Экспериментальные исследования процесса обеспыливания воздуха рабочей зоны агрегата питания асфальтобетонного завода

Аннотация

В. И. Беспалов, Д. А. Протопопова

В статье приведены экспериментальные исследования процесса обеспыливания воздуха рабочей зоны агрегата питания асфальтобетонного завода, а так же зависимости эффективности пылеулавливания и очистки воздуха от пыли песка и щебня для условий эксплуатации  агрегата питания от аэродинамических параметров сдуво-всасывающего воздушного потока и гидродинамических параметров факела диспергированной жидкости.
Ключевые слова: агрегат питания асфальтобетонного завода, обеспыливание воздуха, аэродинамические параметры, гидродинамические параметры.

Ключевые слова:

05.26.01 - Охрана труда (по отраслям)

Основной целью исследований являлось выявление зависимости эффективности пылеулавливания и очистки воздуха от пыли песка и щебня  для условий эксплуатации агрегата питания асфальтобетонного завода (АБЗ) от аэродинамических параметров сдуво-всасывающего воздушного потока и гидродинамических параметров факела диспергированной жидкости.
Экспериментальные исследования процесса обеспыливания воздуха рабочей зоны агрегата питания АБЗ включали два этапа: предварительный и основной [1].
Основные положения методики проведения экспериментальных исследований заключались в следующем:

• предварительно определяли основные свойства орошающей жидкости и пылевого материала;
• дисперсный состав пыли  исследовали методами ситового анализа  и  микроскопирования по стандартной методике с применением аппарата LPzEI для исследования гранулометрического состава, включающего стандартный набор сит, вибрационную систему и корпус с электрооборудованием, а также микроскопа МИН-8.
• скоростные режимы воздушных потоков в открытых сечениях устройства обеспыливания воздуха, а также в его воздуховодах определяли давлением воздуха;
• скорость воздуха в во входном сечении устройства и в его воздуховодах, а также при оценке санитарно-гигиенического состояния воздушной среды в рабочей зоне стенда измеряли электронным термоанемометром с диапазоном измерения скорости воздуха от 0 до 10 м/с и погрешностью ±(0,1−0,3) м/с.
• количество и расположение точек в измерительном сечении определяли в соответствии с требованиями  ГОСТ 12.3.018-79 ССБТ «Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний». Координаты расположения точек в измерительном сечении определяли при помощи рулетки в соответствии с требованиями ГОСТ 7502 «Рулетки измерительные металлические. Технические условия»
• длину измерительного зонда анемометра выбирали, исходя из обеспечения доступа к точке замера в сечении воздуховода. В каждой точке измерения скорость измеряли дважды. Причем при разности между результатами измерений более 5% проводили дополнительные измерения.
• измерения скорости выходящего воздушного потока в открытых сечениях воздухораспределительных (нагнетающих) насадок производили в плоскости выхода воздуха, а измерения скорости входящего воздушного потока в открытом сечении горловины устройства – в плоскости входного сечения канала. В качестве средней скорости воздушного потока принимали среднее арифметическое из значений измеренных скоростей.

В процессе экспериментальных исследований определяли также концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны гравиметрическим методом при  аспирационном способе отбора проб, заключающемся в измерении массы навески пыли, осевшей на поглотительный материал (фильтр) при прокачивании через него заданного объема запыленного воздуха. Отбор проб производят аспиратором модели 822. Массу навески пыли определяли с помощью весов WA-33 2-го класса точности.
Определение массового содержания пыли в воздухе основано на том, что объем воздуха пропускали чрез фильтрующий материал и находили массу этого материала до и после запыления.
При отборе проб для определения концентрации пыли  в  воздухе рабочей зоны применяли открытые аллонжи. Объем аспирируемого воздуха задавали 20 л/мин при времени отбора проб 1 мин, исходя из необходимости накопления на фильтре представительной навески пыли (не менее 2 мг).
Целью проведения предварительных экспериментов являлось определение основных физико-химических свойств различных видов орошающей жидкости, пылевого материала, а также расходных  характеристик используемых оросителей.
В результате предварительных  экспериментов  установлено, что распределение частиц используемых видов пылевого материала по размерам подчиняется логарифмически нормальному  закону. Содержание мелкодисперсных частиц (менее 10 мкм) для рассмотренных видов пылевого материала изменяется от 3 до 40%.
Также одной из целей предварительного этапа экспериментов являлось определение аэродинамических и гидродинамических характеристик предложенного устройства улавливания и очистки воздуха от пыли:
1) аэродинамические характеристики:
- варьируемые параметры: расход воздуха, создаваемый вентилятором во всасывающей и нагнетающей ветвях вентиляционной системы устройства;
- измеряемые параметры: полное аэродинамическое давление Р_п (Па) в сечениях всасывающих и нагнетающих насадков;
- расчетные параметры: скорость воздушного потока V_в (м/с) в выбранных точках замеров; потери напора в системе ΔР (Па).
2) гидродинамические характеристики:
- варьируемые параметры: давление воды Н_н, создаваемое насосом непосредственно перед оросителем; давление сжатого воздуха Н_к, создаваемое компрессором непосредственно перед оросителем; угол наклона β спутно расположенного оросителя к центральной оси устройства;
- измеряемые параметры: угол раскрытия факела орошения в активной зоне очистки α (град), длина активной зоны факела орошения l (м).
Целью основного этапа экспериментальных исследований являлось определение значений результирующих параметров процессов улавливания и очистки – эффективности и затраченной на реализацию процессов энергии в соответствующих диапазонах изменения варьируемых параметров.
Основной этап экспериментальных исследований выполнен на стенде, смонтированном в лаборатории кафедры «Инженерная защита окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет». Стенд имитирует производственную обстановку в рабочей зоне агрегата питания АБЗ (рис. 1).
Так как наибольшими опасностью, степенью дисперсности и количеством частиц в воздухе рабочей зоны обладает пыль песка, то именно этот вид пыли применяется в экспериментальных исследованиях. Результирующей характеристикой процесса обеспыливания воздушной среды является его эффективность, которая, в  конечном счете, определяется разностью концентраций пыли в воздухе  рабочей  зоны до и после реализации процесса. В экспериментальных исследованиях стремились задавать начальную концентрацию пыли в воздухе рабочей зоны, равную 100 мг/м³, что обеспечивало возможность  сопоставления получаемых данных при адекватных начальных условиях.
В ходе основных экспериментальных исследований процесса  обеспыливания воздуха варьировали и измеряли следующие величины в соответствующих диапазонах:
- давление жидкости перед оросителем  Н_н = 0,2 - 0,7 МПа;
- расход орошающей жидкости Q_н = 0,110 - 0,450 кг/с;
- давление сжатого воздуха перед оросителем  Н_в = 0,25 - 0,8 МПа;
- расход сжатого воздуха Q_в = 0,00001 - 0,00004 м3/с;
- среднюю скорость пылевоздушного потока в зоне факела орошения V_пт = 0,5 - 5,5 м/с;
- массу фильтров до и после измерения m_(ф) = 80 - 200 мг,

Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования процесса и устройства пылеулавливания и очистки воздуха от пыли в рабочей зоне агрегата питания АБЗ
1 - подающий конвейер; 2 - бункер-дозатор; 3 - сферическая подошва; 4 – горловина; 5 - сферическая заслонка; 6 - всасывающий воздуховод; 7 - нагнетающий воздуховод; 8 - на­гнетающие насадки; 9 – оросители; 10 - вентилятор-пылеотделитель; 11 – рабочая зона агрегата питания

при фиксированных:
- время работы электроаспиратора t* = 30 с;
- расходе воздуха через аспиратор Qва = 0,00017 м³/с.
По формуле (2) определяли:
- концентрацию пылевого аэрозоля в воздухе имитируемой рабочей зоны  11 оператора агрегата питания;
- концентрацию пылевого аэрозоля во всасывающем воздуховоде 6 перед вентилятором-пылеотделителем 10;
- концентрацию пылевого аэрозоля в нагнетающем воздуховоде 7 после вентилятора-пылеотделителя 10.
Рассчитываемые результирующие параметры:
-  санитарно-гигиеническая эффективность улавливания пыли Е_эф(у), %, определяемая по формуле:
   (5)

                                                                                                          
где: С_н(рз) – концентрация пыли песка в воздухе имитируемой рабочей зоны  11 оператора агрегата питания без применения устройства пылеулавливания и очистки воздуха от пыли, мг/м³; С_к(рз) – концентрация пыли песка в воздухе имитируемой рабочей зоны  11 оператора агрегата питания при использовании устройства пылеулавливания и очистки воздуха от пыли, мг/м³;
-  эффективность очистки Е_эф(о), %, воздушного потока от пылевого аэрозоля, определяемая по формуле:
(6)

                                                                                                       
где: С_н(о) – концентрация пыли песка во всасывающем воздуховоде 6 перед вентилятором-пылеотделителем 10 при использовании устройства пылеулавливания и очистки воздуха от пыли, мг/м³; С_к(о) – концентрация пыли песка в нагнетающем воздуховоде 7 после вентилятора-пылеотделителя 10 при использовании устройства пылеулавливания и очистки воздуха от пыли, мг/м³ ;
- затраченная на реализацию процесса улавливания энергия N(у), Вт, определяемая по формуле:
    (7)

где: Р_пт – полное давление воздушного потока во всасывающем сечении сферической подошвы 3 устройства, кг/м²;  Q_пт - расход воздуха во всасывающем сечении сферической подошвы 3 устройства, м³/с.
- затраченная на реализацию процесса очистки энергия N(о), Вт, определяемая по формуле:                                                                                                                                           
  (8)

где: Н_н – давление орошающей жидкости перед оросителями 9 устройства, Па;  Q_н – суммарный расход орошающей жидкости, кг/с; Н_к – давление сжатого воздуха перед оросителями 9 устройства, Па;  Q_к – суммарный расход сжатого воздуха на оросители, м³/с.
Метрологическая проработка использованных в экспериментальных исследованиях приборов  и  статистическая  обработка результатов предварительных экспериментов показали, что максимальная погрешность измерений концентрации пыли в воздухе используемыми приборами составляет ±10,5% при доверительной вероятности p = 0,95.
Таким образом, полученные нами  результаты  экспериментальных  исследований позволили определить регрессионные  зависимости  эффективности для процессов улавливания и очистки воздуха, которые использованы для сопоставления полученных теоретических и экспериментальных данных. Такое сопоставление выполнено графическим способом с учетом погрешности проведенных измерений.

Литература:

• 1.В.И. Беспалов, Д.А. Протопопова. Анализ методических подходов к выбору обеспыливающего оборудования при эксплуатации агрегата питания асфальтобетонного завода // Инженерный вестник Дона», 2012 - Ростов н/Д. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/latest/n1y2012/622/