в которых возможно внезапное поступление в воздухе большого количества вредных или взрывоопасных веществ. Производительность аварийной вентиляции определяют в соответствии с требованиями нормативных документов в технологической части проекта. Если такие документы отсутствуют, то производительность аварийной вентиляции принимается такой, чтобы она вместе с основной вентиляцией обеспечивала в помещении не менее восьми воздухообменов за 1 ч. Система аварийной вентиляции должна включаться автоматически при достижении ПДК вредных выделений или при остановке одной из систем общеобменной или местной вентиляции. Выброс воздуха аварийных систем должен осуществляться с учетом возможности максимального рассеивания вредных и взрывоопасных веществ в атмосфере.
Для создания оптимальных метеорологических условий в производственных помещениях применяют наиболее совершенный вид промышленной вентиляции – кондиционирование воздуха. Кондиционированием воздуха называется его автоматическая обработка с целью поддержания в производственных помещениях заранее заданных метеорологических условий независимо от изменения наружных условий и режимов внутри помещения. При кондиционировании автоматически регулируется температура воздуха, его относительная влажность и скорость подачи в помещение в зависимости от времени года, наружных метеорологических условий и характера технологического процесса в помещении. Такие строго определенные параметры воздуха создаются в специальных установках, называемых кондиционерами. В ряде случаев помимо обеспечения санитарных норм микроклимата воздуха в кондиционерах производят специальную обработку: ионизацию, дезодорацию, озонирование и т.п.
Рис. 1.15. Схема кондиционера:
1–заборный воздуховод; 2–фильтр; 3–соединительный воздуховод; 4–калориферы первой и второй ступени подогрева; 5–форсунки воздухоочистки; 6–переходник-каплеуловитель; 7– калориферы второй ступени; 8 – вентилятор; 9 – отводной воздуховод.
Кондиционеры могут быть местными (для обслуживания отдельных помещений) и центральными (для обслуживания нескольких отдельных помещений). Принципиальная схема кондиционера представлена на рис. 1.15. Наружный воздух очищается от пыли в фильтре 2 и поступает в камеру I, где он смешивается с воздухом из помещения (при рециркуляции). Пройдя через ступень предварительной температурной обработки 4, воздух поступает в камеру II, где он проходит специальную обрабочку (промывание воздуха водой, обеспечивающую заданные параметры относительной влажности, и очистку воздуха), и в камеру III (температурная обработка). При температурной обработке зимой воздух подогревается частично за счет температуры воды, поступающей в форсунки 5, и частично, проходя через калориферы 4 и 7. Летом воздух охлаждается частично подачей в камеру II охлажденной (артезианской) воды, и главным образом в итоге работы специальных холодильных машин.
Кондиционирование воздуха играет существенную роль не только с точки зрения безопасности жизнедеятельности, но и во многих технологических процессах, при которых не допускаются колебания температуры и влажности воздуха (особенно в радиоэлектронике). Поэтому установки кондиционирования в последние годы находят все более широкое применение на промышленных предприятиях.
1.6. ВЛИЯНИЕ ОСВЕЩЕНИЯ НА УСЛОВИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
Основные светотехнические характеристики. Правильно спроектированное и рационально выполненное освещение производственных помещений оказывает положительное психофизиологическое воздействие на работающих, способствует повышению эффективности и безопасности труда, снижает утомление и травматизм, сохраняет высокую работоспособность.
Ощущение зрения происходит под воздействием видимого излучения (света), которое представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 0,38...0,76 мкм. Чувствительность зрения максимальна к электромагнитному излучению с длиной волны 0,555 мкм (желто-зеленый цвет) и уменьшается к границам видимого спектра.
Освещение характеризуется количественными и качественными показателями. К количественным показателям относятся:
световой поток Ф –часть лучистого потока, воспринимаемая человеком как свет; характеризует мощность светового излучения, измеряется в люменах (лм);
сила света J–пространственная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dф, исходящего от источника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла d?, к величине этого угла; J== dф/d? ; измеряется в канделах (кд);
освещенность Е–поверхностная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dф, равномерно падающего на освещаемую поверхность dS (м2), к ее площади: Е=dф/dS, измеряется в люксах (лк);
яркость L поверхности под углом ? к нормали –это отношение силы света dJ?, излучаемой, освещаемой или светящейся поверхностью в этом направлении, к площади dS
проекции этой поверхности, на плоскость, перпендикулярную к этому направлению: L = dф/(dScos?), измеряется в кд • м-2.
Для качественной оценки условий зрительной работы используют такие показатели как фон, контраст объекта с фоном, коэффициент пульсации освещенности, показатель освещенности, спектральный состав света.
Фон – это поверхность, на которой происходит различение объекта. Фон характеризуется способностью поверхности отражать падающий на нее световой поток. Эта способность (коэффициент отражения р) определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока Фотр
к падающему на нее световому потоку Фпад; р == Фот/Фпад. В зависимости от цвета и фактуры поверхности значения коэффициента отражения находятся в пределах 0,02...0,95; при р >0,4 фон считается светлым; при р = 0,2...0,4–средним и при р <0,2–темным.
Контраст объекта с фоном k – степень различения объекта и фона –характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знаки, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона; k = (Lop–Lo)/Lop считается большим, если k>0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при k==0,2...0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при k<0,2 (объект слабо заметен на фоне).
Коэффициент пульсации освещенности kЕ–это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока
KЕ=100(Emax-Emin)/(2Eср);
где Emax, Emin Ecp
– максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период колебаний; для газоразрядных ламп kе
= 25...65 %, для обычныхламп накаливания kE?7 %, для галогенных ламп накаливания KE== 1 %.
Показатель ослепленности Ро – критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой,
Po=1000(V1/V2-1),
где V1 и V2 –видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.
Экранирование источников света осуществляется с помощью щитков, козырьков и т.п.
Видимость V характеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции.
Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е. V=k/kпop, где kпор –пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.
Системы и виды производственного освещения. При освещении производственных помещений используют естественное освещение, создаваемое прямыми солнечными лучами и рассеянным светом небосвода и меняющемся в зависимости от географической широты, времени года и суток, степени облачности и прозрачности атмосферы; искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света, и совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняют искусственным.
Конструктивно естественное освещение подразделяют на боковое (одно- и двухстороннее), осуществляемое через световые проемы в наружных стенах; верхнее –через аэрационные и зенитные фонари, проемы в кровле и перекрытиях; комбинированное – сочетание верхнего и бокового освещения.
Искусственное освещение по конструктивному исполнению может быть двух видов – общее и комбинированное. Систему общего освещения применяют в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, сварочные, гальванические цехи), а также в административных, конторских и складских помещениях. Различают общее равномерное освещение (световой поток распределяется равномерно по всей площади без учета расположения рабочих мест) и общее локализованное освещение (с учетом расположения рабочих мест).
При выполнении точных зрительных работ (например, слесарных, токарных, контрольных) в местах, где оборудование создает глубокие, резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы), наряду с общим освещением применяют местное. Совокупность местного и общего освещения называют комбинированным освещением. Применение одного местного освещения внутри производственных помещений не допускается, поскольку образуются резкие тени, зрение быстро утомляется и создается опасность производственного травматизма.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на рабочее, аварийное и специальное, которое может быть охранным, дежурным, эвакуационным, эритемным, бактерицидным и др.
Рабочее освещение предназначено для обеспечения нормального выполнения производственного процесса, прохода людей, движения транспорта и является обязательным для всех производственных помещений.
Аварийное освещение устраивают для продолжения работы в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения (при авариях) и связанное с этим нарушение нормального обслуживания оборудования могут вызвать взрыв, пожар, отравление людей, нарушение технологического процесса и т.д. Минимальная освещенность рабочих поверхностей при аварийном освещении должна составлять 5 % нормируемой освещенности рабочего освещения, но не менее 2 лк.
Эвакуационное освещение предназначено для обеспечения эвакуации людей из производственного помещения при авариях и отключении рабочего освещения; организуется в местах, опасных для прохода людей: на лестничных клетках, вдоль основных проходов производственных помещений, в которых работают более 50 чел. Минимальная освещенность на полу основных проходов и на ступеньках при эвакуационном освещении должна быть не менее 0,5 лк, на открытых территориях – не менее 0,2 лк.
Охранное освещение устраивают вдоль границ территорий, охраняемых специальным персоналом. Наименьшая освещенность в ночное время 0,5 лк.
Сигнальное освещение применяют для фиксации границ опасных зон; оно указывает на наличие опасности, либо на безопасный путь эвакуации.
Условно к производственному освещению относят бактерицидное и эритемное облучение помещений. Бактерицидное облучение («освещение») создается для обеззараживания воздуха, питьевой воды, продуктов питания. Наибольшей бактерицидной способностью обладают ультрафиолетовые лучи с ? == 0,254...0,257 мкм. Эритемное облучение создается в производственных помещениях, где недостаточно солнечного света (северные районы, подземные сооружения).
Максимальное эритемное воздействие оказывают электромагнитные лучи с ? = 0,297 мкм. Они стимулируют обмен веществ, кровообращение, дыхание и другие функции организма человека.
Основные требования к производственному освещению. Основной задачей производственного освещения является поддержание на рабочем месте освещенности, соответствующей характеру зрительной работы. Увеличение освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает скорость различения деталей, что сказывается на росте производительности труда. Так, при выполнении отдельных операций на главном конвейере сборки автомобилей при повышении освещенности с 30 до 75 лк производительность труда повысилась на 8 %. При дальнейшем повышении до 100 лк –на 28 % (по данным проф. АЛ. Тарханова). Дальнейшее повышение освещенности не дает роста производительности.
При организации производственного освещения необходимо обеспечить равномерное распределение яркости на рабочей поверхности и окружающих предметах. Перевод взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность вынуждает глаз переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения и соответственно к снижению производительности труда. Для повышения равномерности естественного освещения больших цехов осуществляется комбинированное освещение. Светлая окраска потолка, стен и оборудования способствует равномерному распределению яркостей в поле зрения работающего.
Производственное освещение должно обеспечивать отсутствие в поле зрения работающего резких теней. Наличие резких теней искажает размеры и формы объектов различения и тем самым повышает утомляемость, снижает производительность труда. Особенно вредны движущиеся тени, которые могут привести к травмам. Тени необходимо смягчать, применяя, например, светильники со светорассеивающими молочными стеклами, при естественном освещении, используя солнцезащитные устройства (жалюзи, козырьки и др.).
Для улучшения видимости объектов в поле зрения работающего должна отсутствовать прямая и отраженная блескость. Блескость – это повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительных функций (ослепленность), т.е.
ухудшение видимости объектов. Блескость ограничивают уменьшением яркости источника света, правильным выбором защитного угла светильника, увеличением высоты подвеса светильников, правильном направлением светового потока на рабочую поверхность, а также изменением угла наклона рабочей поверхности. Там, где это возможно, блестящие поверхности следует заменять матовыми.
Колебания освещенности на рабочем месте, вызванные, например, резким изменением напряжения в сети, обусловливают переадаптацию глаза, приводя к значительному утомлению. Постоянство освещенности во времени достигается стабилизацией плавающего напряжения, жестким креплением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп.
При организации производственного освещения следует выбирать необходимый спектральный состав светового потока. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов. Оптимальный спектральный состав обеспечивает естественное освещение. Для создания правильной цветопередачи применяют монохроматический свет, усиливающий одни цвета и ослабляющий другие.
Осветительные установки должны быть удобны и просты в эксплуатации, долговечны, отвечать требованиям эстетики, электробезопасности, а также не должны быть причиной возникновения взрыва или пожара. Обеспечение указанных требований достигается применением защитного зануления или заземления, ограничением напряжения питания переносных и местных светильников, защитой элементов осветительных сетей от механических повреждений и т.п.
Нормирование производственного освещения. Естественное и искусственное освещение в помещениях регламентируется нормами СНиП 23-05–95 в зависимости от характера зрительной работы, системы и вида освещения, фона, контраста объекта с фоном. Характеристика зрительной работы определяется наименьшим размером объекта различения (например, при работе с приборами –толщиной линии градуировки шкалы, при чертежных работах –толщиной самой тонкой линии).
В зависимости от размера объекта различения все виды работ, связанные со зрительным напряжением, делятся на восемь разрядов, которые в свою очередь в зависимости от фона и контраста объекта с фоном делятся на четыре подразряда.
Искусственное освещение нормируется количественными (минимальной освещенностью Emin) и качественными показателями (показателями ослепленности и дискомфорта, коэффициентом пульсации освещенности kE). Принято раздельное нормирование искусственного освещения в зависимости от применяемых источников света и системы освещения. Нормативное значение освещенности для газоразрядных ламп при прочих равных условиях из-за их большей светоотдачи выше, чем для ламп накаливания. При комбинированном освещении доля общего освещения должна быть не менее 10 % нормируемой освещенности. Эта величина должна быть не менее 150 лк для газоразрядных ламп и 50 лк для ламп накаливания.
Для ограничения слепящего действия светильников общего освещения в производственных помещениях показатель ослепленности не должен превышать 20...80 единиц в зависимости от продолжительности и разряда зрительной работы. При освещении производственных помещений газоразрядными лампами, питаемыми переменным током промышленной частоты 50 Гц, глубина пульсаций не должна превышать 10...20 % в зависимости от характера выполняемой работы.
При определении нормы освещенности следует учитывать также ряд условий, вызывающих необходимость повышения уровня освещенности, выбранного по характеристике зрительной работы. Увеличение освещенности следует предусматривать, например, при повышенной опасности травматизма или при выполнении напряженной зрительной работы I...IV разрядов в течение всего рабочего дня. В некоторых случаях следует снижать норму освещенности, например, при кратковременном пребывании людей в помещении.
Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая освещенность изменяется в зависимости от времени суток, года, метеорологических условий. Поэтому в качестве критерия оценки естественного освещения принята относительная величина – коэффициент естественной освещенности КЕО, не зависящий от вышеуказанных параметров.
КЕО – это отношение освещенности в данной точке внутри помещения Eвн к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности Ен, создаваемой светом полностью открытого небосвода, выраженное в процентах, т.е. КЕО = 100Евн/Ен.
Принято раздельное нормирование КЕО для бокового и верхнего естественного освещения. При боковом освещении нормируют минимальное значение КЕО в пределах рабочей зоны, которое должно быть обеспечено в точках, наиболее удаленных от окна; в помещениях с верхним и комбинированным освещением – по усредненному КЕО в пределах рабочей зоны. Нормированное значение КЕО с учетом характеристики зрительной работы, системы освещения, района расположения зданий на территории страны
ен=КEOmc,
где КЕО–коэффициент естественной освещенности; определяется по СНиП 23-05–95; т –коэффициент светового климата, определяемый в зависимости от района расположения здания на территории страны; с – коэффициент солнечности климата, определяемый в зависимости от ориентации здания относительно сторон света; коэффициенты т и с определяют по таблицам СНиП 23-05–95.
Совмещенное освещение допускается для производственных помещений, в которых выполняются зрительные работы I и II разрядов; для производственных помещений, строящихся в северной климатической зоне страны; для помещений, в которых по условиям технологии требуется выдерживать стабильными параметры воздушной среды (участки прецизионных металлообрабатывающих станков, электропрецизионного оборудования). При этом общее искусственное освещение помещений должно обеспечиваться газоразрядными лампами, а нормы освещенности повышаются на одну ступень.
Источники света и осветительные приборы. Источники света, применяемые для искусственного освещения, делят на две группы– газоразрядные лампы и лампы накаливания. Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити. В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет.
При выборе и сравнении источников света друг с другом пользуются следующими параметрами: номинальное напряжение питания U (В), электрическая мощность лампы Р (Вт); световой поток, излучаемый лампой Ф (лм), или максимальная сила света J(кд); световая отдача ? == Ф/Р (лм/Вт), т.е. отношение светового потока лампы к ее электрической мощности; срок службы лампы и спектральный состав света.
Благодаря удобству в эксплуатации, простоте в изготовлении, низкой инерционности при включении, отсутствии дополнительных пусковых устройств, надежности работы при колебаниях напряжения и при различных метеорологических условиях окружающей среды лампы накаливания находят широкое применение в промышленности. Наряду с отмеченными преимуществами лампы накаливания имеют и существенные недостатки: низкая световая отдача (для ламп общего назначения ? = 7...20 лм/Вт), сравнительно малый срок службы (до 2,5 тыс. ч), в спектре преобладают желтые и красные лучи, что сильно отличает их спектральный состав от солнечного света.
В последние годы все большее распространение получают галогеновые лампы – лампы накаливания с йодным циклом. Наличие в колбе паров йода позволяет повысить температуру накала нити, т.е. световую отдачу лампы (до 40 лм/Вт). Пары вольфрама, испаряющиеся с нити накаливания, соединяются с йодом и вновь оседают на вольфрамовую спираль, препятствуя распылению вольфрамовой нити и увеличивая срок службы лампы до 3 тыс. ч. Спектр излучения галогеновой лампы более близок к естественному.
Основным преимуществом газоразрядных ламп перед лампами накаливания является большая световая отдача 40...110 лм/Вт. Они имеют значительно большой срок службы, который у некоторых типов ламп достигает 8...12 тыс. ч. От газоразрядных ламп можно получить световой поток любого желаемого спектра, подбирая соответствующим образом инертные газы, пары металлов, люминоформ. По спектральному составу видимого света различают лампы дневного света (ЛД), дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛЛД), холодного белого (ЛХБ), теплого белого (ЛТБ) и белого цвета (ЛБ).
Основным недостатком газоразрядных ламп является пульсация светового потока, что может привести к появлению стробоскопического эффекта, заключающегося в искажении зрительного восприятия. При кратности или совпадении частоты пульсации источника света и обрабатываемых изделий вместо одного предмета видны изображения нескольких, искажается направление и скорость движения, что делает невозможным выполнение производственных операций и ведет к увеличению опасности травматизма. К недостаткам газоразрядных ламп следует отнести также длительный период разгорания, необходимость применения специальных пусковых приспособлений, облегчающих зажигание ламп; зависимость работоспособности от температуры окружающей среды Газоразрядные лампы могут создавать радиопомехи, исключение которых требует специальных устройств.
Рис. 1.16. Кривые распределения силы света в пространстве:
7 – широкая; 2 –
равномерная; 3 – глубокая.
эксплуатацию необходимо по возможности использовать лампы наибольшей мощности, но без ухудшения при этом качества освещения.
Создание в производственных помещениях качественного и эффективного освещения невозможно без рациональных светильников. Электрический светильник –
это совокупность источника света и осветительной арматуры, предназначенной для перераспределения излучаемого источником светового потока в требуемом направлении, предохранения глаз рабочего от слепящего действия ярких элементов источника света, защиты источника от механических повреждений, воздействия окружающей среды и эстетического оформления помещения.
Для характеристики светильника с точки зрения распределения светового потока в пространстве строят график силы света в полярной системе координат (рис. 1.16).
Степень предохранения глаз работников от слепящего действия источника света определяют защитным углом светильника. Защитный угол –это угол между горизонталью и линией, соединяющей нить канала (поверхность лампы) с противоположным краем отражателя (рис. 1.17). Важной характеристикой светильника является его коэффициент полезного действия – отношение фактического светового потока светильника Фф к световому потоку помещенной в него лампы Фп, т.е. ?св == Фф/Фп.
|
Р и с. 1.17. Защитный угол светильника а –с лампой накаливания; б – с люминесцентными лампами |
Рис. 1.18. Основные типы светильников: а – «Универсаль»; б – «Глубокоизлучатель»; в – «Люцета»; г – «Молочный шарик»; д –взрывобезопасный типа ВЗГ; е –типа ОД; ж–типа ПВЛП |
Расчет производственного освещения. Основной задачей светотехнических расчетов является: для естественного освещения определение необходимой площади световых проемов; для искусственного –требуемой мощности электрической осветительной установки для создания заданной освещенности.
При естественном боковом освещении требуемая площадь световых проемов (м2)
Sтрок=Sпен?окkздkз/(100p?общ)
где Sп –площадь пола помещений, м2; ?ок–коэффициент световой активности оконного проема; kзд–коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями; kз –коэффициент запаса; определяется с учетом запыленности помещения, расположения стекол (наклонно, горизонтально, вертикально) и периодичности очистки; р –коэффициент, учитывающий влияние отраженного света; определяется с учетом геометрических размеров помещения, светопроема и значений коэффициентов отражения стен, потолка, пола; ?общ– общий коэффициент светопропускания; определяется в зависимости от коэффициента светопропускания стекол, потерь света в переплетах окон, слоя его загрязнения, наличия несущих и солнцезащитных конструкций перед окнами.
При выбранных светопроемах действительные значения коэффициента естественного освещения для различных точек помещения рассчитывают с использованием графоаналитического метода Данилюка по СНиП 23-05–95.
При проектировании искусственного освещения необходимо выбрать тип источника света, систему освещения, вид светильника; наметить целесообразную высоту установки светильников и размещения их в помещении; определить число светильников и мощность ламп, необходимых для создания нормируемой освещенности на рабочем месте, и в заключение проверить намеченный вариант освещения на соответствие его нормативным требованиям.
Расчет общего равномерного искусственного освещения горизонтальной рабочей поверхности выполняется методом коэффициента использования светового потока. Световой поток (лм) одной лампы или группы люминисцентных ламп одного светильника
Фк=ЕнSzk3/(n?N),
где Eн –нормируемая минимальная освещенность по СНиП 23-05–95, лк; S–площадь освещаемого помещения, м2; z –коэффициент неравномерности освещения, обычно z = 1,1-1,2; k, –коэффициент запаса, зависящий от вида технологического процесса и типа применяемых источников света, обычно kз = 1,3 - 1,8; п –число светильников в помещении; ?N–коэффициент использования светового потока.
Коэффициент использования светового потока, давший название методу расчета, определяют по СНиП 23-05–95 в зависимости от типа светильника, отражательной способности стен и потолка, размеров помещения, определяемых индексом помещения
i=AB/[H(A+B)],
где А, В – длина и ширина помещения в плане, м; H – высота подвеса светильников над рабочей поверхностью, м.
По полученному в результате расчета световому потоку по ГОСТ 2239–79* и ГОСТ 6825–91 выбирают ближайшую стандартную лампу и определяют необходимую электрическую мощность. При выборе лампы допускается отклонение светового потока от расчетного в пределах 10...20 %.
Для поверочного расчета местного освещения, а также для расчета освещенности конкретной точки наклонной поверхности при общем локализованном освещении применяют точечный метод.
В основу точечного метода положено уравнение
ЕА =J?cos? / r 2 ,
где ЕА – освещенность горизонтальной поверхности в расчетной точке А, лк; J? – сила света в направлении от источника к расчетной точке А; определяется по кривой распределения светового потока выбираемого светильника и источника света; ? – угол между нормалью к поверхности, которой принадлежит точка, и направлением вектора силы света в точку А; r–расстояние от светильника до точки A, м.
Учитывая, что r = H/cos? и вводя коэффициент запаса kз получим Ел = J? cos3? /(Hk3). Критерием правильности расчета служит неравенство Ел? Ен.
Цветовое оформление производственного интерьера. Рациональное цветовое оформление производственного интерьера –действенный фактор улучшения условий труда и жизнедеятельности человека. Установлено, что цвета могут воздействовать на человека по-разному: одни цвета успокаивают, а другие раздражают. Например, красный цвет – возбуждающий, горячий, вызывает у человека условный рефлекс, направленный на самозащиту. Оранжевый воспринимается людьми так же как горячий, он согревает, бодрит, стимулирует к активной деятельности. Желтый–теплый, веселый, располагает к хорошему настроению. Зеленый –цвет покоя и свежести, успокаивающе действует на нервную систему, а в сочетании с желтым благотворно влияет на настроение. Синий и голубой цвета свежи и прозрачны, кажутся легкими, воздушными. Под их воздействием уменьшается физическое напряжение, они могут регулировать ритм дыхания, успокаивать пульс. Черный цвет – мрачный и тяжелый, резко снижает настроение. Белый цвет–холодный, однообразный, способный вызывать апатию.
Разностороннее эмоциональное воздействие цвета на человека позволяет широко использовать его в гигиенических целях. Поэтому при оформлении интерьера производственного помещения цвет используют как композиционное средство, обеспечивающее гармоническое единство помещения и технологического оборудования, как фактор, создающий оптимальные условия зрительной работы и способствующий повышению работоспособности; как средство информации, ориентации и сигнализации для обеспечения безопасности труда.
Поддержание рациональной цветовой гаммы в производственных помещениях достигается правильным выбором осветительных установок, обеспечивающих необходимый световой спектр. В процессе эксплуатации осветительных установок необходимо предусматривать регулярную очистку от загрязнений светильников и остекленных проемов, своевременную замену отработавшей свой срок службы лампы, контроль напряжений питания осветительной сети, регулярную и рациональную окраску стен, потолка, оборудования.
Сроки очистки светильников и остекления зависят от степени запыленности помещения: для помещений с незначительными выделениями пыли –2 раза в год; со значительным выделением пыли – 4...12 раз в год. Для удобства и безопасности очистки осветительных установок применяют передвижные тележки, телескопические лестницы, подвесные люльки. При высоте подвеса светильников до 5 м допускается обслуживание их с приставных лестниц и стремянок. Очищать светильники следует при отключенном питании.
2. НЕГАТИВНЫЕ ФАКТОРЫ ТЕХНОСФЕРЫ
2.1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ РЕГИОНОВ ТЕХНОСФЕРЫ ТОКСИЧНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Регионы техносферы и природные зоны, примыкающие к очагам техносферы, постоянно подвергаются активному загрязнению различными веществами и их соединениями.
Загрязнение атмосферы. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. К числу примесей, выделяемых естественными источниками, относят: пыль (растительного, вулканического, космического происхождения, возникающую при эрозии почвы, частицы морской соли); туман; дым и газ от лесных и степных пожаров; газы вулканического происхождения; различные продукты растительного, животного происхождения и др.
Естественные источники загрязнений бывают либо распределенными, например, выпадение космической пыли, либо локальными, например, лесные и степные пожары, извержения вулканов. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.
Основное антропогенное загрязнение атмосферного воздуха создают автотранспорт, теплоэнергетика и ряд отраслей промышленности (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу
Российской Федерации, тыс. т [2.2]
|
Источники выбросов |
1992г. |
1996г. |
|
Теплоэлектростанции |
6645 |
4748 |
|
Металлургические предприятия |
8218 |
6133 |
|
Нефтяная и газовая промышленность |
4532 |
2699 |
|
Химическая промышленность |
1000 |
454 |
|
Производства, выпускающие строительные материалы |
1386 |
528 |
|
Предприятия, перерабатывающие древесину |
751 |
434 |
|
Автотранспорт |
– |
10955 |
Таблица 2.2. Источники выбросов веществ в атмосферу
|
Примеси |
Основные источники |
Среднегодовая концентрация в воздухе, мг/м |
|
|
естественные |
антропогенные |
||
|
Пыль |
Вулканические извержения, пылевые бури, лесные пожары и др. |
Сжигание топлива в промышленных и бытовых установках |
В городах 0,04–0.4 |
|
Диоксид серы |
Вулканические извержения, окисление серы и сульфатов, рассеянных в море |
Сжигание топлива в промышленных и бытовых установках |
В городах до 1,0 |
|
Оксиды азота |
Лесные пожары |
Промышленность, автотранспорт, теплоэлектростанции |
В районах с развитой промышленностью до 0,2 |
|
Оксид углерода |
Лесные пожары, выделения океанов |
Автотранспорт, промышленные энергоустановки, предприятия черной металлургии |
В городах 1...50 |
|
Летучие углеводороды |
Лесные пожары, природный метан |
Автотранспорт, испарение нефтепродуктов |
В районах с развитой промышленностью до 0,3 |
|
Полицик-лические аро-матические углеводороды |
- |
Автотранспорт, химические и нефтеперерабатывающие заводы |
В районах с развитой промышленностью до 0,01 |
Ежегодное количество примесей, поступающих в атмосферу Земли
|
Вещество |
Выбросы, млн. т |
Доля антропогенных примесей в общих поступлениях, % |
|
|
естественные |
антропогенные |
||
|
Пыль |
3700 |
1000 |
27 |
|
Оксид углерода |
5000 |
304 |
5,7 |
|
Углеводороды |
2600 |
88 |
3,3 |
|
Оксиды азота |
770 |
53 |
6,5 |
|
Оксиды серы |
650 |
100 |
13,3 |
|
Диоксид углерода |
485000 |
18300 |
3,6 |
Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных источников в РФ в 1996 г. приведены ниже [2.2]:
|
Пыль .........……………………………….. |
Млн. т 4,1 |
|
Диоксид серы ....…………………………. |
7,87 |
|
Оксид углерода ....………………………… |
4,19 |
|
Оксиды азота ....……………………………. |
2,75 |
|
Углеводороды ....……………………………… |
1,34 |
Выбросы токсичных веществ приводят, как правило, к превышению текущих концентраций веществ над предельно допустимыми.
Контроль состояния атмосферы в городах страны показал, что уровень загрязнения в 1996 г. остался весьма высоким. Максимальные концентрации загрязняющих веществ превышали 10 ПДКср в 70 городах. В табл. 2.4 приведены данные по некоторым городам страны с большим уровнем загрязнения атмосферного воздуха.
Таблица 2.4. Города с большим уровнем загрязнения атмосферы в 1990 г.
(извлечение из табл. 2.3 [2.3])
|
№ по [2.3] |
Город |
Вещества, определяющие уровень загрязнения |
Отрасль промышленности, создающая загрязнение |
|
7 |
Братск |
Бенз(а)пирен, формальдегид, сероуглерод, фтористый водород |
Цветная металлургия, целлю-лозно-бумажная, энергетика |
|
23 |
Иркутск |
Бенз(а)пирен, формальдегид, диоксид азота |
Энергетика, тяжелое машиностроение |
|
38 |
Магнитогорск |
Бенз(а)пирен, сероуглерод, стирол, диоксид азота |
Черная металлургия |
|
42 |
Москва |
Формальдегид, бензол, диоксид азота |
Автотранспорт, нефтехимическая |
|
49 |
Омск |
Аммиак, формальдегид |
Нефтехимическая, химическая |
Высокие концентрации и миграция примесей в атмосферном воздухе стимулируют их взаимодействие с образованием более токсичных соединений (смога, кислот) или приводят к таким явлениям, как «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя.
Рис. 2.1. Относительные концентрации N02
и Оз в атмосферном воздухе (г. Лос-Анджелес, 19.07.65г.)
Общая схема реакций образования фотохимического смога
сложна и в упрощенном виде может быть представлена реакциями
Смог весьма токсичен, так как его составляющие обычно находятся в пределах: O3 –60...75 %, ПАН, Н2О2, альдегиды и др.–25...40 %.
Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота, углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия).
Характерное распределение фотохимического смога по времени суток показано на рис. 2.1, а его воздействие на человека и растительность в табл. 2.5.
Таблица 2.5. Воздействие фотохимических оксидантов на человека и растительность
|
Концентрация оксидантов |
Экспозиция, ч |
Эффект воздействия |
|
|
мкг/м3 |
млн-1 |
||
|
100 |
0,05 |
4 |
Повреждение растительности |
|
200 |
0,1 |
– |
Раздражение глаз |
|
250 |
0,13 |
24 |
Обострение респираторных заболеваний |
|
600 |
0,3 |
1 |
Ухудшение спортивных показателей |
(млн -1) M/24,5, где М –
молярная масса примесей, г/моль; 24,5 –объем (л) 1 моль идеального газа при температуре 25 °С и давлении 105 Па. Для О3 при t = 25 0С 1 млн-1 = 1,962 мг/м3.
Фотохимические смоги, впервые обнаруженные в 40-х годах в г. Лос-Анджелес, теперь периодически наблюдаются во многих городах мира.
Кислотные дожди известны более 100 лет, однако проблема этих дождей возникла около 20 лет назад.
Источниками кислотных дождей служат газы, содержащие серу и азот. Наиболее важные из них: SO2, NOх, H2S. Кислотные дожди возникают вследствие неравномерного распределения этих газов в атмосфере. Например, концентрация SO2 (мкг/м3) обычно таковы: в городе 50...1000, на территории около города в радиусе около 50 км 10...50, в радиусе около 150 км 0,1...2, над океаном 0,1.
Основными реакциями в атмосфере являются: I вариант: SO2
+ ОН >НSOз; НSОз + ОН > H2SO4 (молекулы в атмосфере быстро конденсируются в капли); II вариант: SO2+ hv > SO2* (SO2*– активированная молекула диоксида серы); SO2
+ O2 > SO4; SO4 + О2 > SOз + Оз; SOз + Н2O ->H2SO4. Реакции обеих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для сероводорода характерна реакция H2S + O2 > SO2 + Н2O и далее I или II вариант реакции.
Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются: естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) 31...41 %, антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) 59...69 %; всего поступает 91...112 млн. т в год.
Концентрации соединений азота (мкг/м3) составляют: в городе 10...100, на территории около города в радиусе 50 км 0,25...2,5, над океаном 0,25.
Из соединений азота основную долю кислотных дождей дают N0 и N02. В атмосфере возникают реакции: 2NO + О2 > 2NO2, NO2 + ОН > HNO3. Источниками соединений азота являются: естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горение биомассы и др.) 63 %, антропогенные (ТЭС, автотранспорт, промышленность) 37 %; всего поступает 51...61 млн. т в год.
Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и автотранспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м3.
Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, сохраняя свои свойства соответственно, в течение 2 и 8... 10 суток. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000...2000 км и лишь после этого выпадают с осадками на земную поверхность.
Различают два вида седиментации: влажная и сухая. Влажная – это выпадение кислот, растворенных в капельной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5 %; сухая –реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала и капли могут проходить большие расстояния (следы серной кислоты обнаружены даже на Северном полюсе).
Различают прямое и косвенное воздействие кислотных осадков на человека. Прямое воздействие обычно не представляет опасности, так как концентрация кислот в атмосферном воздухе не превышает 0,1 мг/м3, т. е. находится на уровне ПДК (ПДКсс = 0,1 и ПДКмр =0,3 мг/м3 для H2S04). Такие концентрации нежелательны для детей и астматиков.
Прямое воздействие опасно для металлоконструкций (коррозия со скоростью до 10 мкм/год), зданий, памятников и т.
д. особенно из песчаника и известняка в связи с разрушением карбоната кальция.
Наибольшую опасность кислотные осадки представляют при попадании в водоемы и почву, что приводит к уменьшению рН воды (рН = 7 –нейтральная среда). От значения рН воды зависит растворимость алюминия и тяжелых металлов в ней и, следовательно, их накопление в корнеплодах, а затем и в организме человека. При изменении рН воды меняется структура почвы и снижается ее плодородие. Снижение рН питьевой воды способствует поступлению в организм человека указанных выше металлов и их соединений.
В нашей стране повышенная кислотность осадков (рН == 4...5,5) отмечается в отдельных промышленных регионах. Наиболее неблагополучны города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Вологда, Петрозаводск, Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превышающая 4 т/(км•год), зарегистрирована в 22 городах страны, а более 8...12 т/(км2•год)) в городах: Алексин, Новомосковск, Норильск, Магнитогорск.
Состояние и состав атмосферы определяют во многом величину солнечной радиации в тепловом балансе Земли. На ее долю приходится основная часть поступающей в биосферу теплоты:
|
Теплота от солнечной радиации ....... |
Дж/год 25 ·1023 |
% 99.8 |
|
Теплота от естественных источников (из недр Земли, от животных и др.) ...... ...... |
37,46·1020 |
0,18 |
|
Теплота от антропогенных источников (энергоустановок, пожаров и др.) ........... |
4,2 ·1020 |
0,02 |
Основная доля солнечной радиации передается к поверхности Земли в оптическом диапазоне излучений, а отраженная от земной поверхности – инфракрасном (ИК). Поэтому доля отраженной лучистой энергии, поглощаемой атмосферой, зависит от количества многоатомных минигазов (СО2, Н2О, СН4, Оз и др.) и пыли в ее составе.
Чем выше концентрация минигазов и пыли в атмосфере, тем меньше доля отраженной солнечной радиации уходит в космическое пространство, тем больше теплоты задерживается в биосфере за счет парникового эффекта. ИК-излучение поглощается метаном, фреонами, озоном, оксидом диазота и т. п. в диапазоне длины волн 1...9 мкм, а парами воды и углекислым газом при длине волн 12 мкм и более. В последние годы наметилась тенденция к значительному росту концентраций СО2, СН4, N2O и других газов в атмосфере.
|
Год ...………………….. |
1850 |
1900 |
1970 |
1979 |
1990 |
2000 |
2030 |
2050 |
|
Концентрация СО2, млн-1 |
260 |
290 |
321 |
335 |
360 |
380 |
450...600 |
700...750 |
в атмосфере происходит вследствие уменьшения биомассы Земли и увеличения техногенных поступлений.
Источниками техногенных парниковых газов являются: теплоэнергетика, промышленность и автотранспорт, они выделяют СО2; химические производства, утечки из трубопроводов, гниение мусора и отходов животноводства определяют поступления СН4; холодильное оборудование, бытовая химия –фреонов; автотранспорт, ТЭС, промышленность –оксидов азота и т. п.
В результате в биосферу дополнительно поступает теплота порядка 70•1020 Дж/год, при этом на долю отдельных газов приходится: СО2 – 50 %, фреонов – 15, Оз –5, СН4 –20, N2О (оксид диазота) – 10 %. Доля парникового эффекта в нагреве биосферы в 16,6 раза больше доли других источников антропогенного поступления теплоты.
Рост концентраций минигазов в атмосфере и как следствие повышение доли теплоты ИК-излучения, задерживаемой атмосферой, неизбежно сопровождается ростом температуры поверхности Земли. В период с 1880 по 1940 г. средняя температура в северном полушарии возросла на 0,4 °С, а в период до 2030 г. она может повыситься еще на 1,5–4,5 °С. Это весьма опасно для островных стран и территорий, расположенных ниже уровня моря. Есть прогнозы, что к 2050 г.
уровень моря может повыситься на 25–40 см, а к 2100 – на 2 м, что приведет к затоплению 5 млн. км2 суши, т. е. 3 % суши и 30 % всех урожайных земель планеты.
Парниковый эффект в атмосфере–довольно распространенное явление и на региональном уровне. Антропогенные источники теплоты (ТЭС, транспорт, промышленность), сконцентрированные в крупных городах и промышленных центрах, интенсивное поступление парниковых газов и пыли, устойчивое состояние атмосферы создают около городов пространства радиусом 50 км и более с повышенными на 1–5
°С температурами и высокими концентрациями загрязнений. Эти зоны (купола) над городами хорошо просматриваются из космического пространства. Они разрушаются лишь при интенсивных движениях больших масс атмосферного воздуха.
Техногенные загрязнения атмосферы не ограничиваются приземной зоной. Определенная часть примесей поступает в озоновый слой и разрушает его. Разрушение озонового слоя опасно для биосферы, так как оно сопровождается значительным повышением доли ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 290 нм, достигающего земной поверхности. Эти излучения губительны для растительности, особенно для зерновых культур, представляют собой источник канцерогенной опасности для человека, стимулируют рост глазных заболеваний.
Основными веществами, разрушающими озоновый слой, являются соединения хлора, азота. По оценочным данным, одна молекула хлора может разрушить до 105 молекул озона, одна молекула оксидов азота –до 10 молекул.
Источниками поступления соединений хлора и азота в озоновый слой могут быть: вулканические газы; технологии с применением фреонов; атомные взрывы; самолеты («Конкорд», военные), в выхлопных газах которых содержатся до 0,1 % общей массы газов соединения NО и NО2; ракеты, содержащие в выхлопных газах соединения азота и хлора. Состав выхлопных газов космических систем (т) на высоте О...50 км приведен ниже:
|
|
Соединения хлора |
Оксиды азота |
Пары воды, водород |
Оксиды углерода |
Оксиды алюминия |
|
«Энергия» и «Буран», СССР………………….. |
0 |
0 |
740 |
750 |
0 |
|
«Шаттл». США ……….. |
187 |
7 |
378 |
512 |
177 |
Значительное влияние на озоновый слой оказывают фреоны, продолжительность жизни которых достигает 100 лет. Источниками поступления фреонов являются: холодильники при нарушении герметичности контура переноса теплоты; технологии с использованием фреонов; бытовые баллончики для распыления различных веществ и т. п.
По оценочным данным, техногенное разрушение озонового слоя к 1973 г. достигло 0,4... 1 %; к 2000 г. ожидается 3 %, к 2050 г.– 10 %. Ядерная война может истощить озоновый слой на 20–70 %. Заметные негативные изменения в биосфере ожидаются при истощении озонового слоя на 8...10 % общего запаса озона в атмосфере, составляющего около 3 млрд. т. Заметим, что один запуск космической системы «Шаттл» сопровождается разрушением около 0,3 % озона, что составляет около 107 т озона.
В результате антропогенного воздействия на атмосферу возможны следующие негативные последствия:
– превышение ПДК многих токсичных веществ (СО, NO2, SO2, СnНm, бенз(а)пирена, свинца, бензола и др.) в городах и населенных пунктах;
– образование смога при интенсивных выбросах NOx, СnНm;
– выпадение кислотных дождей при интенсивных выбросах SOx, NOx;
– появление парникового эффекта при повышенном содержании СО2, NOx, Оз, СН4, Н2О и пыли в атмосфере, что способствует повышению средней температуры Земли;
– разрушение озонового слоя при поступлении NOx
и соединений хлора в него, что создает опасность УФ-облучения.
Загрязнение гидросферы. Потребление воды [2.2] в РФ в 1996 г. достигло 73,2 км3, в том числе на нужды, %:
– производственные–53,1;
– хозяйственно-питьевые–19,1;
– орошение –14,3,
– сельскохозяйственное водоснабжение –4,3;
– прочие –9.
При использовании воду, как правило, загрязняют, а затем сбрасывают в водоемы. Внутренние водоемы загрязняются сточными водами различных отраслей промышленности (металлургической, нефтеперерабатывающей, химической и др.), сельского и жилищно-коммунального хозяйства, а также поверхностными стоками. Основными источниками загрязнений являются промышленность и сельское хозяйство.
Загрязнители делятся на биологические (органические микроорганизмы), вызывающие брожение воды; химические, изменяющие химический состав воды; физические, изменяющие ее прозрачность (мутность), температуру и другие показатели.
Биологические загрязнения попадают в водоемы с бытовыми и промышленными стоками, в основном предприятий пищевой, медико-биологической, целлюлозно-бумажной промышленности. Например, целлюлозно-бумажный комбинат загрязняет воду так же, как город с населением 0,5 млн чел.
Биологические загрязнения оценивают биохимическим потреблением кислорода –БПК. БПК5 –это количество кислорода, потребляемое за 5 сут микроорганизмами –деструкторами для полной минерализации органических веществ, содержащихся в 1 л воды. Нормативное значение БПК5 = 5 мг/л. Реальные загрязнения сточных вод таковы, что требуют значений БПК на порядок больше.
Химические загрязнения поступают в водоемы с промышленными, поверхностными и бытовыми стоками. К ним относятся: нефтепродукты, тяжелые металлы и их соединения, минеральные удобрения, пестициды, моющие средства. Наиболее опасны свинец, ртуть, кадмий. Поступление тяжелых металлов (т/год) в Мировой океан следующее:
|
Сток с суши |
Атмосферный перенос |
|
|
Свинец Ртуть Кадмий |
(1–20)·105 (5-8)·103 (1–20)·103 |
(2–20)·105 (2–3)·103 (5-40)·102 |
