CC BY
66. Поединцев И Ф, СмирновВ. В, БойцовВ. Ф. Методика исследования зажигания оболочки кабеля локальными токами утечки // В сб. «Вопросы развития и автоматизации судовых электроэнергетических систем». ВНТО им. Акад. А. Н. Крылова. Вып. 521. - Л., 1992. - С. 64-68.
7. Зыков В. И, Анисимов Ю Н, Малашенков Г Н. Противопожарная защита электрических сетей от токов утечки. // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конф., Ч. 1. - М.: ВНИИПО, 2003. - С. 182-185.
БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 614.891.46:643.5
В. М. Сонечкин
кандидат технических наук, доцент
Л. Т. Панасевич
А. Рачкаускас
заместитель директора Департамента пожарно-спасательной службы при МВД Литовской Республики
Г. В. Хорватх
ведущий главный специалист Главного управления пожарной охраны г. Будапешта, Венгрия
V. Sonechkin, L. Panasevich, A. Rachkauskas, G. Horvath
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗВИХРЕНИЯ ПЫЛИ В ОБЪЕМЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведены аналитические зависимости, позволяющие определить возможность возникновения опасных концентраций взвешенной в воздухе пыли при выбранном оборудовании и выбранных параметрах системы пылеудаления из рабочего объема оборудования.
Ключевые слова: древесная пыль, пылевоздушная смесь, пожаровзрывобезопасность.
CONDITIONS OF WHIRLWIND FOR A DUST IN AN INDUSTRIAL PREMISE
Analytical dependences for definition of dangerous concentration of the weighed dust are resulted at the certain parameters of system for removal of a dust from volume of working.
Keywords: the timber dust, the air-dust, the fire-explosion safety.
При механической обработке древесных материалов происходит образование и накопление большого количества горючих отходов, в том числе и в виде пыли, способной образовать с воздухом взрывоопасные смеси и тем самым создать высокую степень пожаровзрывоопасности производства. При этом особенностью процесса механической обработки древесных материалов является то, что образование и накопление горючих отходов происходит при нормальном режиме работы технологического оборудования [1, 2].
В случае взвихрения и при наличии источника зажигания пылевоздушная смесь может взорваться. В процессе механической обработки образующаяся пыль может нагреваться и выделять
газообразные продукты, которые, смешиваясь с воздухом, оказываются взрывоопасными. Образовавшаяся газовоздушная смесь может взорваться от постороннего источника зажигания, и, как следствие, происходит взрыв взвихрившейся пыли. Выделяющиеся из пыли горючие газы и пары могут образовать вместе с взвихрившейся пылью смеси, обладающие особой опасностью.
Накапливающаяся в оборудовании пыль представляет собой большую опасность, так как в случае «хлопка» внутри технологического оборудования формируются волны сжатия, которые способны перевести отложившуюся пыль в состояние аэровзвеси.
В объеме оборудования в процессе работы циркулируют воздушные потоки с различным содержанием пыли, причем в большинстве случаев концентрация пыли в воздухе оказывается выше минимального уровня воспламенения [3, 4, 5]. При этом в объеме оборудования невозможно исключить образование пылевоздушной смеси. Можно только снизить концентрацию пыли за счет активной аспирации.
Анализ работы оборудования показал, что весь внутренний свободный объем постоянно заполнен пылевоздушной смесью. Образование пылевых отходов пылевоздушной смеси - неизбежное явление в рассматриваемом технологическом процессе.
Рассмотрим, как ведет себя древесная пыль, постоянно образующаяся в процессе деревообработки, осуществляемом внутри ограниченного объема оборудования, чья конфигурация известна. Пыль постоянно находится внутри рабочего объема в виде взвеси, но в результате непрерывного отсоса ее концентрация может поддерживаться на уровне достаточно низком, чтобы предотвратить образование пожаровзрывоопасной пылевоздушной смеси. Под действием силы тяжести эта пыль постепенно оседает и откладывается на полу и стенках оборудования. В результате пыль накапливается в объеме оборудования в отложенном состоянии, и ее внезапное взвихрение может привести к одномоментному превышению пожаровзрывоопасного порога. Очевидно, решающими факторами такого взвихрения являются не только количество накопившейся на полу и стенках оборудования пыли, но и скорость, и направление потоков воздуха внутри рабочего объема. Надо учесть, что рабочий объем сообщается с окружающим пространством цеха посредством, по меньшей мере, трех проемов в стенках. Один из проемов используется для загрузки обрабатываемого древесного материала внутрь рассматриваемого объема, второй - для извлечения уже обработанного материала из объема, а через третий осуществляется отсос древесной пыли, образующейся при обработке. Как правило, первые два проема располагаются на противоположных боковых стенках оборудования, а третий - вверху рабочего объема. Потенциально опасные потоки воздуха могут возникать в результате изменения воздухообмена между рабочим объемом и первыми двумя проемами. Таким образом, задача о предотвращении взвихрения древесной пыли в объеме оборудования является существенно нестационарной.
Для строгой ее формулировки надо, прежде всего, разработать математическую модель переноса воздушным потоком ^пассивной примеси 77 взвешенной в воздухе, постепенно оседающей под действием силы тяжести и удаляемой устройством аспирации через третий из вышеупомянутых проемов. Граничные условия должны включать в себя заданный источник древесной пыли, распределенный в пространстве внутри рабочего объема в соответствии с конкретным расположением в нем обрабатывающего оборудования. Возможно, что этот источник является переменным по времени. Это имеет место, если технологический режим обработки древесных материалов состоит из нескольких различных этапов, на каждом из которых продуцируется разное количество древесной пыли. Кроме того, в числе граничных условий надо задать переменные по времени потоки воздуха внутрь (вовне) рабочего объема через первые два вышеупомянутых проема.
В результате, как исходная должна быть рассмотрена следующая система дифференциальных уравнений:
Иу'А = -а {х,у,АУрх,у,А + д+ /Мх,уА,
С 1
= а (х,уг)У ■ И(хуа),
С
*САш-Рх,у,А*.*х.уЛ (1)
^ - -Тг(х,у,А)Ч ■ И(х,у,А + /2(Ь,х,у,А-/3(Ь,х,у),
<СТг*(Х’У)
—— = /^(/’ХУ)’
р(х,уА а(х,уА = ЯТ{1,х,уА-
Считаем, что сОх,уА - индивидуальная производная, характеризующая пространствен-
сП
но-временные изменения характеристики О в окрестности точки с координатами Х у а В качестве такой характеристики в (1) фигурирует’ прежде всего’ вектор скорости воздуха О= Их у, А, горизонтальные компоненты которого ниже будут обозначаться как и и V а вертикальная компонента - м Кроме того, в качестве такой характеристики в (1) фигурируют: давление О= рх у А, удельный объем воздуха О= а(Х у А и удельное количество древесной пыли в единице объема воздуха О= Тг (х у, А’ а также количество пыли, отложившейся на полу рабочего объема О= Тг (х у). Напомним также, что индивидуальная производная связана с локальными производными по вре-
. > ОЕ? дО дО дО
мени и пространству (частными производными) соотношением — = — + и------+ V---+ №—.
Л Ы дх ду дг
Я= ср - с, и ТЬ Х’ у, А обозначают газовую постоянную и температуру воздуха. Последняя, в принципе, может меняться во времени (аргумент Ь и по пространству (аргументы х у, А, но в рассматриваемой задаче температуру можно считать постоянной, так как никакого специального нагрева или охлаждения воздуха в рабочем объеме оборудования не производится. Конечно, в процессе обработки древесных материалов выделяется некоторое количество тепла, но это тепловыделение более или менее постоянно во времени, а выделившееся тепло уносится из рабочего объема вместе с высасываемым воздухом равномерно во времени. Поэтому вполне допустимо считать температуру постоянной в любой точке рассматриваемого рабочего объема и в любой момент времени рабочего процесса обработки древесных материалов.
д, /(Ь Х у, А, /2(Ь х у, А, /з(Ь Х у представляют собой силу тяжести, внешнюю силу, воздействующую на рассматриваемый объем воздуха внутри рабочего объема оборудования, источник древесной пыли, активный во время обработки древесины, загруженной в рабочий объем для обработки, а также количество пыли, осевшей на пол рабочего объема. /, /2 и / являются функциями времени и пространственных координат. Например, такая зависимость существует, если регулярно меняется режим и характер обработки и (или) если интенсивность отсасывания воздуха из рабочего объема контролируется в зависимости от того, как сильно запылен воздух в рабочем объеме. Но самым обычным случаем является стационарный режим деревообработки без какого-либо контроля и управления процессом пылеудаления из рабочего объема. В этом случае / и / можно считать константами. Это значительно упрощает рассмотрение задачи. Что касается /, то эта функция является монотонно возрастающей по времени, если только не происходит взвихрения пыли.
Поскольку рабочий объем ограничен своими стенками, необходимо добавить к системе (1) граничные условия, которые определяют величины всех вышеперечисленных зависимых переменных (скорости, давления и удельного объема воздуха, а также концентрации древесной пыли)
на стенках объема, включая и проемы в этих стенках. Эти граничные условия зависят от устройства используемого оборудования и поэтому могут быть заданы различными способами. В самом простом случае можно принять условие непроникновения древесной пыли и непротекания воздуха (иного газа) через стенки, исключая только протекание через проемы. Проникновением древесной пыли через проемы в боковых стенках оборудования, служащих для загрузки исходного материала, подлежащего обработке, и извлечения обработанного изделия, можно пренебречь из-за его незначительности по сравнению с удалением пыли через проем в потолочной стенке рабочего объема за счет принудительного отсасывания.
Имея в виду эти граничные условия и учитывая вышеприведенные соотношения между индивидуальной и локальными производными, из системы (1) можно выделить уравнение в частных производных, описывающее перенос древесной пыли воздушным потоком, существующим внутри рабочего объема:
дТг(х,у,А) дТг(х,уА) дТг(х,у,А) дТг(х,у,А)
--------- —и(х,у,А)----------------пхуа)----------(МхуА-д/)--------------+ //(/,х,уА. (2)
дЬ дх ду дг
Уравнения в частных производных, описывающие сам воздушный поток, при этом выглядят как:
/и(хуА) Си(х,уА , ,:'и(хуг) ^Ги(хуА) 1 Грх,уА
--------- и(хуА)---------------у(хуА)------------- Ф,уА)----------------------------,
> 7 - х , у < г р - х
/у(хуА) Гу(х,уА , ,:У(хуА) ,<Мх,уА) 1 рхуА м
= -и(хуА)-------------Их, у А)------------ф, у А)------------------------------, (3)
.7 ,'х ,'у .Ар ,'у
дФ.уА I .дФуА I .дФ.уА I .дфуА 1 эр(хуа)
----------= -и(х,у г)--------------Иху г!-----------------ф,у г)----------------------------+
5/ дх ду дг р дг
+ ^({,х,уа),
где р - плотность воздуха (иного газа или жидкости).
Определив начальное состояние системы (2) и (3), т. е. задав начальное распределение всех компонент скорости воздуха внутри рабочего объема и его температуру, а также положив известным распределение пыли внутри рабочего объема и задав внешние силы на его границах, можно определить распределение пыли внутри рабочего объема для любого момента времени в будущем путем численного интегрирования системы уравнений (2) и (3). Тем самым будет возможно определить, будут ли возникать опасные концентрации взвешенной в воздухе пыли при выбранном оборудовании и выбранных параметрах системы пылеудаления из рабочего объема этого оборудования. Интегрируя пятое уравнение системы (1), можно определить динамику накопления пыли на полу рабочего объема.
Теперь для решения задачи о взвихрении отложившейся пыли остается только задать изменения потоков воздуха через первые из двух ранее упомянутых проемов в стенах рабочего помещения, которые входят в функцию /. Очевидно, что наиболее опасными являются резко меняющиеся во времени потоки. Они могут возникать, например, при внезапном открытии того или иного проема. Эти «входные» потоки, конечно, трансформируют распределение скоростей воздуха внутри рабочего объема. Так что, в принципе, даже если такой «входной» поток был очень силен в какой-то момент времени, его влияние на ту часть пола рабочего объема, где осело много пыли, может оказаться не очень существенным. Наоборот, сравнительно небольшой «входной» поток может привести к взвихрению недопустимо большого количества пыли, если этот поток направлен непосредственно на ту часть пола рабочего объема, где накопилось много пыли.
Конкретное определение того, как будет происходить взвихрение, требует численного интегрирования выписанной системы уравнений с заданием конкретного временного графика «входных» потоков как части функции /, а также задания геометрии рабочего объема, расположения на его стенках всех проемов и взаиморасположения проемов и оборудования, служащего источником пыли.
С целью получить предварительные и ориентировочные оценки, без потери общности, можно принять, что координатная ось хнаправлена по горизонтали от входного к выходному проему в боковых стенках рабочего объема. Кроме того, с некоторой натяжкой можно считать, что боковые стенки прорезаны проемами от начала и до конца по всей их ширине. Тогда уравнения (2) и (3) сильно упростятся, поскольку вторым из уравнений в (3) можно будет совсем пренебречь, а величину соответствующей горизонтальной скорости V (х у, А положить равной нулю в оставшихся первом и третьем уравнениях системы (3) для зависимых переменных и (х А и м (х А. Кроме того, окажется возможным пренебречь вторым членом справа в уравнении (2) для зависимой переменной Тг (х А.
Последнее оправданное упрощение проистекает из того, что в режиме нормальной эксплуатации можно считать, что внешние силы, приложенные к рассматриваемому объему воздуха внутри оборудования, остаются постоянными. Это значит, что сам воздушный поток внутри рабочего объема тоже постоянен. В результате, из нелинейной системы (2), (3) можно получить линейную систему. Поясним, что нелинейной называется система уравнений, в правых частях которой встречаются члены, состоящие из произведений по крайней мере двух зависимых переменных.
Например, в (2) таким членом является -и(х,у, г) _ Если же любой член в правых час-
ах
тях рассматриваемых уравнений представляет собой произведение величины одной зависимой переменной на какой-либо известный (постоянный или меняющийся по известному закону) коэффициент, то система уравнений называется линейной. Во многих случаях интегрирование линейной системы от известных начальных условий можно выполнить аналитически, то есть без использования вычислительных машин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сонечкин В. М, Галайда М. С., Хорватх А., Хоффманн И Оценка пожаровзрывоопасности технологического процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2005. - № 3. - С. 18-25.
2. Сонечкин В. М, Зойоми Г, Хасин И М, Хорватх А. Обеспечение пожаровзрывобезопасности процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2006. - № 5. - С. 53-56.
3. Сонечкин В. М,’ ПанасевичЛ. Т, РачкаускасА. Факторы пожарной опасности процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2007. - № 7. - С. 121-125.
4. Сонечкин В. М, Татар А., Хорватх А. Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций и их источников // Научно-практическая конференция. 26-27 июня 2001. Доклады и выступления. - М.: Центр «Антистихия», 2002. - С. 255-259.
5. Сонечкин В. М,’ Панасевич Л. Т, Рачкаускас А. Моделирование динамики удаления пылевых отходов из объема оборудования при механической обработке древесных материалов // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2008. - № 1(9). - С. 82-87.
