Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема загазованности воздуха рабочей зоны при обкатке и ремонте объектов автотракторного машиностроения 15
1.1. Характеристика технологического процесса обкатки комбайнов и другой сельскохозяйственной техники 15
1.2. Характеристика технологического процесса ремонтного обслуживания сельскохозяйственной техники и автомобилей 18
1.3. Химические вредные производственные факторы, действующие на работников обкаточных участков и ремонтно-обслуживающих зон 19
1.4. Гигиенические критерии и классификация условий труда при воздействии химического фактора рабочей среды 24
1.5. Принципы и виды нормирования вредных веществ в воздухе рабочей зоны 31
1.5.1. Виды нормирования 31
1.5.2. Ненормируемые вещества, косвенное нормирование 35
1.6. Методы и способы снижения загазованности в рабочей зоне на обкаточном участке и в зонах ТО и ТР 36
1.7. Оценка эффективности способов снижения загазованности рабочей зоны (критерии Э и,Э) 38
Глава 2. Анализ существующих методик инвентаризации вредных веществ и моделей процессов образования и выделения оксидов азота и бенз(а)пирена от источника 42
2.1. Обзор методик инвентаризации вредных веществ от производственных участков обкатки машин и зон ТО и ТР 42
2.1.1. Удельные показатели выбросов вредных веществ в атмосферу ремонтно-обслуживающих предприятий и машиностроительных заводов агропромышленного комплекса 43
2.1.2. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу основным технологическим оборудованием предприятий автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения 46
2.1.3. Методика проведения инвентаризации выбросов в атмосферу для авторемонтных предприятий (расчетным методом) 49
2.1.4. Методики определения количества выделяемых ВВ от транспортных, технологических машин и стационарных комплексов 51
2.1.5. Полуэмпирические методы определения динамики эмиссии вредных веществ от источника выделения 52
2.2. Модели горения как основа для моделирования образования и выделения вредных веществ 56
2.2.1. Модели горения как основа для моделирования образования и выделения вредных веществ 56
2.2.2. Основные механизмы образования оксидов азота при сжигании углеводородных топлив 60
2.2.3. Существующие модели образования окислов азота. 61
2.3 Образование и выделение газообразных углеводородов и бенз(а)-
пирена 74
Глава 3. Математическая модель процесса выделения бенз(а)пирена. Уточненная модель процесса выделения окислов азота 79
3.1. Построение математической модели Б(а)П 79
3.2. Нахождение неизвестных параметров модели 81
3.2.1. Метод каскадной факторизации 81
3.2.2. Модификация метода каскадной факторизации 82
3.3. Алгоритм исследования модели 83
3.4. Программная реализация математической модели образования и сгорания Б(а)П в дизельных двигателях сельхозмашин 85
3.4.1. Комбайн «Acros-530», дизель ЯМЗ-236 85
3.4.2. Комбайн «Acros-530», дизель ЯМЗ-238 87
3.4.3 Тракторы с двигателями Д-120 и Д-240 89
3.4.4. «КАМАЗ 5320» с дизелем К-740 90
3.5. Результаты исследования 93
3.6. Технические нормативы выделения [С20#12] от дизельных машин. 96
3.7. Уточненная модель процесса выделения окислов азота 98
Глава 4. Экспериментальные исследования процессов образования и выделения вредных веществ от источника загрязнения 102
4.1. Мониторинговая система для проведения измерений в источнике загрязнения 102
4.2. Особенности получения экспериментальных данных по токсичным веществам в отработавших газах 104
4.3. О методических особенностях получения экспериментальных данных для Б(а)П аппаратными средствами 113
4.4. Экспериментальные исследования для идентификации разработанных математических моделей выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны 117
4.5. Проведение замеров содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны 119
4.6. Улучшение условий труда работников машиностроительных предприятий при обкатке и ремонтном обслуживании дизельных машин применением малотоксичных топлив 127
Глава 5. Практическая реализация разработанных моделей и программных средств для решения задачи снижения загазованности рабочих зон 133
5.1. Расчет вентиляции помещения обкатки комбайнов 133
5.1.1. Расчет выбросов вредных веществ в рабочую зону участка при обкатке машин (на примере комбайнового завода) 133
5.1.2. Алгоритм расчёта выбросов ВВ от участка обкатки комбайнов при их производстве и после ремонта 134
5.1.3. Расчёт максимально-разовых выбросов ВВ в рабочую зону участка обкатки комбайнов с использованием методики ГИПРОАВТО-ПРОМА и НИИОГАЗ 136
5.1.4. Расчёт потребных воздухообменов на выделение вредных веществ на участке обкатки комбайнов по методике [17] 140
5.1.5. Расчёт максимально-разовых выбросов токсичных веществ в рабочую зону участка обкатки комбайнов по разработанным моделям 141
5.1.6. Определение массовых выбросов ~Б(а)Т1 на каждом из рассматриваемых режимах обкатки комбайна 144
5.1.7. Расчет выбросов оксидов азота при обкатке комбайна DON- 680М 145
5.1.8. Расчет выбросов альдегидов при обкатке комбайна DON-680M 146
5.2. Расчёт потребных воздухообменов для проектирования системы общеобменной вентиляции помещений зон ТО и ТР 148
5.2.1. Расчет выбросов вредных веществ в зону технического обслуживания и текущего ремонта (ТО и ТР) дизельных автомобилей 148
5.2.2. Расчет выбросов бенз(а)пирена в зону ТО и ТР от дизельных автомобилей КАМАЗ 5320 150
5.2.3. Расчет выбросов альдегидов в зону ТО и ТР от дизельных автомобилей КАМАЗ 5320 153
5.2.4. Расчет валовых выбросов вредных веществ в зону ТО и ТР для тупиковых постов автомобилей КАМАЗ 5320 154
5.2.5. Расчет валовых выбросов вредных веществ в зону ТО и ТР для поточной линии автомобилей КАМАЗ 5320 154
5.2.6. Расчет максимально-разового выброса і-го вредного вещества в зону ТО и ТР для тупиковых постов автомобилей КАМАЗ 5320 155
5.2.7. Расчет максимально-разового выброса і-го вредного вещества в зону ТО и ТР для поточной линии машин КАМАЗ 5320 157
5.2.8. Суммарные часовые максимально-разовые выбросы вредных веществ в зону ТО и ТР машин КАМАЗ 5320 158
5.2.9. Расчёт потребных воздухообменов помещения зоны ТО и ТР 158
5.2.10. Расчёты потребных воздухообменов для различных помещений зон ТО и ТР дизельных и карбюраторных машин 161
5.3. Определение расчётных воздухообменов для вентиляции участка обкатки машин при выпуске модифицированных комбайнов 164
5.4. Расчет накопления вредных веществ в замкнутом объёме помещения обкатки машин в аварийной ситуации. Выбор датчиков загазованности 165
Заключение 168
Список сокращений 169
Список обозначений 170
Список литературы 176
- Химические вредные производственные факторы, действующие на работников обкаточных участков и ремонтно-обслуживающих зон
- Полуэмпирические методы определения динамики эмиссии вредных веществ от источника выделения
- О методических особенностях получения экспериментальных данных для Б(а)П аппаратными средствами
- Расчёт максимально-разовых выбросов ВВ в рабочую зону участка обкатки комбайнов с использованием методики ГИПРОАВТО-ПРОМА и НИИОГАЗ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Улучшение условий труда при воздействии вредных веществ (ВВ) на работников машиностроительных предприятий является актуальной задачей. Технологический цикл изготовления (ремонта) машин завершается серийными испытаниями сборочной единицы (обкатка). Эти испытания сопровождаются выделением в воздух рабочей зоны (РЗ) с отработанными газами (ОГ) различных ВВ: оксидов углерода, азота, альдегидов, сажи, бенз(а)пирена (b(afl\), паров топлив и масел, а также избытков теплоты. Если решению проблемы снижения загазованности испытательных станций на двигателестроительных заводах были посвящены некоторые исследования, то для участков обкатки и ремонта машин она ранее не рассматривалась. Концентрация ВВ в воздухе РЗ участков обкатки различных машин превышает предельно-допустимые концентрации ПДКр3 по оксидам углерода в 5-Ю раз, оксидам азота в 25-30 раз, альдегидам в 15-20 раз. Значительно превышены концентрации ВВ над ГІДК на производственных площадках (ПП) машиностроительных и ремонтно-обслуживающих предприятий. При серийных испытаниях объектов автотракторного машиностроения (комбайны, трактора, автомобили) в производственных помещениях обкаточных участков и испытательных станций, когда ассимиляция ВВ работающего двигателя ограничивается объемом помещений, основные продукты горения при неправильно спроектированной вентиляции или в аварийной ситуации (разгерметизация отсосов ОГ) могут создавать опасность для здоровья испытателей. Загазованность рабочих зон имеет место и при производстве ре-монтно-обслуживающих работ, увеличиваясь в холодный период года. Не разведённые воздухом выхлопные газы непригодны для дыхания и смертельно опасны для испытателей и ремонтных рабочих за счет наличия в них токсичных составляющих.
Поэтому не вызывает сомнения, что задача снижения вредного воздействия выбросов испытуемых машин на воздушную среду рабочих зон, поставленная в диссертации, является актуальной. Поставленная задача может быть решена за счёт применения комплекса мероприятий, направленных на уменьшение выделения ВВ: в Самом источнике образования (двигатель); на пути распространения (системы общей и локальной вентиляции, очистка вентиляционных выбросов) и непосредственная защита работающих.
Для решения поставленной задачи необходима разработка методов оценки и нормирования опасных и вредных химических факторов, а также разработка систем мониторинга и автоматизированных систем сигнализации о таких опасностях.
Целью исследования является улучшение условий труда испытателей обкаточных участков и работников ремонтно-обспуживающих предприятий машиностроения путём обеспечения концентраций токсичных веществ в воздухе РЗ не выше ПДКМ.
Для достижения поставленной цели решен ряд задач:
Произведена оценка состояния загазованности воздушной среды РЗ обкаточных участков и зон ТО и ТР машин.
Проанализированы существующие методы расчёта образования и выделения ВВ от двигателей машин в воздушную среду РЗ.
Разработаны математические модели процессов образования и выгорания B{ajn и оксидов азота с тем, чтобы определить концентрации и массовые выбросы этих веществ для различных машин в воздушную среду РЗ.
Уточнена методика расчёта потребных воздухообменов для помещений обкаточных участков машиностроительных предприятий, учитывающая индивидуальные свойства двигателя машины, режим работы и расширенный спектр выделяемых в РЗ ВВ.
Оценена эффективность различных мероприятий, снижающих загазованность воздуха РЗ обкаточных участков, зон ТО и ТР производства и выделены наиболее перспективные.
6. Разработанны модели и методики, а также программные
средства для прогнозирования качества воздуха РЗ (на примере обка
точного участка ОАО «КЗ «Ростсельмаш»).
На защиту выносятся следующие основные положения:
математические модели процессов образования и выгорания Bfa/l и оксидов азота в источнике выделения вредных веществ;
расчётные технические нормативы и удельные показатели выбросов Ъ(а/] и оксидов азота от дизельных машин;
связь технических и санитарно-гигиенических критериев нормирования негативного воздействия выбросов ВВ объектами автотракторного машиностроения на воздушную среду РЗ и ПП предприятий;
усовершенствованная методика инвентаризации выделения BfaJ] и оксидов азота от двигателей машин в воздух РЗ обкаточных и ремонт-но-обслужйвающих участков;
уточненная методика расчёта потребных воздухообменов для обкаточных участков и зон технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (ТР) машин, учитывающая индивидуальные свойства источника (двигателя), режимы его работы и расширенный спектр выделяемых в РЗ ВВ, в том числе канцерогены;
показано, что эффективность различных способов снижения загазованности РЗ можно характеризовать коэффициентом эквивалентной СО эмиссии ВВ.
Реализация поставленной цели предполагает использование методов математического моделирования процессов образования и выделения'ВВ, позволяющих определять массовые выбросы и уровни опасных концентраций в воздухе РЗ.
Рабочая гипотеза диссертации базируется на исследовании связи технических и санитарно-гигиенических критериев нормирования негативного воздействия выбросов машин на воздушную среду РЗ и ПП предприятия.
Предмет и объект диссертационного исследования.
Предметом исследования являются производственные процессы обкатки и ремонта дизельных машин, в результате которых выделяются вредные вещества в РЗ предприятия. Объектом исследования является воздух РЗ участка обкатки и ремонтных зон.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
выявлена и описана проблема загазованности РЗ участков обкатки комбайнов, как один из значимых вредных химический факторов, воздействующих на работников;
предложена уточненная методика расчёта потребных воздухообменов для помещений обкаточных участков и зон ТО и ТР машин, которая учитывает индивидуальные свойства источника загрязнения, режимы его работы и расширенный спектр выделяемых в РЗ ВВ; ,
уточнена методика инвентаризации выделения ВВ в воздух РЗ в отношении выбросов Ъ(а}Л и оксидов азота при производстве обкатки и ремонте машин;
- разработаны математические модели образования и выгорания
Ъ(а}Л и оксидов азота в источнике, которые позволяют определить,
концентрации и массовые выбросы этих ВВ от различных-машин в воз
душную среду РЗ.
Практическая ценность. --''"
- выработаны рекомендации, позволяющие обоснованно выбрать
производительность вентиляционных установок, обеспечивающих,
потребный воздухообмен для участкрвобкатки и помещений ТО и ТР
машин; ,-:,
усовершенствована методика инвентаризации выбросов ВВ в отношении Ь(а$\ и оксидов азота, доказана необходимость учёта этих выбросов для расчёта потребного воздухообмена при проектировании систем вытяжной вентиляции производственных участков машиностроительного предприятия;
разработана математическая модель процесса образования и выгорания Б(а/] в источнике загрязнения и программный продукт, который позволяет оперативно оценить концентрацию канцерогена в ОГ двигателя и рассчитать его массовое выделение в воздух РЗ;
определены коэффициенты эквивалентной СО эмиссии ВВ, позволяющие оценить эффективность различных способов снижения загазованности РЗ обкаточного участка;
даны рекомендации по улучшению условий труда испытателей за счёт применения в источнике загрязнений методов, способствующих уменьшению загазованности (применение при обкатке малотоксичных топ-лив, внедрение систем очистки и нейтрализации ОГ, регулировка топливной аппаратуры двигателей).
Реализация работы в промышленности. Результаты исследований апробированы и внедрены на обкаточном участке ООО «КЗ «Ростсельмаш» и в 000 «Экология транспорта».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Металлургия. Машиностроение. Станкоин-струмент" (Ростов-на-Дону, ВЦ Вертолэкспо, 2008 г.), VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Инновационные технологии и экономика в машиностроении" (г. Юрга, ТПУ, 2008-2009 г.), 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.), и Всероссийской научно-технической конференции "Автотранспортный комплекс - проблемы и перспективы, экологическая безопасность" (Пермь, ПГТУ, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 183 страниц машинописного текста, 27 таблиц, 34. рисунков, список библиографических источников из 61 наименований. Отдельное приложение на 12 страницах.
Химические вредные производственные факторы, действующие на работников обкаточных участков и ремонтно-обслуживающих зон
На территории РФ размещено значительное число машиностроительных предприятий, производящих машины различного назначения и силовые установки для них. На всех этих предприятиях имеются обкаточные производственные участки и испытательные станции, предназначенные как для испытаний, обкатки и регулировки двигателей, так и для проверки работоспособности самих машин. Во время проведения таких испытаний объекты автотракторного машиностроения работают под нагрузкой в течение длительного времени и выбрасывают непосредственно в атмосферу и воздух РЗ большое количество вредных веществ.
Повышенная загазованность сохраняется в течение всего рабочего времени в воздухе помещений участков обкатки машин. Ситуация ещё более осложняется в случае нестационарных режимов работы машин, во время которых (прогрев, холодный пуск двигателя) выбросы указанных ингредиентов достигают пиковых значений, увеличиваясь в несколько раз.
Технологию процесса обкатки комбайнов, тракторов и другой сельскохозяйственной техники представим на примере обкаточного участка сборочного цеха ОАО КЗ «Ростсельмаш» (Приложение Ж).
Единица готовой продукции - комбайн - с главного конвейера подаётся кран-балкой на место заправки горюче-смазочными материалами. На весь технологический процесс обкатки комбайн заправляется топливом (емкость бака примерно 55л). Затем самоходом или на транспортёре доставляется на стенды обкатки. Эти стенды оборудованы необходимыми устройствами и приспособлениями для имитации нагрузки на рабочие органы комбайна — на- грузочные барабаны. В ходе проведения испытаний двигатель комбайна работает на различных нагрузочных режимах. Обкатка на стенде производится в номинальном режиме, близком к максимальной мощности, а проверка работы кондиционеров комбайна осуществляется на холостом ходу. При этом машина выделяет вредные вещества в воздух рабочей зоны, оказывая вредное воздействие на операторов стенда, водителей-испытателей, крановщиц и ремонтных рабочих. Для их защиты такие стенды оборудованы системами локальной вытяжной вентиляции — местными отсосами, а также системой общей и аварийной вентиляции всего цеха.
Эффективность такой защиты работающих составляет срот =70-95% улавливания вредных веществ [9]. После проведённых регламентных работ машина самоходом съезжает со стенда и, если испытания прошли успешно, перемещается на пост заправки и проверки кондиционера. Обслуживание комбайна на этом посту производится при работающем двигателе на холостом ходу (XX). При этом выделяется большое количество ВВ непосредственно в воздух рабочей зоны, так как эти посты не оборудованы местными отсосами. После этого машина уходит на территорию предприятия для прохождения ездовой обкатки. В случае несоблюдения требуемых качеств или отказов при испытаниях машина направляется обратно в сборочный цех. После устранения неисправностей машина снова проходит стендовую обкатку, затем ездовую. Всё это занимает большой промежуток времени (от нескольких часов до нескольких рабочих смен). Технический регламент испытаний сборочной единицы на участке обкатки сборочного цеха: испытания дизеля с прокруткой электростартером и проверкой автоматической системы контроля (АСК) комбайна. контроль основных параметров. испытания и очистка гидросистемы. испытание взаимодействия рабочих органов агрегатов с проверкой АСК. испытание работоспособности электрооборудования. испытания ходовой части. испытание надежности стояночного тормоза. испытание функционирования кондиционера. испытание-сдача пробегом (ездовая обкатка). Приведем приблизительный технологический расчет необходимого времени на выполнение обкатки единицы продукции. Расчет времени представим в соответствии с указанным выше регламентом технического контроля. 1. Производится «холодный» запуск двигателя в течение времени т = 1 мин при минимальной подаче топлива на холостом ходу. 2. Через 1 минуту перерыва производится «горячий» повторный пуск в течение т = 2 мин - прогрев в режиме холостого хода при п = 550 н- 650 б/ 3. Производится испытание комбайна на всех режимах, включая номинальный, т.е. при максимальной подаче топлива, п = 2000 б/ Время не лимитировано, зависит от типа машины, может продолжаться до 1.5 -2час. 4. Очистка гидросистемы (ГСТ), занимает г = 15 мин и производится при п = 1500 б/ . г /мин 5. Испытание взаимодействия рабочих органов агрегатов с проверкой АСК, длится г = 30 мин. 6. Испытания работоспособности электрооборудования, т = 2 мин. 7. Испытания ходовой части, г = 1 мин. 8. Испытания надежности стояночного тормоза г = 5 мин. Таким образом, обкаточные испытания на стенде составляют не менее 57 минут, без учета времени проведения испытаний по п.З. 9. Испытание функционирования кондиционера. На пост заправки и проверки кондиционера комбайн едет самоходом на холостом ходу (без на грузки). Напомним, что такие посты не оборудованы местными отсосами. Время заправки и проверки систем кондиционирования составляет в общей сложности г = 30мин. 10. Далее производится обкатка по территории предприятия. Кон трольный пробег составляет не менее 20км, передвижение машины осущест вляется со скоростью 5-10км/ч. После прохождения ездовой обкатки комбайн самоходом едет на площадку готовой продукции.
Полуэмпирические методы определения динамики эмиссии вредных веществ от источника выделения
Вопросы образования ВВ при горении углеводородных топлив нашли отражение в трудах Зельдовича Я.Б. [27], Лукачева СВ. [28], Смайлиса В.И. [29], Кульчицкого А.Р. [ЗО], Махова В.З. [31], Звонова В.А. [32], Разлейцева Н.Ф. [33], Лоскутова А.С. [34] и других авторов.
Физико-химическое моделирование процессов образования вредных веществ базируются на моделях горения топлив соответствующих типов двигателей. Поэтому сначала рассмотрим модели горения с тем, чтобы уяснить специфику построения в дальнейшем моделей образования токсичных компонентов в ДВС. Широкое распространение получили модели: капельного, мольного, поверхностного и диффузионного горения [26].
В моделях капельного горения (рис.2.3) основной единицей расчета процесса горения является одиночная капля топлива. Диффузионный фронт пламени, окружающий каплю, разделяет зону смеси продуктов горения и окислителя с одной стороны, и зону смеси паров топлива и продуктов горения, а также жидкого топлива - с другой стороны. Местоположение фронта пламени определяется из условия стехиометрического соотношения топлива и окислителя в зоне горения (а=1). Расчёт процесса горения в дизеле на основе горения множества капель дает возможность учета микрораспределения температуры и концентрации окислителя.
Однако макрораспределение этих величин в объеме КС определяется не отдельными каплями, а топливными неоднородностями в масштабе КС. Кроме того, вероятность существования отдельных капель при максимальных температурах горения невелика. Жидкая струя топлива при критических термодинамических условиях ведет себя как турбулентная газообразная струя. Соотношение паровой и капельной фаз в топливной струе является функцией параметров топливоподачи и условий в камере сгорания, а это оказывает влияние на условия горения и образования вредных веществ. Расчет образования NOx по такой модели ведется на основании равновесной термодинамики, базирующейся на средних температурах и не учитывающей изменений полей температуры и концентрации окислителя во времени, и не описывает адекватно физику процесса образования и разложения NOx в дизеле.
Согласно моделям мольного горения все топливо, находящееся в камере сгорания, сгорает в виде отдельных молей. На рис. 2.3 ТПСІ -температура отдельных молей, То — температура сжатия; NO; — концентрация оксида азота в каждом моле; NO — изменение суммарной концентрации оксида азота в КС. Величина молей либо одинаковая, либо пропорциональна тепловыделению за некоторый промежуток времени. Сгорание молей происходит или при стехиометрических условиях (а = 1), или при а = аср по всей камере сгорания. Концентрация кислорода в продуктах сгорания отдельного моля является функцией а. Температурное поле в каждый момент времени определяется совокупностью температур продуктов сгорания от каждого моля. Искусственное разделение объема камеры сгорания на отдельные не перемешивающиеся зоны исключает возможность учета влияния тепло- и массопереноса между этими зонами, что ведет к искажению температурного и концентрационного полей в КС. Ошибка увеличивается вследствие осреднения состава продуктов сгорания и температуры в этой зоне и не позволяет учитывать микрораспределение этих параметров, искажая оценку характера образования NOx, зависящего от локальных, а не от средних параметров.
Модели поверхностного горения основаны на том, что топливный факел представляет собой единое целое, и горение происходит на общей поверхности. Топливо, подаваемое во время горения, попадает в центр топливного факела, образуя переобогащённые зоны, где образуется сажа. В переобеднённых зонах, совпадающих с зоной горения, происходит процесс окисления азота. Изменение температуры и концентрации окислителя в зоне образования оксида азота является фактически функцией среднего коэффициента избытка воздуха и тепловыделения алок.
В этих трех типах моделей процесса горения в дизеле не учитывается взаимовлияние процессов смешения и горения, поэтому непрерывные ПОЛЯ температуры и концентрации окислителя и топлива заменяются дискретными осредненными значениями. Не рассматривается также вопрос распространения пламени и особенности образования оксида азота в этот период. Не учитывается роль диффузии продуктов сгорания из зоны горения, а оксида азота — из зоны его образования. Фактически для расчета процесса образования NO в дизеле применяются модели горения гомогенных смесей. Модель диффузионного горения имеет качественное отличие от этих трех моделей. Эта модель учитывает нестационарность переменных полей температуры и концентраций в КС двигателя.
Процесс сгорания состоит из двух фаз: 1) фазы нестационарного формирования на изостехиометрической по верхности F диффузионного фронта пламени — это процесс охвата пламенем топливно-воздушного факела в зоне от нижнего до верхнего концентрацион ного пределов горения; 2) фазы квазистационарного горения топлива в диффузионном пламени. Процесс окисления азота начинается с температур, характерных для протекания химической реакции горения в области лимитирующего влияния выгорания, что соответствует диффузионному режиму горения. Если поле температур достигает диапазона от адиабатической температуры горения до адиабатической температуры сжатия, то в объеме КС все количество оксида азота можно разделить на закаленное и незакаленное.
О методических особенностях получения экспериментальных данных для Б(а)П аппаратными средствами
Горение углеводородных топлив в двигателях приводит к образованию и выбросу вредных веществ, среди которых присутствует широкий класс соединений с общим названием «несгоревшие» углеводороды (СпНт). К ним ОТНОСЯТ как топливо, выбрасываемое из камеры сгорания в виде капель или пара, так и продукты разложения исходного топлива на углеводороды меньшей молекулярной массы. Кроме того, в процессе горения создаются условия для синтеза более тяжелых углеводородов. То есть, под несгоревшими углеводородами подразумевается целый спектр органических соединений.
Классификацию углеводородов проводят по следующим структурным признакам, определяющим свойства этих соединений [28]: - строение углеродной цепи; - наличие в цепи кратных связей между атомами углерода, двойных С - С и тройных С = С (степень насыщенности).
В состав молекул ароматических углеводородов входит одно или несколько бензольных колец с шестью атомами углерода и тремя двойными связями. Углеводороды, образованные на основе соединения двух и более бензольных колец в молекуле, объединяются в класс полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Первым углеводородом ароматического ряда является бензол - СбНб. Двойные связи бензольного кольца не имеют строго фиксированного положения, как у других углеводородов, а непрерывно и самопроизвольно меняются местами с одинарными связями, поэтому структурную формулу бензольного кольца с распределением двойных и одинарных связей рассматривают как условную. Широкий спектр ПАУ группируется по принципу соединения бензольных колец. По своей структуре ароматические углеводороды подобны нафтенам, в них содержится меньше водорода, поэтому у таких соединений более высокая склонность к образованию сажи.
Степень неблагоприятного воздействия отдельных групп углеводородов существенно отличается, а их сравнительную оценку можно провести по утвержденным санитарным нормам ПДК. Наименьшими токсическими свойствами обладают предельные алифатические углеводороды (ПДК на уровне 60-300 мг/м , класс опасности - 4); далее следуют непредельные алифатические и нафтеновые углеводороды, а также ароматические углеводороды с числом колец до двух включительно (ПДКатм =0,003-3,0мг/м3, ПДКрз=15-100мг/м3, класс опасности - 2-4). Для ПАУ (фенантрен, пирен) установлены еще более низкие ПДК, хотя и только для воздуха РЗ (ПДКрз = 0,03-0,8 мг/м класс опасности - 1-2). Особое место в этом списке занимает Б(а)П (класс опасности -1), предельно допустимые концентрации которого как для атмосферного воздуха, так и для воздуха РЗ на несколько порядков жестче, чем для углеводородов любой группы. Это связано с тем, что В(а)П, как было сказано в главе 1, обладает способностью вызывать раковые заболевания у живых организмов и мутацию клеток. В работе [28] подчеркивается особая роль бенз(а)пирена в группе канцерогенных ПАУ, так как это соединение достаточно стабильно, что позволяет ему накапливаться и переноситься на большие расстояния. Кроме того, ни в одном исследовании не было обнаружено отсутствие Б(а)И при наличии других ПАУ. На основе этих выводов в отечественной практике и приняты ПДК только для одного канцерогенного ПАУ - бенз(а)пирена.
При горении топлив, содержащих в своем составе ароматические углеводороды, образование Б(а)П может идти двумя путями: посредством прямой конденсации бензольных колец и в результате распада ароматических структур на углеводородные фрагменты, которые затем полимеризуются с образованием ПАУ (в том числе и Б(а)П). Анализ схемы синтеза ПАУ, с учетом принятых допущений, позволил сформулировать в [28] модельное дифференциальное уравнение для концентрации Б(а)И в источнике образования ВВ: где т - текущее время (сек); первое слагаемое правой части описывает образование Ъ(а)И из С2Н2 (об. %), второе слагаемое - переход Б(а)И в более тяжелые ПАУ, константы Ki и К2 определяются из эксперимента. В [28] Лукачев СВ. предположил, что показатели степени имеют порядок: m 5, n 2 и их можно уточнить с помощью экспериментальных данных. Свою модель образования и выгорания бенз(а)пирена он рассчитывал для ракетных и самолетных двигателей, а также для топок котельных, а в нашем случае рассматриваются комбайновые, тракторные и автомобильные двигатели. Учитывая, что время работы г и угол поворота коленвала р связаны соотношением d p = a)-dT, после преобразований (2.14) получим уравнение, которое далее используем для оценки токсичности машин по Б(а)П [13]: d[C20H)2]_l Отметим, что для реализации этой модели достаточно иметь рассчитанные массивы по выбросам углеводородов CnHm( ), а также некоторые конструктивные параметры двигателя, которые определяются AC «ENGINE». Константы Kt и К2 определяются по экспериментальным данным. Выводы. Анализ методик показал, что, несмотря на значительный объем исследований и многообразие расчетных методик определения выбросов ВВ, не всегда и не на всех режимах испытаний машин учитываются высокотоксичные вещества, в том числе бенз( )пирен, альдегиды и оксиды азота. К основным недостаткам известных методик инвентаризации и методик по выбору вентиляционного оборудования участков обкатки (испытаний) машин и помещений зон ТО и ТР можно отнести следующие: 1. методики ориентированы на укрупненные выбросы, основываясь на приближенных удельных показателях выбросов вредных веществ, а расчеты вентиляции в дальнейшем ведут на максимально-разовый часовой выброс; 2. удельные показатели выбросов ВВ определены для абстрактных источников загрязнения и не учитывают их индивидуальные свойства и режимы работы.
Расчёт максимально-разовых выбросов ВВ в рабочую зону участка обкатки комбайнов с использованием методики ГИПРОАВТО-ПРОМА и НИИОГАЗ
Выброс Б(а)П с выхлопными газами составляет микродозы - 1-350 мкг/кг сгоревшего топлива, что на 5-6 порядков меньше выброса обычно нормируемых токсичных веществ: углеводородов (СХНУ), оксида углерода (СО), оксидов азота (NOx). Поэтому для определения концентрации Б(а)И (и других ПАУ) необходимы специальные методы измерения, которые по способу воздействия на объект исследования можно разделить на бесконтактные и контактные. Бесконтактные методы базируются на использовании лазерного облучения факела пламени с последующим измерением интенсивности флуоресценции продуктов сгорания. Наиболее распространенными являются контактные методики, основанные на зондовом способе отбора проб продуктов сгорания. Их можно разбить на следующие этапы: - собственно отбор пробы; - подготовка ее к анализу; - количественное определение содержания ПАУ в пробе. Рассмотрим эти этапы подробнее.
В высокотемпературных продуктах сгорания ПАУ (в том числе и В(а)Т) могут находиться в парообразном состоянии, в виде мельчайшей смолистой аэрозоли и адсорбированными на частицах сажи [40]. Отбор пробы заключается в прокачке продуктов сгорания через фильтрующие элементы. При этом предполагается, что ПАУ фильтрами улавливаются полностью. Чаще всего используют фильтры из ткани Петрянова, стекловолокна, пенополиуретанов, адсорбентов ХАД-2. Для предотвращения конденсации ПАУ на элементах линии отбора пробы рекомендуется поддерживать температуру ее стенок около 150-200С (423-473 К) [41,42,43]. В то же время для эффективного их улавливания фильтрами температура последних должна быть по оценкам разных авторов 313-ЗЗЗК [43,44]. В этом диапазоне большая часть Ъ(а)И находится в виде аэрозоли, которая может быть задержана фильтром.
При глубоком охлаждении (до 77К) иногда наблюдается «проскок» Ъ(а)И через фильтры. Кроме того, существует возможность разложения ПАУ в результате реакций на горячих поверхностях пробоотборника или отводящей трубы, а также взаимодействие с окислами азота и серы, имеющимися в продуктах сгорания. Таким образом, отбор пробы является наиболее ответственным этапом методики определения ПАУ в продуктах сгорания, определяющим достоверность получаемых результатов [45, 46].
На этапе подготовки пробы производится извлечение ПАУ из фильтров и перевод их в раствор, который в дальнейшем подвергается анализу. Извлечение ПАУ из фильтров можно осуществлять путем горячей экстракции в аппарате Сокслета в течение 8-24 часов или в результате облучения их ультразвуком в специальных установках. Облучение позволяет сократить время экстракции до 30-60 мин. В качестве растворителей ПАУ наиболее часто применяют бензол, толуол и метил хлорид [46,43].
На последнем этапе проводится количественное определение содержания ПАУ в растворе. Для этой цели разработаны и применяются различные методы, которые условно можно разбить на две категории: хроматографические и спектральные [26,3]. Суть хроматографических методов анализа ПАУ состоит использовании различия веществ по химической структуре и молекулярным массам. Преимуществом этих методов является их способность определять по результатам одного анализа 10 и более ПАУ. Развитие хроматографических методов анализа ПАУ идет по пути перехода от колоночной адсорбционной, тонкослойной и бумажной хроматографии, которые чаще всего используются как средство предварительного выделения фракции ПАУ из многокомпонентной смеси, к инструментальным методам. Наиболее важные из инструментальных методов - это газожидкостная хроматография и высокоэффективная жидкостная хроматография.
Совершенствование инструментальных методов хроматографии идет по следующим направлениям: а) перевод от высоких температур в аналитической части приборов к почти комнатным, б) переход от жестких методов воздействия во время анализа к более мягким, в) улучшение селективности разделения компонентов сложной смеси и повышением чувствительности. На современном уровне методы газо-жидкостной хроматографии и газовой хромато-масс-спектрометрии не удовлетворяют требованиям мягкости воздействия на анализируемое вещество [28]. Температура в аналитической части приборов может достигать 533-633К для газо-жидкостной хроматографии и 723К для газовой хромато-масс-спектрометрии, при этом возможны термическое разложение, катализ и другие превращения компонентов смеси. К недостаткам этих методов можно отнести и ряд технических и методических сложностей, снижающих достоверность анализа. Метод высокоэффективной жидкостной хроматографии является наиболее мягким по воздействию на вещество. В этом методе разделение происходит при комнатной температуре, а чувствительность зависит от применяемой системы детектирования. Совершенствование систем детектирования и другого инструментального обеспечения в будущем позволит проводить высокоэффективный анализ ПАУ в многокомпонентных смесях.
Спектральные методы основаны на флуоресценции молекул ПАУ, причем у разных по структуре молекул проявляется различный характер спектров. Наиболее эффективны в этом случае методы, основанные на замораживании пробы до температуры жидкого азота (77К) и даже гелия (4К). При этом относительно широкие полосы спектра, наблюдаемые при комнатной температуре, распадаются на группы очень узких полос. Это явление было открыто Э.В. Шпольским и названо квазилинейчатыми спектрами флуоресценции [47]. Надежную идентификацию ПАУ обеспечивают структурный характер таких спектров и их абсолютная индивидуальность. Поскольку молекулы Б(а)Т1 имеют ярко выраженный и интенсивный спектр флуоресценции, этот метод определения содержания Б(а)И обладает двумя преимуществами. Первое - часто не требуется предварительной подготовки экстракта пробы, которое заключается во фракционировании по группам ПАУ. Второе - реализация этого способа возможна с помощью отечественных спектрометров типа ДФС-24, обеспечивающих чувствительность анализа до 10"10 г/мл [44].
Итак, существующие методы количественного анализа позволяют с достаточно высокой точностью ±(12-16%) при доверительной вероятности 0,95 ([26,3]) определять содержание микродоз В(а)П в экстракте проб. Однако, несовершенство методов отбора проб значительно снижает достоверность определения содержания В(а)П в продуктах сгорания. Предлагаемая математическая модель образования и выгорания бенз(а)пирена рассчитывалась для дизелей ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 комбайнов Acros 530 и Дон-680М, Д-120, Д-240 тракторов, автомобиля К-741 КАМАЗ и некоторых других [7]. Температура на номинальном режиме работы таких двигателей около 400С, что, естественно, приводит к мгновенному сгоранию любых фильтров (из ткани Петрянова, из пенополиуретанов, адсорбентов ХАД-2, и т. п.). Для глубокого охлаждения и последующих двух этапов обработки результатов эксперимента необходимо использовать дорогостоящие приборы и оборудование, которое имеется только в крупных исследовательских центрах. По этой причине мы использовали уже известные надежные экспериментальные данные, в частности, данные работы [1,11].
