автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета систем централизованной вакуумной пылеуборки для литейных цехов предприятий машиностроения

На правах рукописи

СТАРОВЕРОВ Сергей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ВАКУУМНОЙ ПЫЛЕУБОРКИ ДЛЯ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2005

Работа выполнена на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Минко Всеволод Афанасьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беспалов Вадим Игоревич;

кандидат технических наук, доцент Щекина Екатерина Викторовна

Ведущая организация ЗАО «Донкузлигмаш» г. Азов

Защита диссертации состоится «29» ноября 2005г. в 14 часов 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: 344010, г. Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1, ДГТУ факс: 863 291 07 91, e-mail: eshift@dstu.edu.ru

Автореферат разослан «2¿>> октября 2005 г.

Ученый секретарь Л

диссертационного совета, А.И. Шипулин

кандидат технических наук, доцент '

злоб-ч- из г 313

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технологические процессы в литейных цехах машиностроительных заводов, связанные с транспортированием и переработкой формовочных масс (дробление, загрузки, разгрузки, смешивание и др.), сопровождаются интенсивным выделением пыли в атмосферу производственных помещений, что становится причиной возникновения у рабочих болезней пылевой этиологии: пневмокониозы (силикозы, анторокозы, асбестозы), бронхит, астма, кониотуберкулезы и др. Наиболее опасным и часто встречающемся у рабочих литейных производств является силикоз, возникающий от воздействия мелкодисперсной пыли содержащей значительное количество свободного 5Ю2. Процентное содержание двуокиси кремния в кварцевом песке - основном компоненте формовочных смесей литейных производств может достигать 95%.

В настоящее время успехи в лечении пневмокониоза весьма скромны, поэтому наиболее эффективными методами борьбы с болезнями пылевой этиологии следует считать технические меры, предотвращающие, локализующие или исключающие поступление пыли в зону дыхания человека.

Самым приемлемым путем снижения запыленности является способ локализации пылевыделений средствами вентиляции. Но, как показывает практика, полностью локализовать пылевыделения средствами вентиляции не удается и часть пыли, выделяющаяся при транспортировании и переработке сырья, оседает на полу, оборудовании, конструкциях.

При вибрации оборудования, а так же уборке осевшей пыли и просыпи, посредством сдува сжатым воздухом или с помощью щеток либо метел, пыль поднимается в воздух рабочей зоны, т. е. наблюдается процесс вторичного пылеобразования. Как показали исследования, проведенные автором в литейном цехе № 7 ООО «Энергомаш Белгород», интенсивность осаждения пыли в среднем составляет несколько сот грамм в час, концентрация пыли в воздухе рабочей зоны при работающих системах аспирации и общеобменной вентиляции превышает ПДКР.3. в несколько раз (ПДКрл=1 мг/м3), во время уборки концентрация пыли в зоне уборщика возрастает в 15 -20 раз, по сравнению с фоновой концентрацией, имевшей место до начала уборки.

Эффективное удаление осевшей пыли, исключающее вторичное пылеобразование, на промышленных предприятиях осуществляют системы централизованной вакуумной пылеуборки (ЦПУ). Более широкому распространению систем ЦПУ препятствуют сложности с унифицированным расчетом и проектированием этих систем. Магистральным направле-

нием совершенствования методик расчета и проектирования систем ЦПУ на современном этапе, по нашему мнению, является использования математического аппарата для описания пыле аэродинамических процессов в элементах ЦПУ, особенно в пылеуборочных насадках. Это связанно с тем, что процессы эвакуации твердых частиц пыли посредством пылеуборочных насадков весьма сложны и их теоретическое описание ведется чаще всего на основе эмпирических зависимостей, не достаточно учитывающих многообразие внешних и внутренних факторов.

Таким образом, проблема обеспыливания воздуха рабочей зоны и совершенствование методик расчета и проектирования средств обеспечения безвредных условий труда в литейных цехах предприятий машиностроения, для которых характерен высокий уровень запыленности, является одной из актуальных задач в области охраны труда.

Цель работы: Улучшение условий труда путем снижения концентрации пыли в воздухе рабочей зоны участков переработки и транспортировки формовочных масс до значений ПДКр3, за счет совершенствования расчета и проектирования централизованных вакуумных систем борьбы с вторичным пылевыделением.

Поставленная цель определила следующие задачи исследования:

- экспериментальные исследование запыленности воздуха рабочей зоны участков переработки и транспортировки формовочных масс;

- разработка математической модели динамики пылегазового потока в полости насадка, учитывающей конструктивные параметры, физико-механические свойства убираемой пыли, потери кинетической энергии отдельных частиц при соударении со стенками насадка;

- разработка, на основании математической модели, метода расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок;

- разработка алгоритма численной реализации математической модели и комплекса прикладных программ для получения значений параметров, характеризующих рабочий процесс в насадке и значений потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок;

- экспериментальная проверка адекватности математической модели;

- разработка, на основании уравнений пыле-воздушного баланса, методики расчета эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания, позволяющей на стадии проектирования прогнозировать концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны.

Методы исследования. В работе использовались основные положения пылеаэродинамики, метод математического моделирования, методы решения линейных алгебраических уравнений и систем нелиней-

ных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования выполнены на специально разработанной установке полупромышленного типа, результаты которых обработаны методами вероятностной и математической статистики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- на основании применения метода граничных интегральных уравнений и принципа суперпозиций при математическом моделировании динамики пылегазового потока в полости насадка решена задача прогнозирования уноса частиц пыли заданного дисперсного состава, что имеет важное значение при проектировании систем централизованной вакуумной пылеуборки;

- на основании разработанного метода пофракционного расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок решена задача по учету двухфазносги потока при определении сопротивления насадка, что во многом определяет точность расчета и эффективность работы системы централизованной вакуумной пылеуборки;

- на основании численного исследования влияния параметров основных конструктивных элементов однополочных и двуполочных насадков на составляющие скорости воздушного потока в полости насадка, конфигурацию линий тока воздуха, траектории движения частиц пыли дано теоретическое обоснование выбора рациональных конструкций насадков коллекторного типа.

На защиту представлены следующие научные положение и результаты:

- результаты исследования запыленности воздуха, дисперсного состава и плотности осевшей пыли на участках транспортировки и переработки формовочных масс на ООО «Энергомаш Белгород»;

- разработанная математическая модель динамики пылегазового потока в полости насадка, учитывающая конструктивные параметры насадка, физико-механические свойства убираемой пыли, потери кинетической энергии отдельных частиц при соударении со стенками насадка, дающая возможность на стадии проектирования прогнозировать унос осевшей пыли заданного дисперсного состава;

- разработанный метод расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, учитывающий дисперсный состав убираемой пыли;

- рекомендации по конструктивному исполнению насадков коллекторного типа, полученные на основании результатов численного эксперимента по установлению характера влияния параметров основных конструктивных элементов пыпеуборочных насадков на составляющие скорости воздушного потока, построения линий тока воздуха, траектории движения пылевых частиц;

- результаты численного эксперимента исследования влияния массовой концентрации, плотности, диаметра частиц убираемой пыли, скорости в насадке на потери давления при транспортировании твердой фазы через насадок, позволяющие раскрыть механизм энергоемкости процесса пылеуборки;

- результаты экспериментального исследования определения потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок;

- методика расчета и проектирования систем централизованной вакуумной пылеуборки и методика расчета эффективности внедрения централизованной вакуумной пылеуборки в комплексе систем обеспыливания.

Практическая значимость работы;

- усовершенствованна методика технологического и гидравлического расчета систем централизованной вакуумной пылеуборки, за счет введения комплекса программ численной реализации математической модели динамики пылевоздушных потоков в пылеуборочных насадках и методики расчета эффективности внедрения этих систем в комплексе систем обеспыливания. По этой методике выполнен проект системы централизованной вакуумной пылеуборки для литейного цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород» исходя из условий обеспечения ПДК пыли в воздухе рабочей зоны.

- создан пакет прикладных программ, позволяющий исследовать пыле- и аэродинамику в многосвязных областях полости насадка. Использование вышеуказанного пакета программ целесообразно при разработке новых эффективных моделей насадков, исходя из условия обеспечения максимальной эффективности и экономичности процесса;

- даны рекомендации по проектированию однополочных и двупо-лочных насадков коллекторного типа. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложено конструктивное решение насадка, позволяющее повысить эффективность и интенсивность процесса эвакуации пыли с убираемой поверхности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Экология - образование, наука и промышленность» (г. Белгород, 20012003 г.); на Международной конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и строй индустрии» (г. Белгород 2003 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (128 источников) и 9 приложений. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и содержит 44 рис. и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, указаны научная новизна, практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Представленный анализ статистических данных по заболеваемости работников машиностроительного завода им. Карла Маркса и результаты запроса по зафиксированным профзаболеваниям на ООО «Энергомаш Белгород» показали наличие профзаболеваний у работников литейных цехов, вызванных воздействием пыли (табл.1, 2).

Таблица №1

Статистические данные по заболеваемости работников основных профессий машиностроительного завода им

Таблица N8 2 Зафиксированные профзаболевания на ООО «Энергомаш Белгород» (1985-1997

Профессия !або- тевэ- ния гвяэа иные с про-туд-<ыми вето я- 1ИЯМИ :ерде чно- дис-тые >эбо-ива-ния )або-тева-ния »га- нов |ыха-ния §1 Заболевания остно-мы-1ечной метаны 'ади- сули- ты, нев- жты, евра пгии 'нойничко- вые заболева-<ия кожи и одкожной клетчатки

Рабочие литейного производства: мужчины женщины 48,6 34,4 8,9 6,7 17,2 7,5 4,9 4,3 5.5 9.6 7,6 15,6 1,2 4,9

Станочники-мужчины женщины 47,5 48 3,9 8,6 4,3 1,6 3,9 6,7 10 8,9 3,6 5.6

Слесари 41,2 10,1 2,4 5,1 4,3 9,5 25,4

Плотники, столяры и модельщики пошоеву 62,5 - - 1,4 5,6 6,5 5,7

Маляры женщины 41,6 10,4 - 10,8 - 7 3,3

Электромонтажники 55,5 12,6 - 3,8 2,6 4,8 -

Газосварщики (электросварщики) 36,9 6,9 2,1 5,2 10,7 3,6 3,6

Гальваники 45,4 8,3 4,2 7,5 2,8 - 21,8

N4 цеха 1рофесси! Диагноз

7 Газорезчик 1985 лневмокониоэ

1986

1987

6 1988 машинка крана Металлокониоз 1 ст.

7 1989 конвейер щик пневмокониоз

7 1989 обрубщи» Силико-туберкулез в фазе сомнительной активности

7 Машинис крана Хронический бронхит с выраженным астматическим компонентом от воздействия пыли смешанного состава

1991

6 1992 слесарь Хр.обструктивный бронхит

1993

7 1994 распреде литель работ Хр. Бронхит от воздействие пыли. Вторичная бронхиальная астма. Эмфизема легких.

7 1995 обруби»» 2-х сторонний кохлеарный неврит

7 19% конвейер шик Хронический бронхит, эмфизема легки, нарушение ФВД

6 1996 слесарь Силикоз

7 1997 ОбрубЩИ! Основной: хронический обструктивный бронхит НФВЛ2ст.

Определены основные источники образования пневмокониозо-опасной пыли в литейных цехах машиностроительных заводов, анализ которых позволил сделать вывод о том, что мероприятия по снижению загрязнения воздуха рабочей зоны должны включать системы борьбы с осевшей пылью, являющейся источником вторичного пылеобразования. Обоснован выбор систем ЦПУ, как наиболее эффективного способа борьбы с источниками вторичного пылеобразования. Широкому внедрению этих систем препятствуют сложности с унифицированным расчетом и проектированием элементов этих систем. Совершенствовать расчет параметров работы системы ЦПУ, по нашему мнению, возможно за счет унифицированного подхода к расчету пылеуборочных насадков - одного из основных элементов ЦПУ, в значительной степени, определяющей эффективность работы системы в целом.

Представлен анализ исследований в области изучения процесса эвакуации пыли применительно к насадкам систем ЦПУ. Вопросу исследования рабочих процессов коллекторных насадков и совершенствованию их конструктивных решений посвящено множество работ, анализ которых позволил выделить, на наш взгляд, два основных направления. Первое связано с совершенствованием аэродинамики насадков, второе с исследованием рабочего процесса эвакуации твердых частиц пыли с убираемой поверхности и изучением влияния конструктивных особенностей насадка на эффективность процесса уборки пыли.

Анализ первоисточников показал, что аэродинамические характеристики процесса движения воздуха в корпусе пылеуборочного насадка исследованы в работах Е. Г. Баулиной и А. А. Курникова достаточно полно. Это дало возможность разработать пылеуборочные насадки. Однако большинство методик расчета потерь давления в насадке не учитывают присутствие в просасываемом через насадок воздухе твердой фазы, что, по нашему мнению, не корректно, так как при массовой концентрации твердой фазы 5..7 кг/кг в потоке, характерной для систем ЦПУ, потери давления на транспортирование твердой фазы через насадок могут составлять 35-40 % от общих потерь в насадке. Методики, которые учитывают двухфазность потока, носят эмпирический характер и, следовательно, их использования при проектировании систем ЦПУ ограниченно.

Известные физико-математические модели описания рабочего процесса пылеуборочного насадка основаны на эмпирических зависимостях и не учитывают в полной мере специфических особенностей динамики пылевоздушных потоков в многосвязном корпусе насадка, в связи с этим не дают ответа на ряд вопросов, возникающих при расчете и проектировании насадков, а, следовательно, требуют дополнительных исследований. Полученные на основании этих исследований зависимости, по-

зволяющие рассчитать скорость потока, обеспечивающую удаление частиц пыли с убираемой поверхности носят эмпирический характер и поэтому их использование при расчетах носит ограниченный характер.

Эффективность и интенсивность процесса эвакуации частиц пыли, определяется скоростью воздушного потока в подполочном канале насадка и в зоне уноса частиц, которая в свою очередь определяется конструктивными особенностями насадков. Исследования влияния конструктивных особенностей пылеуборочных насадков на интенсивность и эффективность пылеуборки носит в основном экспериментальный характер и поэтому, полученные результаты не являются обобщающими, а справедливы для конкретных материалов и условий уборки. Если же говорить о теоретических обоснованиях выбора рациональных конструкций насадков, то в настоящее время они практически отсутствуют, так же как отсутствуют систематизированные исследования характера влияния параметров основных элементов насадков на скорости, определяющие эффективность пылеуборки, линии тока воздуха, траектории движения чаЬ-тиц в полости насадка.

Глава 2 посвящена разработке математической модели динамики пылевоздушных потоков в пылеуборочных насадках и разработке алгоритма определения потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок.

При разработке математической модели динамики пылегазового потока в пылеуборочном насадке были приняты следующие допущения:

- течение воздуха вблизи и внутри пылеуборочного насадка потенциальное, т. е. образованием вихревых зон в местах изломов области мы пренебрегали;

- частица начинает свое движение в полости насадка на некотором расстоянии от поверхности;

- столкновениями частиц между собой и их влиянием на распределение скорости в полости насадка пренебрегаем, что справедливо для двухфазных потоков с массовой концентрацией твердой фазы ц < 5...7 кг/кг, характерных для систем ЦПУ;

- возможным разрушением частиц при столкновении с твердыми стенками пренебрегаем;

- считаем, что затраты энергии на транспортирование материала складываются из затрат энергии на транспортирование отдельных частиц;

- предполагается, что затраты энергии на транспортирование твердой фазы идут на восстановление скорости частиц после соударений со стенками насадка и убираемой поверхностью.

Для расчета аэродинамического поля полости насадка был применен метод граничных интегральных уравнений, позволяющий рассчитывать многосвязные области течения, который сводится к следующему. Из заданных граничных условий задачи путем численного решения граничного интегрального аналога уравнения Лапласа определяем неизвестные интенсивности источников (стоков) расположенных по границе насадка:

где р= 1,2...,/У- номер р-го отрезка границы, разбитой на N граничных элементов; &я(х£) ~ скорость воздуха в точке х0" (*,,.х2) - центре

/ж> вдоль направления внешней нормали й(и,,л2);

У ^ - интенсивность источников (стоков) в точках и (произвольная точка Аг-го граничного элемента);

(2)

После определения интенсивностей источников (стоков) скорость воздуха в заданной точке полости насадка находится из того же уравнения (1), при этом вместо берется внутренняя точка области течения,

а вместо внешней нормали И - заданное направление.

В этой главе представлен алгоритм вычисления скорости в заданной точке насадка и построения линий тока воздуха в полости насадка.

Поскольку анализируется движение двухфазных потоков с массовой концентрацией твердой фазы в потоке не превышающей 5-7 кг/кг, возможно рассмотрение движения отдельной частицы в полученном поле скоростей газа.

При рассмотрении модели движения отдельной частицы пыли в полученном поле скоростей газа, было учтено действие сил тяжести, аэродинамического сопротивления и Магнуса.

С учетом вышесказанного, математическая модель движения частицы в потоке газа в полости насадка имеет вид:

Л Л * 24И > & м

где - _ 3 р, ^¡^ - ускорение силы Магнуса; Re - число Рей" 1 1

нольдса для частицы; ¡? - вектор ускорения силы тяжести; - коэффициент формы частицы; т - время релаксации частицы; Со - коэффициент сопротивления среды.

Для расчета коэффициента сопротивления использовали формулу Адамова, которая применима в широком диапазоне изменения значений числа Рейнольдса, и дает хорошую сходимость с результатами экспериментов.

Са = (24 / Яе) • (1 + 0,065 Яе2П ■ (4)

Траектории движения отдельных частиц пыли получались в результате решения системы дифференциальных уравнений (3) записанной в проекции на оси системы координат.

Установлено что, при движении частиц пыли средних и крупнодисперсных фракций происходит соударение частиц со стенками насадка и убираемой поверхностью. Поэтому возникает необходимость определения послеударных значений скорости частицы.

После удара о твердую поверхность частицы пыли, тангенциальная &2-1 и нормальная ^ скорости, а так же угловая скорость частицы со2г вычислялись по формулам:

а>2г=<о0г + 5/-(1 + к)-^ где [ 2и0г 1 к-коэффициент восстановления при ударе

(к = 0,5); f - коэффициент трения скольжения (А" = 0,5); 6Ь„, Ць - нормальная и тангенциальная составляющие скорости частицы до удара; <у0г - угловая скорость частицы до удара.

В результате неупругих соударений со стенкой насадка частица безвозвратно теряет часть своей кинетической энергии. Восстановление скорости движения частиц является, как известно, одним из основных факторов потери давления двухфазного потока в процессе его пнев-мотранспортирования.

Получено выражение для определения потерь давления потока на транспортирование твердой фазы через насадок:

А(6)

ярт<1ъ

где ДИ4 - усредненная величина потерь энергии частицы; ц - массовая

концентрация убираемой пыли в потоке, кг/кг; рп рТ - соответственно плотность газа и частиц убираемой пыли, кг/м3.

Общие потери давления на транспортирование твердой фазы через насадок определяются суммированием потерь давления на транспортирование отдельных фракций.

Глава 3. Разработан и описан комплекс компьютерных программ численной реализации математической модели динамики пылевоздуш-ных потоков в насадках. На основании комплекса программ проведен ряд численных экспериментов, целью которых было исследование механизма влияния конструктивно режимных параметров работы насадка на процесс удаления пыли.

На основе разработанной компьютерной программы построены профили горизонтальной и вертикальной составляющих скорости воздуха в полости однополочного и двуполочного насадка (рис. 1), которые подтверждаются общепринятой теорией стесненного течения газов.

В результате вычислительного эксперимента установлено, что изменение параметров основных конструктивных элементов не оказывает существенного влияния на характер профиля скорости воздуха 9* в отличие от профиля 9У где наибольшее влияние оказывает изменение угла наклона 0и ширины щели Ь всасывающего патрубка.

В вычислительном эксперименте исследован характер влияния на скорость воздушного потока вблизи убираемой поверхности (Зх в подпо-лочном канале, &у в зоне уноса частиц пыли), линии тока воздуха и траектории движения частиц (рис. 2, 3) следующих параметров основных конструктивных элементов, присущих коллекторным насадкам (рис. 1):

- угла наклона всасывающего патрубка насадка, 9 (в программе угол наклона всасывающего патрубка представлен через углы его образующих 01 и ф, так как он имеет вид диффузора);

- высоты подполочного канала Л, а для двуполочного отношения высоты фронтального канала к средней высоте каналов 5=2/7/(7?, +Ь2);

- ширины щели всасывающего патрубка, Ь.

ла; 3-3 - $ напротив всасывающего патрубка над ламинарным подслоем

При увеличении ширины щели всасывающего патрубка в исследуемом диапазоне значений Ь = 6^20 мм скорость воздуха & возрастает незначительно. Рост скорости воздуха объясняется менее стесненными условиями входа потока во всасывающий патрубок насадка. Скорость воздуха в подполочном канале при изменении в в диапазоне от 35° до 130° изменяется незначительно, при этом наибольшее значение & принимает при в = 90°, что объясняется углом разворота потока. С прибли-\ жением кромки полки к убираемой поверхности 1?* в подполочном про-

странстве однополочного насадка возрастает. В двуполочном насадке увеличивается с ростом отношения высоты фронтального канала к средней высоте каналов £ =• 2Л; / + Ь^. При увеличении ширины щели Ь \ всасывающего патрубка наблюдается уменьшение вертикальной скоро-

сти воздушного потока 9У в зоне уноса. Это объясняется тем, что в одно-полочном насадке при менее стесненном условии разворота потока, а в двуполочном при менее стесненном условии входа во всасывающий патрубок сливающихся потоков происходит увеличение горизонтальной скорости что приводит, соответственно, к уменьшению вертикальной скорости ■9Г При увеличении высоты канала в однополочном насадке и с ростом отношения высоты фронтального канала к средней высоте каналов в двуполочном насадке, происходит снижение скорости Влияние угла наклона всасывающего патрубка на скорость 9У в зоне уноса частиц пыли носит экстремальный характер, хотя ее изменение в рассматриваемом диапазоне значений в незначительно. Максимальные значения в однополочном насадке скорость принимает при в = 70°, в двуполочном при в = 90°. Это объясняется меняющимся характером распределения вертикальных скоростей 9У при различных углах наклона всасывающего патрубка пылеуборочного насадка.

X м/с

аг-^-аг-аг

6 8 10 12 15 20

6, ММ

9%, м/с

грал

Расстояние от убираемой поверхности, а - 0,00025 м, б-0,001м; в - 0,0025 м; г- 0,00375 и

<9Х, м/с 60 50 40

30 20 10 о

I

— А, мм

10

Расстояние от убираемой поверхности: а-0/00025 н; б- 0,0005 м, я-ОДП н; л-0,0015 м;д- 0,00275 н

90 130

Расстояние от убираемой поверхности: а - 0,00025 м; б- 0,001м; в- 0,0025 м; г- 0,00375 м

■% м/С

10 12 16 20

Ь, мм

в, град

й, мм

Рис,2. Зависимости скорости воздушного потока эх в подполочном канале и^в зоне уноса частиц в однололочном насадке от ширины щели Ь, угла наклона в, высоты канала Л

Анализ построенных линий тока при различных параметрах основных конструктивных элементов насадков показал, что в стандартном однололочном насадке существует область малых скоростей вблизи задней стенки, что совпадает с результатами проведенных ранее экспериментальных исследований. Существенно уменьшить область малых скоростей в однополочном насадке можно путем придания наклона задней стенке совместно с образующей диффузора всасывающего патрубка.

А, м/с

6 8 10 12 15 20

Ь, мм

Э„ м/с 80

60

40

20

П

\

0,75

1,16 1.33 £

Я, м/с зз

32 31 30J 29 28 27

У*

Расстояние от убираемой поверхности: а- 0,00025 м; 5- 0,001м; я - 0,0025 щ г- 0,00375 м

35 45 85 70 60 130

йграц

Расстояние от убираемой поверхности- а 0,00025 м, б- 0,001 и; е-0,0025 м

Расстояние от убираемой поееркности- а - 0,00025 м, б-0,001м; я-0,0025 м; г- 0,00375 м

.9У, м/с

5

6 8 10 12 15 20

ым

в, град

0,75 1 1,1в 1.33 Е

Рис.3. Зависимости скорости воздушного потока 9„ в подполочном фронтальном канале и Эу в зоне уноса частиц в двуполочном' насадке от ширины щели Ь, угла наклона в, параметра

Сравнительный анализ полученных траекторий движения отдельных частиц пыли различного размера в однополочных коллекторных насадках (рис.4а,4б) показал, что придание угла наклона задней стенке совместно с образующей диффузора всасывающего патрубка позволяет увеличить интенсивность и эффективность процесса пылеуборки.

Полученный аналитически колебательно-затухающий характер траекторий движения частиц в двуполочном насадке (рис.4в) совпадает с результатами скоростной киносъемки процесса эвакуации частиц пыли в

условиях слияния встречных потоков, проведенной ранее Курников A.A., что качественно подтверждает адекватность разработанной математической модели С увеличением размера частиц возрастает их амплитуда и число колебаний.

Рис.4. Траектории движения частиц пыли различного диаметра в однопо-лочном насадке стандартной модели (а), в модели с приданием угла наклона задней стенки (б), в двуполочном насадке (в)

Вычислительный эксперимент по исследованию влияния параметров пылегазового потока на потери давления на транспортирования твердой фазы через насадок показал, что при увеличении массовой концентрации убираемой пыли, ее плотности (рис.5), диаметра частиц (рис.б) увеличиваются потери давления. Это связано с увеличением затрат энергии на перемещение частиц материала.

Л* Па

500

лЛ„ Па

5 50 150 500 1250 d»MKM

Рис.5. Зависимость потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок от платности убираемой пыли (/¿=0,75 кг/кг, сС=450 мкм)

Рис.6. Зависимость потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок от диаметра частиц убираемой пыли 0^=3050 кг/м3)

На основании анализа результатов численного эксперимента по установлению характера влияния параметров основных конструктивных элементов пылеуборочных насадков на составляющие скорости воздушного потока, построения линий тока воздуха, траекторий движения пылевых частиц, а так же накопленного опыта эксплуатации систем ЦПУ даны рекомендации по конструктивному исполнению пылеуборочных насадков коллекторного типа систем ЦПУ.

При проектировании однополочных насадков рекомендуется: принимать ширину щели всасывающего патрубка 6=10 мм, придавать наклон в 60° задней стенки совместно с тыльной образующей всасывающего патрубка, приближать кромки полки к убираемой поверхности (уменьшать размер Л), но с учетом максимального диаметра частиц убираемой пыли, длину полки £ принимать не более 20 мм.

При проектировании двуполочных насадков рекомендуется: принимать ширину щели всасывающего патрубка 6=10 мм, угол наклона всасывающего патрубка приближать к 90°, равные высоты фронтального и тыльного канала размер полок Ц и 12 не более 20 мм.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований получен патент РФ на полезную модель № 39261 от 27.07.04 «Насадок пылесоса».

Глава 4. Для оценки степени достоверности и возможности практического использования основных теоретических результатов, полученных в работе, автор провел серию экспериментальных исследований и предствил результаты этих исследований.

Рис.7. Схема экспериментальной установки исследования пылеаэро-динамических характеристик насадков. 1 - пылепитатель; 2 - пыле-уборочный насадок; 3- ленточный конвейер; 4 - привод конвейера; 5- вариатор; б - кран регулировки расхода воздуха, 7 - блок сепарации и очистки воздуха; 8 - воздуходувка, 9 - трубопроводы; 10 - и-образный манометр; 11 - трубка НИИОГаза

Экспериментальные исследования потерь давления в насадке при движении двухфазного потока, целью которых являлось подтверждение количественной адекватности разработанной математической модели, были проведены на специально разработанной, изготовленной и смонтированной экспериментальной установке полупромышленного типа для испытания пылеуборочных насадков (рис.7).

Программой экспериментальных исследований предусматривалось определение потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок при различных значениях массовой концентрации убираемой пыли в потоке.

Сравнение значений потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, полученных в результате численного эксперимента, со значениями потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, полученными экспериментально на полупромышленной установке, подтвердило количественную адекватность математической модели, расхождение не превышает 12 % (рис. 8).

лЛ-Па

1000

800

600

400

200

0,75

Числ эксп литей форм земля N»3 Натур эксл литей форм земля №3 Числ эксп порошковая глина Натур эксл порошковая глина Числ эксп песок Натур эксп песок числ эксл литей форм земля №1 Натур эксл литей форм земля №1 числ эксл литей форм земля №2 натур, эксл литей форм земля N>2

Рис. 8. Зависимость потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок от массовой концентрации ¿и частиц убираемой пыли в потоке

Проведены экспериментальные исследования и представлены результаты исследования уровня запыленности воздуха рабочей зоны на участках переработки и транспортировки формовочных масс в литейном цехе ООО «Энергомаш Белгород» (табл.3). Целью этих исследований являлось получение полной достоверной информации о санитарно-гигиенической обстановке на рабочих местах при работающих системах аспирации и общеобменной вентиляции для последующей оценки эффективности внедрения системы ЦПУ.

Анализ данных исследования показал, что концентрация пыли в воздухе рабочей зоны непосредственно в местах обслуживания и ремон-

та оборудования на всех четырех участках превышает предельно допустимые концентрации: 4-11 ПДК (участок подготовки отработанной формовочной смеси), 3-12 ПДК (участок транспортировки готовой формовочной смеси), 4-19 ПДК (участке транспортировки формовочного песка), 4-10 ПДК (участок подготовки и транспортировки порошкообразной глины).

Таблица 3

Результаты исследования запыленности воздуха рабочей зоны участков переработки и транспортировки формовочных масс в литейном цехе № 7

ООО «Энергомаш Белгород»

Участок литейного производства Концентрация пыли, мг/м3 в месте отбора пробы "ж I г и

Подготовка отработанной формовочной смеси Вблизи выбивной решетки У ленточного конвейера Вблизи валковой дробилки У ленточного конвейера Вблизи магнитного сепаратора (перегрузка) У ленточного конвейера Вбли зи сита

16,2 9.1 17,4 8,6 17,9 9,4 22 2

Транспорт ировка готовой формовочной смеси Вблизи смесителя У ленточного конвейера У лей-точного конвейера У ленточного конвейера Перегрузка с конвейера на конвейер У ленточного конвейера Вбли зи бунк ера

12,4 8.6 7,3 6,2 18,2 9,5 24 2

Транспорт ировка формовочного леска вблизи сита У ленточного конвейера Перегрузка с конвейера на конвейер У ленточного конвейера У ленточного конвейера У ленточного конвейера Вбли зи бунк ера

17,2 7,2 17,4 5,6 3,9 6,4 19,2 1

Подготовка и транспорт ировка порошковой глины Вблизи дробилки У ленточного конвейера Вблизи мельницы У ленточного конвейера Вблизи сита У ленточного конвейера Вбли зи бунк ера

16,2 9,2 17,6 8,7 19,8 9,5 21,2 2

Проведены экспериментальные исследования динамики запыленности воздушной среды во время уборки производственного помещения ручным инструментом и представлены результаты в виде функциональной зависимости отношения концентрации Спыли в воздухе рабочей зоны уборщика к начальной фоновой концентрации Сф, наблюдавшейся в помещении до уборки, от времени Г (рис. 9).

Из графика (рис.9) видно, что при ( = 0, т. е. до уборки помещения, С/Сф = 1. С начала уборки запыленность воздушной среды резко возрастает и в среднем (С/Сф)мах * 20 (в 20 раз превышает ПДКр3. для

пыли .образующейся на участке подготовки отработанной формовочной смеси, содержание Si02 более 10 % но менее 70 %). В дальнейшем запыленность снижается, но все же остаточная концентрация длительное время превышает начальную фоновую, примерно 1,35 раза.

Проведены экспериментальные исследования плотности и дисперсного состава осевшей пыли, которые показали, что исследуемая осевшая пыль различных участков переработки и транспортировки формовочных масс содержит частицы размером менее 10 мкм (5%-21%), которые являются пневмокониозно-опасными и составляют основную массу взмучиваемой пыли во время вибрации Рис.9. Изменение концентрации пыли в воздуш- оборудования и уборке, ной среде рабочей зоны при уборке производсг- На основании вве-

венного помещения ручным инструментом дения комплекса программ

численной реализации математической модели динамики пылевоздушных потоков в насадках разработана методика технологического и гидравлического расчета систем ЦПУ применительно к предприятиям по переработке сыпучих материалов, которая дополнена, на основе уравнений пыпе-воздушного баланса, разработанной методикой расчета эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания (рис.10).

По этой методике выполнен проект системы ЦПУ для участка переработки отработанной формовочной массы литейного цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород». Расчетная усредненная концентрация пыли в воздухе рабочей зоны на вышеуказанном участке составит 1,78 мг/м3, что соответствует ПДКрз для данного вида пыли {С„.лх= 2 мг/м3, 10%<^SЮ2 <70 % );

Дана экономическая оценка эксплуатации системы ЦПУ, на примере литейного цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород», выполненная с учетом потерь социального характера от неудовлетворительных условий труда и потерь предприятия от воздействия пыли на средства производства. Расчетный годовой экономический эффект составил 55540 руб. (в ценах 2005 г).

с/с,

2Í

Рис.10. Методика расчета эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ исследований запыленности воздуха рабочей зоны участков подготовки и транспортировки формовочных масс литейного производства показал наличие повышенной концентрации пыли -4-19 ПДКрз, которая складывается за счет первичного и вторичного пы-левыделения. Эффективным способом борьбы с источниками вторичного пылеобразования являются системы централизованной вакуумной пыле-уборки, широкое внедрение которых на предприятиях в значительной степени определяется унифицированным расчетом и проектированием этих систем.

2. На современном этапе совершенствование расчета и проектирования систем централизованной вакуумной пылеуборки (ЦПУ), возможно на основе математического описания рабочего процесса в насадках с учетом конструктивно-режимных параметров, свойств частиц пыли (плотность частиц пыли, размер, дисперсный состав) и разработки методики оценки эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания.

3. На основании метода граничных интегральных уравнений и принципа суперпозиций разработана математическая модель динамики пылегазового потока в насадке, учитывающая конструктивные параметры насадка, физико-механические свойства убираемой пыли и потери кинетической энергии отдельных частиц при соударении со стенками насадка, что позволяет на стадии проектирования систем ЦПУ прогнозировать удаление пыли, заданного дисперсного состава.

4. На основе построенной математической модели разработан метод расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, который во многом определяет точность проектирования и, следовательно, эффективность работы системы ЦПУ в целом.

5. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие исследовать пыле- и аэродинамику в многосвязных областях полости насадка, что в значительной мере совершенствует расчет оптимальных параметров процесса эвакуации пыли исходя из условий обеспечения его максимальной эффективности и экономичности.

6. Установлено, что потери давления на транспортирование твердой фазы через насадок возрастают с ростом массовой концентрации, плотности, диаметра частиц убираемой пыли, скорости в насадке. Сравнение расчетных значений потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок со значениями потерь давления, полученными на специально разработанной полупромышленной установке, подтвердило количественную адекватность математической модели, расхождение не превышает 12 % .

7. Установлены характерные виды траекторий движения частиц различного размера в полости однополочного и двуполочного насадка.

8. Даны рекомендации по проектированию однополочных и дву-полочных насадков коллекторного типа. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований получен патент РФ на полезную модель № 39261 от 27.07.04 «Насадок пылесоса».

9. На основании введения комплекса программ численной реализации математической модели динамики пылевоздушных потоков в насадках разработана методика технологического и гидравлического расчета систем ЦПУ применительно к предприятиям по переработке сыпучих материалов, которая дополнена, на основе уравнений пыле-воздушного баланса, разработанной методикой расчета эффективности внедрения систем ЦПУ в комплексе систем обеспыливания.

10. Экономическая оценка применения системы ЦПУ, выполненная на примере цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород» с учетом потерь предприятия от воздействия пыли на средства производства и потерь социального характера от неудовлетворительных условий труда, показала, что расчетный годовой экономический эффект от эксплуатации системы ЦПУ составит 55540 руб (в ценах 2005 г).

Основное содержание диссертации отражено в 9 работах, основными из которых являются:

1. Минко В.А Современные технологии комплексного обеспыливания при производстве строительных материалов / Минко В.А., Логачев И.Н., Логачев К.И., Феоктистов А.Ю., Староверов C.B.// Материалы конференции «Экология - образование, наука и промышленность», -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, -2002. -С. 71-76.

2. Староверов C.B. Централизованная вакуумная пылеуборка жилых и общественных зданий / Староверов C.B., Феоктистов А.Ю.// Материалы конференции «Экология - образование, наука и промышленность»,- Белгород: Изд-во БелГТАСМ, -2002. -С. 76-80.

3. Староверов C.B. Аналитический расчет элементов систем централизованной вакуумной пылеуборки / Староверов C.B., Минко В.А., Феоктистов А.Ю.// Материалы конференции «Экология - образование, наука и промышленность». -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, -2002. -С. 18-21.

4. Минко В.А. Аналитический расчет потерь давления в трубопроводах систем централизованной вакуумной пылеуборки на транспортирование пылегазовой смеси / Минко В.А., Шаптала В.Г., Староверов C.B., Феоктистов А.Ю.// Материалы конференции «Экология - образование, наука и промышленность». -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, -2002. - С. 5.

5. Староверов C.B. Поля скоростей, линии тока, траектории движения пылевых частиц в пылесосных насадках / Староверов C.B., Минко В.А., Логачев К.И., Феоктистов А.Ю.// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2003. - № 6. - С. 64-66.

6. Староверов C.B. Численное моделирование пылегазовых потоков в пылеуборочных насадках систем централизованной вакуумной пылеуборки/ Староверов C.B., Логачев К.И., Феоктистов А.Ю. // Научные ведомости. Информатика, прикладная математика, управление. - Белгород: Изд-во Белгородского государственного университета, 2005. - С.76-82.

7. Минко В.А. Патент РФ на полезную модель № 39261 от 27.07.04 «Насадок пылесоса» Минко В.А., Староверов C.B., Феоктистов А.Ю., Лапин О.Ф., Овсянников Ю.Г.

РЫБ Рус( кий

2006-4 18499

ЛР №04779 от 18.05.01. В набор 18.10.05. В печать 19.10.05. Объем 1,5 усл.пл., 1,4 уч.-изд.л. Офсет. Бумага тип №3. Формат 60x84/16. Заказ № 376. Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,!.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ЦПУ В ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХАХ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ.

1.1. Пыль как один из основных вредных производственных факторов 9 литейного производства.

1.2. Основные источники образования пыли в литейных цехах машиностроительных предприятий.

1.3. ЦПУ как наиболее эффективные системы борьбы с вторичным пы-левыделением. Основные элементы ЦПУ.

1.4. Теоретические и экспериментальные исследования рабочего процесса пылеуборочных насадков систем ЦПУ.

Выводы.

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА ДИНАМИКИ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ПЫЛЕУБОРОЧНЫХ НАСАДКАХ.

2.1. Вывод основных расчетных соотношений для определения поля скоростей воздуха в пылеуборочных насадках.

2.2. Определение неизвестных интенсивностей источников (стоков).

2.3. Формирование элементов матрицы F.

2.4. Вычисление поля скоростей и построение линий тока.

2.5. Уравнение движения частицы в полости насадка.

Выводы.

3. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕАЭРО-ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НАСАДКАХ.

3.1. Цели и задачи численного эксперимента.

3.2. Планирование и методики проведения численного эксперимента.

3.3. Анализ влияния параметров основных конструктивных элементов насадков на скорость воздушного потока в полости насадка.

3.4. Результаты численного построения линий тока воздуха в насадках.

3.5. Результаты численного расчета траекторий движения частиц пыли в насадках. ЮС

3.6. Анализ влияния параметров пылевоздушного потока на потери давления в насадке.Ю

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦПУ.

4.1. Исследование физико-механических свойств убираемой пыли.

4.2. Исследование запыленности воздуха рабочей зоны литейного производства.

4.3. Методика проведения экспериментальных исследований потерь давления при транспортировании твердой фазы через насадок.

4.3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.

4.3.2. Планирование экспериментальных исследований.

4.3.3. Описание экспериментальной установки.

4.3.4. Приборы и методики измерений.

4.4. Определение потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок.

4.5. Разработка методики расчета и проектирования систем централизованной вакуумной пылеуборки.

4.5.1. Технологический расчет системы ЦПУ.

4.5.2. Аэродинамический расчет ЦПУ.

4.6. Разработка методики расчета эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания.

4.7. Экономико-экологическая эффективность выполненных исследований.

Выводы.

Работа посвящена совершенствованию расчета систем централизованной вакуумной пылеуборки (ЦПУ), как составной части комплекса систем обеспыливания литейного производства, за счет построения математической модели динамики пылевоздушных потоков в пылеуборочных насадках систем ЦПУ.

Актуальность работы. Технологические процессы в литейных цехах машиностроительных заводов, связанные с транспортированием и переработкой формовочных масс (дробление, загрузки, разгрузки, смешивание и др.), сопровождаются интенсивным выделением пыли в атмосферу производственных помещений, что становится причиной возникновения у рабочих болезней пылевой этиологии: пневмокониозы (силикозы, анторокозы, асбестозы), бронхит, астма, кониотуберкулезы и др. Наиболее опасным и часто встречающемся у рабочих литейных производств является силикоз, возникающий от воздействия мелкодисперсной пыли, содержащей значительное количество свободного S1O2. Процентное содержание двуокиси кремния в кварцевом песке - основном компоненте формовочных смесей литейных производств может достигать 95%.

В настоящее время успехи в лечении пневмокониоза весьма скромны, поэтому наиболее эффективными методами борьбы с болезнями пылевой этиологии следует считать технические меры, предотвращающие, локализующие или исключающие поступление пыли в зону дыхания человека.

Самым приемлемым путем снижения запыленности является способ локализации пылевыделений средствами вентиляции. Но, как показывает практика, полностью локализовать пылевыделения средствами вентиляции не удается и часть пыли, выделяющаяся при транспортировании и переработке сырья, оседает на полу, оборудовании, конструкциях.

При вибрации оборудования, а так же уборке осевшей пыли и просыпи, посредством сдува сжатым воздухом или с помощью щеток либо метел, пыль поднимается в воздух рабочей зоны, т. е. наблюдается процесс вторичного пы-леобразования. Как показали исследования, проведенные автором в литейном цехе № 7 ООО «Энергомаш Белгород», интенсивность осаждения пыли в среднем составляет несколько сот грамм в час, концентрация пыли в воздухе рабочей зоны при работающих системах аспирации и общеобменной вентиляции превышает ПДКрз. в несколько раз (ПДКР.3=1 мг/м3), во время уборки концентрация пыли в зоне уборщика возрастает в 15 -20 раз, по сравнению с фоновой концентрацией, имевшей место до начала уборки.

Эффективное удаление осевшей пыли, исключающее вторичное пылеобра-зование, на промышленных предприятиях осуществляют системы централизованной вакуумной пылеуборки (ЦПУ). Более широкому распространению систем ЦПУ препятствуют сложности с унифицированным расчетом и проектированием этих систем. Магистральным направлением совершенствования методик расчета и проектирования систем ЦПУ на современном этапе, по нашему мнению, является использования математического аппарата для описания пыле аэродинамических процессов в элементах ЦПУ, особенно в пылеуборочных насадках. Это связанно с тем, что процессы эвакуации твердых частиц пыли посредством пылеуборочных насадков весьма сложны и их теоретическое описание ведется чаще всего на основе эмпирических зависимостей, не достаточно учитывающих многообразие внешних и внутренних факторов.

Таким образом, проблема обеспыливания воздуха рабочей зоны и совершенствование методик расчета и проектирования средств обеспечения безвредных условий труда в литейных цехах предприятий машиностроения, для которых характерен высокий уровень запыленности, является одной из актуальных задач в области охраны труда.

Цель работы: Улучшение условий труда путем снижения концентрации пыли в воздухе рабочей зоны участков переработки и транспортировки формовочных масс до значений ПДКр з. за счет совершенствования расчета и проектирования централизованных вакуумных систем борьбы с вторичным пылевыде-лением.

Поставленная цель определила следующие задачи исследования:

- экспериментальные исследование запыленности воздуха рабочей зоны участков переработки и транспортировки формовочных масс;

- разработка математической модели динамики пылегазового потока в полости насадка, учитывающей конструктивные параметры, физико-механические свойства убираемой пыли, потери кинетической энергии отдельных частиц при соударении со стенками насадка;

- разработка, на основании математической модели, метода расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок;

- разработка алгоритма численной реализации математической модели и комплекса прикладных программ для получения значений параметров, характеризующих рабочий процесс в насадке и значений потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок;

- экспериментальная проверка адекватности математической модели;

- разработка, на основании уравнений пыле-воздушного баланса, методики расчета эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания, позволяющей на стадии проектирования прогнозировать концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны.

Методы исследования. В работе использовались основные положения пылеаэродинамики, метод математического моделирования, методы решения линейных алгебраических уравнений и систем нелинейных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования выполнены на специально разработанной установке полупромышленного типа, результаты которых обработаны методами вероятностной и математической статистики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- на основании применения метода граничных интегральных уравнений и принципа суперпозиций при математическом моделировании динамики пыле-газового потока в полости насадка решена задача прогнозирования уноса частиц пыли заданного дисперсного состава, что имеет важное значение при проектировании систем централизованной вакуумной пылеуборки;

- на основании разработанного метода пофракционного расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок решена задача по учету двухфазности потока при определении сопротивления насадка, что во многом определяет точность расчета и эффективность работы системы централизованной вакуумной пылеуборки;

- на основании численного исследования влияния параметров основных конструктивных элементов однополочных и двуполочных насадков на составляющие скорости воздушного потока в полости насадка, конфигурацию линий тока воздуха, траектории движения частиц пыли дано теоретическое обоснование выбора рациональных конструкций насадков коллекторного типа.

На защиту представлены следующие научные положение и результаты:

- результаты исследования запыленности воздуха, дисперсного состава и плотности осевшей пыли на участках транспортировки и переработки формовочных масс на ООО «Энергомаш Белгород»;

- разработанная математическая модель динамики пылегазового потока в полости насадка, учитывающая конструктивные параметры насадка, физико-механические свойства убираемой пыли, потери кинетической энергии отдельных частиц при соударении со стенками насадка, дающая возможность на стадии проектирования прогнозировать унос осевшей пыли заданного дисперсного состава;

- разработанный метод расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, учитывающий дисперсный состав убираемой пыли;

- рекомендации по конструктивному исполнению насадков коллекторного типа, полученные на основании результатов численного эксперимента по установлению характера влияния параметров основных конструктивных элементов пылеуборочных насадков на составляющие скорости воздушного потока, построения линий тока воздуха, траектории движения пылевых частиц;

- результаты численного эксперимента исследования влияния массовой концентрации, плотности, диаметра частиц убираемой пыли, скорости в насадке на потери давления при транспортировании твердой фазы через насадок, позволяющие раскрыть механизм энергоемкости процесса пылеуборки;

- результаты экспериментального исследования определения потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок;

- методика расчета и проектирования систем централизованной вакуумной пылеуборки и методика расчета эффективности внедрения централизованной вакуумной пылеуборки в комплексе систем обеспыливания.

Практическая значимость работы:

- усовершенствованна методика технологического и гидравлического расчета систем централизованной вакуумной пылеуборки, за счет введения комплекса программ численной реализации математической модели динамики пы-левоздушных потоков в пылеуборочных насадках и методики расчета эффективности внедрения этих систем в комплексе систем обеспыливания. По этой методике выполнен проект системы централизованной вакуумной пылеуборки для литейного цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород», исходя из условий обеспечения ПДК пыли в воздухе рабочей зоны.

- создан пакет прикладных программ, позволяющий исследовать пыле- и аэродинамику в многосвязных областях полости насадка. Использование вышеуказанного пакета программ целесообразно при разработке новых эффективных моделей насадков, исходя из условия обеспечения максимальной эффективности и экономичности процесса;

- даны рекомендации по проектированию однополочных и двуполочных насадков коллекторного типа. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложено конструктивное решение насадка, позволяющее повысить эффективность и интенсивность процесса эвакуации пыли с убираемой поверхности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Экология — образование, наука и промышленность» (г. Белгород, 2001-2003 г.); на Международной конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород 2003 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (128 источников) и 9 приложений. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и содержит 44 рис. и б таблиц.

Выводы

1. Для получения достоверной информации о физико-механических свойствах пыли, характерной для литейных производств, проведены исследования по определению гранулометрического состава и плотности ряда пылей образовавшихся на полу и оборудование в литейном цехе № 7 на ООО «Энергомаш Белгород». Анализ гранулометрических составов исследуемых пылей показал, что содержание пневмокониозоопасных частиц пыли размером менее 10 мкм в осевшей пыли составляет 5 % - 21 %.

2. Анализ, проведенных нами исследований запыленности воздуха рабочей зоны участков переработки формовочных масс в литейном цехе № 7 на ООО «Энергомаш Белгород» показал, что при работающих системах общеобменной вентиляции и аспирации, концентрация пыли в воздухе рабочей зоны непосредственно в местах обслуживания и ремонта оборудования превышает предельно допустимые концентрации - 4 - 19 ПДКР.3.

3. В соответствии с целью экспериментальных исследований - определение потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, разработана и апробирована методика проведения экспериментов, разработана схема, изготовлена и смонтирована экспериментальная установка полупромышленного типа для испытания пылеуборочных насадков. Сравнение расчетных значений потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок со значениями потерь давления, полученными экспериментально, подтвердило количественную адекватность разработанной математической модели, расхождение не превышает 12 %.

4. На основании введения комплекса программ численной реализации математической модели динамики пылевоздушных потоков в насадках разработана методика технологического и гидравлического расчета систем ЦПУ применительно к предприятиям по переработке сыпучих материалов.

5 ^ На основании уравнений пыле-воздушного баланса разработана методика расчета эффективности внедрения систем ЦПУ в комплексе систем обеспыливания, позволяющая на стадии проектирования прогнозировать концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны. Разработанный проект системы ЦПУ для участка транспортировки и переработки отработанной формовочной массы литейного цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород» позволит снизить концентра

3 3 цию пыли в воздухе рабочей зоны на данном участке с 6,71 мг/м до 1,78 мг/м , что ниже ПДКр.з.

6. Экономическая оценка применения систем ЦПУ, выполненная на примере цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород» с учетом потерь предприятия от воздействия пыли на средства производства и потерь социального характера от неудовлетворительных условий труда, показала, что расчетный годовой экономический эффект от эксплуатации системы ЦПУ составит 55540 руб. (в ценах 2005 г).

163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ исследований запыленности воздуха рабочей зоны участков подготовки и транспортировки формовочных масс литейного производства показал наличие повышенной концентрации пыли - 4-19 ПДКрл., которая складывается за счет первичного и вторичного пылевыделения. Эффективным способом борьбы с источниками вторичного пылеобразования являются системы централизованной вакуумной пылеуборки, широкое внедрение которых на предприятиях в значительной степени определяется унифицированным расчетом и проектированием этих систем.

2. На современном этапе совершенствование расчета и проектирования систем централизованной вакуумной пылеуборки (ЦПУ) возможно на основе математического описания рабочего процесса в насадках с учетом конструктивно-режимных параметров, свойств частиц пыли (плотность частиц пыли, размер, дисперсный состав) и разработки методики оценки эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания.

3. На основании метода граничных интегральных уравнений и принципа суперпозиций разработана математическая модель динамики пылегазового потока в насадке, учитывающая конструктивные параметры насадка, физико-механические свойства убираемой пыли и потери кинетической энергии отдельных частиц при соударении со стенками насадка, что позволяет на стадии проектирования систем ЦПУ прогнозировать удаление пыли, заданного дисперсного состава.

4. На основе построенной математической модели разработан метод расчета потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок, который во многом определяет точность проектирования и, следовательно, эффективность работы системы ЦПУ в целом.

5. Разработаны алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие исследовать пыле- и аэродинамику в многосвязных областях полости насадка, что в значительной мере совершенствует расчет оптимальных параметров процесса эвакуации пыли, исходя из условий обеспечения его максимальной эффективности и экономичности.

6. Установлено, что потери давления на транспортирование твердой фазы через насадок возрастают с ростом массовой концентрации, плотности, диаметра частиц убираемой пыли, скорости в насадке. Сравнение расчетных значений потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок со значениями потерь давления, полученными на специально разработанной полупромышленной установке, подтвердило количественную адекватность математической модели, расхождение не превышает 12 % .

7. Установлены характерные виды траекторий движения частиц различного размера в полости однополочного и двуполочного насадка.

8. Даны рекомендации по проектированию однопол очных и двуполочных насадков коллекторного типа. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований получен патент РФ на полезную модель № 39261 от 27.07.04 «Насадок пылесоса».

9. На основании введения комплекса программ численной реализации математической модели динамики пылевоздушных потоков в насадках разработана методика технологического и гидравлического расчета систем ЦПУ применительно к предприятиям по переработке сыпучих материалов, которая дополнена, на основе уравнений пыле-воздушного баланса, разработанной методикой расчета эффективности внедрения систем ЦПУ в комплексе систем обеспыливания.

10. Экономическая оценка применения системы ЦПУ, выполненная на примере цеха № 7 ООО «Энергомаш Белгород» с учетом потерь предприятия от воздействия пыли на средства производства и потерь социального характера от неудовлетворительных условий труда, показала, что расчетный годовой экономический эффект от эксплуатации системы ЦПУ составит 55540 руб. (в ценах 2005).

1. Александров А. Н., Козориз Г. Ф. Пневмотранспорт и пылеулавливающие сооружения на деревообрабатывающих предприятиях. М.: Лесная промышленность. - 1988. - 247 с.

2. Алиев Г. М. Техника пылеулавливания и очистка промышленных газов. — М.: Металлургия. 1986. - 543 с.

3. Альбом унифицированного нестационарного оборудования систем ЦПУ для предприятий по производству стеновых материалов. Белгород: Изд. БТИСМ, 1998.-36 с.

4. Андрианов Е. И. Методы определения структурно-механических характеристик порошкообразных материалов. М.: Химия, 1982. - 256 с.

5. Арасланов Ш. Ф., Зарипов Ш. X. Расчет течения запыленного газа в инерционном воздухоочистителе. // Изв. РАН МЖГ 1996. - № 6. - С. 62 - 68.

6. Артамонова В. Г., Шаталов Н. Н. Профессиональные болезни. М.: Медицина, 1982. - 416 с.

7. Аэрозоли (Спурный К., Иех Ч., Седлачек Б., Шторх О.) М.: Пер. с чешс. Атомиздат. 1964. - 360 с.

8. Баланин Б. А., Злобин В. В. Экспериментальное исследование аэродинамического сопротивления простых тел в двухфазном потоке. // Изв. АН СССР, МЖТ. 1979. - № 3 - С. 159 - 162.

9. Балтренас П. Б. Обеспыливание воздуха на предприятиях стройматериалов. М: Стройиздат, 1990. - 184 с.

10. Балтренас П. Б., Юодис Э. К. Загрязненность воздушной среды и защита ее на предприятиях строительной индустрии. Обзорная информация. Вильнюс: ЛитНИИНТИ, 1986. - 44 с.

11. Банит Ф. Г., Мальгин А. Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленности строительных материалов. М.: Стройиздат, 1979. 352 с.

12. Баулина Е. Г. Исследование насадков для пневматического удаления пылив общественных зданиях. Автореферат кандидатской диссертации. М.,13,14,15,16,17,18,19