Содержание к диссертации
Введение
1. Основные предпосылки применения систем ЦПУ в литейных цехах предприятий машиностроения 9
1.1. Пыль как один из основных вредных производственных факторов литейного производства 9
1.2. Основные источники образования пыли в литейных цехах машиностроительных предприятий 15
1.3. ЦПУ как наиболее эффективные системы борьбы с вторичным пы-левыделением. Основные элементы ЦПУ 23
1.4. Теоретические и экспериментальные исследования рабочего процесса пылеуборочных насадков систем ЦПУ 29
Выводы 49
2. Разработка алгоритмов численного расчета динамики пылевоздушных потоков в пылеуборочных насадках 52
2.1. Вывод основных расчетных соотношений для определения поля скоростей воздуха в пылеуборочных насадках 52
2.2. Определение неизвестных интенсивностей источников (стоков) 59
2.3. Формирование элементов матрицы F 62
2.4. Вычисление поля скоростей и построение линий тока 68
2.5. Уравнение движения частицы в полости насадка 71
Выводы 83
3. Численный эксперимент исследования пылеаэродинамических процессов в насадках 84
3.1. Цели и задачи численного эксперимента 84
3.2. Планирование и методики проведения численного эксперимента 85
3.3. Анализ влияния параметров основных конструктивных элементов насадков на скорость воздушного потока в полости насадка 92
3.4. Результаты численного построения линий тока воздуха в насадках 98
3.5. Результаты численного расчета траекторий движения частиц пыли в насадках 100
3.6. Анализ влияния параметров пылевоздушного потока на потери давления в насадке 104
Выводы 106
4. Экспериментальные исследования. разработка общей методики расчета и проектирования систем ЦПУ 109
4.1. Исследование физико-механических свойств убираемой пыли 109
4.2. Исследование запыленности воздуха рабочей зоны литейного производства 113
4.3. Методика проведения экспериментальных исследований потерь давления при транспортировании твердой фазы через насадок 121
4.3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 121
4.3.2. Планирование экспериментальных исследований 122
4.3.3. Описание экспериментальной установки 124
4.3.4. Приборы и методики измерений 132
4.4. Определение потерь давления на транспортирование твердой фазы через насадок 134
4.5. Разработка методики расчета и проектирования систем централизованной вакуумной пылеуборки 137
4.5.1. Технологический расчет системы ЦПУ 137
4.5.2. Аэродинамический расчет ЦПУ 142
4.6. Разработка методики расчета эффективности внедрения ЦПУ в комплексе систем обеспыливания 148
4.7. Экономико-экологическая эффективность выполненных исследований 154
Выводы 161
Заключение 163
Список использованной литературы 165
Приложения 176
- Основные источники образования пыли в литейных цехах машиностроительных предприятий
- Формирование элементов матрицы F
- Результаты численного расчета траекторий движения частиц пыли в насадках
- Экономико-экологическая эффективность выполненных исследований
Введение к работе
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 5. 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-
I *9С национальная!
3 | вИВЛИОТЕКА I
ниєм 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 двухфазное 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 зашиту 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 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, 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 6 таблиц.
Основные источники образования пыли в литейных цехах машиностроительных предприятий
В настоящее время наибольшее число отливок на машиностроительных предприятиях получают в формах, выполняемых из формовочной смеси, состоящей из кварцевого песка, огнеупорной глины и специальных добавок. После затвердения металла отливка извлекается, а форма разрушается.
На рис. 1.1 приведена схема процесса изготовления отливки в песчаной форме, представляющего собой сложный комплекс технологических процессов, включающий изготовление моделей, стержневых ящиков, опок, модельных плит, шаблонов и процессы подготовки и переработки формовочных сыпучих материалов, приготовления и разливки жидкого металла, выбивки отливок т.д.
Формовочные и стержневые смеси получают из свежих материалов и бывшей в употреблении формовочной смеси; при этом процесс состоит из подготовки свежих формовочных материалов, отработанной смеси и перемешивание свежих компонентов.
Объем отработанной смеси, проходящей в цехе специальную подготовку с целью использования для приготовления новых смесей, в среднем в 10 раз превышает объем свежих материалов. Транспортные линии отработанной смеси оборудованы устройствами для отделения скрапа (шкивные, барабанные, подвесные железоотделители), размола и отделения комьев (валковые дробилки).
В настоящее время в стране имеется несколько тысяч литейных цехов, в которых применяется свыше 100 различных технологических процессов изготовления форм и стержней, более 40 видов связующих материалов и свыше 300 различных противопригарных покрытий.
Анализ приведенных выше технологических процессов по переработке формовочных масс позволяет сделать вывод, что они связаны с многократными операциями переработки песчаных масс (перегрузка, загрузка, выгрузка, транспортирование и т. д.) и сопровождаются интенсивным выделением пыли в атмосферу помещений.
Источники интенсивного пылеобразования по технологическому принципу можно классифицировать следующим образом: перегрузки сыпучих материалов, например, формовочных масс с конвейера на конвейер; дробильно-помольные операции; транспортирование сыпучих материалов конвейерами; заполнение материалом емкостей и силосов; работа технологических агрегатов (питателей, грохотов, сушильных барабанов и т. д.).
Перечисленные источники могут быть названы первичными в отличие от вторичных, которые могут быть вызваны сдувом пыли с полов и оборудования воздушными потоками, вибрацией оборудования, работой внутрицехового транспорта и другими причинами.
Из перечисленных источников наиболее интенсивными следует считать узлы перегрузки формовочных масс с конвейера на конвейер, с конвейера на технологическое оборудование, с технологического оборудования на конвейер, с одного технологического оборудования в другое.
Перегружаемый материал поступает сначала в воронку, примыкающую к технологическому оборудованию или устанавливаемую у приводного барабана ленточного конвейера, затем под действием силы тяжести перемещается по наклонным или вертикальным желобам и поступает на нижерасположенный транспортирующий конвейер или в технологическое оборудование. При этом пересыпаемый по желобам материал эжектирует воздух, нагнетая его в укрытие. Возникающее избыточное давление в укрытиях выбивает запыленный воздух в рабочее помещение. Особенностью перегрузок нагретых материалов является наличие конвективных токов воздуха, возникающих в результате теплообмена между движущимся материалом и воздухом желоба и приводящих к перераспределению избыточных давлений в укрытиях и желобах.
По интенсивности пылеобразования дробильное и сортировочное оборудование можно разделить на три группы [88].
К первой группе относятся дробилки, при работе которых пыление происходит в основном, вследствие образования избыточного давления в рабочей полости от поступающего дробильного материала и только частично от расщепления кусков материала. К этой группе относятся щековые и конусные дробилки.
Ко второй группе относятся машины, при работе которых в кожухах и укрытиях возникает избыточное давление, развиваемое рабочими органами, и направленное движение воздушного потока в желобах, который выбивает запыленный воздух в рабочее помещение. К машинам такого типа относятся дробилки ударного действия (молотковые и валковые).
К третьей группе относятся грохоты и барабанные мельницы, работа которых сопровождается интенсивным выделением пыли вследствие рассыпания и раструски порошков.
При работе ковшовых элеваторов, движущиеся с небольшой скоростью, ковши практически не создают ощутимого избыточного давления в его кожухе. Определяющими в формировании давления являются процессы загрузки и разгрузки элеватора материалом. Выделение пыли происходит вследствие просыпания материала из ковшей; при этом концентрация взвешенных частиц может достигать высокого уровня. При транспортировании горячего материала пыле-образование увеличивается вследствие образования конвективных потоков воздуха.
При транспортировании материалов шнеках на их стенках (кожухах) не возникает избыточного давления. Конструкция такого оборудования и характер протекающих процессов не вызывают при его работе интенсивного пылевыде-ления. Однако, не создавая избыточных давлений, шнеки могут выделять пыль, вследствие аэродинамических связей с технологическим оборудованием, работа которого сопровождается возникновением повышенных давлений.
Питатели различной конструкции (тарельчатые, пластинчатые, ленточные, винтовые, лотковые) самостоятельно не создают избыточных давлений. Между тем, в результате аэродинамической связи с последующим технологическим оборудованием, просыпи материала с питателя, разгрузки нагретого материала работа питателей сопровождается выделением пыли.
Механизм пылеобразования при работе смесителей непрерывного и периодического действия протекает по-разному. Избыточное давление в смесителях периодического действия, когда процесс происходит при герметично закрытых приемном и выпускном отверстиях, возникает при загрузке составляющих смеси и последующей разгрузке из смесителя. У смесителей непрерывного действия зона избыточного давления возникает в загрузочной части. Рабочие органы смесителей обычно не создают избыточных давлений, вызывающих истечение запыленного воздуха наружу; пылевыделение происходит в основном характером процессов и оборудованием, имеющим аэродинамические связи со смесителем.
Все приведенные источники пылевыделения можно условно разделить на сосредоточенные (основные) и распределенные (вторичные) (рис. 1.2). Для первых характерно фиксированное место выделения пыли, для вторых - пылеобра-зование происходит в различных местах помещения.
Для борьбы с сосредоточенными источниками устраивается местная вытяжная вентиляция (аспирация), состоящая из укрытия, системы трубопроводов, пылеуловителя и вентилятора. Объемы отсасываемого (аспирируемого) воздуха должны обеспечивать стабильное разряжение в укрытии, что предотвращает выбивание пыли из укрытия. Но как показывает практика, полностью локализовать пылевыделения средствами вентиляции не удается, и часть пыли, выделяющаяся при транспортировании и переработке сыпучих формовочных масс, оседает на полу, оборудовании и конструкциях.
Так, по данным Свердловского института охраны труда ВЦСПС, в промышленных помещениях при хорошо действующей аспирации и герметизации источников пылевыделения на полу обычно оседает 1-5 г/м2 пыли в час. При уносе пыли из оборудования, не имеющего укрытия, за час выпадает несколько десятков граммов пыли. Количество пыли, скапливающейся у отдельных видов оборудования литейных цехов, дробильно-сортировочных и ряда других уст-ройств, может достигать 500-2000 г/м [68,70]. На полу и прочих горизонтальных поверхностях, расположенных на высоте до 2 м от уровня пола, оседает от 4 до 12 г/м в час твердых частиц, а на поверхностях, отстоящих от пола на большей высоте, - около 1 г/м
Наиболее крупные частицы пыли оседают на полу и вблизи источников ее образования. Мелкие фракции частиц пыли, увлекаемые воздушными потоками, разносятся по помещению и загрязняют поверхности строительных конструкций и оборудования. Анализ образцов осевшей пыли показывает, что она может состоять из частиц размером от нескольких миллиметров до субмикроскопических величин.
Исследования, проведенные немецкими специалистами фирмы «Wieland», в литейных цехах ряда предприятий машиностроения показали, что там, где происходит выдувание пыли либо вторичное пылеобразование, на высоте вдыхания всегда присутствует опасная для легких мелкодисперсная пыль, предельно допустимая концентрация, которой в большинстве случаев превышена в несколько раз (рис. 1.3).
Формирование элементов матрицы F
Пусть граничных элементов (в нашем случае прямолинейных отрезков), дискретизирующих границу области - N. Причем каждый отрезок должен быть задан координатами его вершин а (аи а ; b (bj, b . Все отрезки пронумерованы от 1 до N. Для удобства построения численного алгоритма будем полагать, что конец предыдущего отрезка совпадает с началом следующего (рис. 2.6).
Построим алгоритм вычисления элемента ? матрицы F. Элемент F9 равен интегралу по к-му отрезку:
Наиболее удобно этот интеграл вычислять в локальной системе координат. Построим ее следующим образом. Центр координат поместим в точку х, ось ординат направим вдоль к-го отрезка, так чтобы направление оси и вектора ab совпадали (рис. 2. 7.).
Тогда в полученной системе координат л.х0г параметры в формуле (2.6) будут следующими: х;=0; Х2=0; %\=h; htgO; {и,,и2} необходимо вычислить в данной системе координат (подробно распишем это позже);
Найдем теперь выражения ва, вы га, гь, пь п2 через заданные координаты вершин отрезков, разбивающих область на граничные элементы. Систему координат, в которой заданы эти вершины, называют глобальной.
Вершиныр-то отрезка обозначим ар{а(,а(}\ Ьр{ър,ъ(}. Соответственного к го отрезка: ак (ак, а\); Ък (bk, Ъ\).
Координаты середины р-го отрезка определяются как полусумма соответствующих концов этого отрезка
Определим теперь на какой угол нужно повернуть глобальную систему координат, чтобы направление оси ординат совпадало с вектором аЪ к-го отрезка. Вычислим сначала орт вектора аЪ (k-го отрезка):
Соответственно синус этого угла так как за положительный угол поворота принято считать направление против часовой стрелки. Таким образом координаты произвольной точки (х, у ), заданной в глобальной системе координат, в локальной системе координат будут иметь следующие величины:
Тогда координаты единичного вектора внешней нормали к р-му отрезку в локальной системе координат будут иметь следующие величины Координаты вершин аиЬ будут вычисляться по аналогичным формулам
Тогда, как видно из рис. 2.7 параметры формулы (2.15) будут определяться следующим образом
Единственное, что осталось вычислить - это координаты внешней нормали к любому граничному отрезку. Для правильного вычисления этих координат необходимо четко определиться с направлением обхода области по границе. Пусть направление такое, как показано на рис. 2.6, т.е. если мы передвигаемся по границе от вершины а до Ъ область все время находится слева. Итак, пусть дан отрезок аЪ (рис. 2.8). Найдем координаты вектора Я = {пх,п2}.
Вектора ab и Я перпендикулярны, причем если смотреть сверху то кратчайший поворот от вектора Я к вектору аЪ осуществляется против часовой стрелки. Поэтому векторное произведение орта вектора аЪ и Я должно быть равно орту оси аппликат к .
Поскольку скалярное произведение рассматриваемых векторов равно нулю, то получим второе уравнение для определения неизвестных Пі, П2.
Решая полученную систему двух уравнений с двумя неизвестными, определим искомые неизвестные
Блок-схема вычисленных элементов матрицы F представлена на рис. 2.9.
Результаты численного расчета траекторий движения частиц пыли в насадках
В зависимости от аэродинамической характеристики одиночной частицы можно выделить следующие группы: аэрозоли (размер транспортируемых частиц менее 50 мкм), тонко дисперсные аэросмеси (от 50 до 150 мкм), грубодис-персные аэросмеси (от 250 мкм до 1,5...2 мм) [27].
В результате численного интегрирования уравнений движения частиц установлены характерные виды траекторий движения частиц пыли различного размера в стандартном однополочном насадке (Приложение 4). Частицы аэрозоля (размер частиц пыли менее 50 мкм) в стандартном однополочном насадке движутся по двум траекториям: частицы менее 10 мкм движутся по линиям тока воздуха в полости насадка, частицы более 10 мкм после отскока от задней стенки сразу уносятся во всасывающий патрубок. Частицы размером от 50 до 150 мкм при ударе о заднюю стенку отскакивают, затем поток снова направляет их к задней стенке и так далее пока горизонтальная скорость частиц в зоне уноса станет меньше вертикальной. Частицы грубодисперсной аэросмеси (от 250 мкм до 1,5...2 мм) большой массы прижимаются к задней стенке, откуда, если величина скорости воздушного потока достаточна для перекатывания и скольжения частиц данного размера по задней стенки, выносятся во всасывающий патрубок, прижимаясь к фронтальной образующей всасывающего патрубка.
При придании угла наклона задней стенки совместно с образующей диффузора всасывающего патрубка в однополочном насадке увеличивается интенсивность процесса пылеудаления - частицы пыли мелких и средних фракций не совершают многократных ударов о заднюю стенку перед уносом во всасывающий патрубок, крупнодисперсные частицы быстрее покидают область задней стенки, и возрастает эффективность - уносятся более крупные частицы. Сравнительный анализ траекторий движения частиц пыли различного размера в од-нополочных насадках стандартной модели и в модели с приданием угла наклона задней стенки представлен в Приложение 4.
В двуполочном насадке частицы пыли движутся по двум основным траекториям: частицы размером менее 10 мкм движутся практически по линиям тока, частицы более 10 мкм совершают колебательное затухающее движение вдоль поверхности, по мере затухания колебаний частицы увлекаются воздушным потоком и уносятся в сборный канал (рис. 3.11). С увеличением размера частиц пыли возрастает амплитуда и число колебаний. Полученный колебательно-затухающий характер движения частиц подтверждается представленной в работе [70] скоростной киносъемкой процесса движения частиц пыли в полости насадка в условиях слияния встречных потоков, что говорит о качественной адекватности разработанной математической модели.
Для разработки рекомендаций по конструктивному исполнению двуполоч-ных насадков проведен ряд численных экспериментов по исследованию характера влияния параметров основных конструктивных на размер частиц убираемой пыли.
Наибольший размер частиц убираемой пыли в двуполочном насадке, при определенном равном расходе воздуха, достигается при угле наклона всасывающего патрубка 9= 90-800 мкм, наименьший при 9 = 35-600 мкм. Это объясняется тем, что при 9 = 90 скорость воздушного потока в зоне уноса частиц пыли Зу достигает максимального значения.
При уменьшении ширины щели всасывающего патрубка Ъ размер убираемых частиц пыли возрастает. Это объясняется ростом скорости воздушного потока Зу в зоне уноса частиц пыли. Однако, при уменьшении ширины щели всасывающего патрубка, снижается скорость воздуха в подполочном канале и, следовательно, снижается кинетическая энергия пришедших в движение крупных частиц пыли, за счет которой переходят во взвешенное состояние частицы пневмокониозоопасной пыли (d4 10 мкм) утопленные в ламинарный подслой, что нужно учитывать при разработке рекомендаций по конструктивному исполнению насадков.
Как показал численный эксперимент построения траекторий движения частиц пыли в двуполочных насадках при различных соотношениях высот фронтального и тыльного каналов, применение насадков с к\1кг ф 1 не целесообразно. Это объясняется тем, что при h\/h2 Ф 1 скорость в канале меньшей высоты больше чем в канале большей высоты и частицы пыли, вовлеченные воздушным потоком со стороны, где скорость воздуха больше, вследствие большой силы инерции преодолевают сопротивление встречного воздушного потока и проскакивают не только зону всасывания, но и противоположный канал (рис. 3.12).
Наилучшие результаты достигаются при равенстве высот фронтального и тыльного канала, когда скорости в каналах практически равны. Причем, при одинаковом уменьшении высоты каналов с фронтальной и тыльной стороны, размер убираемых частиц пыли возрастает, однако приближать кромки полки к убираемой поверхности нужно с учетом гранулометрического состава убираемой пыли.
На основании анализа результатов численного эксперимента по установлению характера влияния параметров основных конструктивных элементов пы-леуборочных насадков на скорость 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 К), но с учетом максимального диаметра частиц убираемого материала, длину полки L принимать не более 20 мм [70, 102].
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 hi=ti2, размер полокLy и L2 не более 20 мм [68, 88].
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований получен патент РФ на полезную модель № 39261 от 27.07.04 «Насадок пылесоса».
Экономико-экологическая эффективность выполненных исследований
Совершенствование промышленных технологий и модернизация современного производства, где многие процессы связаны с образованием технологической пыли различной консистенции, направлено на поиск все более эффективного решения экологических и экономических проблем. При низкой платежеспособности и отсутствии инвестиций для модернизации производства применение систем ЦПУ обеспечит самый экологический способ очистки производственных территорий, оборудования, конструкций и гарантирует значительную экономию по целому ряду показателей.
Совершенствование расчета и проектирования систем ЦПУ, за счет унифицированного подхода, на основе математического описания пылеаэродина-мического процесса, к расчету производительности и сопротивления насадка, при движении двухфазного потока, во многом определяет, как с экологической точки зрения, так и с экономической, эффективность работы систем ЦПУ. Поэтому, говоря об экономико-экологической эффективности выполненных исследований, мы можем говорить об эколого-экономической оценке внедрения систем ЦПУ в целом.
В качестве критерия экономической эффективности технических решений в проектах и при выполнении научно-исследовательских работ принимаются приведенные затраты, которые являются обобщающим показателем, учитывающим единовременные (капитальные) и текущие (эксплуатационные) затраты, обусловленные реализацией данного технического решения [9]:
Обязательным условием применения приведенных затрат в качестве критерия оценки мероприятий по обеспыливанию является тождество полезного эффекта сравниваемых мероприятий (в данном случае обеспечение равных условий по комфортности). Приведенные затраты рекомендованы и для определения величины годового экономического эффекта от внедрения организационно технических мероприятий и технических решений.
Определим ущерб от загрязнения атмосферы внутри помещений пылевыб-росами. Ущерб от пыления материалов при их переработке складывается из потерь, связанных с пылеуносом, и потерь, являющихся следствием работы в запыленной среде рабочих, машин и оборудования. Запыленная среда отрицательно воздействует на работающих, снижает их производительность, повышает заболеваемость, ускоряет износ машин, оборудования, электроаппаратов, транспортных средств, зданий, сооружений.
Пыль загрязняет территорию, накапливается на кровле и вызывает дополнительные расходы по очистке кровли и уборке территории. Осевшая на окнах и стенах помещения пыль, увеличивает расходы на электроосвещение и т. п. Размер ущерба от пылевыделения зависит от абсолютных размеров выбросов пыли, ее абразивности, расходов и непроизводительных затрат, осуществляемых с целью локализации выбросов вредных веществ в атмосферу.
Качественная сторона ущерба от пылевыделения известна и не вызывает сомнений. В то же время количественная оценка этого влияния представляется достаточно трудной задачей. Трудности установления количественной оценки влияния пылевыделения связаны, в первую очередь, с оценкой результатов пылевыделения или пылеочистки на улучшение условий работников на предприятиях, на улучшение работы машин, оборудования, средств автоматики и т. д. До сих пор не исследованы эти взаимосвязи и не даны практические рекомендации.
Разработанные институтом НИПИОТСТРОМ "Временные методические рекомендации" [35] позволяют с достаточной степенью точности произвести оценку скрытых производственных потерь, вызываемых загрязнениями производственной атмосферы пылевыбросами, а также определить изменения этих потерь в результате осуществления различных мероприятий по обеспыливанию.
В соответствии с вышеупомянутой методикой, ущерб предприятия от загрязнения У складывается из материальных потерь, связанных с пылеуносом Ум, производственных потерь предприятия от воздействия запыленной среды на средства производства У„ и потерь социального характера Ус от неудовлетворительных условий труда на предприятии:
Социально-экономический ущерб предприятия (потери от заболеваемости, травматизма, текучести кадров и т. д.), наносимый пылевыделениями в производственную атмосферу может быть рассчитан на основании работы [124].
Для количественного определения влияния пылевыделений на результаты производственной деятельности в соответствии с методикой, изложенной в работе [35], необходимо привлечение исходных данных, которые не являются учтенными и в статистической отчетности предприятий не отражаются. Учет этих данных затруднен, так как влияние пылевой среды на производственно хозяйственную деятельность предприятий не является непосредственным. Поэтому, для получения исходной информации необходимо разложения статей калькуляции, в которые включаются затраты на охрану труда, текущий ремонт, содержание основных средств и др., а также экспертное обследование предприятий.
В конечном итоге вся трудность определения ущерба от пылевыделения сводится к получению исходной информации, которой в настоящее время не располагают ни предприятия, ни научно-исследовательские и проектно-конструкторские отраслевые организации.
Установление взаимосвязей на основе обработки проектной информации по типовым решениям не может быть использовано ввиду того, что значительная часть оборудования систем ЦПУ относится к нестандартному, и изготавливается, как правило, по индивидуальным заказам.
Эффект от внедрения системы ЦПУ представляет собой величину ликвидируемого ущерба от пылевыделения Ул.
Определим расчетную экономическую эффективность эксплуатации системы ЦПУ, рассчитанную и спроектированную по разработанной в этой работе методике, на участке подготовки и транспортировки отработанной формовочной смеси в литейном цехе № 7 ООО «Энергомаш Белгород». Используем для этого рекомендации [124].
