CC BY
6Сонечкин В. М., Панасевич Л. Т., Решташ А. ГИДРОТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
условий запыления замкнутого помещения
ПРИ ДЕРЕВООБРАБОТКЕ
Рассмотрена задача гидротермодинамического моделирования процесса циркуляции пылевоздушной смеси в замкнутом помещении. Раскрыта взаимосвязь процесса циркуляции с интенсивностью источника образования пыли и системой принудительной вентиляции.
Ключевые слова: деревообработка, горючая пыль, пылевоздушная смесь, вентиляция, динамика пылевого потока.
0 беспечение пожаровзрывобезо-пасности технологического процесса механической обработки твёрдых горючих материалов является предметом постоянного внимания, в том числе и при деревообработке. При первичной обработке исходного древесного материала для этого достаточно соблюдения элементарных правил пожарной безопасности, так как образуются отходы в виде древесной стружки. В то время как при вторичной обработке, особенно при фрезеровании и шлифовании древесных материалов, выделяется мелкозернистая фракция - древесная пыль, которая постепенно оседает на оборудовании и несущих конструкциях производственного помещения. Это создаёт опасные условия из-за практически неизбежного накопления статического электричества. Более того, в процессе производства наиболее мелкодисперсная фракция пыли не оседает, а находится внутри производственного помещения во взвешенном состоянии («витает в воздухе»). Для удаления пыли из помещения применяются системы вытяжной вентиляции. Проблемой при этом является оптимальный расчет мощности этих систем, ибо недостаточная мощность мо-
жет привести к такой концентрации взвешенной пыли, при которой неизбежна её электризация и последующий разряд, приводящий к взрыву. Излишняя же мощность может способствовать взвихрению крупнодисперсной фракции пыли из её отложений, что, в свою очередь, создаст ещё более опасные условия для электризации с последующим разрядом.
Целью настоящей работы является постановка задачи о гидротермодинамическом моделировании процесса циркуляции пылевоздушной смеси в замкнутом помещении (помещении деревообработки), связь этого процесса с локальным источником пыли (деревообрабатывающее оборудование) и её удалением (система принудительной вентиляции).
Заметим, что сходные задачи моделирования многократно рассматривались во многих других прикладных областях. Наиболее подробно задача о гидротермодинамическом моделировании загрязнений изучена в метеорологии. Однако в нашем случае нельзя просто использовать модели из этих прикладных областей без учёта специфики пылеобразования на деревообрабатывающих предприятиях, свойств пыли и характера динамики её распределения в объёме помещения. При этом, в отличие от метеорологического моделирования, в нашем случае нет необходимости учитывать влияние на поток пыли силы Кориолиса, возникающей за счёт вращения Земли, существенной для крупномасштабных атмосферных потоков. С другой стороны, концентрации загрязняющей пыли в атмосферных задачах в большинстве случаев невелики. В нашем же случае концентрация пыли,
как правило, велика. Поэтому при рассмотрении динамики пылевого потока требуется учитывать взаимодействие пылинок друг с другом и, в ряде случаев, их воздействие на сам воздушный поток.
Рассмотрим замкнутое помещение, внутри которого находится постоянный источник древесной пыли и на границах которого имеются проёмы, через один из которых запылённый воздух отсасывается из помещения, а через другой внутрь помещения подаётся чистый воздух. Движения воздуха внутри помещения будем описывать следующей системой нелинейных уравнений гидродинамики:
ди■ ди дГ £ ' дх,
3 Я £(дх,
V дх>;
(1)
1 дР
рдх,
+ /■= 1, 2, 3,
где и1, и2, и3 - две горизонтальные и одна вертикальная компоненты вектора скорости воздушного потока внутри помещения; Р - давление; р - плотность воздуха; к1 - коэффициент вязкости; Г. ,) = 1, 2, 3 -силы, возбуждающие движения воздуха внутри помещения, отличные от сил, воздействующих на границах (отсоса запылённого воздуха и нагнетания чистого воздуха). ^ = = 0, = Ьд (Т - Т*), где Ь - термический коэффициент расширения воздуха; д - сила тяжести; Т - температура воздуха и Т * - та температура, которой соответствует значение плотности воздуха р = р (Т *). К этому уравнению добавляется уравнение неразрывности
¿^ = 0,
а также граничные условия, которые обеспечивают непротекание воздушного потока через стенки помещения, иными
диI п
словами: —- = 0, где п. - нормаль к соот-
дп,
ветствующей стенке. Заметим, что в уравнении (1) не учтено влияние пылевых частиц на сам поток воздуха. Вообще говоря, такое влияние существует, о чём было упомянуто в предыдущем абзаце. Оно имеет место, если концентрация пыли, взвешенной в воздушном потоке, велика. Это как раз тот случай, который актуален для помещений деревообработки. Однако, рассматривая деревообработку в замкнутом помещении, надо иметь в виду, что скорости воздушного потока в таком помещении, в принципе, очень малы. Взаимодействия потока с частицами пыли должны ещё более тормозить воздушный поток. Опасные взвихрения пыли при этом невозможны. Именно по этой причине можно пренебрегать влиянием концентрации пыли на воздушный поток.
Одним из факторов, способствующих взвихрению пыли в условиях низких скоростей циркуляции воздуха в замкнутом помещении, является термическая конвекция. Она возникает из-за того, что деревообработка происходит с выделением тепла: нагреваются сами механизмы деревообработки, и нагревается образующаяся при этом стружка и древесная пыль. Поэтому к вышеприведённым уравнениям гидродинамики воздушного потока в замкнутом помещении как такового надо добавить уравнение термодинамики - уравнение переноса тепла внутри помещения:
дТ ^ дТ ^ д — +Уы,.-= > -
дt дх, ^дх,
дТ
Л
дх,
I /
где Т - температура воздуха; й - локализованный конвективный источник тепла; к2 - эффективный коэффициент теплопроводности. Вообще говоря, коэффициент теплопроводности состоит из двух слагаемых. Одно слагаемое - это функция обычного коэффициента молеку-с-р
лярной теплопроводности X и удельной
теплоемкости воздуха с ■ р. Второе слагаемое - это коэффициент турбулентной теплопроводности ктруб. Однако в рассматриваемом случае очень слабых воздушных потоков вторым слагаемым можно пренебречь, считая коэффициент молекулярной теплопроводности полностью определяющим «эффективную» теплопроводность при конвекции в замкнутом помещении.
Граничные условия для поля температуры можно задавать различным образом, в зависимости от конкретики решаемой задачи. Наиболее общим случаем является принятие постоянства температуры на всех стенках помещения. Это означает, что тепло, выделяемое при работе деревообрабатывающего оборудования, поглощается стенками, теплоёмкость которых столь велика, что температура стенок остается при этом неизменной. Это может быть также достигнуто, если тепло-отвод от самих стенок в наружное пространство происходит столь же быстро, как нагревание стенок изнутри. При наличии вытяжной вентиляции теплообменом между воздухом внутри помещения и стенками можно вообще пренебречь, полагая, что все выделяющееся тепло эффективно выводится из помещения вместе с удаляемым запылённым воздухом.
Важнейшими для моделирования условий запыления при деревообработке в замкнутом помещении являются уравнения, описывающие динамику концентрации древесной пыли. Этих уравнений много, ибо частицы пыли различаются своими размерами и формой. Для каждого типа пылевых частиц уравнение динамики их концентрации выглядит следующим образом:
дК, з дК —- + > и—- = Ъ ; дх,
(2)
= ±~
дК. 3 дх,
+ Н, у = 1, 2, ..., N
где К. - концентрация у-го типа частиц в воздушном потоке; к3 - эффективный коэффициент диффузии; Н - локализованный источник пылевых частиц рассматриваемого типа (деревообрабатывающее оборудование); и( = щ, и'2 =иг, и'ъ =и3+8и1 и би^ - так называемая скорость «витания» пылевых частиц у-го типа. Чтобы проследить перемещение пылевых частиц каждого типа, надо добавить уравнения для эволюции их скоростей:
Эцпыль
дг
+2>;
ди?
пьшь _1
/=1
дх,
(3)
=1
ди?
дх,
у = 1, 2, 3,
' у
I У
где ц"ыль, 1 = 1, 2, 3 - скорости перемещения пылинок у-го типа; к4 - коэффициент эффективной диффузии частиц этого типа; д1 = д2 = 0, д3 = д = 9,81 - ускорение силы тяжести; Ь - сила сопротивления частицы рассматриваемого типа воздушному потоку. Уравнения (2) и (3) надо дополнить уравнением неразрывности для вектора скорости пылевой частицы каждого типа:
дК, з д(и"ьшьК,)
+ ' , у = 1, 2, ..., N.
дt ^ дх,
Известно, что в процессе деревообработки образуются частицы древесной пыли самых разных размеров. Спектры размеров этих частиц изучались многими исследователями. Используя подходящее для конкретного рассматриваемого процесса деревообработки распределение частиц древесной пыли по размерам, можно путём суммирования результатов численного интегрирования вышеприведённых уравнений и с учётом заданных начальных значений всех модельных переменных определить изменения во времени общего количества горючей пыли,
витающей в воздухе производственного помещения. Эта величина наиболее просто измеряется в натурных экспериментах, а потому может служить критической характеристикой пожаровзрыво-опасности рассматриваемого помещения при заданном режиме деревообработки.
Внутри производственного помещения неизбежно возникают неоднородности в распределении скоростей направлений воздушных потоков, инициированные движением деталей деревообработки внутри оборудования, открыванием и закрыванием дверных проёмов, загрузкой древесины, предназначенной для обработки, а также нестабильностями работы системы пылеудаления. Эти неоднородности способны взвихрить часть пыли, отложившейся на полу помещения и на по-
верхности оборудования. Для взвихрения необходимо, чтобы подъёмная сила, создаваемая воздушным потоком, превзошла силу тяжести и силу адгезии. Критическая величина неоднородностей воздушного потока, необходимая для такого вторичного взвихрения, зависит от веса, размера и формы частиц пыли.
Таким образом, на всех этапах образования опасных концентраций пыли в производственном помещении крайне важно знать параметры пылевых частиц. Естественно, что в процессе механической обработки древесных материалов образуется целый спектр пылевых отходов от сравнительно крупных стружек до мелкодисперсной пыли. Поэтому важно знать распределение вероятностей для всех характеристик древесной пыли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Когузов П. А., Скрябина Л. Я. Методы определения физико-химических свойства промышленных пылей. - Л.: Химия, 1983.
2. ГОСТ 12.1.041-83. Пожаровзрывобезо-пасность горючих пылей. Общие требования.
3. Самсонов В. Т. Метод комплексного определения концентрации и дисперсного состава пыли в вентиляционных выбросах. - М., 1992.
4. Гавриленков А. М, Каргашилов Д. В., Некрасов А. В. Способы обеспечения взрывобезо-
пасности оборудования с горючей пылью // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. -2012. - № 2. - С. 29-30.
5. Сонечкин В. М, Панасевич Л. Т., Тете-рина Н. В. Опасность резонанса воздушной волны в замкнутом объёме деревообрабатывающего оборудования // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал. - 2011. -№ 1 (35). Режим доступа: http://ipb.mos.ru/ttb/ 2011-V2011-1.html
Sonechkin V., Panasevich L., Restas A.
HYDRO-THERMODYNAMIC MODELING OF CONFINED PREMISES DUSTING CONDITIONS WHILE WOODWORKING
Purpose. The aim of this article is problem formulation of hydro-thermodynamic modelling of airdust mixture circulation in a confined space. The task is to disclose correlation between circulation process, dust source intensity and a forced ventilation system. A closed room with a constant source of wood dusting, apertures for air-dust mixtures removal and supply of clean air is considered. It is shown that by summing up the results of numerical integration of these equations and taking into account given initial values of all model variables it can be possible to assess alterations in the total amount of wood dust floating in the air.
Methods. One of the factors that promotes dust swirling, i.e. increases fire hazard and explosibi-lity of premises at low speed air circulation in a room is thermal convection. Therefore, the equations
of hydrodynamics of air flow in a closed room are added to the equation of heat transfer inside the room.
Findings. Hydro-thermodynamic assessment of confined premises dusting conditions during mechanical wood manufacturing model is proposed.
Research application field. The derived results can be used in assessing fire hazard in premises where mechanical processing of combustible materials takes place.
Conclusions. The proposed model can serve as a critical characteristics of fire hazard and explosibility of premises at the selected mode of woodworking.
Key words: woodworking, combustible dust, dust-air mixture, ventilation, dynamics of dust flow.
REFERENCES
1. Koguzov P.A., Skriabina L.Ya. Metody opredelenija fiziko-himicheskih svojstv promyshlennyh pylej [Methods for determination of physical and chemical properties of industrial dusts]. Leningrad, Khimiia Publ. 1983.
2. GOST 12.1.041-83. Occupational safety standards system. Fire and explosion safety of combustible dusts. General requirements. Moscow, 1983. (in Russ.).
3. Samsonov V.T. Metod kompleksnogo opredelenija koncentracii i dispersnogo sostava pyli v ventiljacionnyh vybrosah [The method of complex determination of the concentration and particle size distribution of dust in the ventilation emissions]. Moscow, MIOT Publ., 1992.
4. Gavrilenkov A.M., Kargashilov D.V., Nekrasov A.V. Ways to ensure explosion protection equipment with combustible dust. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii [Bulletin of Voronezh State Fire Institute of EMERCOM of Russia], 2012, no. 2, pp. 29-30. (in Russ.).
5. Sonechkin V.M., Panasevich L.T., Teterina N.V. The danger of resonance of the air waves in closed volume for woodworking machinery. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: Internet-zhurnal, 2011, no. 1 (35), available at: http://ipb.mos.ru/ttb (accessed December 19, 2014). (in Russ.).
Vladimir Sonechkin Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
LiUDMiLA PANASEViCH | State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Ag0ston Restas I Associate Professor
National University of Public Service, Budapest, Hungary
