Научная статья на тему 'Математическая модель параметров газовыделения для технологических процессов с использованием полимеров'

Математическая модель параметров газовыделения для технологических процессов с использованием полимеров Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
124
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС / ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ / КРИТЕРИИ / ТОКСИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ / ИСПЫТАНИЯ / ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА / SOFTWARE PACKAGE / FLAMMABILITY HAZARD / INDEXES / TOXIC HAZARD / TESTS / COAL MINE

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Уварова Варвара Александровна, Уваров Вадим Евгеньевич, Фомин Анатолий Иосифович

Представлен программный комплекс «Токсика-Q», предназначенный для вычисления критериев пожарной и токсической опасности материалов и моделирования процесса газовыделения при термодеструкции материалов в условиях горной выработки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Уварова Варвара Александровна, Уваров Вадим Евгеньевич, Фомин Анатолий Иосифович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Mathematical model of gas generation parameters for technological processes that involves polymer materials

Article presents «Toxica-Q» software package that is designed for computing flammability and toxic hazard indexes of materials as well as modeling gas generation process during thermal decomposition of materials in simulated coal mine.

Текст научной работы на тему «Математическая модель параметров газовыделения для технологических процессов с использованием полимеров»

Экология и охрана труда

161

ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА

УДК 614.841.332

В.А. Уварова, В.Е. Уваров, А.И Фомин

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМЕРОВ

В 2007 году в «НЦ ВостНИИ» был запатентован экспресс-метод оценки токсичности продуктов горения (далее - ТПГ) материалов [1]. На основе этого метода с включением разработок Новосибирского НГТУ был создан программный комплекс «Токсика-Q» на языке C++, ОС: Windows XP/Vista/7, который предназначен для расчета параметров газо- и дымообразования полимеров, оценки их пожарной и токсической опасности, моделирования процесса горения полимеров и расчета токсичных газовыделений для условий протяженной горной выработки. В состав программы входит: блок вычисления результатов измерений и блок отчета по результатам испытаний. Используемые в программном комплексе методы расчета математически обоснованы и проверены в стендовых лабораторных испытаниях при проведении процессов термодеструкции полимерных материалов. На рисунке 1 представлен интерфейс программного комплекса «Токсика-Q».

Испытания образцов полимерных материалов

проводят в лабораторных условиях. Они включают в себя термодеструкцию образца на лабораторных установках «Термодес» и «Дым», измерение начальной то и конечной массы образца mi<, времени термодеструкции т, объема Vo газовоздушной смеси, образовавшейся в результате термодеструкции, а также концентрации газов и аэрозолей Ci и значений начального То и конечного Tmin светопропускания. На основании этих данных вычисляют показатель gCO токсичности продуктов горения (далее - ТПГ) и коэффициент дымообразования Dm.

Математическая модель расчета концентраций токсичных газов, способных выделиться при горении шахтных полимерных материалов для условий размеров протяженной горной выработки была разработана с учетом параметров проветривания, геометрических горной выработки и количества полимерного материала на одном метре ее пространства.

Математические формулы основаны на иссле-

& Таксика Q

Файл Справка

Общее [

Токсичность

Дымообразование | Расчёт доп, критериев

Генерации отчета

Парамефы эксперимента

Температура, °С 20.0 fii

атмосферное ----------—-

паалете, 742 Щ

Относительная влажность, % Объём реакционной камеры, м3

69 0

0.51 ES

Используемые весы электронные лабораторные AUW-120 №0449100407 (но 06.02.2014г.); хроматограф «Кристаллюкс 4000М» № 928 (до 01.02.2014);

приборы и газосигнализатор Комета -5М № 9204 (до 17.09.13)

оборудование

Описание ______________________________________

объекта твердый материал светло-желтого цвета| испытаний

№ образца Масса образца, г Плотность теплового потока, кВт со, % С 02, % HCI, мг/мл3 СИ20, мг/мл3 HCN, мг/мА3 N0-*-N02, мг/мл3 S02, мг/м л3 Показатель токсичности дСО мг/г

2.7 18 0.002 0.21 0 3.5 0 8.2 21 17.0472

5-10 28 32 0.006 0.82 0 1.1 0 192 32 426969

Материал является уммеренноопасным (дСо = 42.6969}

Должность сотрудника в.н.с ФИО Сотрудника Уварова В. А. Дата 15.01.2014 I

Назад

Вперёд

Рис. 1. Интерфейс программного комплекса «Токсика-Q»

162

В.А. Уварова, В.Е. Уваров, А.И. Фомин

дованиях [2] и предназначены для расчета массовых концентраций токсичных газов и твердого аэрозоля в условиях горной выработки длиной 1, площадью поперечного сечения S, с количеством q полимерного материала на 1 м выработки и скорости проветривания V„.

Разработанный программный комплекс реализует следующие расчетные параметры газовыде-ления для условий протяженной горной выработки:

среднюю скорость выгорания материала п, г/кг-с определяют по формуле:

n=(mo-nik) / 1000 то г , (1)

где то - исходная масса образца, г; /щ - конечная масса образца после деструкции, г; г- время деструкции образца, с.

- расход материала на горение в условной горной выработке N, кг/с определяют по формуле:

У=/ q п, (2)

где / - длина участка условной горной выработки, м; q - масса материала на участке длиной 1 метр, кг/м; п - средняя скорость выгорания материала, г/кгс.

- удельную массу /-го токсичного газа, образовавшегося при сгорании 1 кг материала, Mi, мг/г определяют по формуле:

М,= С/ Vo / т0 , (3)

где С, - концентрация /-го вещества, выделяющегося при горении образца материала, мг/м3, Го -объем газовоздушной смеси, образовавшейся в результате испытания, м3, то - исходная масса образца, г;

-среднюю по сечению выработки массовую концентрацию /-го токсичного газа, мг/м3 рассчитывают по формуле:

С/ =N Gi / Qe , (4)

где Gi - средняя по сечению выработки массовая концентрация i-ro токсичного газа, мг/м3; N - расход материала на горение в условной горной выработке, кг/с, Qe - расход воздуха в горной выработке, м3/с:

Q«=SVe , (5)

где S- площадь поперечного сечения выработки, м2; Ve - скорость движения воздуха в горной выработке, м3/с.

Согласно экспресс-методу оценка токсичности продуктов горения материалов проводится путем измерения концентраций токсичных газов, выделяющихся в процессе термодеструкции образца, и определения на этой основе показателя ТПГ. Состав газовых и аэрозольных компонентов, определенный в результате термодеструкции образца, оценивают на однонаправленность действия и вычисляют удельные массы токсичных газов, имеющих эффект суммации. Эти удельные массы приводят к величине удельной массы оксида углерода (СО). Оксид углерода является компонентом, наиболее массово представленным в продуктах горения и обладающим выраженным токсическим действием. Вычисленное таким обра-

зом значение gCO принимают за показатель токсичности:

gCO= Мсо+ Mi ПДК,УПДК,+...+ Mi пдк,упдк,

(6)

где gCO - показатель токсичности продуктов горения, мг/г; Мсо, Mi,.. Mi - удельные массы СО и других токсичных газов, мг/г, вычисляют по формуле 1; ПДКС0, ПДКь ...ПДК, - предельно

допустимые концентрации СО и других вредных веществ для воздуха рабочей зоны, мг/м3 (определяются из ГН 2.2.5.1313-03, ГН 2.2.5.2100-06).

Оценка класса опасности материала по показателю ТПГ производится автоматически и реализуется в программе следующим образом. При значении показателя ТПГ gCO до 40 мг/г материалы относят к малоопасным, при значениях от 40 до 120 мг/г - умеренноопасным, при значениях от 120 до 360 мг/г - высокоопасным (ГОСТ 12.1.044-89).

Кроме показателей, характеризующих токсичность, в программном продукте осуществлена возможность вычисления коэффициента дымооб-разования.

Коэффициент дымообразования - показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества твердого вещества (материала) в условиях специальных испытаний (ГОСТ 12.1.044-89).

Сущность метода определения коэффициента дымообразования заключается в определении оптической плотности дыма, образующегося при горении или тлении известного количества испытуемого вещества или материала, распределенного в заданном объеме. Коэффициент дымообразования вычисляют по формуле:

Dm={ VIL)\n{TolTmiH) , (7)

где V- вместимость камеры измерения, м3; L -длина пути луча света в задымленной среде, м , То, Tmin - соответственно значения начального и конечного светопропускания, %; Dm - коэффициент дымообразования, м2/кг.

В программе реализован процесс автоматической классификации материалов по группам дымообразующей способности соответственно вычисленному значению коэффициента дымообразования. Материалы с коэффициентом дымообразования до 50 м2/кг включительно относят к группе материалов с малой дымообразующей способностью; с коэффициентом дымообразования ев. 50 до 500 м2/кг включительно - с умеренной дымообразующей способностью; с коэффициентом дымообразования свыше 500 м2/кг - с высокой дымообразующей способностью.

В процессе разработки программного продукта были решены следующие задачи:

• разработан интерфейс программы, позволяющий осуществлять диалог с пользователем и удобный ввод исходных данных;

Экология и охрана труда

163

• реализована оценка пожарной и токсической безопасности веществ и материалов на основе разработанной модели, которая включает:

- оценку класса опасности материалов по показателю токсичности продуктов горения;

- оценку степени дымообразующей способности;

- вычисление параметров токсичных газовы-делений при термодеструкции полимерных материалов в условиях, смоделированных для протяженной горной выработки;

• визуализирован вывод результатов вычислений в виде таблиц и отчета о результатах испытаний;

• организован экспорт результатов расчетов в среду MS Word;

• организовано хранение результатов вычислений в базе данных;

• осуществлена возможность оперативно вносить результаты измерений в электронный

протокол выполняемой работы.

Получено свидетельство о государственной регистрации программы, она внесена в Реестр программ для ЭВМ, регистрационный № 2014616116 от 11.06.2014 г.

Программный продукт «Токсика-Q» предназначен для автоматизации расчетов, предусмотренных разработанной моделью по расчету критериев и оценке параметров пожарной и токсической опасности полимерных материалов, проходящих экспертизу на допуск для использования на горнодобывающих предприятиях. Программа позволяет легко и быстро обрабатывать большие массивы данных, хранить результаты расчетов и представлять отчеты в удобном для пользователя виде. Применение на практике программного комплекса «Токсика-Q» позволяет повысить производительность труда при научных исследованиях и в процессе испытаний полимерных материалов в 10 раз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Способ оценки токсичности продуктов горения материалов: Пат. на изобретение № RU 2300098 С1 Рос. Федерация: МПК G01 N25/22 (2006.01)/ А.А. Трубицын, Н.В. Трубицына, В.А. Уварова, Т.М. Грачева; ВостНИИ -№ 2005137275, 30 ноября 2005. // Изобретения. Полезные модели: Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. -2007, 27 мая - № 15.

2. Отчет о НИР. Оценка экологической опасности по газовому и аэрозольному факторам при термическом разложении материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах. 16.1032.001.02 ВостНИИ, Кемерово 1996.

Авторы статьи

Уварова Варвара Александровна канд.техн.наук, ведущий науч. сотр. ОАО «НЦ ВостНИИ» E-mail: uvarova.v.a@mail.ru.

Уваров Вадим Евгеньевич студент 5 курса ФПМИ Новосибирского НГТУ. E-mail: uvarov.vadim42@gmail.com.

Фомин

Анатолий Иосифович докт. техн. наук, проф. каф. аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ. E-mail: aotp2012@yandex.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.