Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования
1.1. Общие сведения. 11
1.2. Анализ конструкций местных отсосов от ванн. 14
1.3. Анализ методик расчета бортовых отсосов 23
1.4. Задачи исследований 28
ГЛАВА 2. Конструктивные и теоретические разработки местных отсосов от ванн
2.1 Разработка воздуховода условно равномерного всасывания уменьшенного поперечного сечения . 30
2.2. Изотермическая струя, развивающаяся вдоль поверхности испарения. 35
2.3 Полу ограниченная слабо неизотермическая струя. 41
2.4 Тепло-массообмен полуограниченной сильно неизотермической струи. 45
2.5. Тепло-массообмен плоской локализирующей выделения струи. 52
2.6. Аэродинамика воздуховода условно равномерного всасывания . 57
Выводы. 62
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процесса улавливания вредных выделений с поверхности испарения ванн .
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований. 63
3.2. Экспериментальная установка для исследования улавливания вредных выделений от ванн. 70
3.3. Экспериментальная установка для исследования воздуховода равно мерного всасывания . 73
Выводы. 75
ГЛАВА 4. Использование результатов исследований
4.1 Разработка инженерной методики расчета местного отсоса от ванн. 77
4.2. Разработка методики экономического расчета эффективности использования результатов работы. 90
4.3. Внедрение результатов работы. 95
Выводы 97
Общие выводы. 99
Список использованных источников. 102
- Анализ методик расчета бортовых отсосов
- Разработка воздуховода условно равномерного всасывания уменьшенного поперечного сечения
- Аэродинамика воздуховода условно равномерного всасывания
- Экспериментальная установка для исследования воздуховода равно мерного всасывания
Введение к работе
Актуальность темы. Загрязнение атмосферы, в том числе весьма вредными химическими веществами постоянно увеличивается. Значительную негативную роль в этом вопросе играют производства, обрабатывающие металлы химическим способом. В Санкт-Петербурге концентрации вредных веществ в атмосфере превышают допустимые максимально разовые в несколько раз и доля гальванических производств в них существенна. Такое превышение наблюдается по оксидам азота, фенолу, бензапирену и некоторым другим веществам. Более 40% жителей Санкт-Петербурга дышат воздухом с повышенными концентрациями вредных веществ, выбрасываемыми промышленными производствами.
Улучшение условий труда на рассматриваемом производстве в значительной степени определяется снижению загазованности рабочих мест путем использования усовершенствованных местных отсосов. Такое усовершенствование основывается на более глубоком изучении распределения газовых выделений с поверхности ванны и вытекающее отсюда более полное их улавливание местным отсосом.
При подготовке поверхности металла к обработке (снятие окислов, обезжиривание и т.д.) применяют следующие растворы: серная и соляная кислота, хлористый натрий, сернокислое железо, едкий натр, тринатрийфосфат, азотная, соляная, серная или плавиковая кислота, азотнокислый натрий, сернокислый цинк, цианистый калий, углекислый калий и др. При покрытии металлов применяют: окислы цинка, цианистый натрий, едкий натр, сернистый натр, сернистый цинк, сернокислый алюминий, цианистый кадмий, сернокислый кадмий, хлористый натрий, уксуснокислый натрий, олово сернокислое, цианистая медь, серная кислота, сернокислый никель, хлористый никель, хромовый ангидрид, серебро хлористое, серебро цианистое, калий цианистый, хлорное золото, железисто-синеродистый калий и др. Все эти вещества з тех или иных количествах выделяются в виде газов и паров в воздух рабочей зоны. Как можно судить из приведенного перечня веществ, в воздух помещения поступают газы и пары с ПДК от 0,01 до 300 мг/м3.
Цель работы заключается в выявлении физической природы распространения вредных паров и газов над поверхностью гальванической ванны с целью разработки мероприятий их улавливания местным отсосом.
Научная новизна:
разработана физико-математическая модель движения локализующей неизотермической струи над поверхностью, выделяющей вредные пары и газы,
установлено определяющее влияние на эффективность удаления ГВС (газо-воздушной смеси) критерия Архимеда,
разработан метод локального отбора проб в газо-воздушной среде и его химический анализ,
предложен высокоэффективный энергосберегающий способ организации передувки ГВС от ванн воздухом помещения,
получены расчетные зависимости зффіикШЩїиші тшиї и і їжсобен-
ностей его конструкции.
Достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается:
использованием классических положений фундаментальных и прик
ладных наук (прикладной аэродинамики и физикохимии)
согласованность научных выводов с экспериментальными исследованиями, подставленными в научно-технической литературе
использование современной научно измерительной аппаратуры и
приборов.
Практическая значимость работы:
разработана инженерная методика расчета усовершенствованного активированного отсоса от ванн,
разработана методика расчета и конструкция воздуховода приближенно равномерного всасывания для гальванических ванн,
внедрение
основной результат работы использован в курсах "Охрана воздушного бассейна", "Вентиляция", "Аэродинамика вентиляции" дисциплин 05.23.03
метод точечного анализа концентраций ГВС, рассматриваемый в работе, может быть использован при анализе концентраций в потоках различных паров и газов,
работа апробировалась в гальваническом цехе ФГУП "Завод им. В.Я. Климова" в течение 2 лет. Проведенные инструментальные замеры показали, что концентрация цианидов, например, снизилась с 0,01-0,02 мг/м до ПДК на 87,5% площади рабочей зоны. До реконструкции гальванического цеха концентрация цианидов ниже ПДК не наблюдалась. При этом получена экономия электроэнергии 37150 кВт час в год. На защиту выносятся:
физико-математическая модель передувки над поверхностью, выделяющей вредные пары и газы,
методика точечного анализа концентраций ГВС в потоке над поверхностью, выделяющей вредные пары и газы,
метод локализации вредных паров и газов, выделяющихся с поверхности ванн,
методика расчета и конструкция воздуховода приближенно равномерного всасывания применительно к гальваническим ваннам,
результаты лабораторных н производственных экспериментальных исследований,
методика инженерного расчета усовершенствованного местного отсоса
от ванн.
Личный вклад соискателя включает: постановку задачи исследований;
разработку методик проведения экспериментальных исследований; участие
в разработке и создания экспериментальной базы; проведение
экспериментальных исследований; обобщение результатов исследований и
построение инженерной методики расчета.
Апробация работы Основные положения диссертации представлялись, докладывались и получили одобрение на 60-ой научной конференции СПбГАСУ (2003г.), на 56-ой научной конференции СПбГАСУ (2003г.), на 61-ой научной конференции СПбГАСУ (2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы из 151 наименований и приложений. Работа изложена на 225 стр., в том числе 115 стр. основного текста и включает 17 рис. и 87 стр. приложений.
Анализ методик расчета бортовых отсосов
Исследования и разработку методик расчета бортовых отсосов от ванн проводили: Астафьев В.Н., Баранов М.М., Батурин В .В., Богословский В.Н., Бройда В.А., Бромлей М.Ф., Виварелли И.Л., Гальчинский Я.А., Гримитлин М.И., Зибов М.М., Клюкин Ю.Г., Коростелев Ю.А., Наумов А.К., Оппл Л., Павлинова И.Б., Посохин В.Н., Саборно Р.В., Столяр В.Д., Талиев В.Н., Тимофеева О.Н,, Федоровский П.Е. Фиалковская Т.А., Шепелев И.А., Эльтерман В.М., и др.
Одной из первых работ в этом направлении были исследования И.Л. Виварелли, который теоретически определил расход воздуха, уда-ляяемый бортовым отсосом. При этом он исходил из допущений: о неизменности массы токов, поднимающихся над поверхностью испарения; скорость, создаваемая отсосом, рассматривается как линейный точечный сток; влияние токсичности газовых выделений, подвижности воздуха, температуры поверхности ванны, учитывались эмпирическими коэффициентами.
В дальнейшем эти коэффициенты уточнялись различными исследователями. М.М. Баранов использовал графический метод для расчета простых и опрокинутых одно - и двухбортовых отсосов.
Коэффициент, учитывающий токсичность вредных выделений по данным различных исследований меняется от 1 до 2; коэффициент, учитывающий температуру поверхности испарения от 1 до 2,26 в зависимости от типа отсоса; коэффициент, учитывающий подвижность воздуха в помещении, можно найти по уравнению подвижность воздуха, соответственно, в помещении и минимальная расчетная скорость в приточной струе, которая определяется по сечению Н (см. Рис. 1.2 - а).
Минимальная расчетная скорость в струе задается в зависимости от скорости восходящего конвективного потока, т.е. из равенства шп= 5,72 ( В——)0 5 1,5 м/с, где В - ширина ванны вдоль приточной струи, ДТ= (T„s) - разность температуры поверхности испарения и воздуха помещения.
Настилающаяся приточная струя рассчитывается как вытекающая из фиктивной щели удвоенной ширины.
Несмотря на значительное количество исследований процесса улавливания вредных выделений от ванн с бортовыми отсосами, и безусловную их ценность, введение большого количества поправочных коэффициентов и некорректность некоторых принятых допущений, приводит к тому, что приходится констатировать необходимость дальнейших исследований физики процесса улавливания вредностей.
Одним, из основных расчетных параметров активированного бортового отсоса является минимальная расчетная скорость (wmjn) по оси системы "струя-отсос". Исследования, направленные на выявление этой скорости [18,22,29,30,44,52,54,105,107,116,126,131,143], показали некоторую противоречивость результатов. Так в работе [89] предлагается поддерживать эту скорость 0,5-1 м/с; в [15] порядка 1-1,2 м/с, т.к. при скорости 0,5-0,8 м/с наблюдался прорыв газа; в работе [15] рекомендуется принимать минимальную расчетную скорость 1,5 м/с ; в [103] 1-2 м/с, но не менее скорости движения локализируемой вредности; в [126] соответственно 4-6 м/с и т.д. В результате [80], при применении бортовых отсосов, рассчитанных по имеющимся методикам, оказалось, что в химической промышленности и гальванических цехах, когда с поверхности испарения выделяются такие токсичные газы, как; цианистые соединения, сероуглерод и некоторые столь же вредные вещества, в помещениях цехов нередко концентрации газа превышают ПДК.
Как отмечалось выше, в значительной степени данное обстоятельство вызвано не всегда удачной конструкцией и местом расположения всасывающего воздуховода, его значительной площадью поперечного сечения. Казалось бы, что применение конусных всасывающих воздуховодов могло бы уменьшить их сечение. Однако, в результате проведенных исследований В.Н. Талиев [108] пришел к выводу, что относительное отклонение от равномерности всасывания в конусном воздуховоде во всех случаях больше относительных отклонений в воздуховоде постоянного сечения, что делает его применение нецелесообразным. Естественно, не только неравномерность всасывания может существенно влиять на эффективность отсоса, но не менее важен и размер всасывающей щели, а точнее интенсивность всасывающего спектра. Всасывающий спектр изучался в работах [10,21,27,60,62,73,96,112,128,130,136,145] и др.
На Рис. 1.4 приведены опытные данные изменения осевой скорости во всасьгеающем спектре, полученные В.Н. Посохиным [95] и автором. На этом же рисунке построены кривые Как можно судить из рис Л А, наиболее удовлетворительно с опытными данными согласуются расчеты по уравнениям, которые получили В.Н. Талиев, В.А. Бахарев, В.Н, Посохин, а также по формуле (1.2). Последняя представляется более удобной при поиске оптимума кривой.
Анализируя (1.2) на оптимизацию значения ширины по минимуму расхода при постоянных значениях скорости в заданных точках спектра всасывания, получим S3 +1,55 V-2 = 0 Для условий рассматриваемой задачи интерес представляет только
Из последнего уравнения вытекает, что если стремиться получить всасывающий спектр наибольшей длины без увеличения расхода воздуха (а именно эта задача обычно стоит при расчете вытяжных всасывающих воздуховодов), то необходимо увеличивать высоту всасывающей щели без изменения габаритов воздуховода.
Изложенные в этом разделе материалы, как представляется, показывают важность рассматриваемой задачи.
Разработка воздуховода условно равномерного всасывания уменьшенного поперечного сечения
Необходимость разработки воздуховода равномерного всасывания уменьшенного поперечного сечения отмечалось в предыдущей главе. В основном это связано с необходимостью получить всасывающую щель максимально возможной ширины, а следовательно и установить спектр всасывания наибольшей интенсивности.
Такая конструкция нами разработана и схема ее показана на рисунке 2.1. Воздуховод 1 постоянного поперечного сечения имеет продольную щель 2 тоже постоянной ширины, чтобы иметь спектр всасывания равномерный по всей длине воздуховода. В эту щель устанавливается насадка 3, имеющая форму усеченной четырехгранной пирамиды. Входная часть пирамиды имеет щель 2 постоянной ширины, а выходная щель 4 выполнена переменной ширины. В сечении 4 установлена перфорированная пластина 5.
Конусная часть пирамиды рассчитана на равномерность расхода по длине воздуховода, при этом естественно скорость при уменьшении сечения пирамиды будет возрастать. Переменная высота пирамиды должна быть такой, чтобы к щели 2 постоянной ширины она бы выровнялась.
Таким образом, разрабатываемый воздуховод является воздуховодом практически равномерного всасывания переменного статического давления. Термин "условно равномерное всасывание" введен нами, так как идеальной равномерности всасывания ни в одном из воздуховодов не достигается (всегда имеется некоторая погрешность). Погрешность по равномерности всасывания, принятая нами, приводится ниже.
При работе данного воздуховода газовоздушная смесь ГВС засасывается через щель 2 в пирамидальном насадке 3 и за счет постоянного увеличения площади его поперечного сечения по ходу движения скорость и расход отсасываемой смеси выравниваются по всей длине выходной щели 4 насадка.
Наличие перфорированной пластины 5 позволяет получить такую высоту всасывающей щели, при которой будет обеспечен при заданном расходе воздуха необходимый спектр всасывания.
Для выявления требуемых геометрических размеров предложенного устройства, обеспечивающих неразрывность потока и необходимую точность соблюдения исходных параметров, были проведены соответствующие исследования, которые приводятся в следующих разделах.
На рисунке 2.2 приведены варианты установки воздуховода равномерного всасывания у ванн. Если вытяжная система подводится с боку ванны, то возможно присоединение, показанное на рисунке 2.2 - а. Если в цехе осуществлена напольная (или в подпольных каналах) разводка вытяжной системы, то возможно присоединение, показанное на рисунке 2.2 - б. Предлагаемая конструкция в данном случае позволяет уменьшить сечение напольного воздуховода без ухудшения равномерности всасывания ГВС.
Рассмотрение развития приточной струи вдоль поверхности испарения ванн начнем с изотермического случая, т.к. во-первых, некоторые технологические процессы гальваники протекают при температуре, близкой к температуре в помещении и, во-вторых, теория изотермической струи проще, чем неизотермической.
Уравнение Навье-Стокса, описывающее мгновенное движение жидкости, дает значительную информацию о турбулентности самых мелких масштабов, анализ которых поэтому не представляет особо сложным [66,76,98].
Анализ движения вихрей больших масштабов, которые не только воспринимают энергию от осредненного движения, но и служат причиной перемежаемости (перемещение поверхности раздела струи в невихревую внешнюю среду) [98], расширение свободных турбулентных потоков [14], весьма сложен. Теоретически удается решить задачи с относительно простыми граничными условиями, в частности, с использованием численного метода, построенного одноша-говым вариантом Рунге-Кутта [46]. Подчеркнем, что турбулентное движение больших масштабов, определяемое поверхностью раздела турбулентного потока и окружающей средой, играет важнейшую роль в распространении турбулентности. С переносом крупномасштабных вихрей, в частности, связан перенос теплоты и вещества в потоке.
Возможно, приведенными обстоятельствами вызвано то, что полуограниченная струя рассматривается, исходя из практически не обоснованных соображений, основанных на предпосылке о том, что она вытекает из условного приточного отверстия удвоенного размера.
Поэтому нами принят метод интегральных характеристик, разработанный в работах [90-94], Этот метод основан на том, что "захват" окружающей среды турбулентным потоком происходит за счет перемежаемости крупномасштабных вихрей в эту среду, а размер таких вихрей соизмерим с геометрическими характеристиками потока. Тогда рост относительной массы струи определяется поверхностью ее турбулентного обмена, т.е.
Аэродинамика воздуховода условно равномерного всасывания
Рассматривается аэродинамика воздуховода, конструкция которого приведена в разделе 2.1.
Визуальные наблюдения показали, что газовоздушная смесь, входя в отверстия перфорированной пластины внутренней щели, сливается в сплошной поток и достигает противоположной стенки. Затем она отбрасывается к боковым стенкам и образует винтовой поток, который движется по направлению к выходу из воздуховода (к его «корню»).
Следовательно, допущение о равенстве единице коэффициента Буссинеска, принятое практически во всех известных работах [48,51,53,56,71,108,109,121], вообще говоря, недостаточно корректно. Покажем влияние этого коэффициента на равномерность всасывания, а точнее на конструктивные характеристики воздуховода, обеспечивающее относительно равномерное поле скорости в его входной щели.
Расположим начало координат, как это показано на рис.2.7, в начале воздуховода у заглушённого торца и направим ось абсцисс по направлению движения воздушного потока.
Расчет по уравнению (2.47) возможен, когда известны значения коэффициентов расхода (ц) и Буссинеска (М). Для их определения, а также проверки уравнения (2.47) были проведены экспериментальные исследования, которые описываются в следующей главе.
Как следует из рис. 2.7, и, что, как представляется важно отразить в этом разделе, влияние коэффициента живого сечения перфорации на степень сужения внутренней щели насадка, при достижения равномерности всасывания, более существенно, чем это вытекает из уравнения (2.47). Обобщение опытных данных было достигнуто (см. рис.2.7.) в диапазоне
На рис. 2.7 приведены также значения коэффициента местного сопротивления, которые с достаточной для практики точностью (среднеквадратичная погрешность не превышает 7%) могут быть определены по эмпирическому уравнениюДля приближенных расчетов можно принять ц=0,8. Таким образом, приведенные уравнения, могут служить основой для расчета воздуховода условно равномерного всасывания применительно к активированным отсосам от различных ванн.
1. Показана возможность использования метода интегральных характеристик для анализа струйных течений, применяемых при передувках.
2. Получены уравнения для расчета полей скорости, температуры и концентрации газа в полуограниченной слабо неизотермической струе.
3. Найдены закономерности, учитывающие: траекторию, изменение полей скорости. Температуры и концентрации газа в полу ограниченной, плоской, а также сильно неизотермической струе, в зависимости от начальных параметров , коэффициента теплоперехода. температуры поверхности ванны и величины критерия Архимеда.
4. Разработана конструкция воздуховода условно равномерного всасывания уменьшенного поперечного сечения, применительно к отсосам от гальванических ванн, и создана методика его расчета. В частности показано, что коэффициент Буссинеска во всасывающих воздуховодах с продольной щелью не равен единице.
Экспериментальная установка для исследования воздуховода равно мерного всасывания
Схема экспериментальной установки приведена на Рис. 3.2. Воздуховод равномерного всасывания (1) установлен на стенде на высоте 0,5 м от уровня пола. Рядом с воздуховодом на рельсах устанавливался передвижной координатник, позволяющий перемещать датчик термоанемометра с шагом 50 мм и с точностью 1 мм. Датчик перемещался как в плоскости воздуховода, так и в перпендикулярной плоскости. Стенд позволял измерять расход воздуха при помощи камеры статического давления (4) и патрубков (3), к которым присоединялся микроманометр. Камера статического давления имела деревянную насадку (5), выполненную по профилю лимнискаты. Побудителем тяги являлся радиальный вентилятор (6). Коэффициент аэродинамического сопротивления определялся по замерам статического давления в штуцерах (3), расположенных на расстоянии 10 калибров от исследуемого воздуховода и на расстоянии 3 калибров от камеры статического давления. Рядом с этими штуцерами располагались штуцера (2) для прямого измерения динамического давления и контрольного замера расхода воздуха при помощи скоростной трубки и микроманометра, кроме этого расход воздуха определялся по результатам замера статического давления после камеры (4).
Испытуемый воздуховод равномерного всасывания (1) имел длину 1000 мм и были изготовлен из органического стекла. Всего исследовалось 8 воздуховодов, имеющих размеры поперечного сечения: 75x75 мм; 100x100 мм, 150x150 мм ; 75x90 мм; 75x100 мм; 75x150 мм; 90x150 мм; 100x150 мм. Одна из сторон: 75, 90, 100, 150 мм имела съемную стенку, вместо которой устанавливалась насадка с продольной щелью постоянной ширины: 20 мм, 25 мм, 30 мм, 40 мм, 45 мм, 50 мм, 60 мм, 70 мм, 80 мм, 90 мм, 106 мм. Каждая насадка имела конус переменной ширины по длине воздуховода и переменной глубины (различного угла сужения). Результаты исследований приведены в Приложении.
Поля скорости во всасывающей щели измерялись термоанемометром в 10 поперечных сечениях. В каждом сечении определялись средния скорости, значения которых показывали неравномерность поля всасывания (см. Рисунки Приложения)
1. Разработана и выполнена экспериментальная установка для изучения интенсивности улавливания вредных выделений от ванн, на которой проведены исследования с использованием газов аналогов. Выбор аналогов произведен по физико-химическим показателям с учетом безопасности работы с ними.
2. Разработана и выполнена экспериментальная установка для исследований воздуховода условно равномерного всасывания. Для визуализации наблюдений воздуховоды были изготовлены из органического стекла.
3. Проведено планирование по полному факторному эксперименту типа 2К. На каждом сочетании уровней проводилась серия из 2-х, 3-х дублирующих опытов.
4. Проведен анализ поля факторов и откликов, на основании которого выбраны: методика экспериментальных исследований, измерительные приборы и вспомогательные инструменты (коор-динатники с заданной точностью установки датчиков приборов, дополнительные емкости, с заданной точностью установки уровней, уловители газа и т.д.). Экспериментальные исследования также показали, что в зоне прилегающей к плоскости приточной щели, при уровне поверхности ванны ниже уровня подачи воздуха, возникает зона циркуляции ГВС. В этой зоне естественно возникают концентрации газа значительно выше, чем в зоне отсоса. Необходимо, чтобы они не превысили взрыво-пожароопасных значений. Результаты исследования концентраций газа в зоне циркуляции позволили получить следующие эмпирические уравнения. Максимальные значения
Методика основывается на сопоставлении расходов на работу более совершенствованного местного отсоса и общеобменной вентиляции. Использование более эффективного местного отсоса позволяет уменьшить воздухообмен, осуществляемый системой общеобменной вентиляцией, а следовательно уменьшить капитальные затраты, расход электроэнергии и теплоты.
Коэффициент эффективности для активированных отсосов [103] составляет є = 0.9; для разработанной конструкции (см. раздел 4.1) имеет значение є = 0,958.
Используем обозначения: qp — количество газа, выделяющееся с единицы поверхности ванны, r/fM c); Сад - предельно допустимая концентра-ция рассматриваемого газа в рабочей зоне, мг/м ; Gp - массовое количество газа выделяющееся от ванны, г/с; Gy — количество газа, удаляемого системой местного отсоса; GB - количество газа, поступающего в объем цеха от ванны, г/с, Gnp - массовый расход приточного воздуха, необходимый для ассимиляции газовых выделений в цех, кг/ч; Vnp - объемный расход приточного воздуха, м3/ч.; Р- потери давления в вентиляционной сети, Па; N -мощность потребляемая электродвигателем вентилятора.; А ,.Б - размеры ванны, м.
