Конвективное тепло, отдаваемое дугой и нагретой деталью окружающему воздуху, способствует возникновению поднимающейся вверх загрязнённой струи – сварочного факела. Как любой другой конвективный поток, сварочный факел состоит из разгонного I (начального) и основного II участков (рис. 4).
В разгонном участке (высотой Н = 0,3¸0,4 м) подтекающий к дуге воздух нагревается и поднимается вверх, скорость его значительно увеличивается. Разгонный участок сварочного факела имеет меньший диаметр, чем основной, происходит поджатие конвективного потока подтекающим с боков воздухом.
Рисунок 4 – Сварочный факел при ручной электросварке
Основной участок сварочного факела характеризуется уменьшением скоростей и температур по мере подъёма факела вверх и перемешивания его с окружающим воздухом. При увеличение мощности дуги значения параметров сварочного факела (величина конвективного тепла, температура, скорость воздуха) возрастают. При расчете местных вытяжных устройств особенно важно знать параметры в начальном участке сварочного факела.
Распределение и интенсивность скоростей в зоне действия вытяжного устройства в большой степени определяют эффективность улавливания СА. Подтекание воздуха к пылегазоприёмнику осуществляется за счет разрежения, создаваемого вентилятором.
В зависимости от конструктивных особенностей (стационарные, переносные, малогабаритные и т. д.); от аэродинамических особенностей, характеризующих условия подтекания воздуха к пылегазоприёмникам, различают следующие местные вытяжные устройства:
- простые или активированные приточными струями;
- по направлению удаления вредных веществ;
- по степени ограничения зоны вытяжки;
- по возможности регулирования расположения воздухоприёмного отверстия.
В простых вытяжных устройствах применяются пылегазоприёмники, присоединяемые к вентиляционным установкам или системам. За счёт создаваемого ими разрежения у воздухоприёмного отверстия местного вытяжного устройства образуется зона вытяжки со скоростями, достаточными для улавливания вредных выделений.
В активированных устройствах в дополнение к вытяжному устройству применяется приточная струя (или система струй), которая поддувает вредные выделения к пылегазоприёмнику или выполняет роль воздушной завесы, препятствующей их прорыву в производственное помещение. На рис. 5 представлено несколько схем активированных вытяжных устройств.
По схеме (рис. 5, а) в корпусе, разделённом внутренней перегородкой, находятся вытяжное и приточное устройство, создающее шиберующую воздушную струю, направленную под углом сверху вниз на рабочего. Выдвижной щиток над пылегазоприёмником позволяет эффективно регулировать величину зоны вытяжки. Кроме шиберующего эффекта, приточная струя, подавая непрерывно в зону дыхания сварщика чистый воздух, создает нормальные условия для рабочего.
Рисунок 5 — Схемы активированных местных вытяжных устройств: а — типа МВО-420 с подачей воздушной струи шиберующего типа; б — с подачей струи воздуха вдоль поверхности стола; в — стол для сварки с регулируемым положением приточной панели
По схеме (рис. 5, б) струя приточного воздуха, подаваемая спереди под небольшим углом вдоль поверхности стола, позволяет удалять загрязнённый воздух от лица сварщика, направляя его вдоль задней стенки к верхнему вытяжному патрубку. Схема пригодна только при сварке мелких деталей небольшой высоты.
На рис. 5, в представлена схема, отличающаяся тем, что над вытяжной решёткой стола сварщика выше рабочей зоны размещена приточная панель, создающая равномерный поток воздуха вниз к вытяжному устройству. Образующиеся вредные вещества опрокидываются и улавливаются нижним пылегазоприёмником. Зона дыхания рабочего находится в потоке чистого приточного воздуха.
Активированные вытяжные устройства не получили широкого распространения в основном из-за необходимости дополнительного подвода чистого приточного воздуха, однако применение их для местной вентиляции является перспективным.
По направлению удаления вредных веществ различают нижние, боковые и верхние вытяжные устройства.
Нижние вытяжные устройства, выполняемые в виде решётчатых поверхностей столов, опрокидывают факел вредных веществ вниз, не давая ему достичь зоны дыхания сварщика. В гигиеническом отношении они являются самыми рациональными, однако значительные скорости воздуха, необходимые для опрокидывания факела вредных веществ, требуют значительных расходов, особенно при большой высоте свариваемых изделий. Нижние вытяжные устройства эффективны при сварке мелких и средних деталей высотой до 100¸150 мм.
Боковые вытяжные устройства выполняют в виде отверстий или панелей, устанавливаемых со стороны, противоположной рабочему месту сварщика. Они создают зону вытяжки, отклоняющую факел вредных веществ в сторону пылегазоприёмника. Различные конструкции боковых вытяжных устройств широко применяются на фиксированных рабочих местах (см. рис. 2 и 3).
Верхние вытяжные устройства выполняют в виде воронок или зонтов. По расходу воздуха они более экономичны, т. к. направление движения удаляемого воздуха совпадает с направлением движения загрязненного факела (вверх), скорости воздуха в зоне вытяжки минимальны. Однако, поднимающиеся вредные вещества проходят через зону дыхания сварщика, что является существенным недостатком.
Часто применяют комбинированные вытяжные устройства, например, нижний и боковой.
Большое значение для повышения эффективности местных вытяжных устройств имеет ограничение зоны вытяжки плоскостями. Это позволяет повысить скорости движения воздуха и обеспечить более интенсивное удаление вредных веществ.
По степени экранирования зоны вытяжки различают закрытые (шкафного типа) и открытые вытяжные устройства (рис. 6).
В некоторой условной точке А (на рис. 6 она отмечена крестиком) требовалось обеспечить скорость 0,25 м/с. При этом для открытого вытяжного устройства (рис. 6, а), расположенного от указанной точки на расстоянии 300 мм, потребовался расход воздуха 2720 м3/ч, а для закрытого — (рис. 6, б) с проёмом 300´300 мм — 255 м3/ч, т. е. почти в 11 раз меньше.
Местные вытяжные устройства закрытого типа выполняют в виде шкафов, внутри которых производится сварка мелких изделий. Открытыми остаются небольшие рабочие проёмы, через которые внутрь шкафа попадает воздух.
Рисунок.6 — Расходы воздуха для обеспечения скорости 0,25 м/с в зоне вытяжки при различных типах ограждений: а — открытое вытяжное устройство; б — закрытое
Расход воздуха L0 (м3/ч), удаляемого от укрытия, определяется по формуле:
Lo = 3600 vп Fп , (1)
где Fп — суммарная площадь открытых проёмов, м2;
vп — скорость воздуха в проёмах или отверстиях, м/с.
Весьма эффективным способом в ряде случаев является подача в укрытие струи воздуха, интенсифицирующей удаление вредных веществ. Преимуществом закрытых вытяжных устройств является незначительное влияние на их эффективность подвижности окружающего воздуха в производственных помещениях.
Вытяжные устройства открытого типа выполняют в виде панелей или патрубков, не имеющих ограждающих плоскостей. Устройства просты по конструкции, однако подвержены влиянию подвижности окружающего воздуха.
Преимуществом открытых вытяжных устройств является их компактность и возможность размещения на небольшом расстоянии от точки сварки. Если местный пылегазоприёмник стационарно закреплен на сварочной горелке или сварочном оборудовании на определённом расстоянии от дуги (минимально 20¸25 мм), то расход воздуха будет небольшим — до 100¸150 м3/ч.
Установка ограждающих плоскостей улучшает работу вытяжного устройства. Например, пылегазоприёмник (см. рис. 2, а) может быть выполнен в виде вытяжной панели, установленной над столом для сварки, а дополнительными ограждающими плоскостями являются стенки кабины и козырёк.
Нерегулируемые местные вытяжные устройства применяют, если на данном рабочем месте постоянно выполняются одни и те же операции или условия технологического процесса изменяются незначительно (например, свариваются только мелкие детали). Однако в ряде случаев, когда на рабочем месте выполняются различные операции, целесообразно перестраиваться при определенном изменении технологии. Местные вытяжные устройства выполняют подвижными, способными перемещаться в заданной зоне, и располагают их как можно ближе к точке сварки.