автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Методы моделирования параметров оборудования приточной вентиляции для обеспечения предельно-допустимых концентраций вредных газообразных веществ

На правах рукописи

КУЦЫГИН Даниил Александрович

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИТОЧНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО-ДОПУСТИМЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ

ВЕЩЕСТВ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на—Дону - 2006

Работа выполнена на кафедре отопления и вентиляции в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

СКРЫПНИК А,И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

МЕСХИ Б.Ч.

- кандидат технических наук ЦВЕТКОВ В.М.

Ведущее предприятие - ОАО "РОСТВЕРТОЛ" (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 22 ноября 2006 г, в 14 ч. на заседании диссертационного Совета Д 212.058.01 при Донском государственном техническом университете, ауд. 252

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Донского

государственного технического университета по адресу: 394010, г. Ростов-на Дону, площадь Гагарина, 1 , ДГТУ факс: 863 291 07 91, е-.шаН: евЫАШзУи/еаи/ги

Автореферат разослан « 16 октября » 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Охрана труда на производстве предполагает обеспечение нормативных условий по чистоте воздушной среды внутри помещений, регламентируется уровнем предельно-допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (РЗ) и реализуется устройством вентиляции, гигиеническое назначение- которой состоит в удалении вредных выделений с вытяжным воздухом 'и подаче в помещения чистого воздуха. Но средства обработки газовых выбросов в атмосферу обеспечивают не полное обезвреживание загрязняющих веществ (3B)f а 30 % от ПДКр, в приземном слое атмосферного воздуха промышленной площадки. Фактическая эффективность пыле- и газоулавливающих установок позволяет обезвредить лишь 24 % ЗВ, образующихся на предприятиях машиностроительной отрасли, а в среднем по Воронежской области - 49 % . Следовательно, окружающее пространство наполняется опасными для здоровья людей ЗВ со сверхнормативными концентрациями, которые при тесной застройке промышленных, территорий могут попасть в зону подпора или аэродинамической тени зданий, расположенных в пределах досягаемости воздушной струи, и вместе с фоновыми загрязнениями и выбросами от автомагистралей стать сверхнормативной составляющей ЗВ приточного воздуха (ПВ), поступающего в рабочую зону производственных помещений и обслуживаемую зону помещений с условиями повышенной комфортности (больницы, лечебно-профилактические, детские учреждения и др.).

Для защиты рабочей и обслуживаемой зоны от проникновения газообразных загрязнителей внутрь помещений выявлена и обоснована необходимость моделирования и выбора рациональных параметров, установки и эксплуатации очистного оборудования в приточных камерах вентиляционных систем, которое традиционно применяется в вытяжных системах вентиляции. Для эффективной очистки воздушных потоков от газообразных вредностей используют процессы сорбции, которые недостаточно изучены для малых концентраций ЗВ, характерных для наружного воздуха, а их теоретическое описание ведется чаще всего на основе эмпирических зависимостей, недостаточно учитывающих внешние и внутренние факторы. Обезвреживанию вентиляционного воздуха, содержащего вредные газообразные вещества, посвящены работы Коузова П.А., Скрябина Г.М., Рамма В.М., Серпионовой E.H., Эльтермана В.М., Зиганшина М.Г., Гримитлина М.И., Колесника A.A., Посохина В.Н., Белевицкого A.M. Скрыпника А.И., Страус В. и др. Однако методики очистки воздушных масс разработаны применительно к уходящему из помещений воздуху. В литературе отсутствуют методики расчета и проектирования оборудования для газоочистки приточного вентиляционного воздуха, содержащего сверхнормативные газообразные загрязнения. Поэтому с учетом накопленного опыта очистки выбросов от газообразных загрязнителей необходимо установить наиболее приемлемые

способы для очистки приточного воздуха с низким уровнем сверхнормативных концентраций вредных веществ.

Практическому использованию абсорбционно-адсорбционного

оборудования в ПВК препятствует потребность в дополнительных финансовых и энергетических ресурсах. Разработка методов моделирования параметров оборудования приточной вентиляции для совершенствования методики проектирования рациональных конструкций средств обеспечения нормируемого уровня концентраций газообразных веществ в приточном воздухе, поступающем в рабочую ил» обслуживаемую помещений, расположенных в условиях плотной застройки, является актуальной задачей в области охраны труда.

Цель работы состоит в разработке методов моделирования параметров и методики проектирования рациональных конструкций оборудования приточной вентиляции, обеспечивающего ПДК вредных газообразных веществ, для улучшения условий труда в рабочей зоне производственных помещений и повышения уровня комфортности в общественных, образовательных, лечебно оздоровительных и других учреждениях.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования:

-аналитическое исследование загазованности вредными веществами наружного воздуха, поступающего в рабочую и обслуживаемую зоны помещений;

-разработка математических моделей ■ параметров сорбционного оборудования, учитывающих концентрации вредных газообразных веществ в наружном воздухе, конструктивные характеристики применяемых аппаратов, показатели динамики обрабатываемого газового потока, физико-химические свойства сорбентов и требуемых ПДК в обслуживаемой зоне помещений;

-разработка, на основании математических моделей, метода расчета потерь давления на преодоление сопротивления проходу газового потока через слой сорбента в процессе очистки приточного воздуха от газообразных примесей;

-разработка алгоритма численной реализации математических моделей и комплекса прикладных программ для получения альтернативных значений параметров, характеризующих рабочий процесс сорбционного оборудования;

-разработка методики обоснования выбора рациональных параметров и схем сорбционного оборудования, обезвреживающего газообразные примеси приточного воздуха, позволяющей на стадии проектирования прогнозировать концентрации вредных веществ и обеспечивать требования охраны труда по чистоте воздуха внутри помещений с учетом экономической эффективности и энергетической целесообразности рекомендуемого к установке оборудования;

-разработка практических рекомендаций по проектированию

рациональных параметров сорбционного оборудования, исходя из требуемой степени очистки приточного воздуха, заданных габаритов и конструктивных особенностей внутренних элементов.

Научная новшиа работы:

- математические модели сорбционного оборудования, основанные на аэродинамической теории динамики газов, которые позволяют в диапазоне допустимых значений определить возможные варианты параметров, характеризующих конструктивные особенности внутренних элементов аппаратов сорбции, и решить задачу прогнозировайия степени очистки приточного воздуха с заданным составом и концентрациями вредных газообразных веществ при проектирования очистного оборудования;

- теоретически обоснован выбор рациональных схем и вариантов конструктивных параметров (габариты установки, параметры слоя сорбента, расход и скорости газа и др.) сорбционного оборудования приточной вентиляции по критериям экономической эффективности и энергоемкости, обеспечивающего нормативный уровень ПДК воздуха рабочей зоны.

На защиту выносятся:

-разработанные математические модели зависимостей физико-технических параметров сорбционного оборудования, позволяющие определять совокупность проектных вариантов конструктивных решений;

-метод расчета сопротивления проходу приточного воздуха через слой адсорбента и сорбирующие насадки, учитывающий содержание газообразных загрязнителей, требуемый уровень ПДК внутри помещений и конструктивные параметры системы очистки;

-методика, алгоритмы расчета и выбора рациональных схем, характеристик и параметров проектного варианта оборудования приточной вентиляции, обеспечивающего санитарно-гигиенические нормы охраны труда по ПДК вредных газообразных примесей в ПВ производственных и общественных помещений с повышенной комфортностью, по критериям экономической и/или энергетической эффективности;

-результаты численного эксперимента исследования влияния концентрации газообразных загрязнителей в очищаемом воздухе, конструктивных параметров сорбционного оборудования, скорости прохода воздуха и другие факторы на потери давления, позволяющие раскрыть механизм энергопотребления процесса очистки приточного воздуха, и критерии экономической эффективности, необходимые для выбора рационального проектного варианта;

-рекомендации по конструктивному исполнению сорбционного оборудования, устанавливаемого в ПВК.

Практическая значимость состоит в следующем:

-для конструкторских служб разработан инструмент проектирования аппаратов сорбции, обеспечивающий нормативный уровень ПДК в воздухе рабочей зоны производственных помещения и помещений с повышенным уровнем комфортности;

-разработана методика проектирования аппаратов сорбции, предназначенных для очистки газо-воздушного потока от газообразных загрязнений малых концентраций и комплекс программ численной реализации

математических моделей параметров оборудования и динамики газовоздушных потоков;

-на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены конструктивные решения расположения сорбента внутри очистных аппаратов с заданными наружными габаритами, позволяющие повысить эффективность применения технологий сорбции для газовоздушных смесей с малыми концентрациями вредных газообразных веществ.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы используются в практике проектирования Воронежского филиала ОАО «ГИПРОДОРНИИ», а также в учебном процессе кафедры «Охраны труда и экологии» ГОУ ВПО В Г АСУ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы были представлены на научных конференциях ВГАСУ (г. Воронеж, 2003-2005 г.г.), на 7-й международной научно-практической конференции "Высокие технологии в экологии" (21-23 мая 2004 г., г. Воронеж), на 57-й международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (16 мая 2004 г., г. С.-Петербург), на международной научно-практической конференции "Реконструкция Санкт-Петербург-2005" (19-21 октября 2005 г.).

Публикации. Результаты исследований диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Объем диссертации составляет 189 страниц, в том числе 146 страницы основного машинописного текста. Работа состоит из введения, четырех глав, 13 таблиц и 43 рисунков, общих выводов, списка литературы из 114 наименований и приложений на 32 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает обоснование актуальности темы исследования, положения, определяющие научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе приводится анализ состояния окружающей воздушной среды с использованием метода регрессионного анализа, который показал тенденции к увеличению содержания газообразных загрязнителей, вредных для здоровья людей (рис.1).

Основными источниками загрязнителей воздушной среды являются выбросы от объектов промышленного производства и автотранспорта. Химические, электротехнические и др технологические процессы обработки металлов на предприятиях машиностроения сопровождаются интенсивным выделением газообразных веществ первого и второго классов опасности (водород, оксиды азога, оксиды хрома, фтористый водород, хлористый водород и др.). Охрана труда на производстве осуществляется средствами защиты атмосферного воздуха цехов от загрязнителей с применением систем вытяжной вентиляции п местных отсосов. Однако современные санитарно-технические средства обработки технологических газовых выбросов не обеспечивают их

б

полное обезвреживание или восстановление первоначального качества воздуха, использованного в производственном цикле, а отработанные газы всегда вносят в атмосферу часть отходов производства.

(1,(103 ........— 1 ' < ■ ' Щ ■ ■ 1 ■ > I ' I I I 1 I

НИИ |1>№ |<«7 (Ч')Ч 2<КХ> 2001 2002 21К1Л 2(КМ 2<*»5

диоксид серы (фактические значения) о формальдегид (фактические значения)

Рис. 1 - Динамика показателей среднегодовой концентрации диоксида есры и формальдегида н линии 1реыдов, характеризующие прогнозируемый рост загрязнений воздуха в г. Воронеже: Уи> и -линейные зависимости, К2(, и К,^-полиномиальные

чаиней мости, характер и зу ю щи е временные тренды концентраций диоксида серы и формальдегида; к2 - показатель достоверности аппроксимации

При плотной городской застройке, расположении зданий вблизи автомагистралей и промышленных площадок неизбежно их попадание в зону аэродинамической тени источников вредных выбросов. Газообразные загрязнители окружающей воздушной среды могут проникать внутрь зданий в составе приточного вентиляционного воздуха, и стаггь источником их негативного воздействия на физическое состояние и здоровье людей, производительность труда и другие'показатели. Защита внутреннего воздуха помещений от газообразных примесей, содержащихся в приточном воздухе, определяется как составная часть охраны труда на производстве, и необходима для обеспечения санитарно-гигиенических норм внутри зданий. Но средства зашиты от проникновения в рабочую зону газообразных вредностей, содержащихся в наружном приточном воздухе, нормами действующих СНиП (41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование») не предусмотрены.

Для предотвращения попадания вредных газообразных веществ в зону дыхания человека с приточным воздухом необходима его очистка, что усугубляется установлением новых норм концентраций вредностей в атмосфере, превышающих ранее действовавшие нормативы. Так, гигиеническими нормативами ГН 2.1.6.1983-05 (утверждены Главным государственным санитарным врачом РФ от 01.02.2006 г.) установлена допустимая норма концентрации в атмосфере азота диоксида в размере 0,2 мг/мч вместо ранее действовавшей нормы 0,085 мг/м\ При сохранении

1 1

значения среднесуточной концентрации на уровне 0,04 мг/м' проблема очистки наружного воздуха от газообразных примесей в приточных вентиляционных камерах (ПВК) становится особенно актуальной, поскольку положениями СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и

кондиционирование» не предусмотрены средства зашиты от проникновения в рабочую зону газообразных вредностей, содержащихся в наружном воздухе. Не определены условия и нормы обработки приточного воздуха, содержащего ЗВ с концентрацией выше 30 % от уровня ПДК в воздухе РЗ.

Анализ применяемых технологий газоочистки воздушных масс показал, что наиболее универсальными являются процессы сорбции. Поскольку устройство такого оборудования неизбежно влечет дополнительные финансовые и энергетические затраты, особую актуальность приобретает разработка методики для определения вариантов возможных режимов и. схем устройств газоочистки приточного воздуха и выбора экономически выгодного и энергетически целесообразного решения.

- Во второй главе: определены показатели ; эффективности очистки приточного ' воздуха1 от <■ газообразных примесей», достижение которых обеспечивает выполнение требований по охране труда и санитарно-гигиенических норм в помещениях различного назначения. На основе аналитического обзора способов газоочистки применительно, к приточному воздуху выявлена целесообразность применения абсорбционной обработки водой, а наиболее универсальным способом обезвреживания газообразных примесей, содержащихся в приточном воздухе, установлен адсорбционный.

Физико-технические процессы, сопровождающие процессы сорбции, определяются значительным количеством факторов, характеризующих конструктивные особенности и количество внутренних элементов оборудования, геометрические размеры, диаметр и число располагаемых на них отверстий; расположение и число слоев поглотителей вредных веществ; рабочую площадь и толщину слоя сорбента, предназначенного для очистки потока приточного воздуха, и др. Внутреннее устройство элементов сорбционного оборудования определяет его наружные габариты и, следовательно, стоимость установки как один из основных экономических показателей. Изменение параметров внутренних конструктивных элементов оборудования приводит к изменению его стоимости, влияет на величину сопротивления проходу воздуха и, следовательно, на требуемый расход электроэнергии, определяющий величину текущих затрат на эксплуатацию оборудования. Значение тщательной конструктивной проработки элементов абсорбционно-адсорбционного оборудования для очистки приточного воздуха от газообразных примесей возрастает вследствие отсутствия расчетных методов, основанных на физической сущности явлений процессов сорбции.

Исследование параметров абсорбционного способа очистки приточного воздуха от газообразных примесей проводилось на примере традиционной конструкции барботажного тарельчатого абсорбера. Для адсорбционного способа очистки на основе конструкций однокольцевого и пластинчатого адсорберов разработаны схемы миогосекционпого однокольцевого (МОЛ) и

многосекционного пластинчатого адсорберов (МПА), расчетные схемы которых представлены на рис. 2 и 4.

а) б)

Рис. 2. Принципиальная (а) и расчетная (б) схемы МОА

Конструктивно многосекционный одноколъцевой адсорбер (МОЛ) состоит из набора однокольцевых секций, характерных для традиционного вертикального однокольцевого адсорбера (рис. 2 а) и б).

Каждая секция состоит из полого цилиндра-сетки, имеющего два слоя поверхности (наружный и внутренний), пространство между которыми заполняется слоем зернистого угля или силикагеля, помещенного в сплошной корпус-цилиндр. Внешняя площадь поверхности цилиндра-сетки, заполненного слоем угля или силикагеля, образует рабочую площадь слоя ( ), по которой газ проходит через слой адсорбента, а ширина слоя поглотителя, образующего кольцо в сечении полого цилиндра-сетки - толщину слоя (#<,). Снижение сопротивления проходу воздуха через слой сорбента достигается уменьшением его толщины и увеличением площади его поверхности (при постоянном объеме адсорбента, необходимом для заданной степени очистки воздуха). Но сопровождается увеличением наружных габаритов корпуса, следовательно, увеличением объема занимаемого им пространства приточной камеры и стоимости приобретения и монтажа этой конструкции. Предлагаемая в данной -работе конструкция МОА дает возможность повысить эффективность сорбции однокольцевого адсорбера без увеличения наружных габаритов, которая заложена в конструктивном изменении расположения слоя адсорбента внутри корпуса. Внутреннее пространство адсорбера, имеющее форму прямоугольного параллелепипеда, делится на секции, соединенные в блоки для равномерного распределения потока газа между секциями. Каждая секция представляет собой кольцевой цилиндр, заполненный адсорбентом, аналогичный выше описанной конструкции, но толщина каждого кольца (слоя адсорбента) значительно меньше, чем у кольцевого адсорбера базовой конструкции, а площадь поверхности - больше. Совокупность секций располагается во внутреннем пространстве корпуса адсорбера, размеры которого определяются геометрическими параметрами объема в приточной камере, предназначенного для размещения адсорбера. Количество секций N представляет собой

9

переменную величину, определяется параметрами /Ту и , а также величиной наружного диаметра секции й. Таким образом, исходными данными для разработки проектных вариантов схем размещения секций МОА приняты высота (//,., м), длина (И',» м) и ширина (С?,,, м) прямоугольного

параллелепипеда, ограничивающего часть пространства ПК, предназначенного для размещения адсорбера. В заданный объем требуется поместить адсорбционную установку типа МОА, состоящую из (/V) секций, с наружным диаметр каждой секции (О, м). На основе обобщенного анализа факторов, характеризующих геометрические размеры корпуса, физико-технические параметры и внутренние элементы адсорбера для определения диаметра секций МОА получены три уравнения вида

а. I , +г У о)

У я . N • У, (Vя" - Я - V, )

которые представляют собой функции ДА*Л,< = У1 - /(н у,УУу, ы),

ОТ" = = /(¿, // , Г,, , АО и = = /(¿,УпУ3,С,.,ЛГ). На основании этих функций разработана номограмма зависимостей диаметра (Ц) от количества секций (Л^. Номограмма, связывающая значения (Д М,

Нг,У,,У2,Уз, (7,), представлена на рис. 3 и позволяет при заданных параметрах (НуУ)¥х, <7^ ) определять варианты соотношений {О) и (Л^, а для

каждого соотношения - значение (//,) при известных показателях (X, У/, V}, У}) (рис. 3).

Практическое использование разработанной модели зависимости диаметра адсорбера от количества секций при различных величинах расчетных параметров позволяет, задаваясь габаритами корпуса оборудования, формировать совокупность вариантов параметров адсорбера, из которых можно выбирать рациональный вариант, и устанавливать такую конструкцию адсорбера как секцию в составе ПВК.

Более универсальной конструкцией адсорбера для обработки воздуха в приточных системах вентиляции представляется миогосещгюниый пластинчатый адсорбер (МПА). Его корпус имеет форму прямоугольного параллелепипеда, наружные размеры которого определяются значениями высоты ('/,.,м), длины (И^., м) и ширины (0„,м). По высоте МПА располагаются М рядов секций адсорбера, а длина определяется количеством кассет-секций адсорбента (/V), расположенных параллельно. Ширина устройства (Су) постоянна на всех сечениях. Эта конструкция позволяет учитывать особенности распределения потока газа, проходящего по длине

каналов, и характеризуется достаточно простым устройством системы подачи-отвода газа в секциях адсорбера. Расчетная схема одного ряда секций устройства МПА дана на рис.4, б).

Рис. 3. 1Iomoi рамма для определения вариантов

параметров MOA: диаметра секций адсорбера (£)), количества секций (N), толщины слоя адсорбента (I!,) и скорости прохождения газа через слой адсорбента {) при значениях ¿=5 mVc; Ну=3 м; Gy= 1 м ; К/=5 м/с; м/с (0=0,6 м; /V=15; ^=0,13 м; К=0,2м/с)

На расчетной схеме рис.4 указаны места прохождения газа со скоростями (У{,Уг,^ и У4), значения которых позволяют определить площади каналов (/■/¡/з и ) на соответствующих участках движения газа, а также значения параметров каналов (И^,и ширины адсорбера (С?,.) с помощью уравнений, учитывающих расход газа на участках движения согласно расчетной схеме.

После ряда алгебраических преобразований, представленных в

диссертации, для конструкции МПА получены уравнения для определения

количество кассет-секций адсорбента

/

I

N =

W -V ' M-Gy-Уг,

(4)

которые можно представить функциями вида

= у; \уу , оу, я,, • м) и

= /,(/,,//,.,О ,Г,,на основе которых разработана номограмма зависимостей параметра {Ы) от расхода газа проходящего через МПА.

Номограмма, связывающая значения (• Л/,, , К ),

приведена на рис. 5 и позволяет определить число секций в адсорбере {М) в зависимости от расхода газа, проходящего через установку (¿), при различных значениях толщины и фиктивной скорости прохождения газа через слой адсорбента. Произведение параметров (Г2) и (А-/) для приведенной математической модели (Л^) равно постоянной величине, поскольку значение скорости (Уг) прямо пропорционально зависит от числа секций (М) (например, произведение У2 М - У г =5 м/с при Л/=1 и Уг = 5 м/с , при Л/=2 и Уг =2,5 м/с; при М~3 и Г2 = 1,7 м/с; при Л/=4 и У2 —1,25 м/с; при М~5 и У2= 1 м/с).

XI.

а) б)

Рис, 4. Принципиальная (а) и расчетная (б) схемы МПЛ

Сопротивление проходу воздуха, создаваемое в МП А определяется как сумма сопротивлений в каждом канале и Р4), соответствующих

скоростям прохождения газа(У1,Уг^У3 и К4) в соответствии с расчетной схемой рис. 4 и определяется выражением

= M^(Pt+N^(I>l+P^)+Pl)+PJ ,(б)

где г сопротивление, определяемое по формуле

где рг - плотность рабочего газа, кг/м3,; g - ускорение свободного падения, м/с1; V -

скорость движения газа на соответствующем участке, м!с% Л- - коэффициент сопротивления, определяем по формуле Алътшуля Л — 0.11 •

где л, -

коэффициент абсолютной эквивалентной шероховатости поверхности воздуховода, м, для ли стопой стали равен 0,0001; с1 - диаметр участка воздуховода, при применении ирямоушльных воздуховодов определяется как эквивалентный диаметр с/, по 'зависимости

12

Д., - 2/(1 й + 1 />), где а и Ь - длины сторон прямоугольного сечения воздуховода, м;

Ке - критерий Рейпольдса, в данном случае определяется по формуле Ис = V 'с/.,/*', где

V - кинематическая вязкость газа ( равна 1,57 -10~5 при температуре 20 "С), Л/2/С; -число прямых участков канала (для рассматриваемой конструкции МПА равно числу секций в одном ряду);

0,(1

0,5

Рис.5. Номограмма зависимости числа секций N ряда МДА от расхода газа на установку L при значениях Ну**2 м; Им; Gy= I м; У8 м/с; Уj-М-5м/с

£Р2- сопротивление, определяемое по формуле

^d ,, к, + ( 1 1 Y" Wy 0.11 -Vj-p. Г.Г

(8)

где £ - число прямых участков канала (в рассматриваемой конструкции МПА канал наклонный);

ЕР4- сопротивление, определяемое по формуле

ЕЛ-Z

4,5

Q.165 • i ■ v; • Р . Г-

j.ij 2J*-Gt.tW 'V '

Р3— сопротивление, определяемое по формуле

Рз = и .уГ . °'2/Л™,• ^

-68ТГ-, (У)

(1.5-Г,)

(10)

л/2^4

где * 5 - фиктивная скорость прохождения гаю через слой адсорбента, м/с; Н, -толщина слоя адсорбента, л*; Ке - критерий Рейнольдеа, определяется по формуле Ке~ (У)¿>)• с!г¡V, где - эквивалентный диаметр зерна адсорбента, л/, определяется

по зависимости •</.,= 4 •£/,/*, где / - удельная поверхность адсорбента, л(2/л/* ; £ -коэффициент свободного о.бъема (порочность) адсорбента, определяется формулой = i — рщ,с/, где р1ШС - насыпная плотность адсорбента, кг/л(3; р11Л. - плотность зерен

адсорбента, кг/м3 ,

Функциональные . связи параметров массообменных процессов в абсорбционных аппаратах, выраженные в количестве передаваемого из одной фазы в другую компонента, равного его убыли в газовой сфере и приросту в жидкой фазе,'выражаются уравнением материального баланса, которое имеет вид

М=т,(Г1-К1)=тлг-(Х1-Л'2), (11)

где у, - относительная весовая доля вредного вещества в вентиляционном воздухе на входе в абсорбер; у, - относительная весовая доля вредного вещества и вентиляционном воздухе 1а выходе из абсорбера; --v, - относительная весовая доля вредного вещества в абсорбенте на выходе из абсорбера; х3 - относительна* весовая доля вредного вещества в абсорбенте на входе в абсорбер (в связи с однократным использованием абсорбента далее равна нулю); т. - масса очищаемого газа в час, кг/ ч\ м масса используемой абсорбирующей жидкости в час, кг/ч.

Фактическое количество тарелок абсорбера может быть определено по полученной формуле (12) и представлено графически функцией вида А', =/\{й')/я2 выражающей совокупности соотношений числа тарелок N дяя диапазона значений я\/йг в зависимости от абсорбционного фактора В (рис.6)

1о8(1/(1-7))

1о е(в") ' (12)

где Г)' эффективность очистки для одного ЗВ; В- величина абсорбционного фактора (безразмерный параметр), принимается минимально равной 1,3 (определяя достаточный запас плотности орошения 30 %), определяется по формуле в = //!тл , где /го!п -мишшальиое значение плотности орошения газа жидкостью (, Для хорошо растворимых

газов параметр /„,;„ допустимо определять формулой — - у2)/x , где x* -предельная растворимость для ЗВ, кг!кг У],У2- относительные весовые доли вредного вещества в вентиляционном воздухе на входе и выходе из абсорбера. Для средне растворимых и слаборастворимых газов параметр „ определяется по формуле = Е/ Р. , где Е- коэффициент Генри для загрязняющего вещества, МПа\ Р. - давление (аза в устройстве, мпа, равное атмосферному (или менее его при установке абсорбера перед вентилятором); (/{/д^ - соотношение концентраций ¡ — го ЗВ в долях от НДК' на входе и выходе из абсорбера

Рассмотрев ограничение по высоте колонны получаем зависимость для определения числа тарелок

д^ --^ + (13)

где ^гдиаметр отверстий в тарелках абсорбера, мм.

Формула (13) позволяет определить количество тарелок абсорбера N не только в зависимости от параметра В аналогично формуле (12), но и от соотношения и представлена графически функцией

Л'з = /2 {с(и/Ну. ) на рис. 5 в виде совокупностей зависимостей числа тарелок N для диапазона значений с{а/Ну от параметра В . В соответствии с формулой (13) количество тарелок меняется для каждого го типа ЗВ. выраженном в значении минимальной плотности орошения газа жидкостью

/„,,„. Используя условие равенства расчетного количества тарелок по формулам (12 и 13), можно определить условие N¡=N1, или

следовательно, для диапазона значений показателя В и соотношения йа\Ну можно найти

количество тарелок,

соответствующее диапазону

отношений я\!я\» и возможно решение обратной задачи для заданного типа загрязняющего вещества. Для графического представления модели в виде номограммы рис. 6 при изменяющейся эффективности массообменного процесса параметр г}т усредняем и принимаем равным

1..1 13 1,7 I,» 1,1 2,1 в 0,7.

Рис. 6. Номограмма для определения Графическая зависимость

количества тарелок от параметра В при может быть построена для любых различных значениях соотношений /и значений показателя и дает

¿/ ///( возможность определить область

допустимых значений входящих в модель параметров и определить совокупность вариантов параметров абсорбера, соответствующих заданным исходным данным.

В третьей главе определены критерии выбора экономически и энергетически целесообразного варианта очистного оборудования СПВ как средства охраны труда. Поскольку положительный результат от внедрения мероприятий по охране труда равен сумме среднегодового прироста производительности труда вследствие улучшения состояния внутреннего воздуха для / -го варианта оборудования (ДР( ), предотвращенного объема снижения выпуска продукции из-за потерь рабочих дней вследствие неявок

на работу по. болезням, вызванным поступлением вредных веществ с приточным воздухом ), снижения расходов на лечение (Д£, ), на оплату больничных листов вследствие применения /-го варианта оборудования (АД ), уменьшения потерь, вызванных снижением качества продукции (Д//^ ), тыс. р., то для определения эффективности выбранного варианта требуется соблюдение условия

¿(Д/? +.Щ +ДЯ,)-а, >££Д^ -а, + ¿2 ДА',,, -а,, (14)

л *

где - дополнительные по сравнению с базовым вариантом годовые

эксплуатационные затраты вида } за период использования оборудования I, тыс. р., включая стоимость электроэнергии, обслуживания, текущего и капитального ремонта, реагента, амортизационные отчисления;

ДЛГу/„ • дополнительные по сравнению с базовым вариантом единовременные капитальные вложения вида И, тыс. р., осуществляемые на шагах расчета I.

где а, - коэффициент дисконтирования, или приведения разновременных заэрат,

результатов и эффектов к базисному периоду Т=0, определяется по формуле <эг( =-!-

(1 + <?)

Если положительный результат от внедрения рассматриваемого оборудования (Л^) определить затруднительно или его величина будет

постоянна для рассматриваемых альтернативных вариантов оборудования, то Критерием выбора экономически целесообразного варианта следует принять минимальное значение суммы дисконтированных затрат ( ДЗ,), определяемой по условию

дз= ее^+ЕЕ

К ¡111 ' а!

(=1

Эффект от выбора экономически целесообразного варианта установки по критерию минимум дисконтированных затрат (Эж) будет равен величине снижения дисконтированных затрат (экономии, ДЦЗ) по сравнению с базовым вариантом, соответствующим максимальному значению дисконтированных затрат, по выражению

Э„=&ДЗ = ДЗе-Д31Ы„> (16)

где ДЗй - дисконтированные затраты базового варианта (максимальное значение);

Д^тя " дисконтированные затраты выбранного варианта (минимальное

значение).

Необходимость энергосбережения при работе системам инженерного оборудования зданий требует оценки энергетической эффективности выбираемых решений. Критерием выбора энергетически эффективного варианта оборудования приточной вентиляции следует принять минимальный годовой расход электроэнергии (Ыг). Энергетический эффект (Э^„) от выбора варианта оборудования будет равен величине снижения годового расхода

пип. (15)

электроэнергии для выбранного варианта по сравнению с базовым (А^,) по выражению

• (17)

где Мб - годовой расход электроэнергии для базового варианта (максимальное значение), кВт-ч.;

/Уды,,- годовой расход электроэнергии для выбранного варианта (минимальное значение), кВт-ч.

Следует отметить, что экономически целесообразный вариант не всегда соответствует варианту с минимальным расходом электроэнергии и наоборот., экономическая и энергетическая эффективность проекта, обеспечивающего санитарно-гигиенические нормативы ПДК, могут иметь противоречивые показатели, так как экономически целесообразный вариант может не удовлетворять энергетическим условиям эффективности, а энергетически целесообразное решение может быть экономически не выгодным. Поэтому окончательное решение по выбору варианта секции или блока очистки воздуха В приточной вентиляционной системе должно оставаться за инвестором и основываться на комплексном анализе показателей экономической и энергетической эффективности проекта, обеспечивающего нормативное значение ПДК газообразных загрязнителей в воздухе рабочей и обслуживаемой зон, рассчитанных по предлагаемой в данной работе методике.

В четвертой главе на основании разработанных моделей определена методика проектирования вариантов параметров сорбционного оборудования и выбора целесообразного проектного решения по критериям экономической и энергетической эффективности, которая реализована в виде блок-схемы алгоритмов, представленных в диссертации. Блок-схема алгоритма на примере МПЛ представлена на рис. 1. Блок-схемы алгоритмов позволяют на основании исходных данных, включающих показатели уровня загрязненности наружного воздуха газообразными примесями, сформировать варианты параметров очистного оборудования, для которых определены области применения, отсечь бесперспективные варианты и выбрать целесообразный по заданному критерию.

В приложениях к диссертации приведены • результаты численного эксперимента по расчету и выбору целесообразных вариантов очистного оборудования из совокупности альтернативных предложений для абсорбера с ситчатыми тарелками и много- пластинчатого адсорбера с разной продолжительностью работы в году.

В соответствии с результатами численного эксперимента, представленных • в приложениях к диссертации, сформированы 36 вариантов параметров абсорбера с ситчатыми тарелками и 140 вариантов адсорбера с различной продолжительностью работы адсорбента в году» из которых выбраны варианты, соответствующие минимуму мощности (энергетически

целесообразные) и минимальным дисконтированным затратам (экономически выгодным). Пример технико-экономических показателей рациональных вариантов адсорбера конструкции МПА приведен на рис. 8.

«ч.II..К-, х. С..С.С.1)

I

3Определяются пкгшии« с,«* я доносите Н»

Т. Определялся доичеетш аднжк* г»

*. Оирелезкгся скорость V*

4

10. гфодммкчесдесырртедеемне?:

11. ^ределаымгдомимичк^Фшрптнмыни Р, 1 -

12, Олри&ишс« афсдопвхмческ* «строги*,**!«: Р»

«мрлгммашс Р ---

Огссшогс* Сссчоропвшинц«

М|М«*1ЫЙ1

Рис. 7. Блок схема алгоритма расчета параметров и выбора рационального

варианта адсорбера конструкции МПА

№1 (тах ДЗ) №5 (гтп ДЗ)

О

]ДЗ, тыс. р.

№1 (тах Г4г) — Иэл, кВт.-ч. |

т14000 ■- 12000 . -- 10000 *

■ - 8000 ш

■ - 6000

• - 4000 | •2000

№24 (т1п N0

Варианты

Рис. 8. Технико-экономические показатели базовых и целесообразных вариантов параметров адсорбера МПА (при 7 ,./=1000 ч. в год)

Экспериментальные схемы размещения рациональных вариантов очистного сорбциониого оборудования с заданными габаритами наружного корпуса в помещениях приточной вентиляционной камеры __ производительности 2 куб.м/с (ПК-1), параметры которого определены в результате численного эксперимента, проведенного в соответствии с предложенной методикой, разработаны методом компьютерной графики и приведены в диссертации, а на рис. 9 представлен пример размещения МПА.

Рис. 9- Экспериментальная схема размещения адсорбера МПА а помещении типовой проточной камеры ПК-) (при 1000 ч. в год)

1-жплюзийняя решетка; 2-утс пленный кляпах; 3-фильтр кассетный для очистки воздуха от пыли; 4~калори(|>ср водяной; 5-конфу:«ор; б-гтбкие вставки из б|>сзснта; 7-п«нтмяято|> Ц4-70 №4, м /с; В-теилосеть к калориферу; 9-приточный воздуховод; 10- шюгосекционнмй

пластинчатый аасообео (МПА)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния, динамики изменения и влияния загрязненности окружающей воздушной среды на санитарно-гигиенических условия по чистоте воздуха в рабочей зоне зданий, распложенных на территории промышленной застройки или вблизи источников вредных выбросов, показал необходимость очистки приточного воздуха от вредных газообразных загрязнений с малыми концентрациями (1-3 ПДК). Эффективным способом обеспечения ПДКрл_ по газообразным примесям является установка очистного (сорбционного) оборудования в приточных вентиляционных системах и проектирование этих систем на принципах вариантного формирования параметров и выбора рациональных схем.

2. На современном этапе совершенствование-расчета и проектирования сорбционного оборудования для очистки приточного воздуха от газообразных примесей возможно на основе математического описания взаимосвязей факторов, характеризующих эффективность очистки приточного воздуха от газообразных примесей, физико-технические и конструктивные параметры очистного оборудования, устройство системы приточной вентиляции, состояние внешней воздушной среды и условий охраны труда по чистоте воздуха внутри помещений (ПДК рабочей и обслуживаемой зон).

3. На основе обобщенного анализа определены характеристики и конструктивные параметры сорбционного оборудования, характеризующие его габариты, соотнесенные с размерами приточных камер, предназначенных для размещения очистных установок (высота и ширина, диаметры секций адсорберов, глубина установки, количество секций); особенности размещения сорбента в полости оборудования (площадь и толщина слоя поглотителя загрязнений, диаметры колец и др.), а также их закономерные взаимосвязи с параметрами наружного воздуха (концентрацией газообразных загрязнителей), систем вентиляции (расходом и скоростью воздуха в системе) и внутреннего состояния микроклимата в помещениях (нормативный уровень ПДК газообразных примесей в воздухе рабочей и обслуживаемой зоны).

4. Разработаны математические модели характеристик процессов и параметров оборудования, задействованного в схемах обработки приточного воздуха для обеспечения требований охраны труда, позволяющие формировать варианты параметров аппаратов сорбции, предназначенных для очистки воздуха от газообразных загрязнителей наружного воздуха малых концентраций.

5. Разработаны номограммы зависимостей физико-технических и конструктивных параметров оборудования, предназначенного для очистки приточного воздуха от газообразных загрязнителей, от характеристик и параметров, устанавливающие области их рационального применения для использованы при проектировании оборудования на основе выбора наиболее целесообразного варианта из совокупности проектных решений.

6. Разработаны методики формирования альтернативных вариантов параметров, критерии оценки и выбора целесообразной схемы оборудования,

предназначенного для обеспечения нормативного уровня ПДК рабочей и обслуживаемой зон в результате очистки приточного воздуха от газообразных примесей, по показателям энергетической и экономической эффективности.

7. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие формировать альтернативные варианты конструктивных параметров очистного оборудования приточной вентиляции, что позволяет совершенствовать методы проектирования за счет выбора рациональных параметров оборудования и схем процессов сорбции газообразных примесей приточного воздуха с максимальной эффективностью расходования ресурсов..

8. Проведен численный эксперимент по обоснованию выбора рационального варианта оборудования для очистки приточного воздуха от газообразных примесей на примере абсорбера с ситчатыми тарелками и многосекционного пластинчатого адсорбера из совокупности альтернативных решений по показателям минимальных дисконтированных затрат (критерий экономической эффективности) и минимального расхода электроэнергии (критерий энергетической эффективности),

9. Определены экономический и энергетический эффекты от выбора целесообразного варианта оборудования приточной вентиляции для очистки поступающего в помещения воздуха от газообразных загрязнений. Доказано, что наиболее предпочтительным вариантом очистного оборудования в приточной вентиляционной системе при малых значениях концентраций ЗВ в воздухе является адсорбционный способ очистки, т.к. требуется меньше ресурсов на эксплуатацию, а применение абсорберов при десорбции адсорбентов обеспечивает достаточную эффективность улавливания ЗВ.

Основные результаты диссертации отражены в опубликованных работах:

1. Куцыгин Д.А. Очистка приточного воздуха в условиях загрязнения / Д.А Куцыгин У/Научный вестник ВГАСУ. Серия: инженерные системы зданий и сооружений, Вып. 1 .-2003.-С.76-79.

2. Куцыгин Д.А. Исследование параметров схем очистки приточного воздуха от газообразных примесей с учетом экологической, энергетической и экономической эффективности/ Д.А Куцыгин., А.В Шашин.//Научный вестник ВГАСУ. Серия: инженерные системы зданий и сооружений, Вып.2.-2005.-С. 6366.

3. Куцыгин Д.А, Выбор рациональных схем очистки приточного воздуха на основе параметрических моделей / Д.А Куцыгин У/ Труды 7-й международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии», 21-23 мая 2004 г., г.Воронеж..- С.161-165.

4. Куцыгин Д.А. Моделирование схем очистки приточного воздуха от газообразных примесей на основе параметрических моделей / Д.А. Куцыгин// Труды 57 международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства», 16 мая 2004 г., г. С.-Петербург.- с.55-59,

5. Куцыгин Д.А. Методика расчета параметров многосекционной адсорбционной установки для очистки приточного воздуха от газообразных

21

примесей / ДА Куцыгин.//Известия ТулГУ. Сер. Строительство, архитектура и реставрация. Вып. * 8. Посвящен 75-летним юбилеям Тульского государственного и Воронежского государственного архитектурно-строительных университетов и 50-летию образования строительного факультета Тул ГУ-Тула: И зд-во ТулГУ,2005.-314 е., с. 158-163. 6. Куцыгин Д.А, Выбор параметров конструкций адсорбционной установки для очистки приточного воздуха/ Д.А Куцыгин.//Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Реконструкция Санкт-Петербург-2005» 19-21Д0.2005-Л.:СПбГАСУ, 2005.- С.309-311.

В набор В печать // Об.

Объем^ ¿?усл.п.л./-^#уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ Тираж {00.

а Издательский центр ДГТУ Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.ГагаринаД.

ВВЕДЕНИЕ.

I АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ, ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ И ВЛИЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ НА ЧИСТОТУ ВОЗДУХА В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ.

1.1 Обоснование необходимости очистки приточного вентиляционного воздуха помещений от вредных газообразных примесей

1.2 Анализ способов обеспечения предельно-допустимых концентраций вредных газообразных веществ внутри помещений зданий с применением технологий газоочистки.

Выводы по первой главе.

II МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ПРИТОЧНОГО ВОЗДУХА ОТ ГАЗООБРАЗНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

2.1 Эффективность очистки приточного воздуха от газообразных примесей для обеспечения требований по охране труда и санитарно-гигиенических норм.

2.2 Моделирование параметров процессов сорбции для очистки приточного воздуха с применением абсорбционной и адсорбционной технологии.

2.2.1 Абсорбционный способ очистки приточного воздуха от газообразных примесей.

2.2.2 Адсорбционный способ очистки приточного воздуха от газообразных примесей.

Выводы по второй главе.

III МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИТОЧНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО-ДОПУСТИМЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ

3.1 Теоретическое обоснование вариантного подхода к определению технико-экономической эффективности приточной вентиляции с блоком очистки воздуха от вредных газообразных веществ.

3.2 Условия и критерии выбора рациональных вариантов и параметров очистного оборудования приточной вентиляции.

Выводы по третьей главе.

IV ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА В ПРИТОЧНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМАХ.

4.1 Алгоритм выбора и блок-схема расчета параметров очистки приточного воздуха.

4.2 Методика альтернативного определения эффективного очистного оборудования приточной вентиляционной системы.

4.2.1 Особенности формирования альтернативных вариантов блока абсорбционной очистки приточного воздуха.

4.2.2 Особенности формирования альтернативных вариантов блока адсорбционной очистки приточного воздуха.

4.3 Схемно-конструктивные решения компоновки очистного оборудования приточных систем в помещениях приточных 136 камер.

Выводы по четвертой главе. 142

Актуальность работы

Охрана труда на производстве предполагает обеспечение нормативных условий по чистоте воздушной среды внутри помещений, регламентируется уровнем предельно-допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (РЗ) и реализуется устройством вентиляции, гигиеническое назначение которой состоит в удалении вредных выделений с вытяжным воздухом и подаче в помещения чистого воздуха. Но средства обработки газовых выбросов в атмосферу обеспечивают не полное обезвреживание загрязняющих веществ (ЗВ), а 30 % от ПДКрз в приземном слое атмосферного воздуха промышленной площадки. Фактическая эффективность пыле- и газоулавливающих установок позволяет обезвредить лишь 24 % ЗВ, образующихся на предприятиях машиностроительной отрасли, а в среднем по Воронежской области - 49 % . Следовательно, окружающее пространство наполняется опасными для здоровья людей ЗВ со сверхнормативными концентрациями, которые при тесной застройке промышленных территорий могут попасть в зону подпора или аэродинамической тени зданий, расположенных в пределах досягаемости воздушной струи, и вместе с фоновыми загрязнениями и выбросами от автомагистралей стать сверхнормативной составляющей ЗВ приточного воздуха (ПВ), поступающего в рабочую зону производственных помещений и обслуживаемую зону помещений с условиями повышенной комфортности (больницы, лечебно-профилактические, детские учреждения и др.).

Для защиты рабочей и обслуживаемой зоны от проникновения газообразных загрязнителей внутрь помещений выявлена и обоснована необходимость моделирования и выбора рациональных параметров, установки и эксплуатации очистного оборудования в приточных камерах вентиляционных систем, которое традиционно применяется в вытяжных системах вентиляции. Для эффективной очистки воздушных потоков от газообразных вредностей используют процессы сорбции, которые недостаточно изучены для малых концентраций ЗВ, характерных для наружного воздуха, а их теоретическое описание ведется чаще всего на основе эмпирических зависимостей, недостаточно учитывающих внешние и внутренние факторы. Обезвреживанию вентиляционного воздуха, содержащего вредные газообразные вещества, посвящены работы Коузова П.А., Скрябина Г.М., Рамма В.М., Серпионовой Е.Н., Эльтермана В.М., Зиганшина М.Г., Гримитлина М.И., Колесника А.А., Посохина В.Н., Белевицкого A.M. Скрыпника А.И., Страус В. и др. Однако методики очистки воздушных масс разработаны применительно к уходящему из помещений воздуху. В литературе отсутствуют методики расчета и проектирования оборудования для газоочистки приточного вентиляционного воздуха, содержащего сверхнормативные газообразные загрязнения. Поэтому с учетом накопленного опыта очистки выбросов от газообразных загрязнителей необходимо установить наиболее приемлемые способы для очистки приточного воздуха с низким уровнем сверхнормативных концентраций вредных веществ.

Практическому использованию абсорбционно-адсорбционного оборудования в приточных вентиляционных камерах (ПВК) препятствует потребность в дополнительных финансовых и энергетических ресурсах. Разработка методов моделирования параметров оборудования приточной вентиляции для совершенствования методики проектирования рациональных конструкций средств обеспечения нормируемого уровня концентраций газообразных веществ в приточном воздухе, поступающем в рабочую или обслуживаемую помещений, расположенных в условиях плотной застройки, является актуальной задачей в области охраны труда.

Цель работы состоит в разработке методов моделирования параметров и методики проектирования рациональных конструкций оборудования приточной вентиляции, обеспечивающего ПДК вредных газообразных веществ, для улучшения условий труда в рабочей зоне производственных помещений и повышения уровня комфортности в общественных, образовательных, лечебно оздоровительных и других учреждениях.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач исследования:

-аналитическое исследование загазованности вредными веществами наружного воздуха, поступающего в рабочую и обслуживаемую зоны помещений;

-разработка математических моделей параметров сорбционного оборудования, учитывающих концентрации вредных газообразных веществ в наружном воздухе, конструктивные характеристики применяемых аппаратов, показатели динамики обрабатываемого газового потока, физико-химические свойства сорбентов и требуемых ПДК в обслуживаемой зоне помещений;

-разработка, на основании математических моделей, метода расчета потерь давления на преодоление сопротивления проходу газового потока через слой сорбента в процессе очистки приточного воздуха от газообразных примесей;

-разработка алгоритма численной реализации математических моделей и комплекса прикладных программ для получения альтернативных значений параметров, характеризующих рабочий процесс сорбционного оборудования;

-разработка методики обоснования выбора рациональных параметров и схем сорбционного оборудования, обезвреживающего газообразные примеси приточного воздуха, позволяющей на стадии проектирования прогнозировать концентрации вредных веществ и обеспечивать требования охраны труда по чистоте воздуха внутри помещений с учетом экономической эффективности и энергетической целесообразности рекомендуемого к установке оборудования;

-разработка практических рекомендаций по проектированию рациональных параметров сорбционного оборудования, исходя из требуемой степени очистки приточного воздуха, заданных габаритов и конструктивных особенностей внутренних элементов.

Методы исследования

Теоретические задачи в данной работе решались с использованием положений аэродинамики газов, методов математического моделирования физических процессов, решения алгебраических уравнений, обобщенного анализа факторов, аналитического исследования функций, параметрического метода проектирования оборудования и выбора рационального проектного варианта методом "ветвей и границ".

Научная новизна работы:

- математические модели сорбционного оборудования, основанные на аэродинамической теории динамики газов, которые позволяют в диапазоне допустимых значений определить возможные варианты параметров, характеризующих конструктивные особенности внутренних элементов аппаратов сорбции, и решить задачу прогнозирования степени очистки приточного воздуха с заданным составом и концентрациями вредных газообразных веществ при проектирования очистного оборудования;

- теоретически обоснован выбор рациональных схем и вариантов конструктивных параметров (габариты установки, параметры слоя сорбента, расход и скорости газа и др.) сорбционного оборудования приточной вентиляции по критериям экономической эффективности и энергоемкости, обеспечивающего нормативный уровень ПДК воздуха рабочей зоны.

На защиту выносятся:

-разработанные математические модели зависимостей физико-технических параметров сорбционного оборудования, позволяющие определять совокупность проектных вариантов конструктивных решений;

-метод расчета сопротивления проходу приточного воздуха через слой адсорбента и сорбирующие насадки, учитывающий содержание газообразных загрязнителей, требуемый уровень ПДК внутри помещений и конструктивные параметры системы очистки;

-методика, алгоритмы расчета и выбора рациональных схем, характеристик и параметров проектного варианта оборудования приточной вентиляции, обеспечивающего санитарно-гигиенические нормы охраны труда по ПДК вредных газообразных примесей в ПВ производственных и общественных помещений с повышенной комфортностью, по критериям экономической и/или энергетической эффективности;

-результаты численного эксперимента исследования влияния концентрации газообразных загрязнителей в очищаемом воздухе, конструктивных параметров сорбционного оборудования, скорости прохода воздуха и другие факторы на потери давления, позволяющие раскрыть механизм энергопотребления процесса очистки приточного воздуха, и критерии экономической эффективности, необходимые для выбора рационального проектного варианта;

-рекомендации по конструктивному исполнению сорбционного оборудования, устанавливаемого в ПВК.

Практическая значимость состоит в следующем: -для конструкторских служб разработан инструмент проектирования аппаратов сорбции, обеспечивающий нормативный уровень ПДК в воздухе рабочей зоны производственных помещения и помещений с повышенным уровнем комфортности;

-разработана методика проектирования аппаратов сорбции, предназначенных для очистки газо-воздушного потока от газообразных загрязнений малых концентраций и комплекс программ численной реализации математических моделей параметров оборудования и динамики газо-воздушных потоков;

-на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены конструктивные решения расположения сорбента внутри очистных аппаратов с заданными наружными габаритами, позволяющие повысить эффективность применения технологий сорбции для газовоздушных смесей с малыми концентрациями вредных газообразных веществ.

Реализация работы

Результаты диссертационной работы используются в практике проектирования Воронежского филиала ОАО «ГИПРОДОРНИИ», а также в учебном процессе кафедры «Охраны труда и экологии» ГОУ ВПО ВГАСУ.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы были представлены на научных конференциях ВГАСУ (г. Воронеж, 2003-2005 г.г.), на 7-й международной научно-практической конференции "Высокие технологии в экологии" (21-23 мая 2004 г., г. Воронеж), на 57-й международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (16 мая 2004 г., г. С.-Петербург), на международной научно-практической конференции "Реконструкция Санкт-Петербург-2005" (19-21 октября 2005 г.).

Публикации

Результаты исследований диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах.

Объем и структура диссертации

Объем диссертации составляет 189 страниц, в том числе 146 страницы основного машинописного текста. Работа состоит из введения, четырех глав, 13 таблиц и 43 рисунков, общих выводов, списка литературы из 115 наименований и приложений на 32 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния, динамики изменения и влияния загрязненности окружающей воздушной среды на санитарно-гигиенических условия по чистоте воздуха в рабочей зоне зданий, распложенных на территории промышленной застройки или вблизи источников вредных выбросов, показал необходимость очистки приточного воздуха от вредных газообразных загрязнений с малыми концентрациями (1-3 ПДК). Эффективным способом обеспечения ПДКрз, по газообразным примесям является установка очистного (сорбционного) оборудования в приточных вентиляционных системах и проектирование этих систем на принципах вариантного формирования параметров и выбора рациональных схем.

2. На современном этапе совершенствование расчета и проектирования сорбционного оборудования для очистки приточного воздуха от газообразных примесей возможно на основе математического описания взаимосвязей факторов, характеризующих эффективность очистки приточного воздуха от газообразных примесей, физико-технические и конструктивные параметры очистного оборудования, устройство системы приточной вентиляции, состояние внешней воздушной среды и условий охраны труда по чистоте воздуха внутри помещений (ПДК рабочей и обслуживаемой зон).

3. На основе обобщенного анализа определены характеристики и конструктивные параметры сорбционного оборудования, характеризующие его габариты, соотнесенные с размерами приточных камер, предназначенных для размещения очистных установок (высота и ширина, диаметры секций адсорберов, глубина установки, количество секций); особенности размещения сорбента в полости оборудования (площадь и толщина слоя поглотителя загрязнений, диаметры колец и др.), а также их закономерные взаимосвязи с параметрами наружного воздуха (концентрацией газообразных загрязнителей), систем вентиляции (расходом и скоростью воздуха в системе) и внутреннего состояния микроклимата в помещениях (нормативный уровень ПДК газообразных примесей в воздухе рабочей и обслуживаемой зоны).

4. Разработаны математические модели характеристик процессов и параметров оборудования, задействованного в схемах обработки приточного воздуха для обеспечения требований охраны труда, позволяющие формировать варианты параметров аппаратов сорбции, предназначенных для очистки воздуха от газообразных загрязнителей наружного воздуха малых концентраций.

5. Разработаны номограммы зависимостей физико-технических и конструктивных параметров оборудования, предназначенного для очистки приточного воздуха от газообразных загрязнителей, от характеристик и параметров, устанавливающие области их рационального применения для использованы при проектировании оборудования на основе выбора наиболее целесообразного варианта из совокупности проектных решений.

6. Разработаны методики формирования альтернативных вариантов параметров, критерии оценки и выбора целесообразной схемы оборудования, предназначенного для обеспечения нормативного уровня ПДК рабочей и обслуживаемой зон в результате очистки приточного воздуха от газообразных примесей, по показателям энергетической и экономической эффективности.

7. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие формировать альтернативные варианты конструктивных параметров очистного оборудования приточной вентиляции, что позволяет совершенствовать методы проектирования за счет выбора рациональных параметров оборудования и схем процессов сорбции газообразных примесей приточного воздуха с максимальной эффективностью расходования ресурсов.

8. Проведен численный эксперимент по обоснованию выбора рационального варианта оборудования для очистки приточного воздуха от газообразных примесей на примере абсорбера с ситчатыми тарелками и многосекционного пластинчатого адсорбера из совокупности альтернативных решений по показателям минимальных дисконтированных затрат (критерий экономической эффективности) и минимального расхода электроэнергии (критерий энергетической эффективности).

9. Определены экономический и энергетический эффекты от выбора целесообразного варианта оборудования приточной вентиляции для очистки поступающего в помещения воздуха от газообразных загрязнений. Доказано, что наиболее предпочтительным вариантом очистного оборудования в приточной вентиляционной системе при малых значениях концентраций ЗВ в воздухе является адсорбционный способ очистки, т.к. требуется меньше ресурсов на эксплуатацию, а применение абсорберов при десорбции адсорбентов обеспечивает достаточную эффективность улавливания ЗВ.

1. Автоматизированные системы управления строительством: Учеб. пособие/ Галкин И.Г., Бевз С.П., Клевакин Ю.Г. и др.; Под ред. И.Г.Галкина.-М.: Высшая школа,1982.-288 е., ил.

2. Аксельрод И.Л., Ковтунов Е.Е., Стефанчук В.И. Комплексный подход к устройству систем вентиляции и кондиционирования воздуха на крупных объектах//АВОК.-1999.-№3.-С-86.

3. Алиев Г.М.-А.Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справочник,- М.: Металлургия, 1986.-628 с.

4. Баркалов Б.Е., Павлов Н.Н. и др. Внутренние санитарно-технические устройства. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Ч.З., кн.2. Справочник проектировщика.-М.: Стройиздат, 1992.-416 с.

5. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции.-М.:Профиздат, 1990.-448 с.

6. Белевицкий A.M. Проектирование газоочистительных сооружений.-Л.: Химия, 1990.-228 с.

7. Богословский В.Н. Аспекты создания здания с эффективным использованием энергии//АВОК.-2000.-№5.-С.34-39.

8. Богословский В.Н. и др. Отопление и вентиляция: Учебник.- М.: Стройиздат, 1980-295с.,ил.

9. Богословский В.Н., Посохин В.Н. и др. Внутренние санитарно-технические устройства. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Ч.З., кн.1. Справочник проектировщика.-М.: Стройиздат, 1991.-319 с.

10. Богуславский Л.Д., Богуславский В.Л. Энергосбережение должно быть экономически целесообразным //Промышленная энергетика.-1994.- №1.-С.4-7.

11. Бриганти А. Системы воздухораспределения. Новейшие принципы//АВОК.-1999.-№3 .-С.44-59.

12. Буш Г.Я. Стратегия эврилогии.-Рига: Знание, Лат.ССР.- 1986.-64 с.

13. Венецкий И.Г., Венецкая В.И. Основные математико-статистические понятия и формулы в экономическом анализе: Справочник.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Статистика, 1979.-447 с.

14. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Теория вероятностей и математическая статистика.-М.: Статистика, 1975.-264 с.

15. Взятышев В.Ф. Введение в методологию инновационной деятельности.-М.: «Европейский центр по качеству», 2002.-82 с. ISBN 5-94768-020-3

16. Витторио Беарци. Жилая застройка в естественном воздушном цикле//АВОК.-1999.-№2.- С. 19-27.

17. Головкин Б.Н., Пирогов В.Н., Старцев А.П. Прогноз электропотребления промышленных предприятий в условиях нестабильной экономики/Промышленная энергтика. -1996. -№2. -С. 8-12.

18. Горемыкин B.JI. и др. Расчёт и выбор пылеулавливающего оборудования. Воронеж: ВГАСА , 2000 - 326с

19. ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. -М.:Изд-во стандартов, 1988.-36 с.

20. ГОСТ 12.1.007-76*Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.-M.:file//E:\StoryConsultant\Temp\3538.htm. -4 с.

21. ГОСТ Р 51562-2000 Оборудование газоочистное и пылеулавливающее. Фильтры рукавные, пылеуловители мокрые.-M.:file//E:\StroyConsultant\Temp\8934.htm.-9 с.

22. Гребенщиков В.Р. Цены на топливо: некоторые сопоставления

23. Аква-Терм.-2001.-№11.-С.51-52.

24. Гримитлин М.И. Вентиляция: современное состояние и перспективы развития// Инженерные системы АВОК-Северо-запад.-2001.-№1.-С.23-28.

25. Гримитлин М.И. Распределение воздуха в помещениях.-Санкт-Петербург, 1994.-315 с.

26. Гримитлин М.И., Знаменский Р.Б. Новые системы приточно-вытяжной вентиляции //АВОК.-1999.-№3.-С.8-12.

27. Густавсон Я. Воздушные фильтры и стоимость рабочего цикла//Арктический СНИП.-2002.-№4(12).-С.8-12.

28. Гухман А.А., Зайцев А.А. Обобщенный анализ.-М.: Изд-во «Факториал», 1998.-304 с.

29. Дацюк Т.А., Васильев В.Ф. Оценка эффективности естественной вентиляции зданий/Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Реконструкция Санкт-Петербург-2005».-СПбГАСУ, 2005.- С.289-291.

30. Дзелзитис Э. Управление системами кондиционирования микроклимата: Справочное пособие.- М.: Стройиздат, 1990 176 с.

31. Доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых, водных, лесных ресурсов, состоянии и охране окружающей среды Воронежской области в 2002 году.-Воронеж: Воронежский государственный университет, 2003.-180 с.

32. Елинский И.И. Вентиляция и отопление гальванических цехов машиностроительных предприятий.-2-е изд., перераб. и доп.-М.:

33. Машиностроение, 1989.-152 е.: ил.

34. Закон об охране окружающей среды РФ.-№7-ФЗ.-М.:2003.-49 с.

35. Заридзе Д.Г. Онкогенные иголки в стоге цивилизации//Наука и жизнь.-2002.- №11.-С.95.

36. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ, изд.: в 2-х ч. 4.1: пер. с англ./Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М.М.: М, Металлургия, 1988.-760 с.

37. Кадимов М.Н. Санитарная очистка вентиляционных выбросов в атмосферу от аэрозолей: Учебное пособие.- Казань: 1979 80 с.

38. Карпински М. Дж. Специальные системы вентиляции школьных зданий//АВОК.-1998.-С.5-9.

39. Касаткин А.Г., Плановский А.Н. Расчет тарельчатых ректификационных и абсорбционных аппаратов.-М. Стандартизация, 1961.

40. Качество воздуха в аэропортах// Перепеч. из журнала RCI, №12, 1998, под ред. Шилькрот Ф.А.-АВОК.-2000.-№2.-С.38-43.

41. Качество воздуха и вентиляция//перепеч. с сокр. из журнала RCI, №3, 2000., под ред Шилькрот Ф.А.- АВОК.-2000.- №4.-С.21-27.

42. Кокорин О.Л. и др. Кондиционирование воздуха в многоэтажных зданиях,- М.: Стройиздат, 1981. 184 с.

43. Контроль за выбросами в атмосферу и работы газоочистных установок на предприятиях машиностроения. Практическое руководство.-М. Машиностроение, 1984.-128 с.

44. Котлер В.Р. Теплоснабжение и проблемы глобального потепления//АКВА-ТЕРМ.-2002.-№ 1 .-С. 8-10.

45. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли и газов воздуха в химической промышленности.-Л.: Химия, 1982.-255 с.

46. Крупкин Г.Я. Очистка приточного и рециркуляционного воздуха в системах вентиляции и КВ/ Инженерные системы АВОК-Северо-запад.-2002.-№3 .-С.22-23.

47. Ловцов В.В., Хомугецкий Ю.Н. Системы кондиционирования динамического микроклимата помещений.- Л.; Стройиздат, 1991 150 с.

48. Лукин В.Д., Курочка М.И. Очистка вентиляционных выбросов и химической промышленности.-Л.: «Химия», 1980. 232 с.

49. Малявина Е.Г. Новый ГОСТ на параметры микроклимата жилых и общественных зданий/АВОК.-1999.-№5.-С.5-9.

50. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды.-М.: Наука, 1982.-320 с.

51. Мескон М.Х., Альберт М., Хедоури Ф. Основы менеджмента:пер. с англ.-М.: «Дело», 1992.-702 с.

52. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредныхвеществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОМД-86. Госкомгидромет СССР, 1987.-94 с.

53. Методические рекомендации по оценке эффектности инвестиционных проектов/ Утв. Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Государственным комитетом РФ по строительной, архитектурной и жилищной политике №ВК 477 от 21.06.1999 г. -360 с.

54. Микаэль Форсланд, Шон О'Райли. Предотвращение молекулярного загрязнения воздуха//Арктический СНИП.- 2003.- №1 (13).-С. 26-32.

55. Мотина Г.Д., Абрамов А.А. Система подготовки воздуха для чистых помещений фармацевтических производств, организованных по GMP//ABOK.-2000.№6.-C.70-73

56. Наумов А.А. Выбор энергоэффективных систем кондиционирования воздуха офисных зданий//АВОК.-2004.-№4.-С.53-55.

57. Олли Сеппанен. Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качества микроклимата помещений//АВОК.-2000.-№5,-С.26-31.

58. Оплачук Р. Экономический механизм охраны природы//Экология и бизнес,-1993.-№3.-с.51-54.

59. Очистка вентиляционных выбросов от химически вредных веществ: Учебное пособие/ А.И. Скрыпник; Воронеж. Гос. арх. строит, унт. - Воронеж, 2002 - 117с.

60. Парчевский В.М. Эколого-экономическая оценка технологических методов снижения выбросов оксида азота// Теплоэнергетика.- 1993.-№ 1.-С. 13-14.

61. Пекер Я. Д., Map дер И.Я. Справочник но оборудованию для кондиционирования воздуха.- Киев: Будевшьник, 1977 232 с.

62. Першин А.Н. Применение фотокаталитической очистки (ФКО) воздуха в вентиляции и кондиционировании воздуха//АВОК в66.