Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности

– 1 – 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Сибирский федеральный университет 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ  

СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ 

 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 

СФУ 
2022 
 

– 2 – 

УДК 669-049.5(07) 
ББК 
34.3-08я73 
Р248 

 

 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А. Н. Анушенков, доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой ПРМ СФУ;  
И. И. Демченко, доктор технических наук, профессор кафедры 
ГМиК СФУ 

 
 
 

Р248 Расчет и проектирование систем обеспечения безопасности : 

учеб. пособие / В. В. Коростовенко, Т. А. Стрекалова, В. А. Гронь, 
А. В. Галайко. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – 108 с. 

 

ISBN 978-5-7638-4625-6 

 
 

Представлены методики проектирования и примеры расчета средств  

и технических систем защиты среды обитания и человека в производственных 
условиях. Изложены принципиальные основы и методология разработки проектной 
документации по системам обеспечения безопасности. 

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению «Тех-

носферная безопасность», и специалистов в области безопасности среды  
обитания. 

 
 
 
 
 
 
 
 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 669-049.5(07) 

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.3-08я73 

 
 
 
 

ISBN 978-5-7638-4625-6 
 © Сибирский федеральный университет, 2022 

– 3 – 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 

Введение........................................................................................................... 4 
 
1. Проектирование средств защиты рабочей зоны ................................... 5 

1.1. Защита от тепловых излучений ............................................................ 5 
1.2. Средства защиты от шума ................................................................... 14 
1.3. Средства защиты от вибраций ............................................................ 23 
1.4. Проектирование зон безопасности при взрывных работах............... 27 
Контрольные вопросы и задания ............................................................... 33 

 
2. Проектирование систем защиты атмосферы от загрязнений ........... 34 

2.1. Физико-химические основы проектирования технологий очистки 
атмосферных выбросов .............................................................................. 34 
2.2. Очистка выбросов рукавными фильтрами ......................................... 41 
2.3. Особенности устройства и методика проектирования ...................... 46 
скоростных газопылеуловителей .............................................................. 46 
Контрольные вопросы и задания ............................................................... 54 

 
3. Проектирование систем защиты гидросферы от загрязнений.......... 56 

3.1. Основы проектирования систем очистки сточных вод ..................... 56 
3.2. Проектирование технологии очистки электрофлотацией ................. 61 
3.3. Нейтрализация производственных сточных вод ............................... 67 
Контрольные вопросы и задания ............................................................... 72 

 
4. Проектирование систем защиты литосферы ....................................... 74 

4.1. Способы и схемы восстановления нарушенных земель ................... 74 
4.2. Порядок проектирования рекультивации нарушенных земель ........ 80 
4.3. Разработка проекта рекультивация полигона промышленных 
отходов ........................................................................................................ 84 
4.4. Проектирование мониторинга полигона отходов ............................. 89 
4.5. Выбор и обоснование средств механизации в технологиях 
рекультивации ............................................................................................ 94 
Контрольные вопросы и задания ............................................................. 103 

 
Библиографический список ..................................................................... 105 
 

– 4 – 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Системы обеспечения безопасности должны не только создать чело-

веку комфортные и безопасные условия труда в условиях производственной 
среды, но и исключить возможность реализации негативных факторов 
за пределами границ предприятия. 

Исходные данные принимаемых технических и организационных 

решений регламентируются характером, видом и объемом негативных 
факторов технологии, обеспечением надежности производственного оборудования, 
необходимостью защиты окружающей среды обитания, минимизацией, 
а в случаях, регламентированных законодательством, восстановлением 
нарушенных производством элементов природы. 

Общеизвестно, что система безопасности объектов представляет со-

бой сложный комплекс организационных мер, технических решений, аппаратно-
программных средств. Состав системы, ее функциональность  
и другие параметры напрямую зависят от степени угроз, правильной оценки 
опасностей и рисков. Внедрение системы должно быть экономически 
оправданным, но не в ущерб эффективности. 

Проектирование систем обеспечения безопасности осуществляются  

в основном для модернизации, реконструкции действующей системы безопасности 
либо разработки отдельных систем для интеграции в комплексную 
систему безопасности объекта. 

Система представляет собой отдельный аппаратно-программный 

комплекс для решения конкретного спектра задач либо носит комплексный 
характер и включает заданное количество подсистем разного назначения, 
основными из которых являются опасности среды деятельности и отдыха, 
города и жилища – опасности техносферы. 

Промышленная деятельность требует особого подхода к формированию 

концепции систем безопасности на объектах. Специфика проектирования производственных 
систем обеспечения техносферной безопасности предусматривает 
выбор и расчет параметров средств защиты в заданных производственных 
условиях, создание и внедрение эффективных средств защиты от антропогенных 
и техногенных факторов воздействия, оптимизацию производственных 
технологий с учетом экономической целесообразности и задачи устранения 
(минимизации) их негативного воздействия на охраняемый объект. 

Настоящее пособие содержит материалы, позволяющие оценивать 

безопасность как один из показателей надежности, который при проектировании 
и расчете как параметр закладывается, а при эксплуатации – реализуется. 
Эта особенность приобретает исключительное значение для проектирования 
опасных производственных объектов, включая предприятия 
горного и металлургического комплексов.  

– 5 – 

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ 

РАБОЧЕЙ ЗОНЫ 

 
 
 

1.1. ЗАЩИТА ОТ ТЕПЛОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ 

 
 
Физические характеристики тепловых излучений 
Вредное воздействие негативных факторов среды обитания суще-

ственно зависит от общего состояния организма работника, что в свою очередь 
во многом предопределяется качеством воздуха рабочей зоны и его  
метеорологическими параметрами. 

Из числа параметров микроклимата основными являются температу-

ра, относительная влажность и скорость движения воздуха, так как их 
нормативные значения определяют категорию работ по степени тяжести. 

В общем случае оптимальные и допустимые величины температуры 

устанавливаются для рабочей зоны с учетом избытков явного тепла, тяжести 
выполняемой работы и сезонов года. 

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веще-

ством и возникающее за счет его внутренней энергии. Тепловое излучение 
обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе 
теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов 
кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т. д.). 
Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам. 

В производственных условиях тепловое излучение чаще всего харак-

терно для рабочих мест металлургических предприятий, связанных с пирометаллургическими 
процессами, что предопределяет необходимость 
обеспечения защиты персонала от избыточного тепла. 

Для обоснования необходимости проектирования средств защиты от 

тепловых излучений необходимо определить фактическое значение интенсивности 
тепловых излучений (облученность) экспериментально (например 
актинометром) или расчетом. 

Величину облученности, создаваемую источником излучения, можно 

определить по закону Стефана – Больцмана по зависимости 

 

,
100
100

4

о

4

и

пр
о
и






























T
T
E
C
q
                             (1.1) 

 

где qи – интенсивность тепловых излучений, Вт/м2; Со – излучательная 
способность абсолютно черного тела, Вт/м2К4 (Со = 5,6703 Вт/м2К4); Епр – 

– 6 – 

приведенная степень черноты источника излучения и объекта облучения; 
Ψ – угловой коэффициент, учитывающий взаимное расположение источника 
излучения и объекта облучения, а также влияние (в неявной форме) 
расстояния от источника излучения до объекта облучения; Ти и То – соответственно, 
температура источника излучения и объекта облучения, К4. 

Однако зависимостью (1.1) пользоваться не всегда удобно при расче-

те облученности рабочих мест, так как не всегда известны данные для человеческого 
тела по степени черноты (с учетом материала спецодежды), по 
угловому коэффициенту и др. Поэтому удобнее пользоваться преобразованными 
формулами для расчета облученности рабочих мест: 

при 
F
l 
и
  

 

;
100

91
,0

4

и

2
и

и
A
T

l

F
q



















                                     (1.2)  

 
при 
F
l 
и
  

 

,
100

91
,0

4

и

и

и
A
T

l

F
q



















                                   (1.3)  

 

где qи – интенсивность тепловых излучений, действующих на работающих, 
Вт/м2; F – площадь излучаемой поверхности, м2; Tи – температура источника 
тепловых излучений, К; lи – расстояние от центра излучаемой поверхности 
до облучаемого тела, м; A – коэффициент, учитывающий условия 
лучистого теплообмена, К4. 

Для кожи человека и хлопчатобумажной ткани принимают A = 85 К4, 

а для суконной ткани A = 110 К4. 

При qи < qдоп условия труда по тепловым излучениям соответствуют 

санитарным требованиям, а при qи > qдоп – не соответствуют, что является 
обоснованием применения средств защиты. Допустимые значения интенсивности 
тепловых излучений qдоп следует принимать по ГОСТ 12.1.005–88. 

Наиболее эффективным средством защиты от тепловых излучений 

является установка теплозащитных экранов: телоотводящих, теплоотража-
тельных и теплопоглощающих. 

 
Проектирование теплоотводящих экранов 
Теплоотводящие экраны представляют собой полые сварные кон-

струкции, по которым циркулирует вода или воздушно-водяная смесь. 

Схема теплоотводящего экрана приведена на рис. 1.1. 

– 7 – 

 

Рис.1.1. Схема теплоотводящего экрана: 

1 – входной штуцер; 2 – экран;  

3 – выходной штуцер; 4 – лабиринтные перегородки 

 
Теплоотводящее экранирование поверхности оборудования должно 

обеспечивать температуру наружной поверхности экрана не выше 35 °С  
в рабочей зоне (не ниже 20 °С) и 45 °С вне рабочей зоны согласно санитарным 
нормам. Максимальный нагрев воды в экране не должен превышать 
10–15 °С из-за возможности образования накипи. 

Поскольку экран располагается на некотором расстоянии от стенки, 

то тепло, передаваемое излучением, воспринимается водой полностью,  
а конвекцией – частично, так как горячий воздух в прослойке уносится 
вверх. При этом слой воды задерживает тепловое излучение. При расчете 
исходили из теплового баланса Qв = Qизл, где Qизл – количество лучистого 
тепла, действующего на экран, Вт; Qв – количество тепла, которое отвела 
вода из экрана, Вт, 

 

Qизл = qи-э·F·a,                                            (1.4) 

 

где qи-э – интенсивность тепловых излучений от источника тепла к экрану, 
Вт/м2; F – площадь экрана, м2; a – коэффициент поглощения инфракрасных 
лучей материалом экрана и водой (можно принять a = 0,9). 

Интенсивность тепловых излучений можно определить по закону 

Стефана – Больцмана: 

 

4
4

э
и

и-э
o
пр
100
100
T
T
q
C
j

























                                  (1.5)  

 

где Со – коэффициент излучательной способности абсолютно черного тела 
(Со = 5,67 Вт/(м2К4); εпр – приведенная степень черноты источника излучения 
и стального листа экрана; j – угловой коэффициент, учитывающий взаимное 
расположение источника излучения и объекта облучения (т. е. экра-

– 8 – 

на). Для условий установки экрана на стенке оборудования можно принять  
j = 1; Tи – температура источника излучения с учетом ее возрастания при 
экранировании на 20–30 %, К; Tи =1,25 ⸱ tи + 273, К, где tи – температура источника 
излучения до установки экрана, °С; Tэ – температура экрана, К, 

 

Tэ = 135 + 273 = 308 К.                                     (1.6) 

 
Приведенная степень черноты  

 

,

1
1
1

1

э
и

пр








                                           (1.7) 

 
где εи – степень черноты источника излучения (горячей стенки); εэ – степень 
черноты стального листа экрана, 

 

Qв = G ⸱ c(tух – tпр),                                          (1.8) 

 

где G – весовой расход воды на экране, кг/с; с – теплоемкость воды  
(с = 4,19 кДж/(кг ⸱ К); tух – температура уходящей воды (не более 35 °С);  
tпр – температура воды на входе в экран (в теплый период года tпр принимают 
25–29 °С). 

Необходимый весовой расход воды  

 



,
3600

пр
ух

изл

t
t
c

Q
G


 кг/ч.                                    (1.9) 

 
С учетом плотности воды ρв объемный расход воды  

 



,
3600

пр
ух
в

изл

t
t
c

Q
L



 м3/ч.                                (1.10) 

 
Принимают плотность пресной воды ρв = 1000 кг/м3, а морской –  

ρв = 1010–1050 кг/м3. 

На линии, подводящей воду в экран, обязательно устанавливают 

фильтр. 

При проектировании теплоотводящих экранов кроме расчета расхода 

воды на экран также необходимо определить: 

 размеры экрана и трубопроводов (размеры трубопроводов опреде-

ляют по таблицам расчета водопроводных сетей); 

– 9 – 

 гидравлических расчет потерь давления воды в экране (с учетом 

установки фильтров); 

 давление цеховой водопроводной сети на возможность преодоле-

ния рассчитанных потерь напора, т. е. если Pпот > Pс, то необходимо предусмотреть 
установку насоса на входе в экран. 

Потери давления воды складываются из потерь на трение, на мест-

ных сопротивлениях и на фильтре: 

 

,
2
К
2

ф

2
с
в

м.с

2
с
в

к

к

тр
пот
Р
v
v

d

l
Р










 
 
 
(1.11) 

 

где Pпот – потеря давления воды, Па; μтр – коэффициент потерь давления от 
трения (можно принять μтр = 0,03);  кl  – суммарная длина всех каналов 
(секций) экрана, м; dк – приведенный диаметр одного канала (секции), 

 

,
4
c

к


F
d
  
 
 
              (1.12) 

 

Fc – площадь проходного сечения одного канала экрана, м2; ρв – плотность 
воды, кг/м3; vc – скорость воды в канале секции, м/с, 

 

,
3600
с

c

 F

L
v
 м/с; 
 
 
         (1.13) 

 


м.с
К
– суммарный коэффициент местных потерь. При повороте потока 

воды на 90° можно принять 
90
м.с
К
 = 1,19 (для одного поворота на 90°). При 

повороте на 180° можно считать, что 
;
38
,2
19
,1
2
К
2
К
90
м.с

180
м.с




 Pф – поте-

ри напора на фильтре (определяют по паспортным данным фильтра или по 
справочникам), Па. 

С учетом потерь давления в подводящих трубопроводах (до 20 % от 

потерь в экране) требуемое давление  

 

Рвх = 1,2Рпот, Па.  
 
                  (1.14) 

 
Возможные виды теплоотводящих экранов: 
 стальные водоохлаждаемые экраны у стен выполняют из листовой 

оцинкованной стали толщиной 1,5–2 мм, а у открытых проемов – из черной 
стали толщиной 6–8 мм; 

 стальной лист или сетка со стекающей водой; 

– 10 – 

 цепные завесы (однорядные или многорядные) со стекающей водой; 
 водяные завесы. 
Теплоотводящие экраны эффективно поглощают тепловые излуче-

ния во всем диапазоне длин волн (от длины волны 1,5 мкм и выше), что 
является их достоинством. 

Недостатки этих экранов: 
 громоздкость конструкции; 
 необходимость наличия трубопроводов, фильтров и насосов водо-

подачи; 

 необходимость подготовки воды (умягчения, фильтрования и т. п.);  
 сравнительно малый срок службы экрана из-за отложения накипи. 
Поэтому эти экраны применяют для экранирования высокотемпера-

турных печей (доменных, сталеплавильных и др.). 

 
Проектирование теплоотражательных экранов 
Эффективность применения отражательных экранов для локализа-

ции излучения от промышленных тепловых источников достаточно высокая. 


Расчетная схема экранирования приведена на рис. 1.2. 
 

 

 

Рис. 1.2. Расчетная схема экранирования источника излучения: 

qи-о – интенсивность тепловых излучений от источника к объекту облучения (без экрана), Вт/м2;  
qэ-и – отраженный тепловой поток от экрана к источнику излучения, Вт/м2; qэ-о – тепловой поток  

от экрана к объекту обучения, Вт/м2; Tи – температура источника излучения, К;  

Tэ – температура экрана, К; Tо – температура объекта облучения, К. 

 
Поток излучения qи-о, встречая на пути экран с высокой теплоотра-

жательной способностью, отражается от него в основном обратно к источнику (
qэ-и), и лишь некоторая доля его поглощается экраном. Нагреваясь  

Tи
Tэ

qи-о

q'э-о

    q'э-и

Tо 

– 11 – 

в результате поглощения некоторого количества энергии до температуры 
Tэ, экран в свою очередь излучает тепловой поток qэ-о. Однако это излучение 
в значительной степени ослаблено. Если установить ряд экранов, то 
излучение можно значительно снизить. 

Тепловой поток qи-о до установки экрана можно определить по зако-

ну Стефана – Больцмана: 

 

.
100
100

4

о

4

и

о
-
и
o
о
-
и
























T
T
C
q
                           (1.15) 

 
А после установки экрана 

 

.
100
100

4

о

4

э

о
-
э
э
о
-
э
























T
T
C
q
  
 
         (1.16) 

 
Снижение потока экраном  

 

.

о
-
э

о
-
и
q
q
m 
 
 
 
 
           (1.17) 

 
Коэффициент m также называют коэффициентом снижения теплово-

го потока. 

При наличии n экранов и разных материалов источника и экрана 

снижение потока экраном  

 



.
1

о
-
э

о
-
и



 n
m
 
 
                          (1.18) 

 

Отражательные качества экрана характеризуются отношением 

о
-э

о
-
и


, 

показывающим, что чем ниже степень черноты экрана εэ-о, тем больше 
снижается поток. Если материал источника излучения и экрана один и тот 
же, то при одном экране поток уменьшается в два раза: 

 

.
2
1

о
-
и
о
-
э
q
q

 
 
 
             (1.19)