автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Определение факторов, снижающих загазованность воздуха рабочих зон участков обкатки машин

На правах рукописи

Алексеенко Людмила Николаевна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАКТОРОВ, СНИЖАЮЩИХ ЗАГАЗОВАННОСТЬ ВОЗДУХА РАБОЧИХ ЗОН УЧАСТКОВ ОБКАТКИ МАШИН

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2009

003488351

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды»

Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент Булыгин Ю.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гапонов В.Л.;

кандидат технических наук, Замшин В.А.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет»

Защита состоится «24» декабря 2009 г. в 11.00 на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 при Донском государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина , 1,ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан /У .ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Испытания объектов автотракторного машиностроения являются заключительным технологическим процессом производства машин различного назначения. При испытаниях комбайнов, тракторов и другой техники в производственных помещениях испытательных цехов и обкаточных участков, когда ассимиляция отработавших газов (ОГ) работающего двигателя машины ограничивается объемом помещений, основные продукты горения (оксиды углерода, азота, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен, пары топлив и масел, а также избытки теплоты) не только в аварийных, но и в штатных ситуациях создают повышенный уровень загазованности и негативно влияют на здоровье работающих. Повышенная загазованность рабочих зон (РЗ) обкаточных участков и камер сочетается с неблагоприятными параметрами микроклимата (повышенная температура и высокая подвижность воздуха). Так, концентрация вредных веществ (ВВ) в РЗ вблизи действующих источников загрязнения превышает максимально-разовые ПДКрз по оксидам азота в 10 - 15 раз, по оксидам углерода в 5 - 10 раз. Поэтому не вызывает сомнения, что задача сохранения здоровья работников таких цехов при вредном воздействии выбросов обкатываемых машин, поставленная в диссертации, является актуальной. Для решения данной' задачи необходима разработка математических моделей, описывающих как процессы выделения ВВ, так и их распространения в производственных помещениях, и использование полученных результатов для обоснования рекомендуемых воздухоохранных мероприятий.

Целью работы является улучшение условий труда работников участков обкатки машиностроительных предприятий путем определения опасных зон загазованности и снижения концентраций ВВ в РЗ. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

1. Произвести анализ состояния воздушной среды РЗ участков обкатки машиностроительных предприятий.

2. Проанализировать действующие методики инвентаризации выбросов ВВ от испытуемых машин в ходе различных технологических операций, в том числе при стендовой и ездовой обкатке.

3. Разработать модель процесса выделения ВВ от источников загрязнения в воздух РЗ участка обкатки с целью последующего уточнения методики инвентаризации выбросов ВВ.

4. Проанализировать существующие математические модели, описывающие процессы распространения и ассимиляции ВВ в воздушной среде.

5. Разработать математическую модель процессов распространения ВВ в производственных помещениях.

6. Реализовать математические модели процессов выделения и

N

распространения ВВ в производственных помещениях в виде программного обеспечения, позволяющего рассчитать параметры состояния производственной среды и опасных зон в штатных и аварийных ситуациях.

7. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности разработанных математических моделей.

8. Разработать рекомендации к технологическому регламенту обкатки и к воздухоохранным мероприятиям для участков обкатки машин (на примере ООО «КЗ Ростсельмаш»).

Предмет и объект диссертационного исследования. Предметом исследования является технологический процесс обкатки дизельных машин, в результате которого выделяются ВВ в воздушную среду РЗ. Объектом исследования является воздух РЗ участка обкатки. На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель процесса выделения ВВ в воздух РЗ от источников загрязнения при различных режимах обкатки и технологических операциях, корректно описывающая массовые выделения расширенного спектра ВВ для различных типов машин.

2. Нестационарная трехмерная математическая модель распространения ВВ в производственном помещении, которая позволяет определить поля концентраций ВВ, подвижности воздуха и параметры опасных зон загазованности.

3. Критерий оценки негативного воздействия загазованности воздуха на работников к-(1) и результаты расчётов зон загазованности в плоскостях

характерных "срезов" по высоте помещения на уровне дыхания рабочих участка обкатки машин.

4. Результаты экспериментальных исследований по оценке адекватности разработанных моделей выделения и распространения ВВ в производственном помещении участка обкатки.

5. Программное обеспечение, реализующее математические модели выделения и распространения ВВ на ПК.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработана модель процесса выделения ВВ в РЗ от источников загрязнения, позволяющая учитывать особенности процесса обкатки, типы и режимы работы машин, в том числе "неустановившиеся" и род топлива.

2. Разработана нестационарная трехмерная математическая модель распространения ВВ в производственном помещении, которая описывается системой дифференциальных уравнений с частными производными и позволяет уточнить формулировку и коэффициенты краевой задачи путём сравнения результатов модельных расчётов с данными физического эксперимента.

3. Для оценки негативного воздействия загазованности воздуха на работников предложен критерий который является

количественной мерой загрязнения воздуха и определяется отношением площадей зон загазованности ко всей площади помещения. Практическая ценность работы:

1. Предложена методика инвентаризации выбросов ВВ в РЗ участков обкатки машин,

2. Разработаны рекомендации к технологическому регламенту обкатки машин.

3. Определены места установки датчиков газового контроля и рациональные схемы организации движения воздуха, обеспечивающие сохранение здоровья испытателей участка обкатки.

4. Разработано программное обеспечение, которое позволяет рассчитать поля концентраций ВВ, определить опасные зоны загазованности воздуха в помещении и количество рабочих мест испытателей, не удовлетворяющих санитарно-гигиеническим нормативам, Реализация работы в промышленности. Результаты исследований апробированы и внедрены на обкаточном участке ООО «КЗ Ростсельмаш».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Металлургия. Машиностроение. Станкоинструмент" (Ростов-на-Дону, ВЦ Вертолэкспо, 2009 г.),'VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Инновационные технологии и экономика в машиностроении" (г. Юрга, ТПУ, 2008, 2009 гг.), VII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово, КГТУ, 2007 г.), Международной научно-технической конференции "Двигатель - 2007" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 164 страницы машинописного текста, 25 таблиц, 64 рисунка, список библиографических источников из 75 наименований. Отдельное приложение на 12 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы на основе существующей проблемы загазованности воздушной среды производственных помещений участков обкатки. Сформулирована цель и задачи исследований, решение которых сохранит здоровье работников в процессе производственной деятельности.

Первая глава содержит анализ опасных и вредных факторов, действующих в РЗ обкаточных участков машиностроительных предприятий. Доминирующим из них является повышенная

загазованность помещений участков обкатки, создаваемая ОГ двигателей машин. По своей природе ОГ - сложная многокомпонентная смесь, состоящая из высокотоксичных и канцерогенных веществ (более 280 компонентов). Во время обкаточных испытаний дизельные машины работают под нагрузкой и выбрасывают в воздух РЗ большое количество ВВ, негативно воздействующих на работников. Ситуация осложняется в случае нарушений технологического процесса обкатки, в аварийных ситуациях, а также при нестационарных режимах работы источников, во время которых (прогрев, холодный пуск двигателя) выбросы ВВ достигают пиковых значений.

Начиная с 2004 года, доля работников ООО «КЗ Ростсельмаш», занятых в условиях повышенной загазованности воздуха РЗ, неуклонно растет, и к 2008 году загазованность воздуха РЗ становится доминирующим неблагоприятным фактором на предприятии (рис. 1).

Рис.1. Доля занятых в неблагоприятных условиях труда, %:1- всего, в том числе: 2 - в условиях повышен-ного уровня шума, вибрации; 3 - повышенного уровня запыленности воздуха РЗ;

4 - повышенного уровня загазованности воздуха РЗ;

5 -на тяжелых работах.

С целью оценки воздействия ВВ на работников участков обкатки был собран и проанализирован обширный эмпирический материал в виде карт аттестации рабочих мест и протоколов замеров вредных производственных факторов (рис. 2). Результаты обработки этих данных показали, что даже в штатных ситуациях концентрации ВВ значительно превышают значения установленных нормативов по рассматриваемым оксидам азота (МОх) и углерода (СО). По ГЮХ концентрации превышены над ПДКмр, в 7 раз, что соответствует абсолютным значениям См.р=35 мг/м3. Такой уровень загазованности воздуха РЗ значительно превышает порог раздражения слизистых оболочек носа и глаз человека и приводит к образованию метгемоглобина в крови. Таким образом, задача снижения негативного воздействия выбросов обкатываемых машин на работников, поставленная в диссертации, является актуальной и может быть решена только с помощью применения комплекса эффективных воздухоохранных мероприятий. Наиболее действенными из санитарно-технических мероприятий является организация рациональных режимов работы общеобменной, аварийной вентиляции, использование

высокогерметичной местной вытяжной вентиляции, а также систем

2004 2005 2006 2007 2008

газового контроля за состоянием воздуха РЗ. Данные мероприятия разрабатываются как на стадии проектирования таких производств, так и в период их эксплуатации.

о,» о

0.1 Ш « м 0.1 ¡1,1 0,3 0,4

а) б)

Рис.2. Относительная к ПДКР.3. максимально-разовая концентрация ВВ в помещении участка обкатки ООО «КЗ «Ростсепьмаш»»: а) СО; б) 1\Ю„ .

В соответствии с принципом идентификации опасностей загрязнённое пространство производственного помещения (рассматриваются плоскостные "срезы" на уровне дыхания) можно ранжировать по зонам загазованности, в соответствии с критерием безопасности. В качестве последнего, здесь выступает регламентируемая нормативами относительная концентрация ВВ в РЗ. Для каждой из рассматриваемых трёх зон - опасной, хронического воздействия и санитарно-гигиенической - рассчитывается критерий £,.(/), с помощью

которого можно объективно оценить степень загазованности воздуха в исследуемом помещении и в рабочей зоне (Таблица 1). ____________Таблица 1. Ранжирование загазованного пространства на зоны_____

Зона Название Условие Размер зоны

Зона А Санитарно-гигиеническая V ( <, ГГ ЧДК, Л ¿"„

Зона В Хронического воздействия загазованности 1<у с< ¿1 м пдк,

Зона С Опасная £ С' >7 М ПДК,

Во второй главе представлен с одной стороны, обзор и анализ математических моделей выделения ВВ от источников загрязнения, а с другой моделей распространения ВВ. На основе таких моделей разработаны методики инвентаризации выбросов ВВ от

производственных участков и методы расчёта вентиляции, исследуемых производственных помещений, анализ которых также изложен в данной

главе. Задача снижения загазованности воздуха РЗ участков обкатки машин лежит в плоскости обоснованного определения потребного воздухообмена, которое возможно на основе решения комплекса мер, требующих одновременного учёта: качественной и количественной характеристик выделяющихся ВВ, принятой схемы организации воздухообмена, выбранного типа воздухораспределителей и их размещения, эффективности местных отсосов и параметров воздушного душирования.

Вопросы образования и выделения ВВ при горении углеводородных топлив нашли отражение в трудах Зельдовича Я.Б, Лукачёва С,В., Смайлиса В.И, Кульчицкого А.Р., Звонова В.А., Лоскутова A.C. и других авторов. Анализ существующих моделей выделения ВВ выявил ряд серьезных недостатков как в методиках расчета, так и в теоретических подходах к ним. Следует заметить, что адекватность различных математических моделей напрямую зависит от достоверности экспериментальных данных о выбросах ВВ. В настоящей работе предложена полуэмпирическая модель выделения ВВ, которая базируется на обширном экспериментальном материале, полученном автором при реальных испытаниях дизельных машин.

К основным недостаткам известных методик инвентаризации выбросов ВВ, а также методик по выбору вентиляционного оборудования участков обкатки машин можно отнести следующее:

- методики ориентированы на укрупнённые (годовые) выбросы, основанные на приближённых удельных показателях выбросов ВВ, а вентиляция рассчитывается из максимально-разовых выбросов за наиболее напряжённый час работы;

- удельные показатели выбросов ВВ определены для абстрактного источника загрязнения и не учитывают его индивидуальные свойства и режимы работы, в том числе неустановившиеся;

- выбросы оксидов азота для одинаковых условий по различным методикам отличаются в 5-6 раз;

- при проектировании систем аварийной вентиляции используются нормативные положения, согласно которым величина аварийного воздухообмена в производственном помещении определяется с помощью балансовых соотношений;

- известные расчётные методы не позволяют учитывать такие факторы, как форма помещения; расположение в нем оборудования; место аварийного выброса токсичного вещества; характер выброса (пиковый, полунепрерывный, нестационарный и т.д.), положение приточных и вытяжных отверстий.

Необходимость математического моделирования при решении таких задач, связанных с изучением неравномерности распределения и движения, как вредных газов, так и вентиляционных потоков в воздухе производственных помещений представлена в работах многих учёных:

Богословского В.Н., Марчука Г.В., Тищенко Н.Ф., Эльтермана В.М., Минко В.А., Сильвестрова А.Н., Гримитлина М.И., Кузнецова И.С. и др.

Анализ существующих моделей распространения ВВ показал, что для учёта вышеприведённых факторов необходимо:

- адекватное описание реальных физических процессов, происходящих в загазованных производственных помещениях на основе трехмерной нестационарной математической модели переноса ВВ;

- физическое моделирование исследуемых процессов для уточнения как самих модельных уравнений, так и их начальных и граничных условий;

- определение полей концентраций ВВ в производственных помещениях должно базироваться на разработке уточняющей модели процессов выделения этих веществ от источника;

- разработка численных алгоритмов и на их основе программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс поиска опасных зон и разработать рациональные решения, снижающие загазованность в РЗ.

Третья глава посвящена теоретическому обоснованию процессов выделения ВВ от источников загрязнения и их распространения в воздушной среде производственного помещения.

Эмпирическая модель процесса выделения ВВ в воздух РЗ от источника загрязнения. Массовое выделение Aro ВВ от источника определяется по формуле:

ШО = Qor ' С i ' 0 ~ '7' Фог) > Г1С (1)

где Q0¡. - объёмный расход ОГ двигателя, м3/с; С, - концентрация i-ro

ВВ в ОГ; и* эффективность установки очистки; (р - эффективность

работы местного отсоса стенда обкатки.

Формула (1) описывает выделение ВВ в РЗ в самом общем виде, как на "установившихся" режимах, так и на "неустановившихся". От точности математического описания зависимостей С., Q0¡. и q>0 , полученных

преимущественно на основе экспериментальных исследований и будет зависеть степень достоверности предлагаемой математической модели.

Определение концентраций вредных веществ в ОГ источника. Концентрации ВВ в ОГ источника загрязнения зависят от его технических параметров, а именно, от оборотов двигателя п, об/мин., мощности /V, кВт, характеристик процесса сгорания и конструктивных особенностей источника. В общем виде такие зависимости могут быть представлены в виде регрессионных полиномов, полученных иутём аппроксимации экспериментальных данных:

Для "установившихся"режимов (обкатка на стенде). - для двигателей с воспламенением от сжатия: С, = A-rí" + В- п'пА +... + С • л + Z), г/м3 (2)

С, = A- Ñ'" + В ■ Ñ"'"[ + ... + С -Ñ + D, г/м3 (3)

для двигателей с принудительным зажиганием: С,=А -ат +В' -а'"4 +... + С' -а + £>', г/м1, (4)

Для "неустановившихся"режимов (пуск, прогрев, въезд-выезд). С, = А" ■ г"' + В" • г +... + С" ■ х + D", г/м3, :'' (5)

где С(- концентрация /-го ВВ в ОГ двигателя (источника); п - обороты двигателя, об/мин; Ñ = NjNmm- относительная мощность. источника; a = aja - относительный коэффициент избытка воздуха; f = ^/гтах- : относительное время технологического процесса; m - степень многочлена;

A, Ñ, В, В1, С, С1, D, Ь1 — численные коэффициенты полиномов. Эмпирический материал был получен при проведении натурных испытаний на участке обкатки сельскохозяйственных машин ООО «КЗ Ростсельмаш» и на пункте экологического контроля локомотивного депо. При проведении измерений концентраций ВВ в ОГ двигателей машин использовалась полустационарная мониторинговая многофункциональная система для проведения измерений в промышленности "Vario Plus". В результате аппроксимации с использованием MathCAD получены формулы, описывающие изменение концентраций ВВ в ОГ в зависимости от режима нагрузки (табл. 2, рис. 3).

Таблица2. Концентрации ВВ в ОГ комбайновых двигателей в зависимости

от режима нагрузки (установившиеся режимы), Nn0H = 213-290 кВт

Концентрация, г/м3 Коэфициент регрессии

С со = 2,194 • Ñ1 - 1,8743 • Ñ + 0,7903 R2 = 0,9802

CM)¡ - -7,376 • Ñ3 + 7,294 • Ñ2 + 2,009 • Ñ + 0,509 R2 =1

С и,сон = 0,0787 • Ñ2 - 0,0647 • Ñ + 0,0152 R2 = 0,997

Сщ = 0,1912 • W +0,1228 R2 = 0,9983

С,- = 0,2114 • Ñ2 - 0,0214 • Ñ + 0,0324 R2 = 0,9838

ССНщ = 0,0791 •Ñ1 + 0,0241 ■ Ñ + 0,0006 R2 = 0,982

С.с(>1 =135,39 -М+ 36,956 R2 = 0,9987

Cr¡o„u = -2,293 3 • Ñ3 + 5,3143 ■ Ñ'1 + 0,229 • Ñ + 0,4313, мкг / м} R2 = 1

Если динамика изменения концентрации ВВ в ОГ на "установившихся" режимах достаточно точно описываются многочленами 34 степени (Я2 > 0,98), то при "неустановившихся" режимах, необходимая точность аппроксимации обеспечивается полиномами 7-8 степени в узком интервале значений Дг, (рис. 4). На интервале Дг| =0,6 эмпирические

данные по концентрациям СО в ОГ с высокой степенью точности (Я2 = 0.972) описываются уравнением вида (6):

а)

3 -С.

б)

1- С(; =f{N)■,2-Cc

ЦМ);

'Л,сои ' 4 " " ' ^Л'О, Рис. 3. Динамика изменения концентрации ВВ в ОГ в зависимости от режима работы машины

«765

Са> =2,007-105 - г -5,213-10"-г +5,347-106-г - 2,87-Ю6-г<+ (6)

4 .1 2

+ 8,531-Ю5-г -1,35-105 - г +9,52-103 - г -136,852 г -0,039, г/м'

ю « 3

■3 8

5 «

I 6 I 4

I 3

5 1 о

1,2

1 |

0,8 О 2:

0.(5 | я (X

0,4 5

0,2 г

О

Рис. 4. Изменение концентраций ВВ в ОГ комбайна АСГЮБ 530 при "холодном" пуске и прогреве на холостом ходу с течением времени

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 1 относительное время, с

Точность аппроксимации оценивалась по коэффициенту регрессии: У(Г-Г)2

2 ^ ' , где У - среднее значение из вектора эмпирических ¿(КЙ-ГЛ,)1

данных по концентрациям С(; У. - вектор исходных данных (результаты измерений концентраций); У11 - средние значения ординат по полиноминальным зависимостям; У11, - вектор полученных данных (результаты расчётов по полиному).

Регрессионные полиномы, показывающие динамику выбросов ВВ от исследуемых источников загрязнения используются для:

- теоретического расчёта содержания ВВ в ОГ на режимах работы дизельных машин, в том числе при обкатке и испытаниях;

- своевременного выявления, дефектов обкатываемых единиц по отклонениям от экологических норм, установленных на концентрации ВВ в ОГ источников;

- выявления наиболее малотоксичных режимов обкатки.

Определение объёмного расхода отработавших газов источника. В диссертационной работе используется инструментально-аналитический метод определения. Объёмный расход ,ОГ дизельной машины определяется из выражения:

Qol^ - 7,7 - КГ10 ■ Тог -Ьэ-Рэ-(\ + <р-а- Ь0), мъ 1 с (у) где: Ьэ - удельный расход топлива на эксплуатационном режиме работы двигателя, г/кВт'Ч (паспортные данные); Рэ - эксплуатационная мощность двигателя, кВт (паспортные данные); а - коэффициент избытка воздуха; £ - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания одного кг топлива, (кг воздуха/кг топлива); Тог - температура отработавших газов, К; (р - коэффициент продувки.

При определении Q инструментально (приборами газового анализа) могут быть замерены Тог и а, остальные величины, входящие

в (7) находятся из справочных данных.

Определение эффективности местного отсоса.

Эффективность работы местного отсоса определяется расчетно по методике, предложенной Тищенко Н.Ф. Для вытяжных зондов козырькового типа расчетная степень эффективности отсоса по СО-0,706; по [\10х - 0,740. Эффективность шланговых местных отсосов принималась по паспортным данным 0,9 - 0,95. При невозможности инструментально-аналитического определения эффективности местных отсосов можно воспользоваться паспортными данными завода-изготовителя.

Математическая модель процесса распространения ВВ в производственном помещении.

При расчете концентрации ВВ в воздухе помещения используется трехмерная нестационарная модель конвективно-диффузионного переноса ВВ, которая описывается дифференциальным уравнением с частными производными вида:

■ас, ■ д{и • С,) д(у-С,) дЦу-»,)•€,) д дС

-н---1---1- ---=--(ах--) +

д1 дх ду дг дх дх (8)

^■^♦¿•^нЕаЧо-вг-о*

где: С, - концентрация /то ВВ в помещении; компоненты вектора

скорости воздушной среды; ws - скорость оседания/подъёма

примеси/газов; Ап = (Ах, Ау, Аг) - коэффициенты турбулентной

диффузии помещения; Q¡(t)~ интенсивность выброса /-го ВВ от /го

источника в помещении; ¿>'(г-г()- дельта-функция Дирака;

/V --{хру.) - координаты источника выброса. Уравнение (8) является

уравнением неразрывности потока примеси. Члены, содержащие компоненты скорости в направлении координатных осей х, у, г,

описывают конвективный перенос примеси, а в правой части уравнения сгруппированы члены, описывающие диффузионную часть.

Начальные и граничные условия уравнения (8): в начальный момент времени £ = 0 и на входной границе имеем известное значение концентрации С(х,у,г,0)-С0(х,у,г), которое равно нулю (чистый приточный воздух), либо иметь значение фоновой концентрации на момент проведения опыта; на боковых стенках: дС/дп = 0, это

означает, что стенки исследуемого помещения являются непроницаемыми для ВВ. п- единичный вектор внешней нормали; на выходной границе:

зависит от её концентрации, скорости vn и направления воздушного

потока, индуцированного работой вентиляции.

Для расчета поля скорости воздушного потока в помещении, индуцированного работой вентиляции делается допущение, что движение воздушной среды в помещении - потенциальное, тогда компоненты скорости воздушной среды определяются соотношениями: и = dl'/dx, v = дР/ду, W = dPjaz, где Р- потенциал, определяемый в

трехмерном пространстве уравнением Лапласа.

Для уравнения потенциала граничные условия следующие: на твердых стенках дР/дп = 0 это означает, что стенки исследуемого помещения являются непроницаемыми для воздушных потоков; на входной границе (границе втекания воздушного потока в помещение) выполняется Р = const (условие Дирихле); на выходной границе

выполняется условие дР/дп = vn , где оп -.известное значение скорости.

При турбулентном течении потока и турбулентном переносе коэффициенты Ап пропорциональны диссипируемой энергии и определяющему размеру рассматриваемого источника. Для вентилируемых помещений, зная величину энергии, поступающей в

означает, что поток примеси

помещение, и определяющий размер источника, можно определить коэффициент турбулентного обмена в плоскости (х, у), м2/с:

Ах = Аг=0,25-еХ.1л% (9)

где: е- кинетическая энергия воздушных потоков в помещении; 1и- определяющий размер помещения, равный для прямоугольных

отверстий и сечений неправильной формы ln - ~J~F , м, где F- площадь сечения помещения перпендикулярная направлению движения воздушных потоков.

Коэффициент турбулентного обмена по высоте помещения находится из зависимости, предложенной Берляндом IM.E. для наибольших классов устойчивости воздушной среды Ат = AZ i - (z/z,),

что допустимо для исследуемого помещения. Здесь Лг=1- коэффициент

турбулентного обмена на высоте 1м, Zi=1m, z - текущая высота помещения, м.

Кинетическая энергия воздушных потоков в помещении с определяется из формулы s = £пс+еп.+едп-sm., куда входят

соответственно энергии приточных струй е„с, тепловых струй /;гг,

движущихся предметов едц и вытяжных струй евс. Учитывая,

особенности технологического процесса и конструкцию вытяжных отверстий участка обкатки энергиями движущихся предметов и вытяжных струй можно пренебречь. Наоборот, величины епс и егс учитываются в модели рассеивания ВВ и находятся из формул:

* (Ю), вп.(И)

' у а 2 Ср-Т,-Р. 4

где LjVn - кратность воздухообмена в помещении свободным объёмом Vn; v- средняя скорость выхода воздуха из приточных отверстий, м/с;

- коэффициент местного сопротивления на выходе из воздухораспределителей; Q - теплонапряжённость объема, Вт/м3; g =9,8 м/с2; г - расстояние от полюса до рассматриваемой точки, м; /7=0,8 -экспериментальная константа; Ср - теплоемкость воздуха на удалении от источника; Т0 - температура воздуха в помещении на удалении от

источника, К; рв - плотность воздуха на удалении от источника, кг/м3.

Явное теплопоступление в помещение учитывается для источников, оборудованных местными отсосами, как

Q,, = С™;. ■ • (^Г (1 - д>ог )-Ад> кВт'а для источников ими не

оборудованных <)„ = • ■ (Т™ - Т0)■ Ал, кВт, где С^.,-

изобарные теплоемкости ОГ на режимах максимальной нагрузки и холостого хода, Дж/кг К; 7,(™.х, Т™. - температура ОГ на различных

режимах нагрузки, К; Л/( - количество стендов.

Решение уравнений математической модели осуществляется численно с помощью метода конечных элементов. Для решения был разработано программное обеспечение, реализующее метод Ныотона-Рафсона.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведённых с целью обоснования адекватности разработанных математических моделей. На рис. 5 представлены результаты исследований перевода источника загрязнения на малотоксичные топлива.

Рис. 5 Экспериментальные значения концентрации N0* и СО при работе на различных топливах в зависимости от нагрузки: 1 - EURO - 4; 2 - ЭКТО-дизель; 3 - ГОСТ 305-82 «холодный» двигатель;4 - ГОСТ 305-82 «прогретый» двигатель.

В результате экспериментов для обкатки рекомендуется использование топлива EURO - 4.

В пятой главе представлены результаты моделирования процессов массопереноса ВВ в воздушной среде производственного помещения и проверка их адекватности по экспериментальным данным.

Объектом исследования был выбран участок обкатки комбайнов ООО «КЗ Ростсельмаш». Исходными данными явились: геометрические параметры помещения, особенности технологических процессов, характеристики источников загрязнения и систем вентиляции, параметры микроклимата и расчетный период года. Определяющее влияние на результаты моделирования оказывают • коэффициенты турбулентного обмена, входящие в уравнение массопереноса ВВ (9), поэтому они были рассчитаны как в плоскостном «срезе» Апх, Any, так и от высоты Ariz. Результаты расчетов представлены в Таблицах 3,4. Расчеты производились для штатных и аварийных режимов работы.

Кратность воздухообмена кР, ч1 Коэффициенты турбулентного обмена Ах иАу,м2/е Примечание

1,0-1,5 1,14-1,4 Естественная вентиляция

2,0-2,2 3,1-3,2 Принудительная общеобменная вентиляция (холодный период года)^

3^6 Принудительная общеобменная вентиляция (тёплый период года) по СНиП 2.04.05-91(2004)

8,0 5,35 Принудительная общеобменная вентиляция (расчёт по вредностям)

10,0 5,76 Аварийная вентиляция

14,0 6,1 Аварийная вентиляция

Таблица 4. Расчетные коэффициенты турбулентного обмена от высоты

Тип вентиляции Высота среза

2 4 6 1 8 12

Естественная вентиляция или не работающая общеобменная 0,4 0,8 1,2 1,6 2,4

Приточно-вытяжная вентиляция холодный период года .0,8 1,6 2,4 3,2 4,8

Анализ проведенных модельных расчетов показал, что на формирование полей концентрации ВВ в производственном помещении оказывают влияние ряд следующих факторов: схема организации воздухообмена, эффективность работы местного отсоса, расчетный период года, параметры микроклимата. При прочих равных условиях определяющим фактором является схема организации воздухообмена. Были рассмотрены разные схемы организации движения газо-воздушных потоков с различными способами размещения приточно-вытяжных отверстий (рис. б) и выбрана наиболее рациональная.

а) 6) в)

Рис 6. Расчетные схемы организации воздухообмена в помещении обкатки комбайна: а) Вариант I, б) Вариант И в) Вариант III.

Как показывают модельные расчеты (Табл. 5), при реализации схемы воздухообмена по Варианту II опасная зона загазованности наибольшая (55%) - «наихудший» вариант, по Варианту III опасная зона составит 2% площади - «наилучший» вариант,

ТаблицаБ . Расчет критериальных коэффициентов в штатных режимах на один час работы

Схема вентиляции помещения Критериальные коэффициенты Зоны загазованности Количество рабочих мест в загазованных зонах

ч Ч ч

I II Т 0,24 0,76 - А, В 14

X 0,05 0,74 0,21 А,В,С 14 (6 -С)

Т 0,02 0,97 0,01 А,В,С 14'

"х 0,01 0,44 0,55 А,В,С 14 (8 -С)

III Т 0,27 0,73 - А, В 14

X 0,07 0,91 0,02 А,В,С 14 (2-С)

Это показывает, что при компоновке участков обкатки для снижения загазованности РЗ необходимо располагать обкаточные стенды под вытяжными устройствами системы общеобменной вентиляции.

На размеры зон загазованности существенное влияние оказывает степень герметичности местных отсосов, которыми оборудованы стенды обкатки комбайнов. При повышении герметичности отсосов с 70% до 90% санитарно-гигиеническая зона, где соблюдается ПДКР.3, увеличивается в 3 раза.

Влияние расчетного периода года на формируемые поля концентраций ВВ в РЗ проиллюстрировано на на рис. 7., где видно, что в холодный период года образуется опасная зона загазованности (превышено ПДКр.з в 7 и более раз). Это соответствует порогу раздражения слизистых оболочек органов дыхания. Картина загазованности имеет явно ассиметричный вид, смещаясь вправо в «холодный» период года. Это подтверждается модельными расчётами полей подвижности воздуха в помещении (рис. 8). В "холодный" период года скорости движения газо-воздушных потоков у выездных ворот невелики, что создаёт условия для образования застойной зоны и как следствие повышения концентрации в этой части помещения. Таким образом, для участка обкатки ООО «КЗ Ростсельмаш» в «холодный» период года не рекомендовано производить испытания на крайних правых стендах.

Влияние скорости движения воздушных потоков на концентрации ВВ в воздухе помещения в условиях принудительной вентиляции весьма значительно, с ростом подвижности воздуха в 2 раза они уменьшаются на 15-20 %. Однако рекомендовать увеличение подвижности воздуха в РЗ как меру снижения загазованности нецелесообразно, т.к. не будут обеспечены допустимые параметры микроклимата. Результаты модельных расчетов с учетом расчетного периода года и подвижности воздуха в помещении можно использовать при выборе мест размещения датчиков газового контроля.

Полученные зависимости среднесменных концентраций ВВ от схемы организации вентиляции в помещении, расчетного периода года, степени

геометизации местного отсоса на один оабочий час приведены на бис. 9.

а) Л

Рис. 7. Поля относительных значений суммарных концентраций на высоте 4 м в штатном режиме ¡р(.т = 0,7: а) - период года "теплый"; б) - период

года "холодный".

Рис. 8. Поля подвижности воздуха в помещении на высоте 4 м в штатном режиме (рог = 0,7.: а)

период года «теплый" период года "холодный

б)

•■С

ПДКр.3.

степень эффективное!!! мостимо отсоса

3530 >ч 25-^

5 20

о

| 15"

15

а

5 ю-

ч

'V

7"

Оч

ч

Ччч

чч ПДКр.з.

чч

степень зффепионости местного отсоса

теплый период холодный период

Рис. 9. Среднесменные концентрации ВВ в воздухе помещения.

опасная зона 4,

зона хронического ооздейстош загазованности

\__санип трио-

гигиеническая зона

Для исследуемого помещения определены рациональные значения эффективности местных отсосов в зависимости от расчётного периода года: в "тёплый" период года значение рат, при котором достигается

санитарно-гигиенический норматив в РЗ и дальнейшее повышение эффективности отсоса не требуется равно 91 %, для "холодного" периода - 96%. Модельные расчеты показали, что в помещении наибольший уровень максимально-разовых концентраций по двум исследуемым веществам (СО и NOx) приходится на высоту 4 м, что соответствует расположению источника загрязнения, рядом с которым находятся рабочие местам испытателей. При моделировании аварийных ситуаций на участке рассматривались случаи вероятной разгерметизации местных отсосов и внезапное отключение общеобменной и аварийной вентиляции. Расчеты показали (Табл. 6): - время срабатывания систем защиты (автоматическое отключение поврежденного оборудования — 120 с, ручное - 300 с) является определяющим фактором, обеспечивающим снижение максимально-разовых концентрации ВВ в воздухе РЗ; - из рассматриваемых аварийных ситуаций наиболее негативно влияющей на работников оказался случай внезапного выхода из строя общеобменной и аварийной вентиляции.

Таблица 6. Расчет критериальных коэффициентов в аварийных режимах

Схема вентиляции помещения Критериальные коэффициенты Зоны загазованности Количество рабочих мест в загазован-ных зонах

ч ч

не работает общеобменная вентиляция

II 0,02 0,39 0,59 А,В,С 14 (6 -С)

III 0,18 0,7 0,12 А,В,С 8 (3 -С)

разрыв центрального отсоса

II 120 С 0,739 0,256 0,005 А,В,С 10

300 С 0,242 0,775 0,003 А,В,С 14

III 120 С 0,83 0,16 0,01 А,В,С 10

300 С 0,51 0,48 0,01 А,В,С 10

Для проверки адекватности разработанных математических моделей была проведена серия испытаний на участке обкатки ООО «КЗ Ростсельмаш» в теплый и холодный периоды года. Экспериментальные данные, полученные в аварийных ситуациях, представлены двумя случаями, которые созданы в условиях реального производства.

Сопоставление эмпирических данных с теоретическими зависимостями динамики изменения концентраций оксидов азота в воздухе РЗ, полученными в результате моделирования процессов массопереноса, представлено графически на рис. 10. Анализ графиков показал, что с учетом погрешности проведенных измерений результаты модельных расчетов в достаточной степени согласуются с данными экспериментальных исследований.

а) 6)

Рис.10. Сопоставление теоретических и экспериментальных зависимостей динамики изменения концентрации оксидов азота в РЗ: а) штатная ситуация, б) аварийная ситуация - разрыв центрального отсоса, «теплый» период года

Общие выводы и рекомендации.

Основные результаты работы представлены следующими основными выводы:

1. Предложена методика инвентаризации выбросов ВВ от источников загрязнения участков обкатки, учитывающая расширенный спектр ВВ, особенности технологического процесса, типы двигателей, режимы работы машин, как "установившиеся", так и "неустановившиеся" и род топлива.

2. Показана возможность применения разработанных моделей выделения и распространения ВВ в производственном помещении для прогнозирования качества воздуха в РЗ участков обкатки.

3. Для оценки негативного воздействия загрязненного воздуха на работников предложено ранжирование производственной среды на зоны загазованности и введен критерий k-^it), являющийся количественной мерой загрязнения воздуха.

4. Адекватность разработанных моделей процессов выделения и распространения ВВ в помещениях обкатки доказана результатами проведенных экспериментальных исследований.

5. Создано программное обеспечение, позволяющее оперативно определять опасные зоны загазованности и поля подвижности воздуха участков обкатки машиностроительных предприятий.

6. Даны практические рекомендации по обеспечению безопасности труда испытателей участков обкатки:

- к регламенту технологического процесса (предложено производить обкатку на малотоксичных режимах, а также применять топлива качества EURO стандарта);

- к воздухоохранным мероприятиям (определены рациональные места расположения обкаточных стендов, требования к видам и местам размещения датчиков газового контроля и воздухораспределителей в системах приточно-вытяжной вентиляции помещения (на примере ОАО КЗ "Ростсельмаш").

2.0

Основные положения диссертации отражены в 10 работах, в том числе в четырех из перечня ВАК РФ:

Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Алексеенко Л.Н Моделирование выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны участков обкатки машиностроительных предприятий/ Л.Н. Алексеенко // Вестник ДГТУ.-2009.- Т.9, № 2(41).- С. 271-283.

2. Алексеенко Л.Н. Синтез и исследование связи технических и санитарно-гигиенических критериев нормирования негативного воздействия выбросов дизельных машин/ Б.Ч. Месхи, Ю. И. Булыгин, Д.В. Деундяк// БЖД.-2009.-№1.-С. 6-13. •

3. Алексеенко Л.Н. Моделирование процессов переноса и ассимиляции вредных веществ в загазованном помещении участка обкатки/ Б.Ч. Месхи, Е.И. Маслов, Ю.И. Булыгин // Вестник ДГТУ.- 2009.- Спецвыпуск. Технические науки. Часть I,- С. 56-69.

4. Алексеенко Л.Н. Снижение токсичности отработавших газов и повышение топливной экономичности транспорта при использовании топлива EURO стандарта/ Ю.И. Булыгин, E.H. Каменский, Д.В. Деундяк, Д.А. Корончик // Экология и промышленность России. -2008.- №4.-С. 48-50.

Статьи в сборниках и журналах:

5. Алексеенко Л.Н. Прогнозирование качества воздушной среды рабочих зон участков обкатки и ремонта машиностроительных предприятий / Л.Н. Алексеенко// Инновационные технологии и экономика в машиностроении: тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, - Томск, 2009.- С. 529-534.

6. Алексеенко Л.Н Моделирование процессов распространения вредных веществ в производственных помещениях/ Ю.И. Булыгин, Е.И. Маслов Ц сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. в рамках промышленного конгресса Юга России и междунар. специализир. выставки «Метмаш.Станкоинструмент - 2009»,- Ростов н/Д, 2009.-е. 217-222.

7. Алексеенко Л.Н. Синтез и исследование связи технических и санитарно-гигиенических критериев нормирования ' негативного воздействия выбросов наземного транспорта / E.H. Каменский // Юбилейные научные чтения «Белые ночи-2008»: материалы Междунар. науч. чтений междунар. академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности МАНЭБ.- СПб., 2008.-Ч.2.-С. 159-161.

8. Алексеенко Л.Н. Модели образования вредных веществ в цилиндре транспортного ДВС и их идентификация/ Ю.И Булыгин, Д. В Деундяк, Д.А Корончик // Двигатель - 2007: сб. тр. Междунар. науч.- техн. конф., МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М., 2007.- С. 256-262.

9. Алексеенко Л.Н. Моделирование образования вредных веществ в цилиндре транспортного ДВС / Ю.И Булыгин, Д. В Деундяк, Д.А Корончик // Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность: сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. - Пермь, 2007.-С. 284-290.

10. Алексеенко Л.Н. Современные проблемы и пути повышения безопасности труда / А.Е. Аствацатуров, Т.А. Щепкина// Современные проблемы охраны труда и пути их решения: материалы обл. науч.- практ. конф.-Ростов н/Д, 1999.- С. 277-281.

В печать /7- (?&.

Объем ^ У усл.п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ ~{<9С>

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,!.

Введение

Глава 1. Анализ опасных и вредных факторов, действующих на работников обкаточных участков

1.1 Обкатка и испытание сельскохозяйственных машин и агрегатов при их производстве

1.2 Анализ влияния вредного химического фактора на работников участков испытания и обкатки сельскохозяйственной техники. Профессиональные заболевания испытателей 1.3. Анализ протоколов замеров вредных производственных факторов и карт аттестации рабочих мест участка обкатки ООО «КЗ Ростсельмаш»

1.4 Принципы и способы снижения содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны

1.5 Оценка эффективности воздухоохранных мероприятий, снижающих воздействие вредных веществ на работающих. Критерии оценки.

Глава 2. Обзор и анализ моделей выделения вредных веществ от источников загрязнения и их распространения в производственных помещениях. Методики инвентаризации выбросов и методы расчета вентиляции

2.1 Модели процессов образования и выделения вредных веществ от источника

2.2 Систематизация методик инвентаризации вредных веществ в производственных помещениях

2.3 Моделирование распространения вредных веществ

Глава 3. Теоретические основы выделения вредных веществ и их распространения в воздухе рабочей зоны помещений испытательных и обкаточных участков

3.1. Модель процесса выделения ВВ в воздух РЗ от источников загрязнения

3.1.1. Модель процесса выделения ВВ в воздух РЗ при испытаниях машины обкаткой на стенде

3.1.2. Модель процесса выделения ВВ в воздух РЗ при производстве машиной различных технологических операций

3.2 Математическая модель процессов распространения вреднь1х веществ в помещениях

3.3 Программное обеспечение для численного моделирования процессов распространения ВВ в помещениях

Глава 4. Экспериментальные исследования процессов выделения и распространения вредных веществ в рабочей зоне

4.1 Проведение измерений в источнике загрязнения 87 4.1.1 Применение малотоксичных топ лив EURO стандарта при обкатке комбайнов

4.2 Экспериментальные исследования качества воздуха рабочей зоны участка обкатки

Глава 5. Практические результаты компьютерного моделирования и их сравнение с данными физических экспериментов. Разработка воздухоохранных мероприятий

5.1. Общие требования к математическому и компьютерному моделированию процессов распространения вредных веществ в производственных помещениях

5.2. Исходные данные для проведения модельных расчётов

5.2.1. Математическое определение вероятности возникновения аварийной ситуации на участке обкатки комбайнов ООО

КЗ Ростсельмаш»

5.2.2. Определение эффективности местных отсосов

5.2.3. Определение коэффициентов турбулентного обмена

5.3. Результаты моделирования полей концентраций ВВ в воздухе рабочей зоны участка обкатки комбайнов. Обсуждение и анализ.

5.3.1. "Вариант I".

5.3.2. "Вариант II".

5.3.3. "Вариант III".

5.3.4. Авария, связанная с вероятной разгерметизацией местного отсоса

5.3.5. Авария, связанная с вероятным выходом из строя общеобменной и аварийной вентиляции

5.4. Тестирование и апробация программного обеспечения. 146 5.4.1 Проверка адекватности модели распространения ВВ в воздухе рабочей зоны участка обкатки комбайнов.

Актуальность темы исследования. Испытания объектов автотракторного машиностроения являются заключительным технологическим процессом производства машин различного назначения. При испытаниях комбайнов, тракторов и другой техники в производственных помещениях испытательных цехов и обкаточных участков, когда ассимиляция отработавших газов (ОГ) работающего двигателя машины ограничивается объемом помещений, основные продукты горения (оксиды углерода, азота, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен, пары топлив и масел, а также избытки теплоты) не только в аварийных, но и в штатных ситуациях создают повышенный уровень загазованности и негативно влияют на здоровье работающих. Повышенная загазованность рабочих зон (РЗ) обкаточных участков и камер сочетается с неблагоприятными параметрами микроклимата (повышенная температура и высокая подвижность воздуха). Так, концентрация вредных веществ (ВВ) в РЗ вблизи действующих источников загрязнения превышает максимально-разовые ПДКрз по оксидам азота в 10 - 15 раз, по оксидам углерода в 5 - 10 раз. Поэтому не вызывает сомнения, что задача сохранения здоровья работников таких цехов при вредном воздействии выбросов обкатываемых машин, поставленная в диссертации, является актуальной. Для решения данной задачи необходима разработка математических моделей, описывающих как процессы выделения ВВ, так и их распространения в производственных помещениях, и использование полученных результатов для обоснования рекомендуемых воздухоохранных мероприятий.

Целью работы является улучшение условий труда работников участков обкатки машиностроительных предприятий путем определения опасных зон загазованности и снижения концентраций ВВ в РЗ.

Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

1. Произвести анализ состояния воздушной среды РЗ участков обкатки машиностроительных предприятий.

2. Проанализировать действующие методики инвентаризации выбросов ВВ от испытуемых машин в ходе различных технологических операций, в том числе при стендовой и ездовой обкатке.

3. Разработать модель процесса выделения ВВ от источников загрязнения в воздух РЗ участка обкатки с целью последующего уточнения методики инвентаризации выбросов ВВ.

4. Проанализировать существующие математические модели, описывающие процессы распространения и ассимиляции ВВ в воздушной среде.

5. Разработать математическую модель процессов распространения ВВ в производственных помещениях.

6. Реализовать математические модели процессов выделения и распространения ВВ в производственных помещениях в виде программного обеспечения, позволяющего рассчитать параметры состояния производственной среды и опасных зон в штатных и аварийных ситуациях.

7. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности разработанных математических моделей.

8. Разработать рекомендации к технологическому регламенту обкатки и к воздухоохранным мероприятиям для участков обкатки машин (на примере ООО «КЗ Ростсельмаш»).

Предмет и объект диссертационного исследования. Предметом исследования является технологический процесс обкатки дизельных машин, в результате которого выделяются ВВ в воздушную среду РЗ. Объектом исследования является воздух РЗ участка обкатки.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель процесса выделения ВВ в воздух РЗ от источников загрязнения при различных режимах обкатки и технологических операциях, корректно описывающая массовые выделения расширенного спектра ВВ для различных типов машин.

2. Нестационарная трехмерная математическая модель распространения ВВ в производственном помещении, которая позволяет определить поля концентраций ВВ, подвижности воздуха и параметры опасных зон загазованности.

3. Критерий оценки негативного воздействия загазованности воздуха на работников /Ц(0 и результаты расчётов зон загазованности в плоскостях характерных "срезов" по высоте помещения на уровне дыхания рабочих участка обкатки машин.

4. Результаты экспериментальных исследований по оценке адекватности разработанных моделей выделения и распространения ВВ в производственном помещении участка обкатки.

5. Программное обеспечение, реализующее математические модели выделения и распространения ВВ на ПК.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработана модель процесса выделения ВВ в РЗ от источников загрязнения, позволяющая учитывать особенности процесса обкатки, типы и режимы работы машин, в том числе "неустановившиеся" и род топлива.

2. Разработана нестационарная трехмерная математическая модель распространения ВВ в производственном помещении, которая описывается системой дифференциальных уравнений с частными производными и позволяет уточнить формулировку и коэффициенты краевой задачи путём сравнения результатов модельных расчётов с данными физического эксперимента.

3. Для оценки негативного воздействия загазованности воздуха на работников предложен критерий который является количественной мерой загрязнения воздуха и определяется отношением площадей зон загазованности ко всей площади помещения.

Практическая ценность работы:

1. Предложена методика инвентаризации выбросов ВВ в РЗ участков обкатки машин. ч

2. Разработаны рекомендации к технологическому регламенту обкатки машин.

3. Определены места установки датчиков газового контроля и рациональные схемы организации движения воздуха, обеспечивающие сохранение здоровья испытателей участка обкатки.

4. Разработано программное обеспечение, которое позволяет рассчитать поля концентраций ВВ, определить опасные зоны загазованности воздуха в помещении и количество рабочих мест испытателей, не удовлетворяющих санитарно-гигиеническим нормативам.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований апробированы и внедрены на обкаточном участке ООО «КЗ Ростсельмаш».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Металлургия. Машиностроение. Станкоинструмент" (Ростов-на-Дону, ВЦ Вертолэкспо, 2009 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Инновационные технологии и экономика в машиностроении" (г. Юрга, ТПУ, 2008, 2009 гг.), VII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (г. Кемерово, КГТУ, 2007 г.), Международной научно-технической конференции "Двигатель - 2007" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 164 страницы машинописного текста, 25 таблиц, 64 рисунка, список библиографических источников из 75 наименований. Отдельное приложение на 12 страницах.

Результаты работы представлены следующими основными выводы:

1. Предложена методика инвентаризации выбросов ВВ от источников загрязнения участков обкатки, учитывающая расширенный спектр ВВ, особенности технологического процесса, типы двигателей, режимы работы машин, как "установившиеся", так и "неустановившиеся" и род топлива.

2. Показана возможность применения разработанных моделей выделения и распространения ВВ в производственном помещении для прогнозирования качества воздуха в РЗ участков обкатки.

3. Для оценки негативного воздействия загрязненного воздуха на работников предложено ранжирование производственной среды на зоны загазованности и введен критерий k~(t), являющийся количественной мерой загрязнения воздуха.

4. Адекватность разработанных моделей процессов выделения и распространения ВВ в помещениях обкатки доказана результатами проведенных экспериментальных исследований.

5. Создано программное обеспечение, позволяющее оперативно определять опасные зоны загазованности и поля подвижности воздуха участков обкатки машиностроительных предприятий.

6. Даны практические рекомендации по обеспечению безопасности труда испытателей участков обкатки:

- к регламенту технологического процесса (предложено производить обкатку на малотоксичных режимах, а также применять топлива качества EURO стандарта);

- к воздухоохранным мероприятиям (определены рациональные места расположения обкаточных стендов, требования к видам и местам размещения датчиков газового контроля и воздухораспределителей в системах приточно-вытяжной вентиляции помещения (на примере ОАО КЗ "Ростсельмаш")).

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АСК - автоматическая система контроля

ОГ - отработавшие газы

ПДК - предельно-допустимая концентрация

ПДКр.з - предельно-допустимая концентрация в рабочей зоне

ПДКм.р. - максимально-разовая предельно-допустимая концентрация

ПДКС С — среднесменная предельно-допустимая концентрация

ВВ - вредные вещества

РЗ - рабочая зона

N0 - оксид азота (II)

Ж)х - оксиды азота

СО - оксид углерода (II)

ПК - персональный компьютер

КС - камера сгорания

ТЧ - твердые частицы

XX - холостой ход еср - показатель локального качества воздуха в помещении еа - критерий эффективности воздухообмена еп - интегральный показатель качества воздуха к- (0 - предлагаемый критерий оценки загазованности Ет - массовые выбросы ВВ одиночных автомобилей п, - частота коленчатого вала т1 - время работы двигателя (рот - эффективность работы местного отсоса

К^ - удельный показатель выделения ЗВ х на один объект производства 77 - степень очистки аппарата, которым снабжён вентиляционный отсос агрегата (доли единицы)

Рс - суммарный расход топлива за весь период обкатки, кг

Qoг - объёмный расход отработавших газов двигателя, м /с

М-1ХХ - валовый выброс г'-го загрязняющего вещества при обкатке на холостом ходу, т/год

Ми, . валовый выброс /-го загрязняющего вещества при обкатке под нагрузкой, т/год а - массовая доля примесей в ОГ

Р - доля ОГ, поступающих в рабочую зону через неплотности местных отсосов х, у, ъ - декартовы координаты к - эффективная высота источника у (х),<? (х)- - вертикальная и поперечная дисперсии облака примеси

У 2 р,/^ - поправки на обеднение облака за счет сухого осаждения примеси и ее вымывания осадками г - время, с

С (х, у, ъ, - концентрация примеси

Б (х, у, г, - тензор коэффициентов турбулентной диффузии С> (х, у, ъ, 1) - плотность источника примеси £гас1, сИу - трехмерные операторы градиента и дивергенции. Ь — величина воздухообмена, м /ч

С - концентрация вредностей в приточном воздухе (в момент времени т), мг/ м

3 3

С0— начальная концентрация в помещении, мг/ м ; Упом - объем помещения, м Ьпр,ЬЙыт — производительность приточной и вытяжной вентиляции С, - концентрация /-го вредного вещества в ОГ

7- степень очистки стационарной системы очистки, установленной на стенде п - обороты двигателя (источника), об/мин N - относительная мощность источника а - относительный коэффициент избытка воздуха л

R - коэффициент регрессии

Y - среднее значение из вектора эмпирических данных по концентрациям С, Yr вектор исходных данных (результаты измерений концентраций) YR - средние значения ординат по полиноминальным зависимостям YRi - вектор полученных данных (результаты расчётов по полиному) GB - расход воздуха

Gor массовый расход отработавших газов

Ъэ- удельный расход топлива на эксплуатационном режиме работы двигателя, г/кВт-ч

Рэ - эксплуатационная мощность стационарной дизельной установки, кВт а - коэффициент избытка воздуха

L0- теоретически необходимое количество воздуха для сжигания одного кг топлива, (кг воздуха/кг топлива) lOAtt/ ¡CAfo/tbh&U рог - удельный вес или плотность отработавших газов рйог - удельный вес (плотность) отработавших газов при температуре tor, равной 0°С tor,Tor - температура отработавших газов, °С и К - т, т ——-— относительное время технологического процесса г, - текущее время операции г0 - полная продолжительность рассматриваемой технологической операции

Atv =т - интервал "устойчивой" аппроксимации функций

С, - концентрация z'-го ВВ в помещении u,v,w— компоненты вектора скорости воздушной среды w5 - скорость оседания/подъёма примеси/газов

Ап = (Ax,Ay,Az) - коэффициенты турбулентной диффузии помещения Q/(t) — интенсивность выброса г-го ВВ оту'-го источника в помещении 5{r -1;) - дельта-функция Дирака r} = (x} ,, z, ) — координаты источника выброса P — потенциал n - единичный вектор внешней нормали ип - известное значение скорости а - кинетическая энергия воздушных потоков в помещении 1П - определяющий размер помещения

F - площадь сечения помещения перпендикулярная направлению движения воздушных потоков пс - энергии приточных струй тс - энергии тепловых струй ет - энергии движущихся предметов вс - энергии вытяжных струй

GB - масса воздуха, подаваемого в помещение, кг/с

L - объемный расход воздуха, м2/с /7 £/(!у - коэффициент местного сопротивления на выходе из воздухораспределителей v - средняя скорость выхода воздуха из приточных отверстий, м/с Gn - масса воздуха в объеме помещения, кг кр - кратность воздухообмена

Vn - свободный объем помещения, м ^

Q - теплонапряженность объема, Вт/м

Qa - теплопоступление явного тепла в помещение, Вт g - ускорение свободного падения, м/с z - расстояние от полюса до рассматриваемой точки, м

Ср - теплоемкость воздуха в удалении от источника ра - плотность воздуха в удалении от источника, кг/м

С™ , С™г - изобарные теплоемкости ОГ на режимах максимальной нагрузки и холостого хода тог > тог " температура ОГ на различных режимах нагрузки, К Ад - количество стендов р - вероятность отказа (разрыва одного отсоса) в течении 8 часового рабочего дня д=1-р- вероятность безотказной работы местного отсоса к — число отказов

1 — диаметр источника выделения ВВ, м кя-д - размер санитарно-гигиеническои зоны

1гЛ

- размер зоны хронического воздействия загазованности кЛ

- размер опасной зоны ах - длительность начального периода аварии до отключения поврежденного оборудования, с а2 - длительность второго периода аварии, когда аварийная вентиляция снижает концентрации ВВ до ПДК, с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алексеенко Л.Н. Модели образования вредных веществ в цилиндре транспортного ДВС и их идентификация/ Ю.И Булыгин, Д. В Деундяк, Д.А Корончик // Двигатель 2007: сб. тр. Междунар. науч.- техн. конф., МГТУ им. Н. Э. Баумана. -М., 2007.- С. 256-262.

2. Алексеенко Л.Н. Моделирование выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны участков обкатки машиностроительных предприятий/ Л.Н. Алексеенко //Вестник ДГТУ.-2009.- Т.9, № 2(41).- С. 271-283.

3. Алексеенко Л.Н. Моделирование процессов переноса и ассимиляции вредных веществ в загазованном помещении участка обкатки/ Б.Ч. Месхи, Е.И. Маслов, Ю.И. Булыгин // Вестник ДГТУ.- 2009.-Спецвыпуск. Технические науки. Часть I.- С. 56-69.

4. Алексеенко Л.Н. Синтез и исследование связи технических и санитарно-гигиенических критериев нормирования негативного воздействия выбросов дизельных машин/ Б.Ч. Месхи, Ю. И. Булыгин, Д.В. Деундяк//1571. БЖД.-2009.- №1.-С. 6-13.

5. Ахмедов Р.Б., Цирюльников JI.M. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. — JL: Недра, 1984, 283 с.

6. Бадалян JI.X. Динамика выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами двигателей автотранспорта. // Безопасность жизнедеятельности. 2005. - №2. - С. 24-32.

7. Белов C.B., Козьяков А.Ф., Партолин О.В. и др. Средства защиты в машиностроении: расчет и проектирование. Справочник. / М.: Машиностроение, 1989, 368 с.

8. Берлянд М.Я. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 272 с.

9. Бородулин А.И., Майстренко Г.М., Чалдин Б.М. Статистическое описание распространения аэрозолей в атмосфере: метод и приложения. Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та. 1992. 123 с.

10. Булыгин Ю.И. Экспериментальное и компьютерное исследование рабочего процесса и токсичности тепловозных двигателей внутреннего сгорания. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2006, 144 с.

11. Вызова H.JL, Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчет распространения примеси. JL: Гидрометеоиздат, 1991.

12. Воздействие на организм человека опасных и вредных экологических факторов. Т. 1, 2. -М.: Панмс, 1997, 1004 с.

13. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М., Издательство стандартов, 1988.

14. ГОСТ Р 51249-99. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. М., Издательство стандартов, 1999.

15. ГОСТ Р 51250-99. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения. М., Издательство стандартов, 1999.

16. Гримитлин М.И., Тимофеева О.Н., Эльтерман E.H., Эльянов JI.C. Вентиляция и отопление цехов судостроительных заводов. Изд. 2-е, перераб. и дополн. JL, «Судостроение», 1978, 240 с.

17. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. Для вузов / Хачиян A.C., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.; Под ред. Луканина В.Н. М.: Высш. шк., 1985.-311 с.

18. Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 607 с.

19. Дополнения и изменения к методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ для баз дорожной техники (расчетным методом). М.: Машиностроение, 1999 г.

20. Дополнения и изменения к методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ для баз дорожной техники (расчетным методом). М.: Машиностроение, 1999 г.

21. Дополнения к методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для авторемонтных предприятий (расчетным методом). М.: Машиностроение, 1999 г.

22. Жегалин О.И., Лупачев П. Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М., Транспорт, 1985.

23. Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами. Красноярск, 1998.109 с.

24. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М.: Машиностроение, 1981, 160 с.

25. Звонов В.А.Процессы образования токсичных веществ и разработка способов уменьшения их выбросов ДВС. — Москва: Автореферат диссерт. на соискание степени д.т.н., 1980

26. Згуровский М.З., Скопецкий В.В., Хрущ В.К., Беляев H.H. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде. — Киев: Наукова думка.- 1997.-368 с.

27. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. M-JL: Изд-во АН СССР, 1947, 146 с.

28. Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Голосов A.C. Метод расчета локальных концентраций оксидов азота в поршневых двигателях с внутренним смесеобразованием на основе многозонной модели // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2004.-№ 1.

29. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. Школа, 1980. —400 с.

30. Кравченко В.Н., Сувырин Ю.В. Выбор диагностических показателей оценки приработки двигателя внутреннего сгорания. — В кн.: Новое в технологии, организации и экономичности ремонта промышленного оборудования Л., 1983, с. 74-80.

31. Кузнецов И.С. Моделирование полей концентраций вредных веществ и обоснование воздухообмена в производственных помещениях: Диссертация на соискание уч. степ. канд. техн. наук, г. Ростов-на-Дону, 2009.- 183 с.

32. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пос. для высшей школы.- М.: Академический проект, 2004.- 400 с. "

33. Кульчицкий А.Ф. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пос. для высшей школы. 2-е изд., испр. и доп. — М.: Академический Проект, 2004, 400 с.

34. Ладоша Е.А., Холодова С.Н., Яценко О.В. Статистические методы и идентификация математических моделей токсичности транспортных двигателей. // Известия вузов. Сев.-Кавк. Per. Естеств. Науки. 2005. - №2. - С.20-26.

35. Лоскутов A.C., Новоселов А.Л., Вагнер В.А. Снижение выбросов окислов азота дизелями в атмосферу. Барнаул, 1990, 120 с.

36. Луканин В.Н., Буслаев А.П., Яшина М.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда-2: Учеб. Пособие для вузов/ Под ред. В.Н. Луканина.-М.:ИНФА-М, 2001. 646 с.

37. Луканин В.Н., Хачиян A.C., Морозов К.А. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1985, 311 с.

38. Лукачев C.B., Горбатко A.A., Матвеев С.Г. Образование и выгорание бенз(а)пирена при сжигании углеводородных топлив. М.: Машиностроение, 1999. 152 с.

39. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды.- М.: Наука.-1982.-320 с.161

40. Математическое моделирование и оптимизация ХТП / В.А. Холоднов, В.П. Дьяконов, E.H. Иванова, JI.C. Киреянова. СПб., 2003. 480 с.

41. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу основным технологическим оборудованием предприятий автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения. М.: Машиностроение, 1991.

42. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для авторемонтных предприятий (расчетным методом). М.: Машиностроение, 1998 г.

43. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для баз дорожной техники (расчетным методом). М.: Машиностроение, 1998 г.

44. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для баз дорожной техники (расчетным методом). М.: Машиностроение, 1998 г.

45. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-90. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 23 с.

46. Методика расчёта выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок. СПб., МПР РФ, 2001.

47. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 93 с.

48. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. М.: Наука, 1965. 720 с.

49. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А. Механизмы и особенности образования оксидов азота в тепловозных дизелях. — Самара: СамГАПС, 2005, 154 с.

50. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А. Механизмы и особенности образования оксидов азота в тепловозных дизелях. — Самара: СамГАПС, 2005, 154 с.

51. Обкатка и испытание тракторных и комбайновых изделий при капитальном ремонте. -М.: ГОСНИТИ. 1988.

52. Орлов Н.И., Смайлис В.И. Временные рекомендации по расчету выбросов от стационарных дизельных установок. JI., 1988.

53. Пащенко С.Э., Сабельфельд К.К. Атмосферный и техногенный аэрозоль (кинетические, электронно-зондовые и численные методы исследования): В 2 ч. Новосибирск. Ч. 1. 1992 . 190 с. Ч. 2. 1992 .118 с.

54. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1985. 256 с.

55. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб. 2000.

56. Разлейцев Н.Ф. Кинетическое уравнение динамики образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля. // Двигатели внутреннего сгорания. -1977.-Вып. 26.-С. 10-18.

57. Руководство по проектированию эффективной вентиляции // АВОК, №2, 2003.

58. Сабоннадьер Ж.К., Кулон Ж.Л. Метод конечных элементов и САПР. М.: Мир, 1989. 190 с.

59. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение, 1972, 128 с.

60. СНиП 2.04.05-91* (2000). Отопление, вентиляция и кондиционирование.

61. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование

62. Тейлор Дж. Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха // Под ред. Монина A.C. -М., 1962.

63. Теория двигателей внутреннего сгорания /Под. ред. проф. д-ра техн. наук Н.Х.Дьяченко. Л., Машиностроение (Ленингр. отделение), 1974.163

64. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Справ, изд. М.: Химия, 1991,368 с.

65. Удельные показатели выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для ремонтно-обслуживающих предприятия и машиностроительных заводов агропромышленного комплекса. М.: Машиностроение, 1992.

66. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Международное агентство по атомной энергии. Вена, 1980. 106 с.

67. Экспериментально-расчетная оценка выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС на эксплуатационных режимах работы / О.И. Демочка, В.Н.Ложкин и др. Технический отчет по НИР. СПб., НПО ЦНИТА, 1990.

68. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств / 3-е изд., перераб. -М.: Химия.- 1980.-288 с.

69. СХЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ МАШИН (на стендах обкатки и постах заправки кондиционеров)1. Г-Xс=.Г