Рост объема производства и его интенсификация, несмотря на усовершенствование технологии и техники очистки воздушных выбросов, повлекли за собой увеличение общей массы вредных веществ, вносимых в атмосферу.
Обеспыливание производится с целью защиты атмосферы от загрязнения пылью, содержащейся в воздушных выбросах предприятий, или для предотвращения загрязнения воздуха в помещениях пылью, содержащейся в атмосфере. И в том, и в другом случае вопросы обеспыливания воздуха тесно связаны с состоянием воздушного бассейна населенных пунктов, которое со своей стороны в значительной мере определяется уровнем очистки выбросов.
Объем отдельных вентиляционных выбросов и содержание пыли в них, как правило, невелики. Выбросы обычно производятся в течение неполных суток с перерывами и переменной интенсивностью, но из-за небольшой высотой расположения над землей, большого суммарного объема и, как правило, плохой очистки они сильно загрязняют приземной слой атмосферы [43].
Общее количество взвешенных частиц, поступающих в атмосферу в результате многообразной деятельности человека, по данным экспертов Европейской экономической комиссии, ставится соизмеримым с количеством загрязнений естественного происхождения [48]. Так пыль естественного происхождения (выветривание почв и горных пород, лесные пожары, вулканическая пыль и др.) составляет 1850 млн. тонн в год, а пыль, образующаяся в результате деятельности человека (выветривание почв в результате их использования в сельском хозяйстве, сжигание отходов, выбросы промышленных предприятий и транспорта) составляет 760 млн. тонн в год. Как видно из этих данных, загрязнения атмосферы, связанные с деятельностью человека, превышает 40% загрязнения естественного происхождения. Ясно, что такое соотношение нарушает установившееся в природе равновесие и способно вызвать определенные экологические сдвиги.
Человеческая активность меняет характер окружающей среды, причем в большинстве случаев, эти изменения оказывают негативное влияние на человека.
Например, многие технологии текстильной промышленности связаны с пылевыделением. Так, все процессы обработки льняного волокна сопровождаются выделением пыли, коротких волокон и костры. Многочисленные исследования показывают, что весовая концентрация, качественный и дисперсный состав пыли в различных цехах колеблется в широких пределах в зависимости от технологического процесса, состояния оборудования, характера производственных операций, состояния технических мер борьбы с пылью.
Запыленность воздуха в рабочей зоне резко ухудшает условия труда рабочих, снижает их работоспособность, увеличивает утомляемость. При длительном воздействии пыли, образующейся в процессе переработки низкосортного льна, происходят изменения бронхиально-легочного аппарата в виде хронического бронхита, эмфиземы легких и умеренно выраженного пневмосклероза. Пыль, действуя на верхние дыхательные пути, снижает их защитные функции, может явиться фактором, предрасполагающим к развитию других заболеваний, в частности острых катаров верхних дыхательных путей.
В состав льняной пыли входят разнообразные микроорганизмы, грибки и другие примеси. В приготовительно-прядельном производстве микробное содержание составляет 119 560−246 200 колоний в одном кубическом метре воздуха. Бактериальная загрязненность находится в прямой зависимости от концентрации пыли в воздухе [73].
Борьба с пылью в текстильной промышленности имеет большое социальное значение, так как около 72% всех рабочих на текстильных предприятиях составляют женщины. Неблагоприятные условия труда вызывают текучесть кадров и создают трудности в подборе рабочей силы, что в свою очередь отрицательно влияет на производительность труда.
Улучшение санитарно-гигиенического состояния воздушной среды на текстильных предприятиях имеет большое экономическое значение [73].
Пыль оказывает вредное воздействие на технологическое оборудование. Пыль загрязняет рабочие органы машин, что приводит к их преждевременному износу, а также к разладке и снижению точности работы оборудования. Повышенная запыленность воздуха на текстильных предприятиях представляет опасность в пожарном отношении.
Одно из главных современных практических направлений деятельности экологии: создание таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду, в частности находить способы более эффективной очистки производственных выбросов.
Выше изложенное позволяет сделать вывод, что борьба с пылью имеет гигиеническое, экономическое и социальное значение.
Актуальность темы
исследований. Поиск новых способов очистки воздуха от пыли является актуальным направлением науки. Применяемое в этом процессе оборудование отличается:
— крупными габаритами;
— большими энергетическими затратами;
— невысокой эффективностью.
Похожие технологии применяются и при фракционном разделении порошков в промышленностях (химической, фармацевтической, цементной и т. п.).
Одним из путей повышения эффективности очистки воздуха является снижение турбулентности воздушных потоков, подаваемых на сепарацию. Вопросами гашения турбулентных пульсаций занимаются ученые, занятые разработкой и исследованием сложных систем в самолето-, ракетои кораблестроении. Но все они касаются других скоростей движения сплошных сред и размера объектов. Технологии по гашению турбулентности, применяемые в этих отраслях, к очистке воздуха от пыли мало подходят.
Так как перечисленные производства, использующие очистные сооружения, отличаются крупнотанажностью, то в случае улучшения любого из выше названных показателей, выгода в целом может оказаться значительной.
Цели и задачи исследования. Целью исследования является:
• обоснование и получение более современных математических моделей и соотношений для расчета и прогнозирования эффективности работы вихревых сепараторов;
• определение уровня гашения турбулентности с помощью вязкоупругих покрытий, расположенных в потоке;
• оценка повышения эффективности сепаратора, использующего гасители турбулентности, и сокращения затрат энергии на сепарацию.
Для достижения поставленных целей ставятся и решаются следующие задачи:
• обосновывается и проводится расчет диффузии пылевых частиц в турбулентном поле;
• обосновывается получение математической модели движения пыли в установившейся аэродинамической среде вихревого сепаратора;
• рассматривается влияние турбулентности на сепарацию пыли в вихревых пылеуловителях;
• решается задача гашения турбулентности в вихревых сепараторах при помощи вязкоупругих пленок;
• выводятся аналитические соотношения для расчета повышения эффективности сепараторов в результате гашения турбулентности;
• оценивается увеличение эффективности сепарации от использования вязкоупругих гасителей.
Методы исследования. В работе использовались основные положения прикладной математики, специальные функции, численные методы решения неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка, основные положения и формулы из механики сплошных сред.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на разработанной нами установке с использованием современной измерительной аппаратуры и специальных устройств. Обработка результатов эксперимента выполнена с применением методов математической статистики и прикладных программ на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем: произведен расчет диффузии пылевых частиц в турбулентном полеполучена новая математическая модель движения пыли в вихревом сепаратореоценено влияние турбулентности на эффективность пылеотделения в вихревых сепараторахнайден способ гашения турбулентности при помощи вязкоупругих покрытий и пленокпостроено три математических модели для определения гашения турбулентности при различных технологических показателях гасителяустановлено повышение эффективности сепараторов пыли с помощью гасителей турбулентности.
Практическая значимость работы. Выведенные на основе полученных математических моделей аналитические соотношения по определению эффективности пылеулавливания и разработанное программное обеспечение позволяют получить близкие к фактическим расчетные показатели.
Практическое применение основных теоретических результатов данной работы позволяет увеличить эффективность сепарации и сократить затраты энергии.
Поэтому основные положения диссертационной работы рекомендуется использовать сотрудникам научно-исследовательских организаций и КБ, занимающихся вопросами сепарации, а также в учебном процессе вузов.
В настоящее время результаты работы и методы расчета, предложенные в ней, используются студентами специальности 330 500 «Безопасность технологических процессов и производств» при дипломном проектировании.
Апробация работы. Материалы по теме диссертации доложены и получили положительную оценку на следующих конференциях:
Межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Иваново — 2000);
Межвузовской научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново — 2000);
Межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва — 2000);
IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза — 2001);
Межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (Кострома — 2000,2001);
П Международный симпозиум «Математическое моделирование экологических процессов» (Иваново — 2000) традиционных научно-методических конференциях кафедры безопасности жизнедеятельности Ивановской государственной текстильной академии в 2000;2004 гг.
Содержание представленных докладов опубликовано в сборниках и тезисах вышеперечисленных конференций.
Публикации. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в следующих статьях:
Егорова Н.Е., Ясинский Ф. Н. Оценка эффективности аэродинамического гравитационного сепаратора с учетом турбулентности воздушного потока. // Тез. докл. Межвуз. научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2000.
Балуев Э.Ф., Егорова Н. Е., Ларионов В. А., Ясинский Ф. Н. Математическое моделирование процессов в центробежном сепараторе. // Сб. докл. Междун. научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности». Иваново, 2000.
Егорова Н.Е., Ясинский Ф. Н. Учет турбулентности воздушного потока при оценке эффективности аэродинамического гравитационного сепаратора. // Тез. докл. Межвуз. научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности». Ч. № 1. Москва, 2000.
Егорова Н.Е., Егоров С. А., Ясинский Ф. Н. Оценка эффективности центробежного сепаратора с учетом турбулентности воздушного потока. // Сб. материалов IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении». Ч. № 1. Пенза, 2001.
Егорова Н.Е., Ясинский Ф. Н. «Математическое моделирование рассеивания пыли в турбулентном воздушном потоке». // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2002 № 2.
Егорова Н.Е., Ясинский Ф. Н., Сидоров С. Г. «Математическая модель гашения турбулентности при помощи вязкоупругих пленок». // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2003 № 3.
Yegorova N.YE., Smirnov A.N., Yasinsky F.N. «To the problem of reducing the turbulence level using viscoelastic films» // Revista Romana de TextilePielarie (ISSN: 1454−5424), Iasi, 2004.
Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2655. «МАТП» (Моделирование аэродинамики турбулентных потоков). Авторы: Ясинский Ф. Н., Егорова Н. Е. Зарегистрировано 3 июня 2003 года.
Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3167. «ММГТ» (Математическое моделирование гашения турбулентности). Авторы: Ясинский Ф. Н., Егорова Н. Е. Зарегистрировано 10 февраля 2004 года.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обобщенных выводов и рекомендаций.
Список литературы
включает 84 источника. Работа содержит 137 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 3 таблицы и 11 приложений, содержащих тексты программ для ЭВМ. Общий объем составляет 190 страниц.
Общие выводы и рекомендации.
1. Установлено, что для повышения эффективности пылеотделения вихревых сепараторов, необходимо снизить энергию турбулентных пульсаций в воздушном потоке.
2. Получены математические модели, описывающие аэродинамику в вихревом сепараторе, которые удобно использовать для прогнозирования работы вихревого сепаратора при его конструировании.
3. Создана модель для расчета коэффициента диффузии пылевых частиц, движущихся в турбулентном потоке.
4. Получена математическая модель для описания движения пыли в вихревом сепараторе, с помощью которой вычисляется распределение плотности частиц в сепараторе.
5. В результате исследований, проведенных на специально разработанной экспериментальной установке, установлено, что вязкоупругие покрытия снижают турбулентность воздушного потока, проходящего внутри трубопровода, при этом физико-технологические параметры покрытия оказывают существенное влияние на уровень гашения турбулентности.
6. Построено три математических модели для оценки гашения турбулентных пульсаций при различных физико-технологических показателях вязкоупругого гасителя. Установлены уровни гашения турбулентности при различных параметрах вязкоупругих покрытий. Уровень квадратов пульсационных скоростей в оптимальном случае составил 40% от квадратов пульсационных скоростей без гасителя. Это значит, что скорости турбулентных пульсаций при наличии гасителя составили 65% от уровня таковых без гасителя.
7. Результаты численных экспериментов показали, что, применяя вязко-упругие гасители, можно повысить эффективность сепарации на 8−10%.
8. Предложена новая конструкция сепаратора, циклонного типа (рис. 5.20), использующего в работе принцип гашения турбулентности, изложенный в диссертации.
— I.
