СПОСОБ ОЦЕНКИ КОМФОРТНОСТИ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ПО ПАРАМЕТРАМ МИКРОКЛИМАТА
METHOD TO ASSESS COMFORT OF WORKING ZONE DUE TO MICROCLIMATE PARAMETERS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам систем безопасности.
Известно, что для исследования параметров микроклимата применяют методы с использованием термографов, психрометров и анемометров (см. Белов С.В. Учебник по безопасности жизнедеятельности. М.: Высшая школа, 2003 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является устройство для управления микроклиматом по а.с. СССР №1735828, G05D 23/19, 1992 г. (прототип), содержащее измерители температуры, влажности и скорости движения воздуха рабочей зоны.
Недостатком известного решения является сравнительно невысокая надежность срабатывания и малое быстродействие системы отбора пробы.
Технический результат - повышение эффективности, быстродействия и надежности срабатывания системы.
Это достигается тем, что в способе оценки комфортности рабочей зоны по параметрам микроклимата, заключающемся в том, что сначала осуществляют замер температуры воздуха по термографу или психрометру, затем замеряют влажность воздуха по стационарному или аспирационному психрометрам и определяют скорость движения воздуха по чашечному или крыльчатому анемометрам, отличающийся тем, что на основании полученных параметров - температуры воздуха в рабочей зоне, его влажности и скорости движения - рассчитывают степень комфортности по следующей формуле:
B
O
B
S=7,83-0,1t-0,0968t-0,0372P+0,18ν(37,8-t),
B
O
где t - температура воздуха в рабочей зоне производственного помещения; t - температура окружающих поверхностей в рабочей зоне; ν - скорость движения воздуха, м/сек;
Р - парциальное давление водяных паров, рассчитываемое по формуле:
Р=0,01φ×Рнас, мм рт.ст.,
где φ - относительная влажность воздуха, %; Рнас - парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии, после чего оценивают комфортность параметров микроклимата по следующей шкале:
1 - очень жарко; 2 - слишком тепло; 3 - тепло, но приятно; 4 - чувство комфорта; 5 - прохладно, но приятно; 6 - холодно; 7 - очень холодно.
На фиг.1 изображен общий вид психрометров - стационарного и аспирационного, на фиг.2 - общий вид анемометров - крыльчатого и чашечного, на фиг.3 представлен общий вид цифрового анемометра.
Устройство для реализации способа оценки комфортности рабочей зоны по параметрам микроклимата содержит приборы по измерению температуры, влажности и скорости движения воздуха. В технике для измерения температуры воздуха, как правило, используют ртутные или спиртовые термометры, термоанемометры и аспирационные психрометры (при наличии источников теплового излучения).
Измерение относительной влажности воздуха. Относительная влажность воздуха обычно измеряется психрометрами. Психрометры бывают двух типов - стационарные и аспирационные.
Стационарный психрометр (фиг.1, слева) состоит из двух одинаковых ртутных или спиртовых термометров с ценой деления не более 0,5°С, закрепленных на штативе. Ртутный (спиртовой) резервуар одного из термометров, называемого влажным (мокрым), обернут кусочком батиста, конец которого свернут жгутиком и опущен в сосуд с дистиллированной водой А для непрерывного поддержания ртутного (спиртового) резервуара во влажном состоянии.
м
с
mаx
c
м
Принцип действия психрометра заключается в следующем. С пoвepxности мокрой ткани Б происходит испарение воды, и, следовательно, влажный термометр теряет больше тепла, чем другой, так называемый сухой, и показания влажного термометра будут всегда ниже показаний сухого (t<t). Разность в показаниях сухого и мокрого термометров принято называть психрометрической разностью. Чем меньше влажность воздуха, чем интенсивнее испаряется вода с поверхности обернутого резервуара и тем больше снижается температура влажного термометра. По разности показаний сухого и влажного термометров можно судить о степени влажности воздуха. Когда воздух при данной температуре имеет максимальную влажность (φ), испарения влаги не происходит, психрометрическая разность равна нулю, и оба термометра покажут одну и ту же температуру (t=t).
На фиг.1 (справа) изображен аспирационный психрометр Ассмана М-34. Он отличается от стационарного тем, что резервуары обоих термометров помещены в специальные металлические трубочки-гильзы В, через которые с помощью механического вентилятора Г просасывается воздух с постоянной скоростью (около 2 м/с).
Аспирационные психрометры (фиг.1, справа) более точны, чем стационарные, так как в них резервуары термометров обдуваются принудительной струей воздуха, что способствует удалению водяных паров с поверхности батиста, образующихся в процессе испарения воды. У стационарных психрометров из-за отсутствия обдува термометров водяные пары скапливаются у поверхности батиста и затрудняют дальнейшее испарение воды, что приводит к искажению показания мокрого термометра. Кроме того, наличие у аспирационных психрометров металлических гильз обеспечивает защиту резервуаров термометров от механических повреждений, а также от теплового излучения, которое может исказить показание термометров.
К самопишущим приборам для регистрации температуры и относительной влажности воздуха относятся термографы и гигрографы, которые выпускаются с суточным и недельным вращением барабана.
Измерение скорости движения воздуха. Скорость движения воздуха измеряют анемометрами и термоанемометрами.
Анемометры бывают двух типов - крыльчатые (фиг.2, слева) и чашечные (фиг.2, справа). Чашечным анемометром МС-13 измеряют скорость воздуха от 1 до 20 м/с, крыльчатым анемометром АСО-3 - скорость воздуха от 0,5 до 1 м/с.
Принцип действия анемометров обоих типов основан на том, что частота вращения крыльчатки тем больше, чем больше скорость движения воздуха. Вращение крыльчатки передается на счетный механизм. Разница в показаниях до и после измерения, деленная на время наблюдения, показывает число делений в 1 с. Специальный тарировочный паспорт, прилагаемый к каждому прибору, позволяет по вычисленной величине делений определить скорость движения воздуха.
Термоанемометр - это электрический прибор на полупроводниках. Принцип его действия основан на измерении величины сопротивления датчика при изменении температуры и скорости движения воздуха.
Термоанемометр применяется при измерении малых скоростей воздуха (от 0,03 до 5 м/с) при температуре воздуха в производственных помещениях не ниже 10°С.
Малогабаритный анемометр АПР-2 (см. фиг.3), прибор нового поколения, предназначен для определения скорости воздушного потока при метеорологических измерениях на суше и море, в шахтах и рудниках всех категорий, а также в системах промышленной вентиляции. Рекомендуется для укомплектования лабораторий по охране труда предприятий и санэпидемнадзора. Выпускаются в исполнении с уровнем защиты РО Иа по ГОСТ 22782.5- 78, что по европейским нормам EN 50014/50020 соответствует уровню самозащиты Ex ia ITI.
Техническая характеристика анемометра АПР-2:
Диапазон измерений, м/с
0,2…20,0
Порог чувствительности, м/с, не более
0,15
Погрешность, м/с, не более
(ν - измеряемая скорость, м/с)
±(0,05ν+0,1)
Источник питания
4 элемента типа A316
Размеры, мм
310×70×55
Масса, кг
0,6
Способ оценки комфортности рабочей зоны по параметрам микроклимата осуществляют следующим образом.
Обязательно соблюдают следующий порядок выполнения операций при определении параметров микроклимата:
1. Определить температуру воздуха с помощью термометра.
2. Определить относительную влажность воздуха с помощью аспирационного психрометра Ассмана М-34. Для чего необходимо:
с помощью пипетки смочить водой кусочек батиста, закрепленный на резервуаре влажного термометра;
ключом завести газовую пружину прибора, приводящую во вращение крыльчатку вентилятора;
c
м
через 4 мин снять показания по сухому и влажному термометрам; вычислить психрометрическую разность Δt=t-t;
по вычисленной психрометрической разности Δf с помощью психрометрической таблицы (табл.2.1) определить значение относительной влажности. Результаты измерений и расчетов занести в протокол.
3. Определить скорость движения воздуха, создаваемого осевым вентилятором (настольного типа), в рабочих точках, указанных преподавателем (но не менее 1 м от центра вентилятора), при помощи крыльчатого анемометра АСО-3. Порядок работы с прибором следующий:
измерить расстояния L от рабочих точек (не менее 3) до оси вентилятора и включить его;
снять показания со шкалы счетного механизма анемометра;
установить анемометр в рабочей точке так, чтобы воздушный поток от вентилятора был направлен непосредственно на крыльчатку анемометра. Дать вращаться анемометру вхолостую в течение 1 мин;
включить одновременно секундомер и счетный механизм анемометра. Через 1-2 мин анемометр и секундомер выключить и записать новые показания стрелок на счетном механизме. Опыт повторить трижды. Результаты измерений занести в протокол;
ср
1
2
3
по тарировочному паспорту найти значение скорости движения воздуха для каждого замера и среднее значение для каждой рабочей точки: ν=(ν+ν+)/3.
Дать оценку изменения скорости воздуха в зависимости от расстояния. Исследование изменения скорости в зависимости от расстояния повторить другим членам студенческой бригады, выполняющей данную работу.
Пример выполнения предложенного способа
C
M
O
B
B
C
1). Построить зависимость скорости движения воздуха от показателя комфортности, если показания термометров по психрометру в ткацком цехе фабрики составили: - сухого t=24°С, мокрого - t=19,5°С. Категория работ - IIб, показатель комфортности S=4. Принять температуру окружающих предметов равной температуре воздуха в цехе, т.е. t=t, которая в свою очередь определяется по показаниям сухого термометра, т.е. t=t (исходные данные для расчета по своему варианту принять из табл.2.4).
2). Сделать вывод, сравнивая полученные результаты с допустимыми нормами параметров микроклимата для теплого периода года с незначительным избытком явного тепла по ГОСТ 12.1.005-88, и в случае несоответствия полученных результатов нормативным значениям рассчитать показатель комфортности S для верхнего диапазона допустимых значений тех параметров микроклимата, которые не соответствуют допустимым значениям.
C
M
Разность в показаниях сухого и мокрого термометров принято называть психрометрической разностью (Δt=t-t); она служит для определения влажности, φ %, по табл.2.1, прилагаемой к психрометру.
C
M
В нашем случае Δt=t-t=24-19,5=4,5°С. Следовательно, относительная влажность воздуха в цехе составит - φ=65%. Итак, для расчета получены следующие данные:
B
t=24°С; φ=65%.
Теперь рассчитаем парциальное давление водяных паров по формуле
Р=0,01φ × Рнас, мм рт.ст.,
где Рнас - парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии, определяемое по показанию сухого термометра из табл.1.
Таблица 1
Зависимость парциальных давлений водяных паров в насыщенном состоянии от температуры воздуха
Температура Воздуха t<sub>B</sub>, °C
Парциальное давление водяного пара, Рнас, мм рт.ст.
Температура Воздуха t<sub>B</sub>, °С
Парциальное давление водяного пара, Рнас, мм рт.ст.
10
9,209
21
18,650
11
9,844
22
19,827
12
10,518
23
21,068
13
11,231
24
22,377
14
11,987
25
23,756
15
12,788
26
25,209
16
13,634
27
26,739
17
14,530
28
28,349
18
15,477
29
30,043
19
16,477
30
31,824
20
17,533
31
33,695
B
Для нашего значения температуры t=24°С парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии Рнас=22,38.
Тогда парциальное давление водяных паров для нашего случая определится так:
Р=0,01φ × Рнас=0,01×65×22,38=14,5 мм рт.ст.
Теперь определяем требуемую скорость движения воздуха в ткацком цехе, при которой показатель хорошего самочувствия был бы равен S=4:
Теперь переходим к построению графика зависимости скорости движения воздуха от показателя комфортности для группы вариантов: I - 1, 3, 4, 5, 6; II - 7, 8, 9, 10, 11; III - 2, 12, 13, 14, 15; IY - 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22; Y - 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29; YI - 30, 31, 32, 33, 34, 35.
На фиг.4 в качестве примера приведена функциональная зависимость скорости движения воздуха от показателя комфортности и формула ее линейной аппроксимации.
B
B
ВЫВОД: 1). Для рассматриваемого случая существующие параметры микроклимата в цехе (t=24°С; φ=65%, ν=0,58 м/сек) соответствуют допустимым нормативным значениям (при t=24°С и ниже: φ=75%, ν=0,3…0,7 м/сек).
B
B
B
В качестве примера рассмотрим случай, когда имеет место превышение рассчитанных параметров микроклимата, т.е. t=24°С; φ=50%, ν=1,73 м/сек, а допустимыми по нормам значениями являются: при t=24°C и ниже: φ=75%, ν=0,3…0,7 м/сек), т.е. рассчитаем показатель комфортности S для случая: t=24°С, φ=50%, ν=0,7 м/сек.
Парциальное давление водяных паров для нашего случая определится так:
Р=0,01φ×Рнас=0,01×50×22,38=11,2 мм рт.ст.
B
O
B
S=7,83-0,1t-0,0968t-0,0372P+0,18ν(37,8-t)=7,83-0,1×24-0,0968×24-0,0372×11,2+0,18×0,7×(37,8-24)=4,4
Показатель самочувствия может иметь следующие значения: 1 - очень жарко: 2 - слишком тепло; 3 - тепло, но приятно: 4 - чувство комфорта; 5 - прохладно, но приятно; 6 - холодно; 7 - очень холодно.
Показатель S может выражаться и дробным числом, что позволяет более точно оценить, какому ощущению (например, к 3 баллам - тепло или к 4 баллам - комфорт и т.д.) ближе те или иные состояния самочувствия человека. Для легких физических работ S=3; для работ средней тяжести S=4; для тяжелых физических работ S=5 баллам.
Приведенная зависимость позволяет решить в необходимых случаях и обратную задачу. Задаваясь необходимой степенью комфорта и оптимальными значениями температуры и влажности воздуха, можно вычислить необходимую скорость движения воздуха, которая для данных конкретных условен будет больше всего отвечать требованиям обеспечения комфорта.
ВЫВОД: 2). Данное значение показателя S=4,4 находится между S=4 (комфорт) и S=5 (прохладно, но приятно), т.е. допустимая скорость движения воздуха ν=0,7 м/сек более приемлема с гигиенической точки зрения.