Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 12
1.1. Анализ технологических процессов на деревообрабатывающих предприятиях как источника выделения загрязняющих веществ в воздух рабочей зоны. 12
1.2. Анализ методов и средств обеспыливания воздуха рабочей зоны при производстве строительных конструкций и изделий из древесины 17
1.3. Анализ характеристик пылеулавливающего оборудования, применяемого в системах аспирации на деревообрабатывающих предприятиях 20
1.4. Обоснование и выбор направления исследований 33
1.5. Выводы по первой главе 36
ГЛАВА 2. Определение исходных данных для повышения эффективности обеспыливания воздушной среды в производственных помещениях предприятий деревообработки 37
2.1. Характеристика объектов обследования 37
2.2. Анализ механических свойств древесины 39
2.3. Экспериментальные исследования процессов распространения пыли в деревообрабатывающих цехах.
2.3.1. Оценка запыленности воздуха на рабочих местах
2.3.2. Исследование распространения пыли в воздухе рабочей зоны 48
Исследования распространения пыли по высоте
помещения 56
Исследование процессов оседания пыли 60
Результаты обследования систем аспирации 63
Выводы по второй главе 66
Исследование дисперсного состава и основных свойств пыли, образующейся при производстве деревянных строительных конструкций 68
Дисперсионный анализ 68
Определение плотности пыли 77
Исследование аэродинамических свойств пыли 80
Определение слипаемости пыли 87
Диспергируемость пыли 89
Определение комплексных реологических свойств пыли. 90
Выводы по третьей главе 92
Разработка решений по снижению запыленности воздушной среды предприятия при производстве деревянных строительных конструкций 94
Решения по обеспечению надежности систем аспирации. 94
Разработка конструкции аппарата пылеочистки для систем аспирации 101
Оценка фракционного проскока аппарата ВЗП с конической сепарационной камерой 103
Экспериментальная оценка степени снижения пылевых выбросов 108
Описание лабораторного стенда и методика проведения экспериментальных исследований 108
4.4.2. Результаты предварительных экспериментальных
исследований 113
4.5. Выводы по четвертой главе 124
Заключение 125
Библиографический список
- Анализ методов и средств обеспыливания воздуха рабочей зоны при производстве строительных конструкций и изделий из древесины
- Оценка запыленности воздуха на рабочих местах
- Исследование аэродинамических свойств пыли
- Разработка конструкции аппарата пылеочистки для систем аспирации
Анализ методов и средств обеспыливания воздуха рабочей зоны при производстве строительных конструкций и изделий из древесины
Для решения задачи обеспечения требуемых нормативов по содержанию вредных веществ в воздухе рабочей зоны применяется вентиляция, как одно из средств коллективной защиты работающих от вредных производственных факторов: для поддержания концентрации вредных паров на уровне не выше ПДКрз - общеобменная приточно-вытяжная; для обеспыливания воздуха рабочей зоны - локализующая (местная вытяжная) (системы аспирации).
Для улавливания древесной пыли, стружки и опилок, образующихся при механической обработке материалов, деревообрабатывающие станки, устанавливаемые на механическом участке, оборудуются местными отсосами (приемниками), которые, как правило, встроены в конструкцию станка и в то же время являются ограждением его режущих частей [30, 56, 93, 101, 102]. Улавливание твердых примесей осуществляется за счет воздействия воздушного потока и за счет использования скорости движения твердых частиц, которую им сообщает режущий инструмент [30]. Объем удаляемого через приемники воздуха должен обеспечивать улавливание и передачу пыли в отсасывающий воздуховод, а также устойчивое транспортирование частиц во взвешенном состоянии по воздуховоду [30]. Главное условие при выборе объема отсасываемого воздуха - эффективное обеспыливание процессов обработки древесины. Поэтому объемы воздуха, удаляемого от различных станков, определяются не из условия обеспечения оптимальной концентрации частиц в воздушном потоке, а по результатам экспериментального обследования местных отсосов, обеспечивающих эффективное обеспыливание [30].
Как правило, у режущих головок токарных и фрезерных станков, отсутствует возможность устройства приемников. Поэтому в местах размещения этого оборудования, а также в тех участках производственных помещений, где возможно скопление стружек и опилок, предусматривается установка напольных отсосов непрерывного или периодического действия [30].
На заточном участке улавливание образующейся пыли осуществляется с помощью местных отсосов. Объем удаляемого ими воздуха определяется из условия 2 м3/ч на 1 мм диаметра заточного круга [30].
Пылеприемники различных станков сетью воздуховодов объединяются в системы аспирации, которые разделяются на разветвленные и коллекторные.
К первым (рисунок 1.1) [30, 56, 93, 101, 102] относятся системы с переменным диаметром магистрального воздуховода, который возрастает по мере подсоединения к нему ответвлений от отдельных станков.
В коллекторных системах (рисунок 1.2) магистральный воздуховод заменяется на коллектор (барабанный, вертикальный, горизонтальный, конусный), который представляет собой камеру практически постоянного статического давления [30, 56, 93, 101, 102, 113]. При таком решении создаются одинаковые аэродинамические условия для всех ответвлений от станков. Поэтому такие системы могут работать устойчиво вне зависимости от изменения числа станков или изменения их расположения.
Одним из основных элементов обеспечивающих обеспыливание воздуха рабочей зоны систем аспирации являются пылеулавливающие аппараты, в которых воздух подвергается очистке от пыли перед выбросом в атмосферу, и безотказность которых во многом определяет надежность аспирационных систем.
Оценка запыленности воздуха на рабочих местах
При проведении экспериментальных исследований распространения пыли в воздухе рабочей зоны отбор проб для определения концентрации пыли проводился на высоте 1,5 м от пола помещения на разных расстояниях от станков различного типа. Замеры осуществлялись в холодный, переходный и теплый периоды года. При этом отбор проб проводился при разных способах подачи приточного воздуха в помещение, характерных для деревообрабатывающего производства (п.п. 2.1). В течение смены в одной точке последовательно были отобраны по три пробы при условии, что работает только один из обследуемых станков при отключении остальномго оборудования.
В качестве примера на рисунках 2.2-2.7 приведены графические зависимости, характеризующие изменение концентрации пыли в воздухе рабочей зоны на разных расстояниях от круглопильного станка при обработке различных пород древесины. С, мг/м; X, Полученные данные свидетельствуют о том, что независимо от породы древесины и способа подачи воздуха концентрация пыли в воздухе рабочей зоны с расстоянием от станка изменяется по экспоненциальному закону. Результаты обработки экспериментальных данных показали, что это изменение аппроксимируется выражениями имеющими вид: при подаче воздуха с высоты до 4-х м
Аналогичные зависимости получены и для других станков, характерных для производства строительных изделий из древесины. Обработка экспериментальных данных показала, что при работе одного любого станка изменение концентрации пыли в воздухе рабочей зоны на уровне дыхания работающих в зависимости от расстояния от станка подчиняется экспоненциальному закону и в общем виде может быть выражено зависимостью вида Сх = Срмехр(-ах) (2.6) где Срм - концентрация пыли в воздухе на рабочем месте у соответствующего станка, мг/м3. Значения коэффициента а для разных станков определены по результатам натурных экспериментальных исследований и приведены в таблице 2.4. Таблица 2.4 - Экспериментальные значения коэффициента а в экспоненциальных зависимостях, характеризующих изменение концентрации пыли в воздухе рабочей зоны с расстоянием от разных станков Наименование станков а Круглопильные -0,501 Строгальные - 0,638 Фрезерные - 0,624 Шипорезные - 0,626 Ленточнопильные - 0,884 Сверлильные - 0,936 Шлифовально-ленточные -0,11 Рейсмусовые - 0,286
Исследования процессов распространения пыли по высоте помещения проводились на действующих предприятиях рассматриваемой отрасли. Для этой цели объем помещения разбивался на элементарные объемы. Длина и ширина элементарного объема соответствуют шагу колонн, высота - высоте помещения. На рисунке 2.8 на примере цеха, план которого приведен на рисунке 2.1, показано такое деление помещения. Отбор проб осуществлялся по аналогии с п.п. 2.3.1, 2.3.2 в точках, расположенных в разных частях помещения через каждые 0,5 м высоты. Схема расположения замерных точек в плане показана на рисунке 2,9. Схема расположения замерных точек на фронтальной поверхности элементарного объема приведена на рисунке 2.10. На боковых поверхностях элементарного объема замерные точки выбирались аналогично. ІйГЮО
Схема размещения замерных точек на фронтальной поверхности элементарного объема Исследования проводились при двух способах подачи свежего воздуха в помещение, характерных для рассматриваемых помещений - подача с высоты до 4-х м и подача непосредственно в рабочую зону.
Осредненные результаты исследований в виде графических зависимостей представлены на рисунках 2.11 и 2.12. При этом приняты следующие обозначения: h - высота замерного сечения, отнесенная к высоте помещения; С І - концентрация пыли в /-том замерном сечении, мг/ м3; С - концентрация пыли в воздухе, удаляемом в атмосферу из верхней зоны помещения, мг/ м3.
На рисунке 2.11 показано изменение концентрации пыли по высоте цеха при подаче воздуха непосредственно в рабочую зону. Для этого использовались воздухораспределительные панели ВЭПш, обладающие высокой эжектирующей способностью и обеспечивающие быстрое затухание скоростей на выходе из устройства [30]. Это позволяет устанавливать устройства для раздачи воздуха в непосредственной близости от рабочих мест.
Исследование аэродинамических свойств пыли
Данные о слипаемости пыли, образующейся при изготовлении деревянных строительных конструкций, необходимы для правильного выбора объема и скорости воздуха для устойчивого перемещения пыли по системе аспирации, а также для выбора типа пылеочистного оборудования.
Экспериментальная оценка слипаемости исследуемой пыли проводилась по методике Андрианова Е.И. [15, 69, 118]. Эта методика предполагает сравнение между собой и отнесение к той или иной группе различной по слипаемости пыли по количественному показателю - разрывной прочности пылевых слоев, которые специально формируются для этой цели. Этот показатель позволяет разделить все пыли по четырем группам слипаемости. К первой группе относят неслипающиеся пыли, ко второй - слабослипающиеся, к третьей -среднеслипающиеся, к четвертой - сильнослипающиеся [15, 69, 118]. По данным Андрианова Е.И. этим группам пыли соответствуют четыре интервала разрывной прочности слоя: менее 60 Па, от 60 до 300 Па, от 300 до 600 Па и более 600 Па [15].
Для определения слипаемости исследуемой пыли была использована экспериментальная установка, схема которой приведена на рисунке 3.22. В отличие от прибора Андрианова Е.И. [15, 69, 118] несколько иначе определялась величина разрывного усилия Fvy Разрывающее усилие прикладывалось к верхней части составного цилиндра с помощью рычажных весов (рисунок 3.22). Цилиндр подвешивается к одному плечу рычага весов. При этом нижняя часть цилиндра жестко закреплена. На второе плечо рычага подвешивается чашка с сыпучим материалом. При увеличении веса материала соответственно увеличивается приложенное к цилиндру усилие. Таким образом, величина разрывного усилия Fpy определяется весом сыпучего материала в момент разрыва пылевого слоя.
Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что разрывная прочность пылевых слоев для пыли, образующейся при обработке разных древесных пород, составляют: для сосны - 684 Па; для пихты - 679 Па; для лиственницы - 681 Па; для березы - 688 Па; для дуба - 673 Па; для ясеня -665 Па.
Таким образом, полученные результаты показывают, что независимо от породы древесины, образующаяся при ее механической обработке пыль относится к IV группе, т.е. является сильнослипающейся. 3.5 Диспергируемость пыли
Диспергируемость пыли, т.е. пылящая способность - одно из свойств пыли, которое характеризует способность порошкообразного продукта переходить во взвешенное состояние, а также склонность продукта к аэрированию [69].
В зависимости от величины пылящей способности пыли разделяются на три группы: более 70% - сильно пылящие; 50-70% - пылящие; 30-50% - слабо пылящие [69].
Для определения диспергируемости пыли, образующейся при механической обработке древесины разных пород, использовалась методика Пестова Н.Е. [69]. В соответствии с этой методикой исследования проводились следующим образом. Известная масса пыли через воронку порциями направляется в струю воздуха, который распыляет материал. Скорость воздушного потока при определении пылящей способности рекомендуется принимать 2 м/с. При этом часть пыли оседает на кристаллизаторе, который устанавливается под струей воздуха и центр которого находится на расстоянии 300 мм от центра воронки [69].
Таким образом, по результатам экспериментальных исследований установлено, что пыль, образующаяся при механической обработке древесины разных пород, по существующей классификации относятся к группе пылящих. Пылящая способность пыли, образующейся при механической обработке древесины Порода древесины Диспергируемостьп,% Группа Сосна 62 пылящие
Пихта 60 Лиственница 57 Береза 52 Дуб 54 Ясень 55 3.6 Определение комплексных реологических свойств пыли Комплексные реологические свойства пыли составляют аркообразование, аэрироемость и сыпучесть. Под аркообразованием понимается способность пыли к образованию устойчивой сводовой структуры, обусловливающей зависание порошкообразного материала над выпускным отверстием [22]. Прочность сводовых структур определяется физико-химическими характеристиками сыпучего продукта, конструкцией пылеочистного аппарата или бункера и т.п. При определении склонности пыли к аркообразованию в качестве основных показателей применяются ее диспергируемость и класс сыпучести. Результаты экспериментальной оценки аркообразования для пыли, образующейся при обработке разных древесных пород приведены в таблице 3.4.
Сыпучесть характеризует способность материала образовывать дискретно-непрерывный устойчивый поток. По величине сыпучести порошкообразные материалы распределены на семь классов [22]. Для оценки сыпучести в качестве основного показателя рекомендуется применять динамический угол естественного откоса. Результаты оценки сыпучести для пыли, образующейся при механической обработке разных пород древесины представлены в таблице 3.4.
Склонность материала к образованию псевдоожиженной системы с лавинообразным неустойчивым истечением характеризуется аэрироемостью [107]. По этому показателю порошкообразные продукты делятся на пять классов. При этом учитываются распыляемость и сыпучесть пыли [107]. Данные по оценке аэрироемости пыли, образующейся при производстве деревянных строительных конструкций и изделий, приведены в таблице 3.4.
Разработка конструкции аппарата пылеочистки для систем аспирации
Для исследования возможности применения аппарата ВЗП предложенной конструкции с целью снижения запыленности воздуха рабочей зоны и выбросов в атмосферу была использована экспериментальная установка, схема которой приведена на рисунке 4.9.
Основные элементы экспериментальной установки: пылеуловитель ВЗП с сепарационной камерой конической формы, узел приготовления пылевоздушнои смеси, вентилятор. Диаметр верхней цилиндрической части аппарата 200 мм, нижний диаметр сепарационной камеры 320 мм, высота цилиндрической части 200 мм, высота конической части 500 мм.
Для регулирования расхода подаваемого на очистку воздуха, соотношения расходов пылевоздушнои смеси в верхнем и нижнем вводах пылеуловителя используются шиберы. Для проведения замеров предусмотрены штуцеры с завинчивающимися крышками на верхнем и нижнем воздуховодах подачи воздуха в аппарат и на выходе из него.
При проведении экспериментальных исследований замеры проводились по принятым методикам [43-45, 62, 65, 79]. Общий расход воздуха в установке, соотношение расходов пылегазовой смеси в верхнем и нижнем вводах аппарата пылеочистки, аэродинамические характеристики определялись по величинам давлений, измеряемых в воздуховодах с помощью дифференциального манометра testo 512 в сочетании с трубкой Пито.
Для измерения запыленности потока использовался стандартный комплект пылезаборного оборудования НИИОГАЗ. Для обеспечения идентичности отбора проб режиму поступления пыли и работы аппарата отбор проб осуществлялся во всех замерных сечениях одновременно.
Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На этапе предварительного эксперимента исследовалась зависимость проскока пыли в аппарате от расхода воздуха, поступающего на очистку, и концентрации пыли в подаваемом на очистку воздушном потоке. При этом выдерживалось соотношение расходов, подаваемых на нижний и верхний вводы, равное 0,27, т.е. поддерживалось такое значение этой величины, при которой обеспечивается наибольшая эффективность аппаратов ВЗП с традиционной цилиндрической формой сепарационной камеры [3, 8, 9].
На основном этапе экспериментальных исследований был реализован ортогональный план второго порядка З2 (таблица 4.1) [2, 16, 51, 53]. При этом в качестве определяющих были приняты следующие факторы: V - условная скорость в пылеуловителе, определяемая по выражению Vy = L/3600(0,785Z)2) (где D - диаметр цилиндрической части аппарата) и отнесенная к 1 м/с; соотношение расходов воздуха, подаваемого в аппарат через нижний и верхний вводы.
Коэффициент значим, если tj tp(/2) (/2 - число степеней свободы дисперсии воспроизводимости) [16]. Коэффициенты уравнений регрессии, получаемые при использовании ортогонального плана второго порядка, определяются с разной точностью [16]. Уравнение регрессии адекватно, если составленное таким образом F-отношение меньше табличного при выбранных уровне значимости р (обычно равен 0,05) и числах степеней свободы дисперсии адекватности и дисперсии воспроизводимости [16] F Fi-P{fi,f2) (4.16) Л = N - I (4.17) где f2 - число степеней свободы дисперсии воспроизводимости; iV - число опытов в матрице планирования; / - число коэффициентов в уравнении регрессии второго порядка.
Результаты исследований по предварительной оценке степени снижения запыленности воздуха, поступающего в атмосферный воздух из систем обеспыливающей вентиляции, при использовании аппарата ВЗП с предложенной конструкцией сепарационной камеры приведены в таблице 4.3, а также в виде графических зависимостей вида є = E{L, С) на рисунке 4.10.
Полученные результаты показали, что, как и для пылеуловителей ВЗП с цилиндрической сепарационной камерой, в случае исполнения камеры в виде усеченного конуса эффективность очистки повышается при увеличении расхода и запыленности подаваемого на очистку воздушного потока.
На этапе основного эксперимента определялась зависимость степени снижения пылевых выбросов от условной скорости и соотношения расходов, подаваемых на нижний и верхний вводы аппарата. Полученные данные по определению проскока приведены в таблице 4.4.
На рисунках 4.11-4.13 представлены графические зависимости вида є = є(Уу, Кн) при разных значениях расхода воздуха, подаваемого на очистку в аппарат, и соотношения расходов воздуха, подаваемого в аппарат через нижний и верхний вводы.
По результатам экспериментов рассчитаны коэффициенты регрессии и их ошибки. Согласно выражениям (4.10), (4.12)-(4.14) получены значения:
Приведенные на рисунке 4.14 графические зависимости характеризуют зависимость потерь давления в аппарате от соотношения расходов воздуха, подаваемого на нижний и верхний вводы аппарата Кн при разной скорости пылевоздушного потока.
Анализ полученных данных показывает, что при увеличении скорости аэродинамическое сопротивление аппарата ВЗП с конической сепарационной камерой возрастает, так же, как в аппаратах ВЗП с цилиндрической