CC BY
8Сонечкин В. М., Панасевич Л. Т., Тетерина Н. В., Хорватх Г. В.
ПРИЧИНЫ ВЗВИХРЕНИЯ ПЫЛИ В РАБОЧЕМ ОБЪЁМЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Построена гидродинамическая модель движения воздуха внутри рабочего объёма деревообрабатывающего оборудования. На основе анализа этой модели установлено, что опасные взвихрения древесной пыли могут возникать при резонансной воздушной волне, возбуждаемой движениями обрабатывающего инструмента.
Ключевые слова: древесная пыль, пылевоздушная смесь, пожаровзрывобезопасность.
Sonechkin V., Panasevich L., Teterina N., Khorvatkh G.
REASONS WHIRLING OF THE DUST IN WORKING VOLUME THE EQUIPMENT AT MACHINING WOOD MATERIALS
A hydrodynamical model of air motions within a working space of woodworking equipment is constructed. Based on the analysis of this model revealed that the dangerous whippings air-wood dust may occur when the resonant air wave excited motion processing tool.
Keywords: the timber dust, the air-dust, the fire-explosion safety.
При механической обработке древесных материалов происходит образование и накопление большого количества отходов в виде пыли, способной при определённых условиях образовывать с воздухом взрывоопасные смеси и создавать высокую степень пожаровзрывоопасности для обрабатывающего оборудования.
Особенностью процесса механической обработки древесных материалов является то, что образование и накопление пыли в объёме оборудования происходит при нормальном режиме его работы. Образование пыли и пылевоздушной смеси - неизбежное явление в рассматриваемом технологическом процессе.
Накапливающаяся в оборудовании пыль в случае «хлопка» внутри технологического оборудования формирует волны сжатия, которые способны перевести отложившуюся пыль в состояние аэровзвеси. При этом, как правило, возникают повторные взрывы. Это объясняется тем, что происходит взрыв образовавшегося пылевого облака. Опасность взрыва пылевоздушной смеси в объёме оборудования может привести к разрушению оборудования, ранениям и гибели людей.
В настоящее время принципы обеспечения пожаровзрывобезопасности оборудования для механической обработки древесных материалов сформулированы, в основном, из практических наблюдений.
В объёме оборудования циркулируют воздушные потоки с различным содержанием пыли. При этом в большинстве случаев концентрация пыли в воздухе оказывается выше минимального уровня воспламенения.
При неправильном устройстве местных отсосов и недостаточной мощности вентиляторов пыль накапливается в оборудовании. Осевшая пыль при взвихрении может создать взрывоопасную смесь.
Разработка мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопасности процесса должна начинаться с создания схемы анализа процесса. Такой подход позволяет сделать минимальными затраты на создание системы предупреждения пожаров, взрывов и системы пожаровзрывозащиты.
Практика показывает, что попытка достичь нормируемого уровня пожа-ровзрывобезопасности производства на последних стадиях его создания требует значительных материальных затрат.
В статье рассмотрены два варианта обработки древесного материала -с помощью абразивного полотна и с помощью фрезы.
В первом случае древесная пыль постоянно образуется в процессе обработки поверхности деревянной детали абразивным полотном. Процесс осуществляется внутри ограниченного объёма оборудования, конфигурация которого известна. Пыль постоянно находится внутри рабочего объёма в виде взвеси. В результате непрерывного отсоса пылевоздушной смеси концентрация пыли может поддерживаться на уровне, достаточно низком, чтобы предотвратить образование пожаровзрывоопасной пылевоздушной смеси. Однако под действием силы тяжести эта пыль постепенно оседает и откладывается на полу и боковых стенках оборудования.
В результате пыль накапливается в объёме оборудования в отложенном состоянии, и её внезапное взвихрение может привести к одномоментному превышению пожаровзрывоопасного порога. Очевидно, что решающими факторами такого взвихрения являются скорость и направление потоков воздуха внутри рабочего объёма.
Основным фактором, определяющим процесс перехода пыли во взвешенное состояние, является скорость воздушного или газового потоков. При воздействии воздушного потока на слой пыли может происходить отрыв отдельных частиц или верхних слоев. Протекание процесса уноса при эрозии зависит не только от скорости воздушного потока, но и от времени воздействия его на слои пыли. Следует отметить, что существует зависимость уноса пыли от показателя силы сцепления пыли.
Надо учесть, что рабочий объём сообщается с окружающим пространством производственного помещения посредством, по меньшей мере, трёх проёмов в стенках. Один из проёмов используется для загрузки обрабатываемого древесного материала внутрь рабочего объёма, второй - для извлечения уже обработанного материала из объёма, а через третий осуществляется отсос пылевоздушной смеси, образующейся при обработке. Как правило, первые два проёма располагаются на противоположных боковых стенках, а третий - вверху рабочего объёма. Потенциально опасные потоки воздуха могут возникнуть в результате изменения направления воздухообмена между рабочим объёмом и первыми двумя проёмами.
Таким образом, задача предотвращения взвихрения отложившейся пыли в объёме оборудования является нестационарной. Для строгой её формулировки надо, прежде всего, разработать математическую модель переноса воздушным потоком пассивной пыли, взвешенной в воздухе, постепенно оседающей под действием силы тяжести и удаляемой устройством аспирации через третий из вышеупомянутых проёмов.
Граничные условия должны включать в себя заданный источник древесной пыли, распределённый в пространстве внутри рабочего объёма в соответствии с конкретным расположением в нем обрабатывающего инструмента. Возможно, этот источник может быть переменным по времени. Это имеет место, если технологический режим обработки древесного материала состоит из нескольких различных этапов, на каждом из которых выделяется разное количество древесной пыли. Кроме того, в числе граничных условий необходимо задать переменные по времени потоки воздуха внутри рабочего объёма через первые два вышеупомянутых проёма.
В связи с тем, что рабочий объём ограничен стенками, необходимо учесть граничные условия, которые определяют величины зависимых переменных, таких как: скорость, давление, удельный объём воздуха, концентрация древесной пыли. Эти граничные условия зависят от конструкции используемого оборудования и поэтому могут быть заданы различными способами.
Выходом древесной пыли через проёмы в боковых стенках оборудования, служащих для загрузки исходного материала и извлечения обработанного изделия, можно пренебречь из-за её незначительного количества по сравнению с количеством пыли, удаляемой системой аспирации.
Задав начальное распределение всех компонент скорости воздуха внутри рабочего объёма и его температуру, а также, считая известным распределение пыли внутри рабочего объёма и задав внешние силы на его границах, можно определить распределение пыли внутри рабочего объёма для любого момента времени. Это дает возможность определить, будут ли возникать опасные концентрации взвешенной в воздухе пыли при выбранной конструкции оборудования и выбранных параметрах системы пылеудаления из рабочего объёма этого оборудования.
Для решения задачи о взвихрении отложившейся пыли необходимо задать границы изменения потоков воздуха через проёмы в боковых стенках оборудования. Очевидно, что наиболее опасными считаются резко меняющиеся во времени потоки. Они могут возникать, например, при внезапном открытии того или иного проёма. Эти «входные» потоки, конечно, трансформируют распределение скоростей воздуха внутри рабочего объёма. Даже сравнительно небольшой «входной» поток может привести к взвихрению недопустимо большого количества пыли, если этот поток направлен непосредственно на ту часть пола рабочего объёма, где накопилось много пыли. Следует учитывать, что движения абразивного полотна создают дополнительные турбулентные потоки воздуха, которые могут также способствовать взвихрению осевшей пыли.
Строгая формулировка задачи о расчёте оптимальных параметров рабочего объёма, конфигурации и размеров имеющихся в его стенках проёмов и мощности отсасывающего пыль устройства может быть достигнута на основе математической теории переноса воздушным потоком или иным газом V пассивной примеси Тг, взвешенной в воздухе или ином газе. Во всех этих случаях как исходная должна быть рассмотрена следующая система дифференциальных уравнений:
д^ (х.и.г) „
и - = -оХ,у,г)Ч-р Х,у,г]+д 1 Х,у,г),
<
dt
da( x, y, z) dt
dTr (x,y,z) dt
dp( x, y, z)
= dx,y,z)V-V X,y,z),
= -Tr (x, y, z)V ■ V(x,y,z) + F 2(x,y,z), (1)
= -p(x,y,z)V- V (x,y,z),
dt
p(x,y,z)Ox,y,z) = RT (t,x,y,z),
где V = V(x, y, z) - вектор скорости воздуха или газа в точке внутри рассматриваемого рабочего объёма с координатами х, у, z. Горизонтальные компоненты этого вектора ниже будут обозначаться как u или v, а вертикальная
dQ( x,y,z)
компонента - w -d-_ индивидуальная производная, характеризующая
СИ
пространственно-временные изменения характеристики Q в окрестности точки с координатами х, у, z. В качестве характеристики в Q (1) фигурируют: скорость воздуха или газа (Q = V), давление (Q = р), удельный объём (Q = а) воздуха или газа и удельное количество древесной пыли в единице объёма воздуха или газа (Q = Tr). При этом индивидуальная производная связана с локальными производными по времени и пространству (частными производными) соотношением
dQ dQ dQ dQ dQ — =—u— + v — + w — ; dt dt dx dy dz
R = cp - cv , T(t, x, y, z) обозначают газовую постоянную и температуру воздуха или газа. Последняя, в принципе, может меняться во времени (аргумент t) и по пространству (аргументы x, y, z), но в рассматриваемой задаче температуру можно считать постоянной, ибо никакого специального нагрева или охлаждения воздуха в рабочем объёме оборудования не производится. Конечно, в процессе обработки древесины выделяется некоторое количество тепла, но, полагая, что нормальный процесс деревообработки стационарный, это тепловыделение более или менее постоянно во времени, а выделившееся тепло уносится из рабочего объёма вместе с высасываемым воздухом равномерно во времени. Поэтому вполне допустимо считать температуру постоянной в любой точке рассматриваемого рабочего объёма и в любой момент времени
рабочего процесса обработки древесины; д, Г^, х, у, г), х, у, г) представляет собой силу тяжести, внешнюю силу, воздействующую на рассматриваемый объём воздуха или газа внутри рабочего объёма оборудования (это не что иное, как мотор, обеспечивающий отсос воздуха из рабочего объёма оборудования), и источник древесной пыли, активный во время обработки древесины, загруженной в рабочий объём для обработки. Обе силы (Г] и Г2), вообще говоря, являются функциями времени и пространственных координат на границах рабочего объёма. Например, такая зависимость существует, если регулярно меняется режим и характер обработки древесины и/или если интенсивность отсасывания воздуха из рабочего объёма контролируется в зависимости от того, как сильно запылен воздух в рабочем объёме. Но самым обычным случаем является стационарный режим деревообработки без какого-либо контроля и управления процессом пылеудаления из рабочего объёма. В этом случае обе внешние силы можно считать константами. Это значительно упрощает рассмотрение задачи.
Поскольку рабочий объём ограничен своими стенками, необходимо добавить к системе (1) граничные условия, которые определяют величины всех вышеперечисленных зависимых переменных (скорости, давления и удельного объёма воздуха, а также концентрации древесной пыли) на стенках объёма, включая и проёмы 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 или газа через стенки, включая только протекание через проёмы. Проникновением древесной пыли через проёмы в боковых стенках оборудования, служащих для загрузки древесины, подлежащей обработке, и извлечения обработанного материала, можно пренебречь из-за его незначительности по сравнению с удалением пыли через проёмы в потолочной стенке рабочего объёма за счёт принудительного отсасывания.
Принимая граничные условия и учитывая вышеприведённые соотношения между индивидуальной и локальными производными, из системы (1) можно выделить уравнение в частных производных, описывающее перенос древесной пыли воздушным потоком, существующим внутри рабочего объёма:
дТг(х,у,г) = _и(х дТг(х,у,г) _(х дТг(х,у,г)
д^ " д^ " ду (3)
_№ (х ,у,г) _ дГ + Г 2(х ,у,г)].
Задав начальное распределение всех компонент скорости воздуха внутри рабочего объёма и его температуру, а также положив известным распределение пыли внутри рабочего объёма и задав внешние силы на его границах, можно установить распределение пыли внутри рабочего объёма для любого момента времени в будущем.
Однако это достаточно сложная задача, требующая использования вычислительной техники. Для получения предварительных и ориентировочных оценок без потери общности можно принять, что координатная ось х направлена по горизонтали от входного к выходному проёму в боковых стенках рабочего объёма. Кроме того, с некоторой натяжкой можно считать, что боковые стенки прорезаны проёмами от начала и до конца по всей их ширине.
Последнее оправданное упрощение проистекает из того, что в режиме нормальной эксплуатации можно считать, что внешние силы, приложенные к рассматриваемому объёму воздуха внутри оборудования, остаются постоянными. Это значит, что сам воздушный поток внутри рабочего объёма тоже постоянен.
Таким образом, представляется, что на этапе эскизного проектирования пожаровзрывобезопасной системы деревообработки можно оценить конфигурацию системы пылеудаления весьма простым и дешёвым путем. Разумеется, на последующей стадии отработки системы пылеудаления для выбора её оптимальных как в смысле эффективности, так и в смысле себестоимости параметров, скорее всего, придется прибегнуть к численным расчётам возможных режимов.
Одним из важных этапов в определении уровня пожаровзрывоопасности объекта является расчёт вероятности возникновения пожара или взрыва. Вероятностно-статистические методы наиболее приемлемы для расчёта вероятности возникновения пожара или взрыва на объектах деревообрабатывающей промышленности, так как учитывают случайный характер пожаровзры-воопасных событий и позволяют оценить фактический уровень пожаровзрыво-опасности технологического процесса, оборудования, помещения и здания, в которых они осуществляются.
Однако, фазовые траектории внутри базисных множеств могут выглядеть очень сложно. Они могут иметь особенности, кажущиеся регулярными и случайными. При определении их асимптотического поведения точное количественное решение некоторых задач может оказаться невозможным или нецелесообразным. Лучшее, на что можно будет надеяться, - это некоторая статистическая информация о вероятностях разного рода типов поведения траектории. Положение здесь оказывается близким к тому, что имеет место в статической физике, где точное поведение каждой частицы в отдельности хотя и возможно, но нецелесообразно из-за огромного количества частиц.
В том случае, когда древесная «заготовка» неподвижно помещается в почти замкнутый проём оборудования, из-за перемещения фрезы внутри объёма неизбежно возникают воздушные потоки. Эти движения, в целом, носят турбулентный характер, и потому способны взвихривать древесную пыль, осевшую на полу объёма.
Нами предложена гидродинамическая модель движений воздуха в рабочем объёме и на основе этой модели указаны условия, способствующие такому опасному взвихрению древесной пыли.
Будем исходить из того, что движение воздуха в целом с небольшими скоростями внутри замкнутого объёма можно описать с помощью следующей системы уравнений гидродинамики с граничными условиями отражения на боковых стенках, полу и потолке объёма, исключая вытяжку в заданном месте потолка:
ди ди ди ди 1 др
— = и--+ V--+ ш— =---—
д\ дх ду дг р дх
дv дv дv дv 1 др
— = и--+ v--+ ш— =---—
дt дх ду дг р ду
др . (4) = др
ду
др + дри + дpv + дрш = о дt дх ду дг
В этих уравнениях использованы следующие обозначения: t - время; и, v, ш - скорости воздуха в направлении осей х (за которую примем направление поступательно-вращательного движения фрезы), у (перпендикулярной к предыдущей оси и горизонтальной) и г (направленной по вертикали вверх); р - давление; д - ускорение свободного падения; р - плотность воздуха.
Эти уравнения являются нелинейными и могут быть решены только численно с заданием соответствующих начальных условий, то есть действующих сил, давления и всех трёх компонент скорости в каждой точке рассматриваемого объёма.
Диапазон возможных скоростей перемещения воздуха внутри объёма невелик, и в среднем эти скорости малы. Поэтому можно принять состояние покоя, которое существует внутри объёма перед началом деревообработки, за основное состояние и линеаризовать уравнения относительно этого состояния. Более того, по этим же причинам, и несмотря на имеющийся отсос воздуха, перепад давления внутри объёма в рабочем цикле создаётся исключительно поступательно-возвратными движениями фрезы вдоль оси х, можно ограничиться рассмотрением только одного уравнения для компоненты скорости вдоль этой оси, то есть компоненты и. В результате приходим к следующей гидродинамической модели движений воздуха внутри рабочего объёма оборудования для деревообработки:
ди 1 др
дt р дх
(5)
В объёме оборудования бегущие волны разгоняются поступательно-возвратными движениям фрезы, так что фактически возбуждаются пары волн, соответствующих разным волновым числам: одни (в положительном направлении оси х) возбуждаются поступательным движением фрезы, а другие (в противоположном направлении) возбуждаются возвратным движением. Скорости распространения всех пар волн зависят только от соответствующих
(поступательной и возвратной) скоростей движения фрезы. Поскольку возвратное её движение, как правило, происходит гораздо быстрее, чем поступательное движение, когда, собственно, и производится обработка древесины, как основную разгонную силу можно рассматривать только возвратное движение, то есть первой из каждой пары вышеуказанных волн вообще можно пренебрегать.
Рабочий цикл обработки древесных материалов обычно состоит из серии поступательно-возвратных движений фрезы. Поэтому внутри объёма устанавливается движение воздуха, состоящее из серии волн, возбуждаемых периодически во времени. Период этого возбуждения, конечно, определяется одним полным циклом поступательно-возвратного движения фрезы, поэтому из всех в принципе возможных волн возбуждается только одна волна, волновое число которой пропорционально периоду возбуждения. Эта волна распространяется до противоположной боковой стенки, отражается там и доходит обратно до той стенки, у которой она была первоначально возбуждена. От этой стенки она снова отражается и распространяется снова к противоположной стенке и т. д. В это же время фреза возбуждает новую волну, которая начинает такой же цикл движений. Возникает целая серия волн с одним и тем же волновым числом.
Решающе важным для того, как все эти волны складываются в общее движение воздуха внутри рабочего объёма, является отношение периода возбуждения этих волн движениями фрезы к периоду пробегания каждой отдельной волны от одной боковой стенки до другой. Если это отношение таково, что новая волна возбуждается очередным циклом движения фрезы в тот момент, когда к месту её возбуждения приходит ранее возбужденная волна, отразившаяся от противоположной стенки, то эти две волны гасят друг друга. Если это отношение таково, что момент возвращения волны к месту её первоначального возбуждения и момент возбуждения в этом месте новой волны совпадают, то энергии обеих волн складываются. Многократное складывание энергий ранее и вновь возбужденных волн известно в гидродинамике как резонанс. Чтобы избежать резонанса, для каждого фиксированного объёма оборудования надо подбирать соответствующие скорости движения фрезы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корольченко А. А. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. - М.: Химия, 1986.
2. Таубкин С. И., Таубкин И. С. Пожаро- и взрывоопасность пылевидных материалов и технологических процессов их переработки. - М.: Химия, 1976.
3. Сонечкин В. М, Галайда М. С., Хорватх А., Хоффманн И. Оценка пожаровзрыво-опасности технологического процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии ГПС МЧС России. - 2005. - № 3. - С. 18-25.
4. Сонечкин В. М, Зойоми Г., Хасин И. М, Хорватх А. Обеспечение пожаровзрыво-безопасности процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии ГПС МЧС России. - 2008. - № 5. - С. 53-56.
5. Сонечкин В. М, Панасевич Л. Т., Рачкаускас А. Факторы пожарной опасности процесса механической обработки древесных материалов // Вестник Академии ГПС МЧС России. - 2007. - № 7. - С. 121-125.
