Совершенствование оценки качества воздушной среды цехов с многоуровневым расположением рабочих зон
На правах рукописи
ГАДАБОРШЕВА ТАМАРА БИМБУЛАТОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ЦЕХОВ С МНОГОУРОВНЕВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ
РАБОЧИХ ЗОН
05.26.01. Охрана труда (строительство)
05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
| Научный руководитель доктор технических наук, профессор АЗАРОВ ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ | |
| Официальные оппоненты: | |
| ГОЛОВАНЧИКОВ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химических производств» | |
| ЧЕБОТАРЕВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ кандидат технических наук, ведущий специалист центра сопровождения проектов ООО «ДАК Волгоград» | |
| Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» | |
Защита состоится 6 апреля 2012 года в 1100 на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Автореферат разослан 6 марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Юрьев Ю.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В особую группу производственных помещений, отличающихся сложностью пространственного размещения технологического оборудования, можно выделить цеха, имеющие технологические площадки на различных отметках. На таких предприятиях при осуществлении многих технологических процессов, в частности, при дроблении, измельчении, истирании и т.д., а также транспортировке порошкообразного сырья и продуктов, в воздух рабочей зоны выделяется большое количество мелкодисперсной пыли, часто одновременно c газами и избыточным теплом. Это создает неблагоприятные санитарно-гигиенические условия труда на рабочих местах, что приводит к росту профессиональных заболеваний.
Среди производств, имеющих подобные архитектурно-планировочные решения, можно назвать предприятия строительной индустрии по производству ж/б изделий, цемента, гипса и других вяжущих. Натурные замеры параметров рабочей среды (концентрации пыли и температуры воздушной среды) на предприятиях таких производств показал, что запыленность воздуха на рабочих местах в ряде случаев в несколько раз превышает ПДКр.з. и перепады температур по высоте производственных помещений достигают 13°С, а в плане помещений 8°С. Для рабочих данных предприятий характерен высокий уровень заболеваемости профессиональными заболеваниями, вызванными воздействием мелкодисперсной пыли и нестабильностью температурного режима.
Одной из причин несоответствия параметров воздушной среды рабочих зон нормативным в цехах с многоуровневым расположением оборудования являются проектные решения, основанные на стандартных методах, которые не учитывают закономерности распространения выделяющихся вредностей. Следовательно, используемые расчеты в полной мере не учитывают распространение пыли и тепла по объему цехов подобной конструкции. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на разработку научно обоснованных методов оценки и нормирования вредных производственных факторов (нестабильной температуры и повышенной запыленности воздуха) путем совершенствования методов расчета распространения указанных вредностей в цехах с многоуровневым расположением оборудования, в частности, на предприятиях строительной индустрии по производству ж/б изделий, цемента, гипса и других вяжущих.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы. Достижение нормируемых параметров состояния производственной среды (температуры и концентрации пыли в воздухе рабочей зоны) в цехах с многоуровневым расположением оборудования на основании совершенствования оценки качества воздушной среды цехов с многоуровневым расположением оборудования, посредством совершенствования методов расчета воздухораспределения и организации рационального воздухообмена на рабочих местах.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ технологического оборудования предприятий, для которых характерны цеха с многоуровневым расположением оборудования, как источника поступления пыли и тепла в рабочую зону и его компоновки в объеме цеха;
- определение исходных данных для разработки мероприятий по созданию нормативных значений температуры и запыленности воздуха рабочей зоны цехов с многоуровневым расположением оборудования;
- построение расчетной модели распространения тепла и пыли в воздухе рабочей зоны с определением эффективности удаления загрязняющих веществ на основе теоретических и экспериментальных исследований воздухообмена в цехах с многоуровневым расположением оборудования;
- уточнение понятия элементарного аэродинамического объема (ЭАО) для цехов с многоярусным расположением оборудования;
- разработка методов и средств снижения запыленности воздуха и стабилизации температурного режима рабочей зоны цехов с многоярусным расположение технологических площадок;
- анализ существующих схем воздухораспределения в цехах с многоуровневым рабочих зон;
- разработка методики расчета воздухообмена в цехах с многоярусным расположением технологических площадок с учетом деления на аэродинамические объемы и выбором схемы вентилирования.
Основная идея работы состоит в разработке обоснованных проектных решений по снижению воздействия на работающих вредных производственных факторов (температуры и концентрации пыли в воздухе рабочей зоны) с учетом закономерностей распространения вредностей (тепла и пыли) и применение методов и средств вытесняющей вентиляции в цехах с многоярусным расположением технологических площадок строительного производства с предварительным делением на элементарные аэродинамические объемы.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое и математическое моделирование, лабораторные исследования, обработку экспериментальных данных, опытно-промышленные исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, планированием необходимого объема экспериментов, выполненных на лабораторной установке и подтверждающих удовлетворительную сходимость полученных результатов исследований с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- уточнено понятие элементарного аэродинамического объема для цехов с многоуровневым расположением рабочих зон, определены и систематизированы виды элементарных аэродинамических объемов в зависимости от наличия в них источников пылегазовыделений, их мощности, геометрии и количества;
- разработана физико-математическая модель, описывающая процесс распространения вредностей воздушными потоками между элементарными аэродинамическими объемами цехов с многоуровневым расположением оборудования;
- получены экспериментальные данные, характеризующие закономерности перетекания вредностей в элементарных аэродинамических объемах цехов с многоуровневым расположением оборудования;
- разработана расчетная модель для определения величины воздухообмена при использовании методов вытесняющей вентиляции для цехов с многоуровневым расположением оборудования с целью достижения нормируемых значений температуры и концентрации пыли в воздухе рабочей зоны.
Практическое значение работы:
- разработана методика разделения цехов с многоуровневым расположением оборудования на элементарные аэродинамические объемы;
- разработана методика определения величин вредностей, поступающих в воздух рабочих зон цехов с многоуровневым расположением оборудования;
- разработаны рекомендации по проектированию и улучшению параметров воздушной среды рабочих зон в цехах с многоуровневым расположением оборудовании;
- разработана методика расчета воздухообмена ЭАО с учетом воздействия других элементарных объемов;
- разработаны рекомендации по проектированию систем вытесняющей вентиляции в цехах с многоуровневым расположением оборудования;
Реализация результатов работы:
- методика оценки качества воздушной среды цехов с многоуровневым расположением рабочих зон внедрена ЗАО «Промтехмонтаж» при разработке проектной документации;
- рекомендации по проектированию, выводы и научные результаты работы внедрены при разработке мероприятий по улучшению параметров воздушной среды рабочих зон на ОАО «Завод ЖБИ» г. Нальчик и заводе медной катанки «Налкат»;
- рекомендации по проектированию, выводы и научные результаты работы внедрены на ОАО Нальчинский хлебозавод при реконструкции систем общеобменной вентиляции;
- материалы диссертационной работы использованы кафедрой «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» в учебном процессе студентов специальностей 2801.02 «Безопасность технологических процессов и производств» и 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей распространения тепла и пыли в воздухе рабочей зоны для предприятий строительной отрасли в цехах с многоуровневым расположением оборудования;
- математическая модель и аналитические зависимости, описывающие процесс распространения пыли и тепла в воздухе рабочей зоны в цехах с многоуровневым расположением оборудования;
- разработанная классификация видов ЭАО в зависимости от наличия в них источников пылегазовыделений, их мощности, геометрии и количества;
- расчетные формулы для величины воздухообмена при организации вытесняющей вентиляции для цехов с тепло- и пылевыделениями с многоуровневым расположением оборудования и рабочих зон.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Международной научно-практической конференции «Интелектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Новосибирск, 2010г.); «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Самарканд, 2010г.); Экология и безопасность в техносфере: (Орел, 2011г.); «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса, 2010г.); «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк 2009г.); «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза 2009г.); «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза 2010г.); ежегодных научно-практических конференциях ФГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (г. Волгоград 2009-2011г.г.)
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 15 работах, в том числе 5 из них в рецензируемых изданиях.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, а также приведены данные о реализации полученных результатов.
Первая глава посвящена анализу воздействия вредных производственных факторов - мелкодисперсной пыли и избыточного тепла на организм работников и обзору существующих в настоящее время планировочных решений расположения оборудования, являющегося источником поступления пыли и избыточного тепла в воздух рабочей зоны в цехах с многоуровневым расположением оборудования. Также проведена сравнительная оценка схем воздухораспределения на предприятиях с многоуровневым расположением оборудования.
Вопросы рационального распределения приточного воздуха приобретают тем большее значение, чем выше санитарно-гигиенические и технологические требования к однородности воздушной среды помещений. В России проблемами организации воздухообмена в цехах с технологическими площадками или проемами в межэтажных перекрытиях занимались Селиверстов А.Н., Батурин В.В., Кудрявцев Е.В., Полосин И.И., Богуславский Е.И., Кононенко В.Д., Азаров В.Н. и др. За рубежом оценкой качества воздухораспределения занимались Г. Штауб, П. Фангер, Р.Невинсон и др. Ими были предложены различные схемы организации воздухообмена и его расчета, однако, для ряда процессов с многоуровневым расположением оборудования и рабочих зон не разработаны принципиальные решения по приведению параметров воздушной среды к нормативным значениям.
Выделение пыли и избыточного тепла в рабочую зону помещений происходит при различных технологических операциях, а также при неудовлетворительной работе систем локализующей вентиляции на предприятиях строительной, химической и пищевой промышленности (рис.1.), что приводит к ухудшению условий труда рабочих, повышенной утомляемости и возникновению профессиональных заболеваний (пылевые бронхиты, пневмокониоз и т.д.), а также негативно влияет на работу технологического оборудования, контрольно-измерительных приборов.
 а) |  б) |
 в) | |
| Рис. 1 а) разрез цеха бетоносмесительного узла, б)хлебозавода, в) подготовительного цеха шинного завода | |
Действенным способом эффективной оценки параметров воздушной среды в цехах с многоуровневым расположением оборудования и рабочих зон является расчленение всего объема цеха на элементарные аэродинамические объемы.
Вторая глава посвящена исследованию закономерностей движения воздушных потоков в рабочих зонах цехов с многоуровневым расположением оборудования. Для анализа закономерностей движения воздушных потоков в объеме цехов подобной конструкции используется понятие элементарного аэродинамического объема, который может быть определен как область, имеющая некоторые ограничения в виде ограждений, оборудования, либо выделенная в плане площадка с самостоятельным воздухообменом. Выявлены основные признаки формирования элементарных аэродинамических объемов, к которым относятся: ограниченность строительными конструкциями (одностороннее, двустороннее, трехстороннее), наличие источника загрязнения (точечный, линейный), их мощность, количество, месторасположение, а также вид загрязнения – пыль, избыточное тепло или их совместное выделение. При этом может наблюдаться как внешнее воздействие воздушных потоков, так и влияние рассматриваемого объема на воздушную среду помещения. Распределение воздушной струи по элементарному объему должно быть рассмотрено с учетом таких параметров, как мощность и вид источника выделения тепла и пыли, его геометрические параметры и место расположения, ограниченность элементарного объема строительными конструкциями и их линейными размерами.
Рис. 2 Классификация элементарных аэродинамических объемов
Проведена классификация ЭАО (рис. 2) в зависимости от следующих факторов: наличия источника загрязнения, их количества, мощности, ограниченности объема как в плане, так и по высоте, степени внешнего воздействия, либо влияния рассматриваемого объема на воздушную среду всего помещения, вида выделяемых оборудованием вредностей. Проведен анализ поведения струи подаваемого воздуха в элементарном аэродинамическом объеме (рис.3).
а)
 б) |
Рис. 3. Схемы распределения воздушных потоков в элементарных аэродинамических объемах многоярусного помещения с выделениями пыли (а) и с теплоизбытками (б). - приточные воздуховоды, - источники загрязнения
Так на рис.3(а) рассматриваются схемы движения воздушных потоков в элементарных аэродинамических объёмах с разносторонним ограничением. Источники загрязнения различной мощности, имеют различное расположение, максимальная высота подъёма потока ограниченна подаваемой струей, а также строительными конструкциями и не достигает высоты равновесия; при этом h0,5H, HL, подаваемая струя изотермическая направленного действия, ввиду мощности восходящего конвективного потока, принимает вид веерной восходящей струи; примыкающая зона не достигает границы источника загрязнений, соответственно поток частично перетекает в зону дыхания ниспадающим потоком, а более значительная часть - в ствол цеха восходящим потоком.
На рис.3(б) показаны схемы движения воздушных потоков в элементарных аэродинамических объёмах с разносторонним ограничением. Источники загрязнения различной мощности, имеют различное расположение, максимальная высота подъёма загрязненного потока не ограниченна подаваемой струей и строительными конструкциями и достигает высоты равновесия; при этом h0,5H, HL, подаваемая струя изотермическая направленного действия, примыкающая зона достигает границы источника загрязнений, соответственно происходит сдув потока, который частично перетекает в зону дыхания ниспадающим потоком, а более значительная часть - в ствол цеха восходящим потоком, а из ствола цеха, вследствие небольшой скорости воздуха внутри элементарного объёма, происходит подсос воздуха.
В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований движения пылегазового потока при различных скоростях и концентрациях в рассматриваемых элементарных объемах и их взаимовоздействия в многоуровневых цехах. При анализе исходили из нестационарной гидродинамической двумерной модели, описываемой системой уравнений (1)-(3):
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
где 
- плотность воздуха, 
- давление, 
- вектор скорости, 
= 1,42 – показатель адиабаты, 
- дифференциальный оператор набла, 
- функции источников.
В основе численной модели лежит алгоритм TVD в декартовой системе координат, который продемонстрировал свою эффективность для широкого круга задач. Внутри расчетной области задаем положения, приточных воздуховодов и источников загрязнения набором координат 
, в качестве начального состояния граничных условий выбираем параметры потока загрязнения от источника 
, приточных воздуховодов и в потоке, поднимающимся с нижнего этажа (по стволу).
 |  |
| Рис. 4 Схема распространения загрязненного (теплового) потока | |
На рис. 4 показана структура вентиляционного течения по результатам численных расчетов. В расчетной области имеется два четко выделенных потока: 1) первый поток исходит от источника загрязнения, что формирует первую струю; 2) второй поток генерируется приточными воздуховодами. Последний взаимодействует с первым, сильно отклоняя его влево (рис. 4). Имеется переходная зона между этими двумя потоками, в которой тангенциальная компонента скорости воздуха сильно меняет свое значение. Типичная ширина зоны составляет 0,5-1 м. Несмотря на стационарный режим работы источника и приточных воздуховодов, расчеты демонстрируют отсутствие стационарной картины, причиной этого является неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. В более реалистичной модели ЭАО, где поток не задается, а моделируется свободная конвекция, нестационарные процессы должны усиливаться. Этому будет способствовать переход от 2 D-моделей к 3 D.
Область тангенциального разрыва скорости является неустойчивой с инкрементом, который пропорционален скачку скорости 
, (
- волновое число вдоль поверхности разрыва). Наличие в реальной системе конечной переходной зоны шириной 
уменьшает инкремент неустойчивости, но при 
условия для неустойчивости сохраняются. Возникновение гидродинамической неустойчивости и последующей турбулизации вещества способно существенно усложнять динамику распространения вредностей (рис.5)
