Экологичные системы защиты воздушной среды объектов автотранспортного комплекса

ЭКОЛОГИЧНЫЕ 
СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ 
ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ 
ОБЪЕКТОВ 
АВТОТРАНСПОРТНОГО 
КОМПЛЕКСА

В.А. МИХАЙЛОВ
Е.В. СОТНИКОВА
Н.Ю. КАЛПИНА

Допущено 
УМО вузов РФ по образованию в области 
транспортных машин и транспортно-технологических
комплексов в качестве учебного пособия
для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Наземные транспортно-технологические средства»

Москва
ИНФРА-М
2018

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 697.9(075.8)
ББК 38.762я73
 
М69

Михайлов В.А.
М69 
 
Экологичные системы защиты воздушной среды объектов автотранспортного комплекса : учеб. пособие / В.А. Михайлов, Е.В. Сотникова, Н.Ю. Калпина. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 178 с. — (Высшее 
образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/textbook_59d71e
77696d84.02815400.
ISBN 978-5-16-012929-7 (print)
ISBN 978-5-16-106372-9 (online)
Рассмотрен вопрос оценки тепловлажностного состояния воздуха в процессах его обработки в различных системах, приведены требования к средствам 
защиты воздушной среды с учетом обеспечения их экологичности, показаны 
способы энергосбережения в системах охлаждения, отопления и круглогодичного кондиционирования воздуха, а также при защите атмосферы от вредных выбросов. Показан путь энергосбережения при индивидуальной тепловой 
защите оператора с помощью локального охлаждения при обработке воздуха 
в орошаемой интенсифицированной насадке и разработаны рекомендации 
по снижению ее материалоемкости. Продемонстрированы способ и средство 
снижения токсичности выбросов ДВС трактора при его работе в помещениях 
ограниченного объема путем водоиспарительного увлажнения топливовоздушной смеси. Показаны пути снижения шума систем защиты воздушной среды.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
«Наземные транспортно-технические средства», «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов», «Энергетическое машиностроение», «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Холодильная, криогенная 
техника и системы жизнеобеспечения», «Техносферная безо пасность».
УДК 697.9(075.8)
ББК 38.762я73

Р е ц е н з е н т ы:
Черняев А.В., доктор технических наук, профессор кафедры промышленной 
экологии и безопасности производства Московского авиационного института 
(национального исследовательского университета);
Белуков С.В., кандидат технических наук, профессор кафедры техники низких 
температур имени П.Л. Капицы Московского политехнического университета

ISBN 978-5-16-012929-7 (print)
ISBN 978-5-16-106372-9 (online)
© Михайлов В.А., Сотникова Е.В., 
Калпина Н.Ю., 2017

А в т о р ы:
Михайлов Вячеслав Алексеевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры наземных транспортных средств транспортного факультета 
Московского политехнического университета;
Сотникова Елена Васильевна, кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры экологической безопасности технических систем факультета химической 
технологии и биотехнологии Московского политехнического университета;
Калпина Нина Юльевна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры 
экологической безопасности технических систем факультета химической технологии и биотехнологии Московского политехнического университета

Предисловие

Автотранспортный комплекс (АТК) включает в себя мобильные 
объекты (грузовые автомобили, тракторы, строительно­дорожные 
машины и другие наземные транспортные средства) и стационарные предприятия, а также участки по их ремонту и обслуживанию. Поскольку производственная деятельность объектов АТК 
сопровождается загрязнением внутренней воздушной среды их помещений и атмосферы, встает вопрос их соответствующей защиты. 
В связи с тем, что аспект снижения вредных выбросов в атмосферу 
самими транспортными средствами достаточно подробно изучен, 
в настоящей работе он рассматривается лишь частично, но более 
подробно анализируются аспекты, связанные с расширением области современного познания в изучаемой экологической проблеме 
в отношении объектов АТК.
При защите воздушной среды на первый план обычно ставится 
охрана атмосферы от вредных производственных выбросов, в связи 
с чем основное внимание уделяется лишь технике и технологии обработки загрязненного воздуха, удаляемого от источника его образования. Вместе с тем аппараты для очистки атмосферных выбросов 
являются составной частью современной механической приточновытяжной вентиляции производственных помещений, объектов 
АТК, которая решает комплексную задачу защиты воздушной среды 
от вредных факторов. В первую очередь это должно быть обеспечено 
на рабочем месте операторов, а затем — во внешней среде.
Особенностью функционирования такой комбинированной 
системы является то, что поступающий в производственное помещение воздух приточной вентиляцией забирается снаружи, 
т.е. из окружающего пространства, куда вытяжная вентиляция 
удаляет выбросной воздушный поток. Чем лучше осуществлена 
очистка этого потока от вредных примесей, тем меньше будет нагрузка на приточную вентиляцию. Поэтому даже с позиции снижения энергозатрат на обработку приточного воздуха выброс в атмосферу загрязненного потока вытяжной вентиляцией является 
недопустимым. Следовательно, вопрос выбора рациональных 
функциональных параметров общей системы защиты от вредных 
производственных факторов внешней и внутренней воздушной 
среды должен решаться во взаимосвязи двух указанных подсистем.
Помимо отмеченного, в настоящее время к современным 
комплексным механическим системам защиты воздушной среды 
предъявляются определенные требования по обеспечению их эко

логичности с позиций акустической безопасности, энергосбережения, снижения материалоемкости, а также возможности утилизации и рекуперации путем повторного использования комплектующих деталей и узлов. В таком общем ключе в затронутой проблеме, 
по существу, показывались лишь отдельные ее стороны. Поэтому 
задачей настоящего учебного пособия является более широкое 
освещение указанных вопросов экологичности систем защиты воздушной среды с демонстрацией их возможного решения на конкретных примерах. При этом в нем содержатся сведения о новых 
оригинальных системах защиты воздушной среды применительно 
к мобильным и стационарным объектам АТК, при создании которых возможно существенно сократить энергопотребление и материалоемкость, а также уменьшить их шум. Даются методы и примеры расчета аппаратов в системе с использованием в необходимых случаях диаграммы I—d влажного воздуха.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по следующим специальностям: 23.05.01 «Наземные транспортно­технологические средства», 23.03.02 «Наземные транспортно­технологические комплексы», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно­технологических машин и комплексов», 16.03.03 «Холодильная, криогенная 
техника и системы жизнеобеспечения», 20.03.01 «Техносферная 
безопасность».
В результате изучения настоящего пособия студент должен:
знать
 
• способы разработки технологической документации для производства, модернизации, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта автомобилей и тракторов;
 
• способы минимизации негативных экологических последствий, 
обеспечения безопасности и улучшения условий труда в сфере 
своей профессиональной деятельности;
 
• направления полезного использования природных ресурсов, 
энергии и материалов при эксплуатации, ремонте и сервисном 
обслуживании транспортных и транспортно­технологических 
машин и оборудования различного назначения, их агрегатов, 
систем и элементов;
 
• основы физиологии труда и безопасности жизнедеятельности;
 
• основы организации охраны труда, охраны окружающей среды 
и безопасности в чрезвычайных ситуациях на объектах экономики;
уметь
 
• сравнивать по критериям оценки проектируемые узлы и агрегаты с учетом требований надежности, технологичности, безо

пасности, охраны окружающей среды и конкурентоспособности;
 
• проводить теоретические и экспериментальные научные исследования по поиску и проверке новых идей совершенствования 
автомобилей и тракторов;
 
• изучать и анализировать необходимую информацию, технические данные, показатели и результаты работы по совершенствованию технологических процессов эксплуатации, ремонта 
и сервисного обслуживания транспортных и транспортно­технологических машин и оборудования различного назначения, 
их агрегатов, систем и элементов, проводить необходимые расчеты, используя современные технические средства;
 
• грамотно действовать в аварийных и чрезвычайных ситуациях, 
являющихся следствием эксплуатации транспортных и транспортно­технологических машин и оборудования;
владеть
 
• основами разработки проектов и программ для отрасли, проведения необходимых мероприятий, связанных с безопасной 
и эффективной эксплуатацией транспортных и транспортнотехнологических машин и оборудования различного назначения, их агрегатов, систем и элементов, а также выполнения 
работ по стандартизации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов, по рассмотрению и анализу 
различной технической документации;
 
• способностью к анализу передового научно­технического опыта 
и тенденций развития технологий эксплуатации транспортных 
и транспортно­технологических машин и оборудования;
 
• методами поиска оптимальных решений при создании отдельных видов продукции с учетом требований эффективной 
работы, долговечности, автоматизации, безопасности жизнедеятельности, качества, стоимости, сроков исполнения и конкурентоспособности;
 
• методами и системами обеспечения техносферной безопасности.

Глава 1 
Оценка теПлОвлажнОстнОГО сОстОяния 
вОздуха в ПрОцессах ОбрабОтки

1.1. ПрОцессы изменения сОстОяния вОздуха 
на диаГрамме I—d

Чистый атмосферный воздух является однородной смесью нескольких газов, составляющих его сухую часть, и водяных паров. 
Поэтому в целом воздух называют влажным.
Сухая часть воздуха относительно постоянна. Основная по массе 
эта часть атмосферного воздуха состоит из азота, которого в нем 
содержится 75,55%, кислорода — 23,1% и аргона — 1%. Лишь около 
0,05% приходится на долю диоксида углерода (углекислого газа), 
а также 0,3% — на смесь криптона, неона, гелия и водорода. Однако даже в «чистом» воздухе содержатся следы монооксида и диоксида азота, озона, аммиака и метана. Присутствие здесь этих 
газов вызвано существованием озонового слоя в верхних слоях атмосферы, природными процессами гниения и разложения (аммиак, метан, оксиды углерода и азота) и электрическими атмосферными явлениями (диоксид азота). Указанные примеси образуют 
естественный фон.
Что же касается естественного присутствия в атмосферном воздухе водяных паров, то такой влажный воздух рассматривается как 
смесь идеальных газов (сухая составляющая и водяные пары). Считается, что к этой смеси в диапазоне температур и давлений, характерных для большинства случаев кондиционирования воздуха 
(охлаждение, нагревание, очистка от вредных примесей), можно 
применить закономерности, которым подчиняются идеальные 
газы.
Состояние влажного воздуха при определенном барометрическом давлении характеризуют его основные параметры, такие как 
температура t по сухому, tм по мокрому (влажному) термометрам, 
температура tр точки росы, влагосодержание d, энтальпия I (теплосодержание), плотность ρ и удельная теплоемкость Cр. Кроме того, 
при характеристике условий в процессах оперируют таким понятием, как относительная влажность ϕ% воздуха. Для уяснения сущности этого понятия следует иметь в виду, что в зависимости от состояния водяных паров во влажном воздухе он может быть ненасыщенным и насыщенным.

Воздух называют насыщенным, если пары воды в нем находятся 
в состоянии насыщения. При этом его относительная влажность 
является предельной, ϕ ≈ 100%. При таком состоянии воздуха дополнительное поступление пара в объем или снижение температуры этого воздуха вызывают конденсацию избытка влаги в виде 
росы (туман, оседание капель на холодных поверхностях). Температура, при которой данный воздух становится насыщенным, называется точкой росы tр этого воздуха.
При ненасыщенном воздухе его относительная влажность 
ϕ = 100%, т.е. водяные пары находятся в перегретом состоянии. 
Имеется несколько определений сущности понятия «относительная влажность». Упрощенно ее можно представить как отношение идеальной массы пара в данном воздухе (абсолютная влажность) к удельной массе пара в насыщенном воздухе (влагоемкость) 
при одной и той же температуре по сухому термометру. Другими 
словами, это отношение количества фактически содержащихся 
в воздухе водяных паров к максимально возможному их содержанию при полном насыщении воздуха, выраженное в процентах. 
Следовательно, величина ϕ показывает степень насыщения воздуха 
водяными парами (в процентах) по отношению к состоянию полного насыщения.
Влагосодержанием (удельным влагосодержанием) d влажного 
воздуха называют количество водяных паров в граммах, отнесенное 
к одному килограмму сухой части этого воздуха (размерность — 
г/кг сух. возд.).
Энтальпия (удельная энтальпия, теплосодержание) I влажного 
воздуха является суммой энтальпий сухого воздуха и водяного пара 
в нем и характеризует количество теплоты, содержащееся в одном 
килограмме сухого воздуха (размерность — кДж/кг сух. возд. или 
Дж/кг сух. возд.).
Теплоемкость (удельная теплоемкость) Ср — количество теплоты, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха, 
чтобы повысить его температуру на один градус (размерность — 
кДж/кг · °С или Дж/кг · °С). При атмосферном давлении в обычном 
для вентиляционного процесса диапазоне температур Ср считается 
постоянной и равной 1,005 кДж/кг · °С или 1005 Дж/кг · °С.
Плотность влажного воздуха есть отношение его массы к занимаемому им объему (размерность — кг/м3). Она меньше плотности 
сухого воздуха и возрастает с понижением его температуры. Например, при температуре 40, 20, 0 и –20°С плотность воздуха составляет соответственно 1,128, 1,205, 1,293 и 1,396 кг/м3.

На основе существующих уравнений, связывающих параметры 
воздуха, Л.К. Рамзин построил диаграмму I—d (за рубежом она известна как диаграмма Моллье), широко используемую в расчетах 
вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха, увлажнения, 
осушения и других процессов, связанных с изменением тепловлажностного состояния воздуха. На диаграмме I—d все параметры, 
определяющие указанное состояние воздуха (в том числе и парциальное давление Рп содержащихся в нем водяных паров), связаны 
графически.
Диаграмма приведена на рис. 1.1. Она построена в косоугольной 
системе координат, что позволяет расширить на ней область ненасыщенного влажного воздуха, делая ее удобной для графических 
построений.
По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпий I, 
кДж/кг сух. возд. По оси абсцисс, направленной под углом 135° 
к оси I, отложены значения влагосодержания d, г/кг сух. возд. 
Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии 
I = const и влагосодержания d = const. На него также нанесены 
линии постоянных значений относительной влажности воздуха 
ϕ = const и линии постоянных значений температуры t = const. 
Если положение изотерм (t = const) и изоэнтальпий (I = const) 
практически не зависит от барометрического (атмосферного) давления, то положение кривых ϕ = const меняется с изменением этого 
давления. Поэтому для практического использования разработаны 
диаграммы I—d, приведенные к расчетным давлениям, равным 715, 
730, 745 и 760 мм рт. ст. (соответственно 95,325, 97,325, 99,325 
и 101,325 кН/м2).
Поле диаграммы разделено линией ϕ = 100% на две части. Выше 
этой линии расположена область ненасыщенного влажного воздуха. Как отмечалось, линия ϕ = 100% соответствует состоянию 
воздуха, насыщенного водяными парами. Ниже этой линии расположена область перенасыщенного воздуха (область тумана).
Каждая точка в поле диаграммы соответствует определенному 
тепловлажностному состоянию воздуха. Положение точки характеризуется любыми двумя из указанных выше параметров состояния, 
а остальные параметры могут быть определены по диаграмме I—d 
как производные.
Пользуясь диаграммой, можно получить такой важный параметр тепловлажностного состояния воздуха, как температура точки 
росы tр этого воздуха. Подчеркнем лишь, что tр равна температуре 
насыщенного водяными парами воздуха при определенном влагосодержании d, в то время как температура мокрого термометра tм 

Кривая парциальных давлений водяного пара

6
tрH

tмH

5

7

4 3

2

Н

1

ϕ = 5

10%

60%
70%
80%
90%

100%

I
кДж/кг
сухого
воздуха

d,
г/кг
сух.
возд.

0

68

70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92

1

t,
°C
60
58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
−2
−4
−6
−8
−10
−12
−14
−16
−18
−20
−22
−24
−26
−28
−30

−30
−28
−26
−24

−22
−20
−18
−16
−14
−12
−10
−8
−6
−4
−2

2
3
4

16 000

14 000

12 000

10 000

9000

8000

7000

6500

6000

5800
5600

5400

5200

5000

4800

4500

4400

4200

4000

3900

3800

3700

3600

3500

3400

3300

3200

3100

3000

2900

2800

2700

2600

2500

2400

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

800

600

400

400

800

1400

2000

4000

1200

1000

pмп, кПа

5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

ε = + ∞ 

ε = 0

20%

30%

94

96

98

100

102

104

106

108

110

112

120

122

124

126

114

116

118

40%

50%

Масштаб
2 кДж/кг сух. возд. ≈ 10 мм
1 г/кг сух. возд. ≈ 10 мм
0,2 кПа ≈ 10 мм

4

3

2

1

0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
66

рис. 1.1. Стандартная диаграмма I—d влажного воздуха

равна температуре насыщенного водяными парами воздуха при 
данной энтальпии.
В процессах обработки воздуха происходит изменение его тепловлажностного состояния, которое удобно прослеживать и рассматривать с помощью диаграммы I—d. При изображении элементарных процессов обработки воздуха точки, соответствующие начальному и конечному состоянию воздуха, соединяют прямой 
линией. Эта линия характеризует процесс изменения параметров 
воздуха, и ее называют лучом процесса.
Направление луча процесса на диаграмме I—d определяет угловой коэффициент ε, являющийся отношением избыточной 
теплоты воздуха (∆I) к избыточному влагосодержанию (∆d). По контуру диаграммы нанесены направления «масштабных лучей», соответствующих угловым коэффициентам ε от –∞ до +∞ кДж/кг. От­
метим, что указанные значения ε характеризуют процессы, в которых при этих конечных величинах d = const. На диаграмме 
представлены некоторые характерные случаи изменения состояния 
влажного воздуха, наиболее часто встречающиеся на практике.
Простейшим из них является процесс нагрева воздуха в результате контакта с сухой нагретой поверхностью, когда он получает 
только явную конвективную теплоту. При этом влагосодержание 
воздуха остается неизменным. На диаграмме такой процесс прослеживается снизу вверх от точки Н до точки 1 (луч процесса Н—1) 
по линии d = const. При нагреве же воздуха с увлажнением (луч 
процесса Н—2) влагосодержание его в точке 2 возрастает.
В процессе охлаждения воздуха в результате контакта с сухой 
холодной поверхностью, имеющей температуру выше точки росы 
этого воздуха, он отдает только явную конвективную теплоту. 
На диаграмме этот процесс просматривается сверху вниз по линии d = const. Отметим, что предельным состоянием воздуха в этом 
процессе является точка 7, соответствующая температуре точки 
росы tрH воздуха. Если температура охлаждающей поверхности будет ниже точки росы, то водяные пары, содержащиеся в воздухе, 
сконденсируются и выпадут на этой поверхности. В этом случае изменение тепловлажностного состояния воздуха прослеживается 
от точки Н вниз налево до точки 6 (луч процесса Н—6). Этот процесс связан с отдачей не только явной теплоты, но и скрытой теплоты конденсации, и относится к более сложному процессу теплои влагообмена воздуха с холодной поверхностью.
Еще одним случаем охлаждения является снижение температуры воздуха с некоторым увеличением его влагосодержания (луч 
процесса Н—4). При этом наиболее характерным является процесс