автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему: Моделирование и обоснование режимов вентиляции помещений производства полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением

Автореферат диссертации по теме "Моделирование и обоснование режимов вентиляции помещений производства полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением"

ПОТАПОВА Светлана Олеговна

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ ТЕПЛОВЛАГОВЫДЕЛЕНИЕМ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

КОЛОДЯЖНЫЙ Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

АГАПОВ Юрий Николаевич

кандидат технических наук, доцент КУЧЕРЕНКО Мария Николаевна

Ведущая организация: Юго-Западный государственный

Защита состоится 19 мая 2011 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 3220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «18» апреля 2011 г.

диссертационного совета '¿/с&уц^^'— Н. А. Старцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Промышленные предприятия характеризуются, как правило, большим разнообразием используемого сырья и полупродуктов. Вещества, применяемые в большинстве производств, газообразны, взрывоопасны и представляют собой потенциальную опасность возникновения профессиональных заболеваний у работающих.

Процессы производства сопровождаются выделением вредных газов, паров и тепла, количество которых зависит от особенностей технологического процесса, степени герметизации оборудования и пр., вследствие чего воздух в помещениях претерпевает сильные изменения. Эти изменения в общем случае касаются состава и состояния воздуха и могут вредно отражаться на здоровье и самочувствии рабочих, создавать тяжелые условия для работы и неблагоприятно влиять на производительность труда.

В производственных помещениях нет необходимости поддерживать требуемые параметры воздуха по всему объему. Важно, чтобы в рабочей зоне (высота ее принимается 2 м) и в местах у технологического оборудования параметры воздуха не отклонялись от нормируемых пределов. Вентиляция в большинстве случаев может обеспечить в помещениях только допустимые санитарно-гигиенические условия.

Одним из основных помещений заводов по производству полимерных материалов являются цеха по производству готовой продукции. Вопрос улучшения состояния воздушной среды в этих цехах является актуальным, так как на ряде предприятий заводов синтетического каучука, как показали результаты обследований, концентрация вредных веществ в воздухе производственных помещений и выбросы в атмосферу превышают предельно допустимые значения. При обследовании вышеуказанных цехов также наблюдались значительные перепады температуры и влажности. Интенсификация производства, а также высокие требования к состоянию воздушной среды, обеспечивающему благоприятные условия для роста производительности труда, ставят соответствующие задачи в области вентиляции: возникает необходимость выявления рациональной схемы вентиляции, обеспечивающей нормальные метеорологические и санитарно-гигиенические условия в производственных помещениях, совершенствование работы местной вытяжной вентиляции.

Существующие принципы и методы расчета промышленной вентиляции цехов по производству полимерных материалов не учитывают в достаточной мере комплексного воздействия на параметры воздушной среды помещений следующих факторов: молекулярной массы газообразных взрывопожароопас-ных веществ; геометрических размеров и конструкций ограждений помещения; режимов работы технологического оборудования; потоков теплоты и вредных веществ, выделяющихся из оборудования; кратности воздухообмена; скорости истечения приточного воздуха из воздухораспределителей и способов организации воздухообмена.

Проблема интенсификации систем вентиляции в производственных помещениях производства полимерных материалов с учетом эффективных способов проектирования местной и общеобменной вентиляции является весьма акту-

альной, так как ее решение позволит улучшить качество внутреннего воздуха, которое обеспечит здоровье работающему персоналу, чистоту промплощадок и одновременно снизит затраты на знергоресурсы.

Цель работы - моделирование и обоснование режимов работы вентиляции помещений по производству полимерных материалов с высоким тепловлаговы-делением.

1. Разработать математическую модель общеобменной вентиляции с различными схемами местной вытяжной вентиляции для получения математических зависимостей температурных полей, влажности и концентрации взрыво-пожароопасных веществ.

2. Разработать воздушно-тепловую модель для проведения экспериментальных исследований с целью определения критериальных уравнений процессов тепломассообмена в помещениях по производству полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением.

3. На воздушно-тепловой модели провести моделирование работы местной и общеобменной вентиляции для построения картины циркуляции воздушных потоков.

4. Разработать методику определения расположения местных отсосов, режимов их работы и выявить влияние конструкции местных отсосов на величину воздухообмена. Разработать номограмму, связывающую между собой расход отсасываемого воздуха и конструкцию входного патрубка.

5. Разработать метод расчета параметров внутреннего воздуха и рациональных режимов работы систем местной и общеобменной вентиляции производственных помещений по производству полимерных материалов.

Объестом исследования являются производственные помещения по производству полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением.

Предметом исследования является системы общеобменной и местной вытяжной вентиляции помещений по производству полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением.

Методы исследования. Основные теоретические задачи решались с привлечением математического аппарата, используемого при решении дифференциальных уравнений и корреляционно-регрессионных моделей; закономерностей тепло-массообменных процессов, аэродинамики, современных методов определения параметров воздуха производственных помещений. Правильность полученных зависимостей подтверждена промышленными исследованиями теплового, воздушного и газового режимов помещений с большим тепловлаговыделением.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель общеобменной вентиляции с различными коэффициентами эффективности местной вытяжной вентиляции, представляющая собой математические описания температурных полей, влажности и концентрации взрывопожароопасных веществ.

2. На основе подобия была разработана воздушно-тепловая модель для проведения экспериментальных исследований. По результатам экспериментальных исследований определены критериальные уравнения процессов тепло-

массообмена в помещениях по производству полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением.

3. Для построения картины циркуляции воздушных потоков выполнено моделирование работы местной и общеобменной вентиляции.

4. Разработана методика определения положения местных отсосов, режимов их работы и влияния конструкции местных отсосов на величину воздухообмена. Разработана номограмма, связывающая между собой расход отсасываемого воздуха и конструкцию входного патрубка. При построении номограммы использовались зависимости спектров скоростей и влажности отсасываемого воздуха.

5. Разработан метод расчета параметров внутреннего воздуха и рациональных режимов работы систем местной и общеобменной вентиляции производственных помещений по производству полимерных материалов, позволяющий достичь равномерности концентраций тепловлаговыделений.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель для расчета температурных полей, влажности и концентрации взрывопожароопасных веществ в помещениях по производству полимерных материалов.

2. Критериальные уравнения процессов тепломасообмена в помещениях производства полимерных материалов с высоким тепловлаговыделением.

3. Методика определения положения местных отсосов, номограмма для определения параметров воздуха.

4. Метод расчета параметров внутреннего воздуха и рациональных режимов работы систем местной и общеобменной вентиляции помещений с высоким тепловлаговыделением.

Практическая значимость. Аналитические и экспериментальные зависимости движения теплогазовлаговыделений, метод корреляционно-регрессионного решения общеобменной вентиляции, разработанные на основе моделирования воздухообмена, позволяют проектировать и производить регулирование систем общеобменной и местной вытяжной вентиляции в производственных помещениях по производству полимерных материалов.

Апробация работы и внедрение. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, семинарах ВГАСУ (г. Воронеж, 2008-2010 гг.). Корреляционно-регрессионные модели динамики тепловлаговыделений, номограмма для определения эффективных способов организации воздухообмена, проектно-конструкторские разработки местных отсосов применяются в практике Воронежского ДОАО «Газпроектинжи-ниринг», внедрены на объектах ОАО «Воронежсинтезкаучук», ООО «Группа компаний "Инженерные системы"» (г. Воронеж).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертации систематически используются в курсовом и дипломном проектировании, научно-исследовательской работе по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в ГОУВПО ВГАСУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей объемом 39 е., из них лично автору принадлежит 19 с. Четыре работы опубликованы в издании, включенном в перечень ВАК, - «Научный вестник ВГАСУ. Строи-

тельство и архитектура». В статьях, опубликованных в рекомендованном ВАК издании, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] проведено экспериментальное исследование качества воздушной среды в промышленных помещениях; в работе [2] выявлены закономерности распространения пожаров-зрывоопасных веществ в производственных помещениях по производству полимерных материалов; в работе [3] разработаны зависимости диаметра патрубка и расхода отсасываемого воздуха от конструктивных размеров технологического оборудования; в работе [4] представлен расчет параметров промышленной безопасности местной вентиляции производственных помещений.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы из 95 наименований. Общий объем -133 е., в том числе 124 с. основного машинописного текста, 45 рисунков, 10 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, определены цель и задачи исследования, отражена научная новизна, практическая значимость и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ и синтез комплексного воздействия на метеорологичесике условия и чистоту воздуха производственных помещений следующих факторов: молекулярной массы газообразных вредных веществ; геометрических размеров помещения; режимов работы технологического оборудования; теплопоступлений и количества газообразных вредных веществ, выделяющихся из оборудования; кратности воздухообмена; скорости истечения приточного воздуха и способов организации воздухообмена.

Исследованиями микроклимата производственных помещений по производству полимерных материалов занимались П.А. Санников, В.М. Эльтерман, М.Ю. Кун, Л.М. Дудинцев, И.И. Полосин, Э.В. Сазонов, С.А. Колодяжный и др. Ими установлено влияние отдельных факторов на параметры воздушной среды помещений, в частности, то, что при незначительных избытках теплоты коэффициент распределения концентраций вредных веществ и коэффициент распределения температур отличаются друг от друга в широком диапазоне, течения воздушно-тепловых потоков являются неустойчивыми. Однако комплексного исследования воздействия факторов на параметры воздушной среды помещений ранее не проводилось.

Проведенный анализ и синтез факторов, влияющих на качество воздуха рабочей зоны производственных помещений по производству полимерных материалов, показал, что проектирование и регулирование систем вентиляции возможно путем разработки метода расчета, учитывающего взаимовлияние факторов, определяющих параметры воздушной среды помещений.

Во второй главе разработана математическая модель общеобменной вентиляции с различными коэффициентами эффективности местной вытяжной вентиляции.

Математическая модель динамических процессов воздухообмена разработана для случая, когда известен коэффициент воздухообмена по концентрации вредностей Кс. Дифференциальное уравнение материального баланса по газо-

выделениям при концентрации вредных веществ в приточном воздухе, равной нулю, имеет вид

е(Ол-с(А»ГЛ)*гА=юс (1) или (2)

где С- интенсивность выделения вредных веществ источником вредности, мг/с; К- вентилируемый объем помещения, м3; 1уй - объемный расход воздуха, удаляемый из помещения, м3/ч; /- коэффициент эффективности местного отсоса; С - концентрация вредных веществ, мг/м3.

Для определения оптимального воздухообмена и правильного решения его организации необходимо знать характер распределения концентрации вредностей по высоте и в плане помещения.

С помощью натурных исследований выявить истинную картину распределения вредностей очень затруднительно, так как при проведении натурных исследований мы почти лишены возможности варьировать различными схемами организации воздухообмена, направлением движения воздушных потоков. Это затрудняет выявление закономерностей, поэтому основным методом экспериментального изучения рассматриваемых явлений является метод воздушно-теплового моделирования.

При моделировании процессов вентиляции необходимо равенство критериев подобия в модели и натуре: геометрическое подобие в модели и натуре; турбулентный режим течения приточных струй; инвариантность критерия Архимеда; турбулентный режим течения конвективных струй; соотношение тепловой и лучистой теплоотдачи.

Нами рассматривался стационарный изобарический процесс, который моделировался лишь в теплый период года, когда условия труда самые неблагоприятные. Соблюдение условий подобия накладывает определенные связи на основные параметры моделирования. Масштабы основных параметров вентиляционного процесса определялись из условия подобия Аг=1с1ет с учетом теплового баланса в вентилируемом объеме.

Уравнение теплового баланса в вентилируемом объеме

где Мв, Мщ - молекулярные массы воздуха и примеси соответственно, кг/кмоль.

Критериальные уравнения для пересчета параметров с модели на натуру и обратно:

для скорости для воздухообмена

для теплоизбытков для кратности воздухообмена

Qu =<2„-ср-с$ =Q"/5A1\(8) Кш =KPH-cfi= 5,41 КРН; (9)

для удельных теплоизбытков для валового выделения вредных веществ

для коэффициента теплопередачи наружных ограждений

Для подтверждения подобия вентиляционного процесса был подсчитан критерий КСтр в модели и в натуре, который определяет отношение энергии приточных и тепловых струй:

Обобщение частной зависимости многих серийных экспериментов при вариантных типоразмерах оборудования проведено путем введения геометрического симплекса, учитывающего относительные размеры источника выделения вредных веществ и помещения

где I, b, h - линейные (габаритные) размеры оборудования, м; Н - высота типового производственного цеха, м.

В качестве объекта исследования нами выбрано типовое наиболее распространенное производственное здание павильонного типа, остекленное с двух сторон. Модель типового цеха была изготовлена из деревянных рам с остеклением по всей длине и из древесно-стружечных плит с торцов модели (рис. 1). Перекрытие было выполнено из древесно-волокнистых плит. Размер модели составил: длина - 3000 мм, ширина 1800 мм, высота 770 мм. Размеры фонаря также были смоделированы в масштабе 1/30. Объем модели цеха составил 4,158 м3. Подача паров вредных веществ осуществлялась с помощью специальной установки, которая состояла из воздуходувки с электродвигателем N=1,4 кВт; л=1425 об/мин, индикаторов расхода газа (ротаметров) типа РС-За, стеклянной колбы и медных трубок с внутренним диаметром 4 мм. Вредные вещества поступали в модель через отверстия в медных трубках.

В качестве примеси к воздуху в основных экспериментах был выбран толуол, пары которого в 3,2 раза тяжелее воздуха. Толуол был выбран по следующим причинам: он имеет меньшую токсичность, что очень важно при проведении опытов; имеется простой и достаточно точный способ его индикации.

Для исключения сорбции газовых вредностей модель окрашивалась хим-стойкой эмалью. Приточный воздух в модель подавался центробежным вентилятором. Удаление воздуха из модели цеха осуществлялось из верхней зоны через аэрационный фонарь. Количество приточного и удаляемого воздуха кон-

третировалась с помощью труб Вентури. Тарировка труб Вентури производилась по коллектору.

Скорость воздуха измерялась термозлектроанемометром. Тепловыделения от сушилок имитировались электронагревателями. В модели были установлены электронагреватели, подобные по форме и размерам сушильным камерам. Регулирование потребляемой мощности обеспечивалось трансформаторами, а измерения ее производились с помощью вольтметра, амперметра и ваттметра. Каждый электронагреватель конструктивно состоял из металлической коробки с проложенной внутри греющей спиралью из нихрома. Для создания стабильности теплового потока каждый нагреватель был доверху засыпан песком. Температура воздуха в модели цеха, в приточном и удаляемом воздухе и окружающей среде измерялась хромель-копелевыми термопарами, присоединенными к автоматическому потенциометру. Относительная влажность измерялась психрометром Ассмана.

Газовоздушная смесь поступала в модель по металлическим трубкам диаметром 6 мм. Газовыделения имитировались у вибросит, промывочных емкостей (рис. 1) и виброподъемников (рис. 2). Из виброподъемников газовоздушная смесь поступала внутрь модели через специальные отверстия диаметром 1,5 мм по всей высоте. Характер и место газовыделений соответствовали натурным.

Рис. 1. Модель технологического оборудования:

2 - промыиочная емкость; 3 - трубка

для подачи газовоздушной смеси

Рис. 2. Модели виброподъемииков: 1 - вибросито; 2 - промывочная емкость; 3 - рабочие площадки

Количество газовыделений в пересчете на натуру находилось в пределах 3,2 — 9,65 кг/ч. Определение концентрации паров толуола в воздухе модели производилось линейно-колористическим (экспресс) методом. Места отбора проб были строго фиксированы. С целью получения необходимых данных для сравнения различных схем воздухообмена определялись поля температур и концентраций паров толуола в обслуживаемых зонах и по высоте модели цеха.

Использование регрессионного метода при исследовании явлений вентиляционных процессов состоит в построении модели вида

где Y - зависимая переменная, характеризующая исследуемый показатель процесса; ХиХг. Х„- независимые переменные или факторы-аргументы регрессионной модели.

Задача сводится к определению параметров afi = 1,2. п):

(сумма квадратов отклонения расчетных значений зависимых переменных должна быть min).

Для определения тесноты связи вычисляют парные коэффициенты корреляции

где Xj - факторы-аргументы (/=1,2, . l,m); N - количество объектов в группе; /'номер объекта (i=l,2, . п), а^ - среднее квадратичное отклонение j - фактора; ау - среднее квадратичное отклонение переменной.

Существенность полученных моделей проверяется с помощью критерия Фишера:

Значения дисперсий S^ и S^CT определяются соответственно по форму-

где N — число схем; п - число факторов-аргументов.

Множественный коэффициент корреляции: Яу х1 = ^

где О - определитель матрицы; В,, - алгебраическое дополнение матрицы, соответствующее элементу Z^^

Среднеквадратичная ошибка коэффициента множественной корреляции

Результаты моделирования процессов воздухообмена производственных помещений с выделением газов, влаги и тепла представлены в табл. 1.

Картины циркуляции потоков для исследованных схем и кратности воздухообмена 4 ч'1 представлены на рис. 3-6.

Из рис. видно, что на циркуляцию потоков воздуха существенное влияние оказывают схемы вентиляции.

- 7 V-■- схемы : , Боздухораспредеиентге • Воздухоудалекне

1 Равномерно распределенная раздача на ленточное остекление в объеме 100 % притока Местная вытяжная вентиляция и удаление из верхней зоны через аэрационный фонарь

2 Равномерно распределенная раздача на ленточное остекление и сосредоточенная раздача струями в среднюю зону отделения упаковки на отм. 10,5 м через четыре патрубка Местная вытяжная вентиляция и удаление из верхней зоны через аэрационный фонарь

3 Равномерно распределенная раздача на ленточное остекление и сосредоточенная раздача струями в среднюю зону отделения упаковки на отм. 10,5 м через два центральных патрубка Местная вытяжная вентиляция и удаление из верхней зоны через аэрационный фонарь

4 Раздача приточного воздуха в верхнюю зону модели через центральный щелевой воздуховод в объеме 100 % притока Местная вытяжная вентиляция и удаление воздуха под ленточными остеклениями

5 Равномерно распределенная раздача в рабочую зону Местная вытяжная вентиляция и удаление из верхней зоны через аэрационный фонарь

Рис. 3. Картина циркуляции потоков воздуха при организации воздухообмена по схеме 1

Рис. 4. Картина циркуляции потоков воздуха при организации воздухообмена по схеме 3

Примечание: при раздачи воздуха по схемам 1 и 3 было установлено, что характер циркуляции не изменяется.

Рис. 5. Картина циркуляции потоков воздуха при организации воздухообмена по схеме 4

Рис. 6. Картина циркуляции потоков воздуха При организации воздухообмена по схеме 5

При раздаче приточного воздуха на окна по схеме 1 происходит отклонение холодных ниспадающих потоков вверх и далее к вытяжным отверстиям. Даже при температуре притока, равной температуре рабочей зоны, ниспадающие воздушные потоки от холодных поверхностей окон не попадают в рабочую зону. При раздаче воздуха по схеме 1 образуются два циркуляционных кольца по центру поперечного сечения цеха. На отм. 17,4 м в пересчете на натуру циркуляционные кольца замыкаются. Температурный градиент по высоте составил 0,58 °С. При раздаче воздуха через 2 центральных патрубка (схема 3) только в центральный проход цеха шириной 30 м в объеме, равном 50 % объема воздуха, подаваемого в отделение упаковки, достигается большая равномерность температуры по всему объему рабочей зоны.

При сравнении картин циркуляции потоков воздуха в поперечном сечении цеха при раздаче воздуха по схемам 1 и 3 было установлено, что характер циркуляции не изменяется.

При раздаче воздуха в верхнюю зону цеха настилающими струями на перекрытия по схеме 4 образуются четыре циркуляционных кольца, при этом наблюдается хорошее распределение воздуха вблизи стен, остекленных по периметру. Интенсивность циркуляции колец зависит от аэродинамических и термических помех и начальной энергии приточных струй.

При раздаче воздуха в рабочую зону (схема 5) ниспадающие холодные потоки воздуха проникают в помещение и создают дискомфортные условия в рабочей зоне.

Распределение концентраций вредных веществ по высоте цеха представлено и в табл. 2 и на рис. 7-17.

Номер схемы Количество выделяющихся вредностей Кратность воздухообмена Кр, ч'1 Вид зависимости Коэффициент сходимости R2 Форма связи

1 6,5 4 у = 0,0002xz - 0,0031 х + 0,0734 0,8436 Поли-номинапь-ная

1 6,5 3 у = 0,0004х^ - 0,0И5х + 0,1445 0,7682

1 6,5 2 у = 0,0001хг - 0,003х + 0,1409 0,8652

2 6,5 4 V ■= 0,0005х' - 0.0I52X + 0,1702 0,9504

1 8.2 4 у = 0,0003х'! - 0,0057х + 0,1217 0,8105

2 8,2 4 у = 0,0002х'! - 0,0048х + 0,108 0,8243

Примечание: Были выявлены поля концентраций толуола в рабочей зоне при разной эффективности работы местной вытяжной вентиляции и кратности воздухообмена от 2 до 4 ч" . Заявлено, что с уменьшением кратности концентация толуола возрастает по 1 и 2 схеме. При кратности воздухообмена 4 ч"' и различных количествах газовых вредностей при схеме 1 средняя концентрация возросла в 0,7 раза. Величина концентрации в уходящем воздухе изменилась в меньшей степени. Кроме того, было получено распределение температуры и концентрации в рабочей зоне при кратности 4 ч"1, температуре притока 61,3 °С , температуре в лаборатории 21,3 °С, величине С=8,2 кг/ч. При этом максимальное отклонение температуры от средней величины составляет 2,5 °С, концентрация равна 0,08 г/м3.

Сравнение схем 1 и 2 показало, что раздача воздуха через 4 патрубка приводит к сбиванию потока воздуха вблизи ленточного остекления, усилению интенсивности циркуляции потоков воздуха и некоторому увеличению концентрации в рабочей зоне по сравнению со схемой 1.

у - 0,000:*'- 0,0031* + 0.0734 R'^ 0,8436

у »O.OW.V-0.0057.1 < 0.1317 R-'-O.SlOS

0.00 2,00 4.00 6.1» Х.00 10.041 )100 W,00 16.IM» 1К.ОО 20,0(1 22,00 24Л«

Рис. 7. Распределение концентраций паров толуола по высоте модели цеха по схеме 1 при Кр = 4 ч"1 и G = 6,5 кг/ч