Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование гидродинамики сушилки с виброкипящим слоем
1.1. Дифференциальные уравнения движения частиц без отрыва от вибрирующей поверхности 6
1.2. Дифференциальные уравнения движения частиц в режиме с подбрасыванием 13
1.3. Влияние скорости воздуха на скорость транспортирования материала в виброкипящем слое 20
1.4. Уточнение гидродинамической модели выбранной конструкции сушилки с виброкипящим слоем 25
Глава 2. Экспериментальная проверка теоретических моделей в лабораторных и производственных условиях
2.1. Экспериментальная установка для исследования сушки в виброки пящем слое 31
2.2 Исследование кинетики сушки винифлекса 36
2.4.Исследование процесса сушки поливинилацетата (ПВАБ) 40
2.5. Экспериментальные исследования параметров процесса сушки на опытно-промышленном образце вибросушилки 46
Глава 3. Методы и средства снижения вредных последствий виброакустической активности аппаратов с виброкипящим слоем
3.1. Методика расчета уровней звукового давления на рабочих местах экспериментальной и опытно-промышленной установок вибросушилок 64
3.2. Методика расчета уровней шума, создаваемого встроенной в аппараты с виброкипящим слоем вентиляционной системой 70
3.3. Методика расчета эффективности средств снижения шума при работе аппаратов с виброкипящим слоем 85
3.4. Исследование динамических характеристик систем виброизоляции аппаратов для сушки в виброкипящем слое 106
Глава 4. Финансовые затраты связанные с условиями труда и экономические последствия неблагоприятных условий труда
4.1 Финансирование системы охраны труда 129
4.2 Предупредительные мероприятия по охране труда, финансируемые за счет средств на обязательное социальное страхование от несчастных случаев на производстве и профзаболеваний 130
4.3 Скидки и надбавки к страховому тарифу 131
4.4 Расчет и установление надбавок к страховому тарифу 134
4.5 Расчет и установление скидок к страховому тарифу 135
4.6 Разработка предложений по повышению экономической заинтересованности страхователей в снижении производственного травматизма при установлении скидок/надбавок к страховому тарифу 140
4.7 Предупредительные меры по сокращению производственного травматизма и профессиональных заболеваний 146
4.8. Анализ эффективности финансирования предупредительных мер и предложения по его совершенствованию 149
Основные результаты и выводы 153
Литература 155
Приложения к диссертационной работе 161
- Дифференциальные уравнения движения частиц в режиме с подбрасыванием
- Экспериментальные исследования параметров процесса сушки на опытно-промышленном образце вибросушилки
- Методика расчета уровней шума, создаваемого встроенной в аппараты с виброкипящим слоем вентиляционной системой
- Предупредительные мероприятия по охране труда, финансируемые за счет средств на обязательное социальное страхование от несчастных случаев на производстве и профзаболеваний
Введение к работе
Наиболее энергоемким и распространенным технологическим процессом, потребляющим до 20 % затрат энергии в химической и текстильной промышленности является сушка.
Использование имеющихся резервов интенсификации процесса сушки за счет активизации виброакустических воздействий, неизбежно приведет к резкому возрастанию вибрации и шума оборудования на рабочем месте, что делает невозможным использование указанных резервов без разработки эффективных методов снижения шума и вредных воздействий вибрации на обслуживающий персонал.
Повышенная вибрация и шум на рабочих местах являются одними из основных вредных производственных факторов на предприятиях химической и текстильной промышленности, поэтому разработка методов снижения виброакустических воздействий, обеспечивающих безопасные условия труда и повышающих производительность труда, в том числе при сушке дисперсных материалов в виброкипящем слое, является актуальной научной и технической задачей.
Целью работы является повышение эффективности сушки в виброкипящем слое путем увеличения виброакустических воздействий на процесс и разработка технических решений, обеспечивающих безопасные режимы работы оборудования и безопасные условия труда обслуживающего персонала.
В первой главе рассматривается гидродинамика аппаратов с виброки-пящим слоем, в том числе приводится анализ дифференциальных уравнений и расчет траектории движения частиц дисперсных материалов по вибрирующей поверхности.
Вторая глава посвящена экспериментальной проверке теоретических моделей, которая проводились как на лабораторной установке, так и на опытно-промышленной сушилке.
В третьей главе диссертации рассматриваются вопросы, связанные со снижением шума и вибрации аппаратов с виброкипящим слоем. Одним из основных вопросов методики акустического расчета этих систем является определение шумовых характеристик вентиляторов и вибраторов, как наиболее сильных звукоизлучателей, входящих в структуру этих аппаратов. В данной работе разработаны методы расчета уровней звукового давления на рабочих местах операторов технологического оборудования и методы оценки эффективности средств снижения шума, применяемых в производственных цехах, а также созданы методики расчета звукоизолирующих ограждений для технологического оборудования. Созданы математические модели для процессов виброизоляции технологического оборудования, установленного на реальном основании посредством виброизолирующих систем, реализуемых на пружинных, резиновых и рессорных упругих элементах.
В четвертой главе диссертационной работы определены и классифицированы финансовые затраты предприятия связанные с условиями труда и определены факторы производственного риска, рассмотрены экономические последствия неблагоприятных условий труда, а также представлен расчет экономической эффективности мероприятий в области охраны труда, приведены источники финансирования мероприятий по охране труда.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана сушилка с направленно-перемещающимся виброкипящим слоем и создана опытно-промышленная установка для сушки поливи-нилацетата бисерного (ПВАБ). Разработан комплекс средств снижения шума и вибрации, который позволил снизить уровни звукового давления до нормативных значений, регламентированных ГОСТ 12.1.003-83.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы из 106 наименований и приложений. Работа изложена на 185 страницах, содержит 53 рисунка,
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Дифференциальные уравнения движения частиц в режиме с подбрасыванием
В этом уравнении влияние гидродинамических сил учитывается в обобщенных переменных (1.1.20). Для решения этого трансцендентного уравнения, представляющего по виду классическое уравнение Кеплера, применяется графический метод, для которого составлены Г.Д. Терсковым [129] удобные диаграммы для определения фазовых углов перехода.
В теории вибротранспортирования в качестве безразмерного обобщенного параметра, характеризующего скоростной режим работы вибромешалки, применяется величина, обратная Z0; К \(ZQ; тогда условие безотрывного движения частицы по вибрирующей поверхности запишется в виде а критическое ускорение плоскости, при котором будет иметь место режим движения частицы без отрыва от плоскости., определится из формулы
Из последнего уравнения следует, что с увеличением гидродинамических сил критическое ускорение снижается пропорционально є, следовательно при постоянных ускорениях плоскости коэффициент режима К определяется только значением коэффициента степени взвешивания.
При переходе от рассмотрения условий равновесия и движения одиночной частицы к системе частиц, которую представляет слой перемещаемого дисперсного материала, возникают большие трудности, связанные с учетом взаимодействия частиц, их внутреннего трения, высоты слоя, формы частиц и ряда других факторов. Однако суммарная гидродинамическая сила сопротивления частиц в слое равна сопротивлению слоя АР и может быть легко измерена. Из рассмотрения уравнений (1.1.10) и (1.1.11) можно выразить є через скорости потока, тогда где Vr - рабочая скорость газа, отнесенная к площади решетки; вит — скорость витания частиц, рассчитанная по эквивалентному диаметру частиц. Для определения VBHT могут быть использованы известные зависимости [23,101,107].
Режим движения частиц с постоянным контактом с рабочим органом является частным случаем процессов сушки, когда по технологическим требованиям необходимо исключить движение частиц относительно друг друга. Чаще всего встречаются случаи, в которых требуется интенсивное перемешивание частиц, которое реализуется при режимах движения частиц с подбрасыванием.
Отличительной особенностью этих режимов является наличие свободного полета частицы над вибрирующей плоскостью. Рассмотрим уравнения движения частицы над плоскостью, когда на нее кроме вибрационных воздействий действует гидродинамическая сила потока. При рассмотрении ре альной схемы кроме гидродинамических сил FA, FR, действует еще знакопеременная относительно оси у сила, пропорциональная скорости движения частицы, однако, эта сила, абсолютные значения которой малы вследствие незначительных относительных скоростей между частицами и газом, не учитывается.
На рис. 1.2. приведена схема сил, действующих на частицу в режиме с подбрасыванием. Составим дифференциальное уравнение полета частицы массой т над плоскостью, совершающей гармонические колебания по закону
Во время полета частицы над плоскостью нормальная реакция и сила трения в уравнениях (1.1.2), (1.1.3) обращается в нуль.
Система исходных дифференциальных уравнений, описывающих движение частицы над вибрирующей поверхностью с учетом гидродинамической силы, имеет вид: Частица отрывается от плоскости в момент времени, когда нормальная реакция обращается в нуль. Это время отрыва можно определить из уравнения (1.1.5), используя коэффициенты взвешивания є и режима работы Z0. Уравнения (1.2.2), (1.2.3) описывают движение частицы от начала отрыва т0 до момента падения тп частицы на плоскость, поэтому в этих пределах эти уравнения могут быть проинтегрированы. Интегрируя уравнение (1.2.6) при начальных условиях Находим скорости и координаты частицы в полете: Следует заметить, что при нахождении корней этих уравнений получаются трансцендентные уравнения более сложного вида, чем уравнение Кеплера. В связи с этим система уравнений (1.2.2), (1.2.3) решалась с помощью ПЭВМ на языке программирования "СИ++". Расчет начальных условий проводился по следующим уравнениям
Экспериментальные исследования параметров процесса сушки на опытно-промышленном образце вибросушилки
Амплитуда колебаний регулировалась ступенчато за счет эксцентрикового механизма с интервалом; 0,75; 1,5; 2,25; 3,0; 4,15; 5,9 мм. Частота колебаний фиксировалась тока генератором ТГ10, подключенным к приводному эксцентриковому валу рычажного механизма, амплитуда колебаний контролировалась вибрографом ВР-1.
С целью расширения диапазона частот и ускорений, а также отработки схемы с использованием серийно выпускаемых вибраторов в экспериментальной установке был использован стандартный вибратор с направленными колебаниями типа С-840 мощностью 0,4 кВт и номинальной нерегулируемой частотой колебаний - 2800 кол/мин. Для плавного регулирования числа оборотов вибратора была использована схема регулирования, представленная на рисунке 2.2, при этом изменение частоты переменного тока, подаваемого в вибратор пропорционально изменению частоты колебаний в диапазоне от 1000 до 2800 об/мин.
Система подачи и подогрева воздуха состояла из вентилятора ВД2 с плавной регулировкой числа оборотов за счет установки привода ПМО-0,6 мощностью 0,4 кВт, скоростью вращения от 200 до 1400 об/мин и пятисек-ционного электрического калорифера мощностью 18 кВт. Пятая секция калорифера мощностью 1кВт использовалась для автоматического поддержания температуры на входе в сушильную камеру и была включена в цепь автоматического регулятора температуры электронного моста МСР1-20, другие секции мощностью 6 и 2,5 кВт включались вручную и использовались для грубой настройки на заданный температурный режим.
Температура воздуха на входе в сушильную камеру и над слоем материала измерялась термометрами сопротивления ТСП-170 и записывалась на ленту автоматического регулирующего моста МСР1-20.
Температура в слое материала измерялась термопарами ТХК с открытым спаем в трех зонах по длине сушильной камеры и в трех точках каждой зоны по высоте слоя, показания термопар записывались на ленте потенциометра ПС1-11.
Расход воздуха регулировался за счет изменения числа оборотов венти-лятора ВД-2, измерялся в диапазоне от 50 до 630 м /час и автоматически записывался на ленту расходомера ПВ4-2Э, работавшего в комплекте с ДМПК-400.
Расход материала фиксировался путем периодического взвешивания, выходящего из сушилки продукта. Сопротивление слоя измерялось по перепаду давления в слое, измеряемому микроманометром МН-200 (при этом измерительная трубка диаметром 2 мм была припаяна непосредственно к газораспределительной решетке со стороны слоя материала).
Средняя скорость транспортирования материала определялась путем взвешивания материала, выходящего из сушилки в единицу времени GM ,и измерения методом отсечки количества материала G"M, находящегося в камере при данном режиме. Средняя скорость транспортирования рассчитывалась по формуле VTP - LGMJG M, а также путем фиксирования времени нахождения меченого материала в сушильной камере. В качестве меченого материала в опытах по определению коэффициентов продольного перемешивания применялся полипропилен с эквивалентным диаметром частиц d3 = 2,8 мм белого и зеленого цвета.
Опыты по сушке материалов в виброкипящем слое проводились в условиях стационарного и нестационарного режимов. При нестационарном режиме угол вибрации /? устанавливался на 90, чтобы не происходило транспортирования материала вдоль сушильной камеры.
В ходе опытов по сушке зернистых материалов с целью определения термограмм сушки отбирались пробы материала на влажность специальным пробоотборником, состоящим из пластмассовой чашечки, в дно которой вмонтирована чувствительная термопара ХК с диаметром спая ОД 5 мм, соединенная с одноточечным потенциометром ЭПВ2-11А, таким образом фиксировалась температура материала, а затем и его влагосодержание. При стационарном режиме пробы отбирались в пяти зонах по длине лотка, при нестационарном режиме интервал отбора проб составлял в зависимости от скорости сушки от одной до четырех минут.
В качестве объектов исследования процесса сушки в виброкипящем слое были выбраны следующие химические продукты: поливинилацетат, ме-лалит и винифлекс. Выбор указанных продуктов определился тем, что все они обладают рядом специфических свойств (полидисперсностью, повышенной склонностью к слипанию и комкованию во влажном состоянии, термочувствительность), которые не позволяют обезвоживать эти материалы в аппаратах с обычным псевдоожиженным слоем вследствие образования в них агломератов и каналов, нарушающих нормальное псевдоожижение.
В качестве эталонного материала для определения коэффициента теплообмена в виброкипящем слое применялся сополимер МСН, имеющий высокую подвижность и геометрически строго определенную поверхность.
Для исследования гидродинамики виброкипящего слоя были применены материалы, обладающие различными коэффициентами восстановления Кв при ударе о неподвижную металлическую поверхность (полистирол, поливинилбутиральфурфураль - ПВБФ, полипропилен).
Методика расчета уровней шума, создаваемого встроенной в аппараты с виброкипящим слоем вентиляционной системой
Сушку конвективным методом с продувкой теплоносителя через вибро-кипящий слой осуществляют в аппаратах, вибрирующее дно которых выполняют из перфорированного металла или сеток. Этот способ сушки применяют для различных сыпучих материалов, в том числе трудно поддающихся переводу во взвешенное состояние только одним потоком воздуха, а также полидисперсных, когда необходимо снизить скорость сжижающего агента и тем самым уменьшить унос тонких фракций из слоя.
Для большей части сыпучих материалов, содержащих удаляемую при сушке влагу в основном на поверхности частиц (кристаллов), переход от неподвижного и слабоперемешиваемого слоев к виброкипящему позволяет значительно интенсифицировать процесс их сушки, охлаждения и нагрева. Фирмой "Werkspoor" (Голландия) экспериментально показано, что сушка кристаллического сахара, пробеленного водой в виброкипящем слое высотой 30 мм происходит в пять раз быстрее, чем в неподвижном. В неподвижном слое на поверхности материала образуется корочка, которая ухудшает условия внешнего тепло- и массообмена. На протяжении почти всей сушки в неподвижном слое процесс проходит в периоде падающей скорости, а в виброкипящем — при постоянной скорости сушки, а влажность материала 0,4% достигается менее чем за 1 мин. Ерещенко Г.В. [175] проведены исследования сушки сахара-песка в барабанной сушилке и в экспериментальных установках с кипящим и виброкипящим слоями. Установка с кипящим слоем имела несколько различных съемных сушильных камер. Одна из них (диаметром 11 мм) позволяла загружать слой материала высотой до 290 мм. В дне камеры была установлена газораспределительная решетка диаметром 35 мм. Сушильная камера установки непрерывного действия с виброкипящим слоем имела прямоугольное горизонтальное сечение и наклонные боковые стенки. Дно камеры размером 980x30 мм было выполнено из штампованного сита, под которое с помощью газораспределительной трубы подавали воздух. Камера была установлена на наклонных стальных пружинах и приводилась в колебательное движение кривошипно-шатунным механизмом с частотой 6,4 Гц.
Как показали исследования, применяемые на сахарных заводах громоздкие барабанные сушилки работают с малым напряжением объема сушильной камеры по испаряемой влаге. В процессе сушки значительное количество кристаллов сахара измельчается, стираются их грани, сахар теряет блеск, образуется большое количество сахарной пыли. Сушка сахара-песка в установках кипящего слоя также сопряжена с рядом трудностей. Влажный сахар-песок плохо переводится в состояние устойчивого кипящего слоя. Пока влажность сахара-песка превышает критическую влажность (0,3- 0,25%), кипение слоя происходит неравномерно. Образуются застойные зоны, сахар-песок агрегируется в большие комки, воздух уходит из камеры через образующиеся в слое сквозные каналы. Только при влажности ниже критической устанавливается устойчивое, равномерное, спокойное "кипение" слоя. В результате основной процесс сушки сахара-песка проходит неравномерно, наблюдается увлажнение верхней части слоя, продолжительность процесса хотя и меньше, чем в барабанных сушилках, однако конечная влажность 0,15% достигается только через 2,5 -ь 3 мин. На рис.2.б, а показана кривая сушки слоя высотой 100 мм сахара-песка с начальной влажностью 1,52 % в установке с кипящим слоем при температуре и скорости продуваемого воздуха соответственно 100,2С и 0,872 м/сек.
В сушилке с виброкипящим слоем перемешивание материала проходит интенсивно в широком диапазоне влажности сахара-песка. Полностью устраняются канальные проскоки. Комки сахара не образуются. Поверхность газораспределительной сетки и стенок сушильной камеры кристаллами не засахаривается. Равномерность пребывания сахара в сушильной камере повышается, и кристаллы не истираются. Сушку сахара-песка в вибрационной сушилке проводили при высоте слоя 25 мм, скорости воздуха в горизонтальном сечении камеры 0,84 м/сек и его температуре 104С Скорость перемещения материала вдоль сушильной камеры была равна 13,9 м/мин. Как видно из кривой сушки (рис.2.6,6), в виброкипящем слое сахар-песок высыхает до влажности 0,03 % менее чем за 20 сек, а до 0,19 % за 9 сек, что в 15-20 раз быстрее, чем в кипящем слое (рис.2.6, а). Несмотря на снижение удельных расходов воздуха и тепла на 1 кг испаренной влаги, продолжительность сушки в экспериментальной установке с виброкипящим слоем в сравнении с сушкой в барабанной сушилке сократилась (в среднем) в 33 раза; напряжение сушильной камеры по испаряемой влаге увеличилось почти в 57 раз.
Предупредительные мероприятия по охране труда, финансируемые за счет средств на обязательное социальное страхование от несчастных случаев на производстве и профзаболеваний
Для рассматриваемых условий при q = 0,01 шт/м : Х= - 15,5 дБ; Y = 0. Анализируя полученные данные приходим к выводу, что акустические характеристики опытно-промышленной вибросушилки для поливинил ацетата бисерного (ПВАБ) при технологических режимах сушки: частоте вращения п = 1420 об/мин, амплитуде колебаний А = 2 мм, угле вибрации 3 = 75, скорости воздуха, отнесенной к поверхности решеток, равной 0,3 м/сек, и плотно-сти установки q - 0,01 шт/м соответствуют требованиям ГОСТ 12.1.003-83. «Шум. Общие требования безопасности».
Следует отметить, что аппараты для сушки в виброкипящем слое состоят из большого числа встроенных вентиляционных систем, включающих в себя вентиляторы, воздуховоды и воздухораспределители как для подачи теплоносителя, так и для транспортирования готового продукта с помощью циклонов. Поэтому перейдем к рассмотрению виброакустических характеристик этих систем.
Одним из основных вопросов методики акустического расчета вибросушилок является определение виброакустических характеристик вентиляторов и вибраторов, как наиболее интенсивных звукоизлучателей, входящих в состав аппаратов данного класса, причем наличие воздуховодов различного назначения и их протяженность также вносит существенный вклад в шу-моизлучение данного оборудования. Методика акустического расчета вентиляционных установок базируется на определении шумовых характеристик вентиляторов. Возникновение аэродинамического шума происходит в объеме, ограниченном корпусом вентилятора, в результате обтекания воздухом лопаток рабочего колеса. Акустический расчет вентиляционной установки позволяет на стадии проектирования определить ожидаемые уровни шума, сопоставить их с допустимыми значениями и наметить мероприятия по снижению шума и вибрации всей системы вентиляции.
Рассмотрим вентилятор в виде совокупности трех отдельных источников шума: Рдг - октавные уровни звуковой мощности, излучаемой вентиляционным агрегатом в окружающее пространство (определяют интенсивность шума в помещениях, где установлены вентиляторы), когда трубопроводы всасывания и нагнетания выведены в другие помещения, дБ; Рвс и Р - октавные уровни звуковой мощности аэродинамического шума, излучаемого вентилятором соответственно в трубопроводы со стороны всасывания и нагнетания (определяют интенсивность шума в помещениях, обслуживаемых вентиляционной установкой), дБ. Процесс перехода звуковой энергии из трубопровода в открытое пространство сопровождается потерями звуковой мощности ДВых, дБ, которые зависят от частоты и размеров проходного сечения трубопровода [172].
Переход звуковой энергии из объема, ограниченного корпусом центробежного вентилятора, в подсоединяемые трубопроводы сходен с прохождением звука через внезапное расширение в трубопроводе. Тогда на основании известного соотношения, определяющего потери звуковой мощности при внезапном изменении площади поперечного сечения трубопровода, можно установить связь между уровнями Р0] Р вс и Р НАГ для центробежных вентиляторов: где m вс - отношение площади стенки корпуса вентилятора к площади проходного сечения воздухоприемного патрубка, который расположен на этой стенке; т - отношение наибольшей площади поперечного сечения корпуса вентилятора к площади нагнетательного отверстия; Р0 - начальные уровни звуковой мощности аэродинамического шума, который имеет место внутри корпуса вентилятора, дБ.
Звуковая мощность W, Вт, аэродинамического шума вихревого происхождения может быть представлена следующим образом: где К — безразмерный параметр, зависящий от конструктивных особенностей вентилятора, чисел Рейнольдса и Маха; р - плотность воздуха, кг/м ; с - скорость звука в воздухе, м/с; DB - наружный диаметр рабочего колеса вентилятора, м; О в= rDBnB /60 - максимальная окружная скорость колеса, м/с; ОС и Y — частотные характеристики показатели степени, причем Y = ее + 3; пв - частота вращения, об/ мин. Тогда на основании уравнения (3.2.2) получаем:
Средние значения октавных уровней L, полученные на основании акустических испытаний различных центробежных вентиляторов, диаметры рабочих колес которых лежат в пределах 200... 1000 мм, а частоты вращения составляют 1410...3900 об/мин, приведены ниже [170]
