Совершенствование методики расчета систем централизованной вакуумной пылеуборки для литейных цехов предприятий машиностроения

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 пылеи 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 55 540 руб. (в ценах 2005 г).

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 пылеи 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 № 39 261 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 55 540 руб. (в ценах 2005).