Научное обоснование методов оценки и снижения воздействия вредных факторов на работников строительных предприятий по производству железобетонных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Евтушенко Александр Иванович

• Евтушенко Александр Иванович
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Евтушенко Александр Иванович

Введение

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ОБОСНОВАНИЕ

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ вредных производственных факторов и оценка их воздействия на работающих

1.2 Особенности формирования условий труда на предприятиях ЖБИ и ЖБК

1.3 Методы и средства для нормализации условий труда на предприятиях ЖБИ и ЖБК

1.4 Обоснование и выбор направления исследований

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО

ОЦЕНКЕ УСЛОВИЙ ТРУДА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

2.1 Объекты исследований

2.2 Анализ результатов исследований

2.2.1 Результаты оценки запыленности воздушной среды производственных помещений

2.2.2 Экспериментальная оценка интенсивности пылевыделения от технологического оборудования

2.3 Результаты оценки акустической обстановки

2.4 Обобщение результатов исследований

2.5 Определение классов условий труда

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АЭРОЗОЛЯ В ОБЪЕМЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

3.1 Исследования закономерностей распространения воздушных потоков в объеме производственных помещений на основе численного моделирования

3.2 Исследования особенностей распространения пыли в цехах ЖБИ и ЖБК на основе разных подходов

3.2.1 Результаты численного моделирования на основе метода SPH

3.2.2 Численное моделирование на основе диффузионной модели

3.2.3 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований влияния движения воздушных потоков на пылевое загрязнение воздушной среды рабочих зон производственных помещений

3.3 Исследования скорости оседания

3.4 Исследования закономерностей пылеоседания твердых взвешенных частиц в объеме цеха с позиций вероятностно-стохастического подхода. Разработка методики определения интенсивности пылевыделения

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ПЫЛИ

4.1 Методика экспериментальных исследований дисперсного состава пыли

4.2 Результаты натурных исследований дисперсного состава пыли

4

Совершенствование расчетной модели для аппроксимации интегральной функции распределения

массы по эквивалентным диаметрам частиц в воздухе 120 рабочей зоны и в инженерно-экологических системах

4.4 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ ВЗП ДЛЯ СИСТЕМ АСПИРАЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЖБИ И ЖБК

5.1 Обзор и обоснование выбора типа пылеуловителей для производства железобетонных изделий

5.2 Анализ известных инженерно-аналитических методов расчета пылеуловителей В ЗП

5.3 Математические модели движения запыленных газовых потоков в вихревых пылеуловителях

5.4 Вычислительные эксперименты на различных моделях

5.5 Экспериментальные исследования по оценке величины проскока при улавливании пыли предприятий ЖБИ и ЖБК вихревыми пылеуловителями

5.6 Разработка модификаций пылеуловителя ВЗП с аксиальным подводом вторичного потока

5.7 Выводы по главе

ГЛАВА 6 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ

ШУМА ПРИ УПЛОТНЕНИИ БЕТОННОЙ СМЕСИ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФОРМАХ

6.1 Физические основы процессов образования и излучения шума

6.2 Математическое описание изучаемых процессов

6.3 Экспериментальное изучение акустических параметров системы «металлическая опалубка-бетонная смесь»

6.4 Выводы по главе

ГЛАВА 7 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

7.1 Разработка проекта национального стандарта

7.2 Обоснование выбора точек отбора проб для определения запыленности воздуха на рабочих местах в производственных помещениях предприятий по производству ЖБИ и ЖБК и выбора инженерных решений

по нормализации условий труда

7.3 Разработка методики для оценивания акустических параметров формовочного оборудования

7.4 Результаты внедрения мероприятий и запатентованные решения по снижению загрязнения воздушной среды пылью

7.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Документация об использовании

результатов диссертационного исследования

Приложение Б. Патентная документация

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научное обоснование методов оценки и снижения воздействия вредных факторов на работников строительных предприятий по производству железобетонных конструкций»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы. Условия труда на предприятиях по производству железобетонных изделий и конструкций (ЖБИ и ЖБК) характеризуются такими неблагоприятными производственными факторами, как загрязнение воздуха рабочей зоны аэрозолями фиброгенного действия, повышенный уровень шума, общей и локальной вибрации, теплового излучения и другие негативные характеристики. По имеющимся данным выявлено несоответствие фактических условий труда гигиеническим нормативам по шуму примерно на трети, по пыли - примерно на четверти обследованных рабочих мест, поэтому исследование запыленности рабочей зоны и воздействие шума на работающих представляют значительный интерес. Актуальность усиливает тот факт, что, как показывают исследования в области производственной санитарии, повышенный уровень шума способствует увеличению негативного воздействия пыли на человека.

Конечно в немалой степени это обусловлено использованием устаревшего морально и изношенного технологического оборудования, но даже при устранении этого фактора (в результате осуществляемой в России модернизации промышленных производств) остаются другие, до настоящего времени недостаточно исследованные и (или) не в полной мере учитываемые при выработке проектных решений.

К числу таких факторов относятся архитектурно-планировочные решения цехов предприятий ЖБИ и ЖБК, характеризующиеся расположением на разных отметках технологических площадок для размещения оборудования. В этих условиях перемещение воздушных потоков, обусловленное вентиляционными струями, градиентами температуры, движением механизмов и т. п., приобретает сложный характер, и отличается перетеканием воздуха между площадками, вытеканием из объема площадки в объем цеха и, наоборот, затеканием из цеха на площадку.

Вместе с движением воздуха в производственной среде происходит распространение пылевых частиц, и перемешивание воздушных потоков создает пространственную неравномерность распределения как концентрации пыли, так и ее дисперсного состава. Из-за недостаточной изученности закономерностей распространения пыли по высоте и по объему производственных помещений с технологическими площадками проектирование вентиляции, как средства коллективной защиты работающих, базируется на установленных методиках, не учитывающих указанные закономерности.

Здесь также значимую роль играет отсутствие утвержденных нормативов по содержанию взвешенных веществ РМ2.5, РМ10 в воздухе рабочей зоны, хотя такие нормативы для атмосферного воздуха населенных мест приняты в России еще в 2010 г.

Кроме того, на предприятиях ЖБИ и ЖБК в рабочей зоне формовочных цехов отмечается высокий уровень звукового давления (до 110-115 дБА), не соответствующий санитарно-гигиеническим нормативам.

Указанные особенности зачастую не учитываются при оценке условий труда, состояния воздушной среды на рабочих местах рассматриваемых предприятий. Так, в соответствии с нормативными документами отбор проб для оценки общей концентрации пыли проводят в зоне дыхания при характерных производственных условиях на характерных рабочих местах или на рабочих местах, расположенных в центре и по периферии помещения, где также проводятся замеры уровня звукового давления. Но конкретизация понятия «характерные условия» и др. не дается, что приводит к неоднозначному подходу и получению не совсем корректных данных, например, о концентрации пыли и характеристиках ее дисперсного состава, а, следовательно, и к некорректной оценке условий труда, и к выбору недостаточно эффективных мероприятий по снижению негативного воздействия вредных факторов на работающих.

Таким образом, актуальными остаются исследования, направленные на улучшение условий труда работников предприятий ЖБИ и ЖБК за счет снижения негативного воздействия на них пылевого загрязнения воздуха в рабочей зоне, в том числе мелкодисперсной пылью, и шума на рабочих местах.

Исследования закономерностей распространения пыли в производственных помещениях предприятий ЖБИ и ЖБК имеют важное значение и с точки зрения обеспечения экологической безопасности, поскольку, с одной стороны, витающая в воздухе пыль выносится в атмосферный воздух системами вентиляции и через открываемые проемы в наружных ограждениях. С другой стороны, при проведении многих расчетов, касающихся оценки качества атмосферного воздуха, концентрация пыли на выходе из источника выброса принимается равной концентрации в воздухе рабочей зоны.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет».

Степень разработанности темы. Исследования распределения воздушно-пылевых масс в цехах со значительными выделениями пыли, изучение вопросов, связанных со снижением концентрации пыли в воздушной среде, исследования свойств пылевого аэрозоля, изучение пыли в виде дисперсной системы, поведение частиц пыли в условиях действия на них внешних факторов, а также воздействия повышенного уровня шума и вибраций на работающих отражено в работах Аверковой О.А., Азарова В.Н., Амерханова Р.А., Беспалова В.И., Богуславского Е.И., Боровкова Д.П., Булыгина Ю.И., Грина Х., Гуровой О.С., Журавлева В.П., Коузова П.А., Логачева И.Н., Логачева, К.И., Ложкиной О.В., Манохина В.Я., Медникова Е.П., Мензелинцевой Н.В., Месхи Б.Ч., Минко В.А., Сергиной Н.М., Сидельниковой О.П., Тюриной Н.В, Финоченко Т.А., Фомина А.И., Фукса Н.А., Уварова В.А. Чукарина А.Н., Шеиной С.Г. Штокмана Е.А. и многих других авторов.

Однако предлагаемые различными исследователями и проектировщиками технические решения недостаточно эффективны в условиях особенностей пространственного размещения технологического оборудования в цехах предприятий ЖБИ и ЖБК, обусловливающего сложный характер перемещения пылевоздушных масс, что и вызывает необходимость разработки нового подхода при снижении воздействия на работающих вредных факторов в таких условиях.

В настоящем диссертационном исследовании для разработки и научного обоснования нового подхода:

- с применением численно-математического моделирования установлены закономерности распространения воздушных и пылевых потоков в объеме производственных помещений заводов ЖБИ и ЖБК;

- на основе полученных по результатам исследований данных определены аэродинамические характеристики и дисперсный состав пыли, и обоснован метод его описания для прогнозирования уровня пылевого загрязнения рабочей зоны;

- обоснованы и предложены инженерные решения по обеспыливанию воздушной среды и снижению шума в рабочей зоне формовочных цехов (участков).

Цель работы - разработка и научное обоснование нового подхода к обеспечению нормативных условий труда работников, а также выбора инженерных решений по выполнению санитарных норм при проектировании или модернизации предприятий ЖБИ и ЖБК, основанных на использовании установленных закономерностей распространения воздушно-пылевых потоков в объеме производственных помещений и на оценке шумового воздействия.

Решаемые в работе задачи:

1 Аналитический обзор известных данных о влиянии и методах оценки этого влияния на производительность труда и состояние работников вредных производственных факторов, как каждого из них в отдельности, так и их

совместного воздействия. Выявление особенностей формирования условий труда на заводах ЖБИ и ЖБК. Анализ методов и средств, применяемых для снижения негативного влияния на работающих пылевого загрязнения рабочей зоны и производственного шума.

2 Проведение в натурных условиях исследований по оценке фактических условий труда и их соответствия установленным нормативам.

3 Исследование аэродинамических характеристик и дисперсного состава пыли. Обоснование метода описания дисперсного состава пыли для прогнозирования уровня пылевого загрязнения рабочей зоны, как одноэтажных, так и многоэтажных (этажерочных) цехов. Разработка методических основ представления функции прохода пыли двух- и трехзвенными сплайнами.

4 Исследование особенностей распространения пыли в цехах ЖБИ и ЖБК на основе численного моделирования по методу сглаженных частиц (5РН) с учетом архитектурно-планировочных решений, граничных и начальных условий, и теоретический расчет движения воздушных потоков в объеме производственных помещений заводов ЖБИ и ЖБК. Установление закономерностей распространения пыли по высоте типовых цехов заводов ЖБИ и ЖБК на основе диффузионного и, в ряде случаев, вероятностно-стохастического подходов. Исследование процесса перетекания пылевых потоков между технологическими площадками с учетом дисперсного состава, концентрации пыли и аэродинамических характеристик частиц.

5 Разработка подхода к обоснованию выбора проектных решений по снижению воздействия вредных факторов на работающих и методологии оценки воздействия этих факторов на работающих на этапе выбора точек контрольных замеров в рабочей зоне при техническом обслуживании, предремонтной подготовке, ремонте и эксплуатации технических средств в цехах заводов ЖБИ и ЖБК.

6 Разработка конструкции пылеуловителей ВЗП с аксиальным подводом вторичного потока. Исследование параметров процесса пылеулавливания на основе детерминистско-стохастической расчетной модели.

7 Разработка и апробация в производственных условиях технических решений для снижения пылевыделения в рабочую зону при производстве железобетонных изделий и конструкций, а также снижения уровня шума в рабочих зонах до нормативных значений.

Научная новизна:

1 Разработан и научно обоснован новый подход к выбору инженерных решений для обеспечения нормативных условий труда предприятий ЖБИ и ЖБК, позволяющий также корректно определять точки замеров параметров вредных факторов в рабочих зонах, основанный на установленных закономерностях распространения воздушно-пылевых потоков в объеме производственных помещений и изменения дисперсного состава пыли, оценке шумового воздействия.

2 На основе численно-аналитического моделирования движения потоков воздуха для типовых цехов заводов ЖБИ и ЖБК с разным числом этажей выявлены закономерности движения частиц пыли и скорости движения воздушных потоков внутри производственных помещений при разных способах организации воздухообмена.

3 На основе вероятностно-стохастического подхода получены аналитические зависимости, описывающие закономерности распространения пыли по высоте типовых цехов заводов ЖБИ и ЖБК.

4 Теоретически и экспериментально установлено, что дисперсный состав пыли в воздухе рабочей зоны заводов ЖБИ и ЖБК подчиняется двустороннему усеченному логарифмически нормальному распределению, т.е. гипотеза Колмогорова и, следовательно, линейность интегральной функции распределения в вероятностно-логарифмической сетке выполняется на ограниченном интервале значений эквивалентных диаметров частиц. При этом усечение происходит и справа, и слева от прямолинейного участка интегральной кривой.

5 На основе расчетной схемы динамического взаимодействия металлической опалубки и бетонной смеси, основных положений технической виброакустики получены аналитические зависимости, позволяющие определять акустические параметры формовочного оборудования при изготовлении плоских железобетонных изделий.

Научная гипотеза заключается в том, что выбор проектных решений по снижению воздействия вредных факторов на работающих и методология оценки воздействия этих факторов на работающих при техническом обслуживании, предремонтной подготовке, ремонте и эксплуатации технических средств в цехах заводов ЖБИ и ЖБК должны учитывать начальные условия процесса пылевыделения, закономерности распространения воздушно-пылевых потоков в объеме производственных помещений, изменение дисперсного состава и оценку шумового воздействия.

Личный вклад автора состоит в: формулировании темы, цели и задач диссертационного исследования; отборе и анализе материалов, изложенных в научно-технических источниках; выполнении теоретических исследований; планировании, проведении экспериментальных исследовании, обработке и анализе их результатов; апробации предлагаемых решений; подготовке к печати публикаций, текстов диссертации и автореферата.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- на основании метода сглаженных частиц и стохастического метода предложена расчетная модель для оценки параметров пылевого фактора и подвижности воздуха в рабочей зоне в цехах с многоярусным расположением технологических площадок;

- на основе численно-аналитического моделирования установлены закономерности пространственного распространения воздушных и пылевых потоков в цехах заводов ЖБИ и ЖБК с учетом дисперсного состава аэрозоля и аэродинамических характеристик частиц;

- на основании собственных экспериментальных исследований и анализа результатов других авторов обобщены данные о дисперсном составе

пыли на предприятиях ЖБИ и ЖБК, что позволяет обосновать выбор инженерно-технических решений по обеспыливанию воздушной среды рабочих зон;

- при участии автора разработано устройство для определения дисперсного состава и скорости оседания частиц пыли (патент РФ на изобретение № RU 2 765 339 С1), лично автором экспериментально получены аэродинамические характеристики для пыли в воздухе рабочей зоны, в том числе и на технологических площадках предприятий по производству ЖБИ и ЖБК, такие, как аэродинамический диаметр, скорость оседания учитывающие не только геометрию, но и форму частиц и плотность;

- получены интегральные и дифференциальные функции распределения массы частиц пыли по эквивалентным диаметрам и скоростям оседания для пыли, выделяющейся из технологического оборудования в воздух рабочей зоны предприятий по производству ЖБИ и ЖБК;

- получены данные для оценки интенсивности оседания частиц пыли, в том числе - мелкодисперсной РМ2.5, РМ10, в воздухе рабочих зон, по результатам натурных замеров интенсивности пылеоседания на технологических площадках бетоносмесительного отделения и других участках усовершенствована методика для оценки герметичности оборудования и эффективности системы локализующей вентиляции после технического обслуживания, ремонта, технического перевооружения и после значительного срока эксплуатации технических средств в цехах заводов ЖБИ и ЖБК;

- по результатам численного эксперимента с применением расчетной модели получены данные, позволившие разработать конструкции аппаратов ВЗП для улавливания пыли в системах обеспыливания выбросов в рабочую зону, и выявить рациональные конструктивные параметры аксиального вторичного ввода пылеуловителей (патенты РФ № RU 202 744 Ш и № RU 204 195 Ш);

- на основе результатов исследований разработана и апробирована методика расчёта акустических характеристик виброформовочного оборудования;

- результаты исследования рассмотрены на заседании научно-технического совета Министерства строительства, архитектуры и территориального развития Ростовской области, одобрены и рекомендованы к внедрению на предприятиях по производству железобетонных изделий и строительных конструкций Ростовской области;

- практическая реализация результатов диссертации позволила улучшить условия труда на ООО «КСМ №14» (г. Ростов-на-Дону); ЗАО «Среднеахтубинский комбинат строительных материалов и конструкций» (р.п. Средняя Ахтуба, Волгоградская область); Филиал ПАО «Мостожелезобетонконструкция» Батайский завод МЖБК (г. Батайск, Ростовская область); ООО «Аксайский бетонный завод» (г. Аксай, Ростовская область); АО «Завод по производству сборно-монолитного бетона» (г. Карабулак, Республика Ингушетия) и других предприятиях;

- материалы исследований автора использованы при разработке проекта национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 70230-2022 «Качество воздуха. Методика определения массовой концентрации взвешенных частиц РМ2.5, РМ10 в воздухе рабочей зоны на основе анализа фракционного состава пыли».

Методология и методы диссертационного исследования: анализ и обобщение известных научно-технических результатов; математическое и физическое моделирование; проведение экспериментальных исследований в лабораторных и опытно-промышленных условиях с применением методик, утвержденных межгосударственными стандартами и национальными стандартами РФ, с использованием современного поверенного оборудования; сопоставление полученных результатов с данными других авторов.

Положения, выносимые на защиту:

- выбор эффективных проектных решений по снижению воздействия вредных факторов на работающих и точек проведения контрольных замеров методологии оценки воздействия этих факторов на работающих при техническом обслуживании, предремонтной подготовке, ремонте и эксплуатации технических средств в цехах заводов ЖБИ и ЖБК должен базироваться на учете начальных условий процесса пылевыделения от источника пыления, закономерностей распространения воздушно-пылевых потоков в объеме производственных помещений, изменения дисперсного состава, оценке шумового воздействия;

- предложенный инженерный подход на основании метода сглаженных частиц и стохастического метода нахождения начальных условий позволяет прогнозировать запыленность и подвижность воздуха в рабочих зонах на различных отметках;

- установленные на основе численно-аналитического моделирования закономерности распространения воздушно-пылевых потоков в цехах стройиндустрии с рабочими зонами на различных отметках при разных архитектурно-планировочных решениях;

- на экспериментальной установке с использованием патента на изобретение № RU 2 765 339 С1 исследованы параметры аэрозоля в воздушной среде рабочих зон и виртуальных поверхностях источников пыления;

- результаты исследований по обоснованию рациональных конструктивных параметров пылеуловителей ВЗП учитывающие специфику производств ЖБИ и ЖБК;

- результаты исследований по оценке акустических характеристик формовочного оборудования при изготовлении железобетонных изделий позволяют снизить уровень шумового воздействия на работников до ПДУ.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов и разработанных рекомендаций определена использованием теории волновых процессов в бетонной смеси, теории колебаний, фундаментальных основ

теории дисперсных систем, механики аэрозолей, аэродинамики и других классических дисциплин. Сходимость результатов при моделировании исследованных процессов теоретически и экспериментально в лабораторных и промышленных условиях - удовлетворительная (в пределах абсолютной погрешности ±12% при доверительной вероятности 0,95) и подтверждается результатами других авторов. Проводилось метрологическое обеспечение средств измерений, внутрилабораторный контроль качества измерений, оценка неопределенности результатов измерений.

Апробация результатов. Основные положения и результаты работы докладывались, а также получили одобрение на: международной научно-практической конференции «Строительство» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г., 2011 г., 2014 г.), международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г., 2017 г.) International Science Conference on SMART City, SPbWOSCE 2016; Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University, Institute of Civil Engineering Saint- Petersburg; Russian Federation; 15-17 November 2016, 2017 International Conference of Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) : Proceeding, Chelyabinsk, 16-19 May 2017 / South Ural State University, Международной мультидисциплинарной конференции по промышленному инжинирингу и современным технологиям (International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (Far East Con-2018) Vladivostok, October 2-4, 2018), Международной научно-технической конференции «Строительство, архитектура и техносферная безопасность» (International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety (ICCATS 2018) 26-28 September 2018, South Ural State University, Russian Federation)International Workshop "Advanced Technologies in Material Science, Mechanical and Automation Engineering - MIP: Engineering -2019" 4-6 April 2019, Krasnoyarsk, Russian Federation, International Scientific Conference "Construction and Architecture: Theory and Practice of Innovative Development" 1-5 October 2019, Kislovodsk, Russian Federation, XXII

Экологическом Конгрессе «Атмосфера-2021», International Scientific Conference "Construction and Architecture: Theory and Practice for the Innovation Development" (CATPID-2021) (2021 г.) а также на других международных, всероссийских, отраслевых и региональных конференциях.

Публикации. Основные результаты, полученные в результате исследований по теме диссертационной работы, изложены в 54 печатных работах, в том числе: 21 статья в изданиях, индексируемых в Международных базах данных Scopus и Web of Science, 15 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 3 патента на изобретения и полезные модели, 1 монография.

Материалы диссертации использованы в 2021 году при разработке проекта национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 70230-2022 «Качество воздуха. Методика определения массовой концентрации взвешенных частиц РМ2.5, РМ10 в воздухе рабочей зоны на основе анализа фракционного состава пыли».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 278 страницах, из них 249 страниц основного текста. Содержит 99 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 279 источников на 34 страницах и 2 приложения.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ вредных производственных факторов и оценка их воздействия на работающих

Состояние условий и охраны труда на предприятиях по производству железобетонных изделий и конструкций так же, как и в целом по стране, формируется при совокупном воздействии технических, правовых и экономических факторов (рисунок 1.1). Из них, развивая подходы в работе [192], можно выделить следующие: состояние экономики, рассматриваемой отрасли промышленности и ее структура; состояние основных производственных фондов предприятий, своевременная их модернизация и соответствие требованиям безопасности труда; совершенство законодательной и правовой базы в области обеспечения требований безопасности труда; наличие и кадровое обеспечение организаций и органов государственного управления системы охраной труда; система подготовки специалистов и дополнительного профессионального образования по охране труда; финансовое и материально-техническое обеспечение служб охраны труда на предприятиях; обеспеченность работников предприятий необходимыми средствами защиты; научное и информационное сопровождение функционирования системы организации безопасности труда. Очевидны взаимосвязь этих факторов и их совместное влияние на условия труда и на уровень организации безопасности труда.

Связь условий труда и экономики предприятия определена Трудовым кодексом РФ, который гласит, что . .на мероприятия по улучшению условий и охране труда должно выделяться не менее 0,2% суммы затрат на производство продукции (выполнения работ, оказания услуг)" [220].

Рисунок 1.1 - Факторы, определяющие условия и безопасность труда

на предприятии

В [199] приведены данные об экономических затратах, понесенных в связи с условиями труда. ".В целом экономические потери, связанные с состоянием условий и охраны труда в Российской Федерации, в 2022 г. составили приблизительно 2,26 трлн. руб. или 1,5 % ВВП" [199]. ".Из них:

- экономические издержки вследствие потерь рабочего времени - около 896,0 млрд. руб.;

- в связи с выплатой досрочных пенсий по Списку № 1 и Списку № 2 -95,1 млрд. руб. в месяц или 1140,8 млрд. руб. в год;

- расходы на компенсации - 143,4 млрд. руб.;

- расходы на выплаты обеспечения по страхованию - 81,9 млрд. руб.". Согласно [98, 199] состояние охраны труда характеризуют такие

основные показатели, как уровень производственного травматизма и профзаболеваемости. Данные по профзаболеваемости, представленные Министерством труда и социальной защиты в [199], приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Данные о профзаболеваемости по Российской Федерации

Показатель 2021 г. 2022 г. Д, %

Число лиц, у которых впервые 3998 3530 - 11,7

установлены профессиональные

заболевания (отравление), чел.,

из них женщины 1041 731 - 29,8

Число лиц, у которых впервые 2890 3004 3,9

установлены хронические

профессиональные заболевания, чел.,

из них женщины 333 348 - 4,3

Число острых профзаболеваний: 1108 526 - 52,5

- у женщин; 708 383 - 56

- со смертельным исходом, 972 450 - 53,7

(в том числе у женщин) 622 334 - 46,3

Количество работников с двумя и более 553 537 - 2,8

заболеваниями,

из них женщин 47 58 18,9

По [199] доля работников организаций, осуществляющих обрабатывающее производство, подвергавшихся воздействию разных факторов в 2022 г., характеризуется следующими данными:

- Тяжесть трудового процесса (21,73%);

- Шум (18,40%);

- Аэрозоли преимущественно фиброгенного действия (6,28%);

- Вибрация общая (5,35%);

- Химический фактор (3,97%);

- Вибрация локальная (1,97%);

- Микроклимат (1,27%);

- Напряженность трудового процесса (1,24%);

- Световая среда (1,13%);

- Неионизирующие излучения (1,11%).

Таким образом на 33 % работников организации приходится воздействие шума, вибрации и аэрозоля преимущественно фиброгенного действия. В частности, результаты инструментальных исследований физических факторов, проведенных на промышленных предприятиях Ростовской области в 2022 г., показали, что наибольшее несоответствие приходится на: шум - 18,2%, тяжесть - 16,8%, вибрацию - 7,0% [98]. В целом удельный вес работающих во вредных условиях труда составил 10,6% в 2020 г., в 2021 г. - 10,4% [98], в 2022 г. - 9,9% [98].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Евтушенко Александр Иванович, 2024 год

д - - -

-(Ет+СпЕп + + СпЕпЮ + ^(РГ) = 0 (5.18)

д1

- для твердых частиц дисперсной фазы:

дС

д

д(СП1)

<ЯУ(СяЮ = 0 (5.19)

д(Сп1п)

+ сИУ(СпШ< ) = (5.20)

+ МСпЩп ) = д (5.21)

&

уравнения, замыкающие систему:

Р = (у-1) р/г (5.22)

/ = ^па2прС V - Ж (V - Ж) (5.23)

о

д = 2 ср N^71 - Г2 ) (5.24)

где V - вектор скорости газового потока;

а - доля объема, занятого несущей средой; Р - полное давление;

/. - удельная сила межсредового взаимодействия; W - вектор скорости твердых частиц дисперсной фазы; Wi - компонента скорости твердых частиц дисперсной фазы;

q - поток тепла между газовой и дисперсной фазами; у - коэффициент адиабаты; р - истинная плотность газовой среды;

Т - температура газовой среды; Ки - число Нуссельта;

1ср - коэффициент теплопроводности газовой среды; Ег, Еп - полная энергия твердых частиц и несущей фазы; 1п - внутренняя энергия твердых частиц. Следует отметить, что приведенная модель не учитывает вероятностного характера описываемых процессов.

В настоящее время подходы, базирующиеся на статистических методах, принято разделять на два основных направления. Первое, достаточно широко освещенное в работах, посвященных вопросам теории флуктуаций [148] и нелокальной статистической механики [63].

При описании движения пылевых частиц в газовых потоках в теории флуктуации применяется следующее подходы:

- уравнение Фоккера-Планка

- уравнение Эйнштейна-Смолуховского

д/2

&

= АЛ (5.26)

Dr = -М- (5.27)

уыпп

у = ц (5.28)

тп

- уравнение Больцмана

"" Г Г

иПо\ ■ {/з( ^ Р , t) /э( Г Р2 , t) - (5 :

а/з. + ^ ^ + ^ # _ ^«

с* Эг ЭР, 8 ^ 01 из^м^лт-^^ (5.29)

-/з( г, Р, t) /з( г, Р2, t )}^ф dP2, где ^ = ^ (г, Ж, г) - функция распределения скоростей и координат броуновских частиц;

f = /2 ()) - функция распределения координат броуновских

частиц;

/з = /з(г, р, г) - функция распределения координат и импульсов

частиц;

- коэффициент диффузии в пространстве скоростей;

dп - диаметр фракции;

тп - масса фракции;

/ст - интеграл столкновений;

Вг - коэффициент диффузии в пространстве координат;

kб - постоянная Больцмана; Р = mt - импульс частицы;

d ф - элемент телесного угла, проведенного от центра шара; и- относительная скорость двух частиц;

по - единичный вектор, направленный вдоль линии, соединяющей центры сталкивающихся шаров в момент их соприкосновения.

Авторами исследований [4, 9, 51, 52, 55, 148, 154] подтверждается эффективность применения стохастического подхода к описанию процессов инерционного сепарирования пылевых частиц.

Так, в работе [230] для описания процесса сепарации твердых частиц в инерционном пылеуловителе использовано уравнение, предложенное Колмогоровым

R*

Лф = = 50[1 + Ф( х)] (5.30)

Значение х описывается выражением

lg(¿т /К -10У2RAц/рпУц)

х = —*---(5.31)

а

где dm - эквивалентный диаметр пылевой частицы;

Ф( х ) - функция Лапласа;

^п 50 - медианный диаметр пылевых частиц дисперсной фазы;

К* - радиус равновесной траектории;

К - эмпирически полученный коэффициент;

RA - радиус сепарационной камеры аппарата;

уц - средняя скорость потока в сечении сепарационной камеры

аппарата;

<5 - характерный параметр аппарата.

Анализ представленных подходов позволил определить наиболее перспективные направления для составления расчетных моделей, предназначенных для описания процесса сепарирования плевых частиц в инерционных вихревых пылеуловителях. С учетом вышеизложенного наилучшим представляется метод, основанный на объединении положений стохастического подхода и расчета по граничному зерну.

Из существующих в настоящий момент численных методов, применяемых для описания процессов инерционной сепарации, наиболее перспективным является метод «крупных частиц».

Для моделирования процессов сепарирования твердых пылевых частиц в инерционных аппаратах в качестве основных принимаются следующие допущения:

1) равномерность распределения пылевых частиц в газовой среде;

2) различные величины скоростей потока в каждой точке течения для твердой и жидкой фаз;

3) достаточно крупный размер пылевых частиц, допускающий корректное применение законов классической механики;

4) постоянные размеры областей, осредненные параметры потока которых не претерпевают изменений, кратно превосходящих размеры пылевых частиц;

5) отсутствие химического взаимодействия между компонентами газопылевого потока и материалом сепарационной камеры;

6) отсутствие значимого влияния пылевых частиц на газовый поток;

7) сферичность геометрической формы пылевых частиц (либо близость к таковой).

К числу сил, значимо воздействующих на движение пылевых частиц, и имеющих стохастический характер относятся:

- - сила турбулентной миграции;

- ^спм - сила турбулентной пульсации присоединенной массы;

- Fсн - сила, характеризующая нестационарность обтекания пылевых частиц газовым потоком;

- Fсм - сила Магнуса;

- ^ - сила соударения частиц, возникающая при их взаимодействии

друг с другом и поверхностями сепарационной камеры;

- Fсп - силы, характеризующие случайные воздействия электромагнитных, тепловых, диффузионных, и др. полей;

- Fст - сила, обусловленная флуктуациями массы отдельных частиц;

- ^ - сила, обусловленная случайным изменением формы частиц;

- Fс£l - стохастическая компонента сил адгезии и аутогезии;

- ^ - стохастическая компонента сил трения;

- F - стохастическая компонента химического взаимодействия.

Силы, оказывающие влияние на движение пылевой частицы, включают массовые и поверхностные

SFg = + ^ gm + ^ у (5.32)

где Ту - силы взаимодействия.

Сила аэродинамического сопротивления движению пылевой частицы выражается через тангенциальные и нормальные компоненты напряжения, результирующая которых может быть выражена как [50]:

- С0 SмpU2

я = 0 м ; (5.33)

Со = С2 + С 2п + с 2 (5.34)

где С, Спи, Сб - соответственно коэффициенты сопротивления, подъемной и боковой сил.

Компоненты аэродинамической силы я могут быть записаны как [142,

232]:

п CSмpU2

рл (5.35) Ьп --2--(5.36)

Р6 (5.37)

Также для записи вероятностных уравнений может применятся вид записи:

и _

«Х„ (*) = ^ С, + £ ^ а, (Г, ха ,(Г га,. (г) ха (Г = 0) = ха 0 (5.38)

г=1

Ха

I п I _

() = ха (О + ¡^ (х,ха (ту х + ХК о, хау ю(т) (5.39)

^ ¿=1

где ха - многомерный процесс, принимающий значения из диапазона

Л" (ха< R")

si () - матрица-функция, пульсации твердых частиц;

- симметризированный дифференциал винеровского процесса; W(ха ) - вектор переноса со значениями из Rn.

Ж (X а ) = Ж =

Ж Ж2 Ж3

(5.40)

Ввиду наличия зонирования сепарационных камер вихревых пылеуловителей, обусловленного наличием первичного и вторичного вводов, рационально также разделять процессы, протекающие в них (принятое деление на зоны А и В).

Для описания процессов сепарации при зонировании применяется понятие вероятности сложного процесса [50, 52]

р = РА • твХЛ + РВ • твхВ

т вхА + твхВ (5.41)

Сила ударного взаимодействия частиц [4, 9, 52]

(1 -А^п )(* П *П* ) /Г

Ру = ТТз

р ( dП + d П*)

где М - коэффициент Буссинеска, введенный для учета знака скоростей потока в начальном сечении зоны А [4, 9, 52];

авх - угол входа потока в зону А [4, 9, 52];

Рин - величина, характеризующая вероятность попадания частиц больших диаметров на границу слоя частиц диаметром d П [4, 9, 52];

СП - концентрация частиц твердой фазы в начальном сечении зоны А [4, 9, 52];

АОП - массовая доля пылевых частиц диаметром < dП [4, 9, 52]; dП, - размер крупных пылевых частиц [4, 9, 52]. Для зон А и В [4, 9, 52]:

^ =

F.

1,5тПАУВхА «вхАРинАС

ПА ух

)( Л ПА + Л П*А ) (1 - кПА )

Р ( ЛПА + Л П *А )

_ 1» ттКХв С™2 авхВРинВСПВ (1 - А°ПВ ) (ЛПВ ~ ЛП*В ) (1 ~ ^ПВ )

УВ Р ( ^ Пв + ^3 *В )

При одновременном входе потока в зоны А и В

С ПА = С ПВ ' ^^ПА = ^^ПВ , ^ ПА = ^ ПБ ,

Вертикальная составляющая силы Стокса имеет вид: [4, 9, 52]

^М^С Reч (Шг - Vr)

(5.43)

(5.44)

FA =

8Пкрп (П

(5.45)

где рП - плотность пылевых частиц;

Re ч - число Рейнольдса пылевых частиц; пК - поправка Каннингема;

Са - коэффициент аэродинамического сопротивления. Применительно к случаю подачи потоков с различной плотностью (обусловленной, например, различной концентрацией пылевых частиц) в нижнюю и верхнюю зоны [4, 9, 52]:

Re ч А (КА - К А )

Г =

АА

г = ■

1 АВ

8ПкаРП А^ П А -^ПВ^ВСаВ ЯечВ (КгВ -Кв )

8ПквРПВ^]

(5.46)

(5.47)

пв

Вероятности сепарации частиц в верхней и нижней областях при этом:

Ра =

ехр

( ( -1

1--

1 -

V_V

V

л л

я

ехр

( ( -1

гА 0 0

1-

Е

V

л л я

V V гА у 0

1--^

V

V гА 0

(-я )

егГ

(Ян - ят )2

2р26 (та -то )

(5.48)

Р =

ехр

Г Г ц Л Л

\ — гВ

1 --

-1

V V

V

Я

ехр

г г ц Л Л

1 — гВ

/В 0 0

—1

V V.

V

Я

гВ 0 0

Гц Л

1 — —ГВ_

V

V У гВ 0

(Ян — ЯВТ )

ег/

(Ян — 0,5ЯВ )2 2Ц2ь ( т в — т о )

45.49)

2

где Rн, RА, Rв - радиусы соответственно сепарационной камеры пылеуловителя, патрубка выхода очищенного газа и патрубка вторичного потока на выходе из зоны В;

р2 - коэффициент степени диффузии;

Ь - коэффициент пульсационного увлечения твердых частиц. При отсутствии смешения потоков поле скоростей имеет вид

А + ¿2 .

^ = <

ь

г < г

(5.50)

2

, г* < г < г0

где Г0 - радиус аппарата;

г - радиальная координата; = Р Г* и S2 = Р -(Г02 - г*2). При наличии равномерного смешения

1

^ =

Ь+ Ь2 — 1 2 Н

; г < к

Ь2 z —; к < г < г

(5.51)

Н

0

Значение плотности твердой фазы при соблюдении условия равенства осевых скоростей. При этом

q = С (5.52)

где k - эмпирический коэффициент.

С учетом нестационарности протекания процессов уравнения баланса твердой фазы для зон А и В:

/С , /С , ^

1 ^ = а (

2 1'

(5.53)

dz

+ а

1 d х

—-+ь —- = ь с

dz а х

где С\, С2 - концентрации твердого материала в первичном и вторичном потоках соответственно, кг/м3;

а1 =

р ( Г2 - гв )

А + L2

, ^2

Т , р(гс2 - г2 -; Ь1 =

А + А

(Г г 2) ■г -, Ь2 = -

I,

2

и

Полученная система интегрируется при помощи преобразования Лапласа.

При этом найдены зависимости, позволяющие определять эффективность сепарации пылевых частиц. Кроме того, определены время движения пылевой частицы от входа в сепарационную камеру до момента

сепарации, а также величина дисперсии полученных значений:

ц = 1 - ехр

(а + ь) Ь2

г 2рЬ*Нл V А + А у

а

г\ - еа2 Н л -2— + Неа2 Н

V

а

0

= ( а1 + Ъ1 )2

1 Н•2еаН

1 - е

а2 Н

а2Н Л

1 +

1 - еа2Н V 1 е 0

(5.54)

(5.55)

(5.56)

где г* - радиус разделения первичного и вторичного потоков;

Ьх - расход первичного потока;

L2 - расход вторичного потока;

Н - высота сепарационной зоны. Для определения эмпирической величины ^ входящей в уравнения и введенной [230, 232], проведены лабораторные исследования. Согласно их результатам

к = 0,127 - 39,2Ц +19Ц - 61601ЛЬ2 + 3760Ц2 + 4400Ц2

(5.57)

Исходя из равенства центробежной и стоксовой сил на границе разделения потоков, получаем уравнение, определяющее наименьшее значение размера улавливаемой пылевой частицы

=

3(Ц + 0,5Ц)2 * пр^Я 2 (А+А)2 пУ рчр

(5.58)

где п - число витков, пройденных пылевой частицей в сепарационнои камере.

Исходя из данных о дисперсном составе пылевых частиц, содержащихся в первичном потоке, поступающем на очистку в пылеуловитель, получена зависимость, характеризующая с заданной вероятностью сепарацию частицы определенного диаметра:

d = —

л 2рп

1

ур

г!о1п

. 1 V

1-ц

рг2 Н

1 + Ь

Ь

10

(5.59)

(5.60)

0 L1 + (1/2) V

Так, например, при подаче на очистку 3600 м3/ч запыленного газа, содержащего пылевые частицы с плотностью 1900 кг/ м3, при динамической вязкости газовой среды 1,2 ■ 10-5 Па сек и аэродинамическом сопротивлении 1600 Па уравнение регрессии имеет вид

3:=5„ = 7,62 •( ^)-1'261 (5.61)

В ранних исследованиях течения потоков в вихревых пылеуловителях описана модель, предполагающая комбинацию твердотельного приосевого и потенциального пристеночного течений [63]. При этом в области разграничения потоков наблюдается зона сложного диффузионного течения. Значения касательной составляющей скорости потока Vф при этом имеют вид экспоненциальной зависимости от радиальной координаты 7- :

Vф = -

ф ф

г

Уф = юг

(5.62)

(5.63)

где с - константа;

ю - угловая скорость. В работах [154, 163] для определения значений скоростей восходящего газового пока принимается допущение о его квазитвердости. При этом

значения угловой скорости изменяются в зависимости от вертикальном координаты

/

©(г) = ©1

1 +

Л

HQl

(5.64)

где ©1 - угловая скорость первичного потока во входном сечении сепарационной камеры;

г - вертикальная (осевая) координата. Радиальная составляющая скорости пока при переходе в первичный

поток

<22 ^

V = -

2пЯ0 Н

(5.65)

где Ro - радиус границы зоны раздела потоков.

Осредненное значение скорости потока в сепарационной камере определяется как

z

а+Q2

V=■

н

<

(5.66)

Значения окружных и осевых составляющих поля скоростей газового потока получены при помощи зависимостей, предложенных в [141]:

V =

ю1 +

(ю2-Юх ) Г V-

1

V

Н

1--

V я у

^ =

(п + 1)( 2/1 + 1)

2/

{ \

1 —

V Яо

1

(5.67)

(5.68)

О г

V =--<r<R0

2%Щ Н

V

(п + 1)( 2п + 1)

25

К, =-

2п2

Q2 (R - г)

2 р R0 Н ( R - R0 )

V Я2 0

-Q2 г

,5 =

г -

р(Я2 -Я22 )Н R + Ro

(5.69)

, R о < г <R

где п - параметр обобщенного уравнения Блазиуса [233];

1

Ю2 - скорость вращения вторичного потока на входе; Ж1, Ж3 - осредненные осевые составляющие скорости потока в выхлопном патрубке.

В [205] предложена зависимость для определения границы области раздела вторичного и первичного потоков

(К ) = - А ехр(—К® (5.70)

где А, К - безразмерные параметры.

Н - 2

Н

Для определения величины осевых составляющих скоростей потока выведены зависимости:

К = К>( *)

V = Уг2( 2

1

{ Л2

г

V 0

,0<г <Яо,

(5.71)

1-

V

г - R