автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование акустических явлений пылевоздушного потока и разработка методологии определения дисперсного состава пыли

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛЕПИХОВА ВИКТОРИЯ АНАТОЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПЫЛЕВОЗДУШНОГО ПОТОКА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ

05.26.01 - Охрана труда (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор

ЖУРАВЛЕВ В.П. кандидат технических наук, доцент МУХАНОВ В.В.

РОСТОВ-НА-ДОНУ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................6

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛЕГАЗОВОЙ СМЕСИ................................................. 17

1.1. Параметры характеризующие дисперсный состав пылевого аэрозоля........................................... 17

1.2. Свойства дисперсной фазы пылевого потока............. 20

1.3. Анализ существующих методов и средств определения дисперсного состава пыли............................. 21

1.3.1. Методы определения дисперсности пыли с предварительным осаждением и выделением пробы........................21

1.3.2. Методы определения дисперсности пыли без предварительного осаждения и выделения навески...................... 37

1.4. Обоснование направления исследований принципов определения дисперсности пыли...................... 48

1.5. Анализ тенденции развития акустических методов..... 51

1.6. Применение акустических методы неразрушающего контроля к определению дисперсного состава

в пылеметрии...................................... 55

Выводы. Цель и задачи исследований....................... 57

2. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ И ПАРАМЕТРОВ ПЫЛЕПЕРЕНОСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ ПО СИГНАЛАМ АКУСТИЧЕСКОЙ

ЭМИССИИ..............................................60

2.1. Параметры, определяющие свойства дисперсного состава

пыли в пылегазовых потках............................60

2.2. Акустическая динамика процесса пылепереноса при определении дисперсного состава пыли.................. 67

2.3. Физические источники и механизмы возникновения сигналов акустической эмиссии связанные с дисперсным составом пыли....................................... 76

2.4. Формы и соотношения между составляющими сигналов АЭ

излучаемых твердыми частицами аэрозольного потока..... 82

Выводы.............................................87

3. РАЗРАБОТКА И ИСЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО

СПЕКТРАЛЬНО — ТЕМБРОВОГО МЕТОДА ДИСПЕРСНОГО

АНАЛИЗА ПЫЛИ В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ................89

3.1. Источники сигналов акустической эмиссии, пылевой фазы вентиляционного потока..............................89

3.2. Анализ сигнала акустической эмиссии путем разложения его в спектры по дискретным последовательностям ортогональных базисных функций..................... 94

3.3. Обоснование выбора математической модели акустического сигнала для дисперсного пофракционного состава пыли.........................................97

3.3.1 Разложение акустического сигнала процесса пылепереноса

по Фурье - Лапласу в пофракционные подспектры Фурье. . . 98

3.3.2 Применение статических моментов для формирования

частотных подспектров пылепереноса.................. 103

Выводы............................................ 114

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРАЛЬНО - ТЕМБРОВОЙ

МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА

ПЫЛИ В НЕСУЩЕМ ПОТОКЕ.......................... 116

4.1. Экспериментальная методика определения дисперсного состава пыли в потоке................................ 116

4.2. Лабораторный стенд и измерительная аппаратура для проведения модельных экспериментов.................. 118

4.3. Проверка разработанной методики определения дисперсного состава твердой фазы в потоке............... 123

4.4. Экспериментальные исследования дисперсного

состава пыли в воздушных потоках.....................127

4.4.1 Обработка результатов экспериментов по определению дисперсного состава пыли в воздушном потоке........... 146

4.4.2. Численная реалация нахождения весовых коэффициентов

при дисперсном анализе пыли в воздушном потоке........148

4.5. Оценка дисперсности пыли в воздушном потоке

спектрально - тембровым методом......................149

Выводы............................................163

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ АНАЛИЗА ДИСПЕРСНОСТИ ПЫЛИ.................... 166

5.1. Инженерное приложение разработанной спектрально-тембровой методики определения фракционного состава воздушного потока в системах вентиляции..............166

5.1.1. Выбор вспомогательной измерительной аппаратуры

для пылемерного комплекса........................... 169

5.1.2 Промышленная адаптация спектрально — тембровой методики дисперсного анализа угольной пыли на шахтах

ПО "Гуковуголь" и Несветаевском шахтоуправлении...... 172

5.2. Оценка погрешности и надежности спектрально —

— тембрового метода.................................183

5.3. Оценка экономической целесообразности практического применения дисперсного анализа пыли.................. 190

5.4. Некоторые особенности развития спектрально — тембрового

метода при дисперсном анализе пылевой смеси .......... 194

Выводы............................................ 195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................ 197

ЛИТЕРАТУРА.......................................... 200

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................... 212

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

Промышленная пыль является одним из основных загрязнителей атмосферы и производственных помещений, что ухудшает экологическую обстановку и угрожает здоровью человека и биосферы.

Промышленная пыль возникает непосредственно в процессе производства. При этом каждому виду производства сопутствует характерный для него вид пыли. В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической (мучная, зерновая, табачная, сахарная, шерстяная, костяная и др.), неорганической (кварцевая, цементная, угольная и др.) и металлической (стальная, медная, алюминиевая и др.).

Рассматривать пыли целесообразно как дисперсные системы: монодисперсные, т. е. состоящие из частиц примерно одинаковой величины, и полидисперсные, т. е. в состав которых входят частицы различной величины. Промышленные пыли, как правило, полидисперсные [1].

Пыль технологического происхождения характеризуется большим разнообразием параметров: химическому составу, размеру и строению частиц, плотностью, удельной поверхностью, верхнему и нижнему концентрационному пределу взрывоопасности, электрическими свойствами и т. д. Дисперсный состав является одной из важнейших характеристик тонкоиз-мельченных материалов, определяющих их физико — химические свойства [2]. Знание дисперсного состава позволяет судить о степени ее опасности в санитарно — гигиеническом отношении , способности образовывать

взрывоопасные смеси с воздухом, влиять на ход технологических процессов.

Способность к воспламенению является важнейшим свойством многих видов пыли. Являясь взрыво- и пожароопасными и представляя собой источник зарядов электричества, пыли наносят социальный и экономический ущерб, и относятся к основным загрязнителям окружающей среды. В связи с этим снижение содержания пыли в производственных помещениях и приземном слое атмосферы приобретает все большее значение.

При оценке степени ее вредности важное гигиеническое и экологическое значение имеет дисперсный и химический состав пыли. Частицы пыли крупнее 5 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях. Более мелкие частицы пыли проникают в альвеолы легких и способствуют возникновению профессиональных и развитию имеющихся у человека заболеваний. Частицы пыли с острыми зазубренными краями оказывают непосредственно механическое воздействие на слизистую оболочку, травмируя и раздражая ее. Пылинки из твердого материала, например, пыль металлическая, стеклянная, кварцевая и др., оказывает наиболее сильное травмирующее воздействие. Обладающая значительной растворимостью, токсичная пыль отравляет организм. Воздействие пыли на орган зрения приводит к воспалительным процессам, а раздражающее действие на кожу вызывает дерматиты. Кроме того, многие пылевые выбросы содержат радионуклиды с длительным периодами полураспада, что способствует развитию раковых заболеваний и вызывает генетические изменения в организме.

Пыль может оказывать неблагоприятное влияние на оборудование и технологический процесс, ухудшая качество продукции. Попадая в передаточные механизмы, трущиеся части машин, минеральные частицы пыли вызывают интенсивный износ.

На основании действующего законодательства "Об охране атмосферного воздуха" в соответствии с ГОСТ 12.1.005 — 85 " Общие санитарно — гигиенические требования к воздуху рабочей зоны" и ГОСТ 17.2.3.02 — 78 "Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями" непрерывно возрастает актуальность совершенствования комплекса методов контроля фактического содержания пыли на рабочих местах и в отходящих промышленных газах.

Для правильной эксплуатации и управления обеспыливающими установками, пылеулавливающими устройствами необходим регулярный контроль содержания пыли в различных технологичеких условиях. В этом комплексе условий анализ дисперсного состава пыли имеет особое значение.

Эффективность действующих пылеочистных устройств нельзя объективно оценить без характеристики дисперсности промышленных пылей. Существующие методы определения дисперсного состава достаточно сложны и не обеспечивают непрерывного слежения. При этом только на основе достаточно достоверных и тщательно выполненных анализов дисперсного состава исходной, уловленной или вынесенной пыли можно определить пофракционные степени очистки воздуха от пыли.

Применение наиболее совершенных методик и приборов при прове-

дении замеров дисперсности необходимо для достижения наивысшей эффективности и производительности пылеулавливающих установок.

Существующие методы контроля дисперсного состава пыли характеризуются большими затратами времени и трудоемкостью, они не позволяют создать систему оперативного и непрерывного измерения и слежения в реальном масштабе времени. Большинство современных методов дисперсного анализа пыли включает предварительное выделение пыли из газовой среды и последующее ее разделение на фракции.

При эксплуатационном контроле пылеуловителей наиболее целесообразным является проведение круглосуточных замеров запыленности газов с определением средних значений за сутки [5]. В ряде случаев требуется определение необходимого числа замеров, при которых достигается желаемая точность полученных результатов. Пылегазовые замеры с использованием известных методов неизбежно сопровождаются ошибками, зависящими от параметров характеризующих физико — химические свойства пылей. В связи с большим разнообразием методов и приборов дисперсного анализа, дисперсный состав одного и того же пылеобразного материала, определяемый с помощью различных приборов, получается неидентичным [3].

Развитие современных технических и вычислительных средств позволяет решать вопрос о разработке новых методик и средств дисперсного анализа по созданию систем непрерывного контроля за пылевым потоком.

Большой вклад в теорию пылеметрии и методику инструментального контроля пылесодержания внесли отечественные ученые Ищук И.Г., Кирин Б.Ф., Коузов В.А., Кудряшов В.В., Поздняков Г.А., Петрянов И.В., Фукс

B.K. и др.; а также зарубежные ученые GastT., Leithe W., Martin L.C., Teissey M. и др. Исследования по этому направлению ведутся в отечественных научных учреждениях: институте горного дела им. Скочинского, институте проблем комплексного освоения недр академии наук Российской Федерации, Московском государственном горном университете, Ростов-ском-на-Дону государственном строительном университете (РГСУ), институте физики земли АНРФ и др.

Теоретические и экспериментальные исследования с использованием методов математического моделирования позволяют избавиться от взаимной зависимости некоторых параметров, оценить погрешность измерения и провести диагностику дисперсного состава движущегося пылегазового потока в трубопроводах.

Разработка новых способов и средств непрерывного дисперсного анализа пылевых потоков является чрезвычайно важной и актуальной проблемой современности.

Цель работы

Разработка методологии непрерывного мониторинга дисперсного состава пыли в воздушных потоках и подбор средств ее реализации.

Основная идея работы

Определение дисперсного состава пыли в воздушном потоке по сигналам акустической эмиссии с выделением подспектров Фурье, содержащих информацию о пофракционной концентрации пылегазовых потоков.

Методы исследований:

— математическое моделирование с выбором и уточнением параметров дисперсного состава пыли;

— аппроксимация колебаний сигналов акустической эмиссии;

— интерполяция дисперсного состава заданными линейно-независимыми базисными функциями.

Достоверность результатов:

— эффективность применения разработанной методики дисперсного анализа пыли подтверждена эталонным весовым, микроскопическим методом и теорией масштабного моделирования, достаточным объемом выполненных экспериментов, совпадением теоретических и экспериментальных результатов;

— надежность полученных результатов подтверждена на специально созданных пылеметрических моделях и в натурном полномасштабном эксперименте;

— результаты лабораторных и натурных испытаний подтверждены при промышленных испытаниях.

При проведении испытаний использовалась блочно-акустическая аппаратура АФ-15, осциллограф С1-81, аналоговые акустические спектроана-лизаторы СК4-56 и СК4-59, и вторичный регистрирующий прибор-потенциометр с круговой суточной диаграммой, а также портативный шу-момер-индикатор "Контест", дополненный стрелочным микроамперметром со шкалой, проградуированной в микровольтах и децибелах.

Научная новизна работы:

— на основе бинарной реологической модели аэрозольной смеси выявлена представительная корреляционная связь дисперсного состава пыли в потоке с амплитудами и частотами акустического спектра Фурье;

— подтверждено, что в разложении периодического сигнала в ряд Фурье первая основная гармоника характеризует концентрации фракции пыли, а вторая и последующие за ней тембровые ( высшие ) гармоники, строго кратные основному тону, несут информацию о дисперсном составе пылевого аэрозоля в воздушных или газовых потоках;

— показано, что дисперсный состав пыли в потоке может быть оценен по методу весовых функций в виде суперпозиции линейно независимых ортогональных функций;

— установлено, что оценка дисперсного состава производственных пылей может быть осуществлена анализом акустического сигнала в полосе частот до 50-60 кНг.

Новизна разработанного метода подтверждена патентами Российской Федерации № 2097738 от 27.11.97 г. и № 2105302 От 20.02.98 г.

Практическое значение:

— разработан способ непрерывного, неразрушающего и автоматизированного контроля дисперсного состава пыли в газоходах;

— предложены методики и комплексы алгоритмов и программ оперативной обработкой информации на ПЭВМ, позволяющей проводить диагностику пылепереноса в технологическом процессе;

— методики соответствуют международным санитарно-гигиеническим нормам охраны труда.

Реализация работы

Разработанные новые принципы измерения дисперсного состава пыли, установления связей между параметрами акустической эмиссии и параметрами пыли, позволяют осуществлять непрерывный, дистанционный контроль на предприятиях горнодобывающей, цветной металлургии и строительной индустрии. Методика измерения дисперсного состава пыли апробирована и внедрена в практику завода строительных материалов "Поликом" Ко: ЛТД г. Сочи, цеха пылеулавливания (ЦПУ) ОАО "Новочеркасский электродный завод" и на предприятиях АО "Гуковуголь" и Несветаевского шахтоуправления.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе РГСУ при изучении курсов "Охрана труда" и "Охрана окружающей среды", апробированы в лабораторной практике в Московском государственном горном университете.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— разработанные автором математические модели определения дисперсного состава пыли спектрально-тембровым акустическим методом в виде интерполяционного тригонометрического полинома Фурье и статических моментов позволяют анализировать и истолковывать процессы изме-

рения дисперсной фазы пыли через энергетический и фазово-амплитудный спектры;

— процедура диагностики дисперсного состава пыли в потоке по акустическим сигналам позволяет производить непрерывный, неразрушающий контроль параметров дисперсности и концентрации;

— созданное программное обеспечение для числовой реализации защищаемой методики анализа дисперсного состава пыли и физические интерпретации акустических основных и тембровых гармоник спектров дает возможность применения ПЭВМ для быстрой и достаточно точной оценки пофракционной концентрации пыли, а также легко уточнять математическую модель и алгоритм ее обработки.

Апробация