CC BY
8УДК 614.841.34
DOI 10.25257/FE.2018.1.53-57
СОНЕЧКИН Владимир Михайлович
Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
ПАНАСЕВИЧ Людмила Тихоновна
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: l.tihonovna@academygps.ru
БЛЕСИТЬ Янош
Кандидат технических наук, профессор Институт чрезвычайных ситуаций при Национальном университете государственной службы, Будапешт, Венгрия E-mail: Bleszity.Janos@uni-nke.hu
УСЛОВИЯ ВЗВИХРЕНИЯ ПЫЛИ В ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕМ ПОМЕЩЕНИИ
Рассмотрена проблема пожаровзрывоопасности технологического процесса механической обработки древесных материалов и её связь с зависимостью взвихрения частиц древесной пыли от их веса, размера и формы. Представлена модель распространения пыли в производственном помещении.
Ключевые слова: пыль, пылевоздушная смесь, пожаровзрывобезопасность.
Развитие многих отраслей промышленности связано с проектированием и эксплуатацией производств, имеющих источники вредных, пожароопасных веществ в виде взрывоопасной пыли. Поступая в воздух помещения, вредные и одновременно взрывоопасные вещества под воздействием турбулетной диффузии и других факторов распространяются в объём производственного помещения. Одновременно происходит осаждение твердой фазы пыли на поверхность пола и строительные конструкции.
Накапливающаяся таким образом пыль представляет собой большую опасность, так как в случае взрыва внутри технологического оборудования или в объёме помещения формируются волны сжатия, способные перевести отложившуюся пыль в состояние аэровзвеси. При этом, как правило, возникают повторные взрывы в объёме помещения, которые и приводят к наиболее значительным разрушениям [1].
Одним из важных этапов в определении уровня пожаровзрывоопасности объекта является расчёт вероятности возникновения пожара или взрыва [2].
Вероятностно-статистические методы наиболее приемлемы для расчёта вероятности возникновения пожара или взрыва на объектах деревообрабатывающей промышленности, так как учитывают случайный характер пожаровзрывоопасных событий и позволяют оценить фактический уровень пожаровзрывоопасности технологического процесса, оборудования, помещения, здания, в которых он осуществляется.
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, -
© Сонечкин В. М., Панасевич Л. Т., Блесить Я., 2018
это некоторая статистическая информация о вероятностях разного рода типов поведения траектории. Положение здесь оказывается близким к тому, что имеет место в статистической физике, где определение точного поведения каждой частицы в отдельности хотя и возможно, но нецелесообразно из-за огромного количества частиц, и где путём перехода к рассмотрению поведения больших ансамблей частиц удается получить простые законы их движения [3].
Раздел теории динамических систем, изучающий вероятностные свойства фазовых траекторий динамических систем, называется эргодической теорией [4, 5].
Для транзитивной динамической системы после некоторого числа сдвигов по времени все элементы переходной матрицы оказываются ненулевыми. Это значит, что и вероятности перехода за это время от одного элемента марковского разбиения к любому другому являются также ненулевыми. Иными словами, после наблюдения в некоторый момент времени определенного состояния динамической системы по прошествии времени можно ожидать появления любого другого состояния. Если в последовательности фактически наблюдаемых состояний обнаруживается простая закономерность, например, последовательность периодична, то такую последовательность легко прогнозировать, она представляется вполне детерминированной.
Таким образом, кажущееся сложное поведение динамических систем есть следствие их внутренней неустойчивости.
Особенностью процесса обработки древесных материалов является то, что в технологическом процессе всегда имеется горючее вещество и окислитель (атмосферный воздух) и в производственном помещении всегда имеются две зоны, в которых может образоваться пылевоздушная смесь:
53
- ёмкость оборудования;
- пространство, необходимое для обслуживания и управления процессом.
В процессе механической обработки древесных материалов в объёме оборудования в системе аспирации постоянно образуется пылевоздушная смесь, концентрация которой меняется в зависимости от:
- технологических параметров обработки;
- качества исходного материала.
Образование мелкодисперсной пыли и пыле-
воздушной смеси - неизбежное явление процесса механической обработки древесных материалов.
Оценка распределения попавшей в помещение пыли возможна как частный случай задачи о переносе пассивной примеси воздушным потоком. Основным при решении этой задачи является знание закона локальной эволюции, позволяющего установить прошлое и предсказать будущее состояние рассматриваемой динамической системы.
При вторичной обработке древесных материалов, особенно при их тонкой отделке, основным побочным продуктом является мелкозернистая фракция - древесная пыль. Эта пыль оседает на оборудовании и несущих конструкциях помещения, в котором осуществляется вторичная деревообработка. Более того, наиболее мелкодисперсная фракция пыли не оседает, а постоянно остается внутри производственного помещения во взвешенном состоянии (витает в воздухе). Для её удаления из помещения применяются системы вытяжной вентиляции.
Проблемой при этом является расчёт мощности этих систем. Недостаточная мощность может привести к такой концентрации взвешенной пыли, при которой неизбежна её электризация и последующий разряд, приводящий к взрыву. Излишняя же мощность может способствовать взвихрению более крупнодисперсной фракции пыли из её отложений, что, в свою очередь, создаст еще более благоприятные условия для электризации с последующим разрядом.
Сходные задачи рассматривались во многих прикладных областях. Например, при добыче угля актуальной является задача предотвращения образования критической концентрации угольной пыли в шахте, где производится угледобыча. Однако в нашем случае нельзя просто использовать модели, развитые в этих различных областях без учёта [6, 7]:
- специфики пылеобразования на деревообрабатывающих предприятиях;
- свойств пыли;
- характера её динамики.
В случае деревообработки концентрация пыли неизбежно является довольно большой, а спектр свойств образующихся пылинок довольно широким. Поэтому при рассмотрении динамики пылевого потока требуется учитывать взаимодействие пылинок друг с другом и в ряде случаев их воздействие на сам воздушный поток.
Рассмотреть подробнее проблему пожаровзрыво-опасности технологического процесса механической
обработки древесных материалов можно на примере замкнутого помещения, внутри которого производится деревообработка. В помещении имеется оборудование для деревообработки, являющееся источником древесной пыли. Движущиеся части оборудования способны механически взвихривать пыль, которая после этого витает в воздухе, пока не будет отчасти удалена из помещения системой принудительной вентиляции, а отчасти не осядет на неподвижных частях оборудования или на стенках помещения [8].
Для вентиляции на границах помещения должны быть проёмы. Через один из проёмов запыленный воздух должен отсасываться из помещения, а через другой внутрь помещения должен подаваться чистый воздух. Из-за этого внутри всего объёма помещения неизбежно возникает движение воздуха.
Эти движения можно описать системой нелинейных уравнений гидродинамики
& 'Ъх, р ' ' дх, р дх,. '
(1)
где и1, и2, и3 - две горизонтальные и одна вертикальная компоненты вектора скорости воздушного потока внутри помещения; р - плотность воздуха; р - давление; градиент которого 1 = 1, 2, 3) создаётся
аХ1
системой вентиляции; ^ - все силы, дополнительно возбуждающие движения воздуха внутри помещения, отличные от силы, возникающей из-за отсоса запылённого воздуха из помещения и нагнетания в помещение чистого воздуха.
К системе уравнений (1) надо добавить уравнение неразрывности:
^ Эы,
(2)
а также надо поставить некоторые граничные условия. Эи,
Граничные условия —-О, где п - нормаль к соот-Ъх,
ветствующей стенке, обеспечивающая непротекание воздушного потока через стенки помещения. Система уравнений (1) вместе с уравнением (2) и с учётом граничных условий может быть решена только численными методами. Причём из-за нелинейности (1) это представляет собой довольно сложную вычислительную задачу.
Следует отметить, что в уравнении (1) влияние пылевых частиц на сам поток воздуха параметризовано линейными членами к и, 1 = 1, 2, 3. Такое влияние
1 11 11
надо бы описывать более сложным образом, поскольку концентрация пыли, взвешенной в воздушном потоке, при деревообработке обычно очень велика. Однако, рассматривая деревообработку в замкнутом
помещении, необходимо иметь в виду, что скорости воздушного потока, возникающие в таком помещении из-за вентиляции, очень малы. Воздействия частиц пыли на такой воздушный поток еще более тормозят его. Причём торможение это монотонное, если только не происходит по какой-то причине резкого изменения характеристик пылевых частиц (например резкое изменение их размера и т. п.). Опасные взвихрения пыли происходят только при ускорениях, особенно резких ускорениях, воздушного потока. По этой причине можно использовать упрощенное линейное представление, как это и сделано в системе (1).
Как уже упоминалось выше, скорости воздушных потоков, возникающих внутри помещения из-за принудительной вентиляции этого помещения, малы. Сам процесс вентиляции обычно стационарен, поэтому создаваемые при вентиляции градиенты
Эр
давления — не меняются со временем, если только
не случается каких-то нарушений режима вентиляции, о чем будет говориться ниже. По этой же причине малы оказываются также изменения потоков со временем. В результате уравнение (1) можно существенно упростить, считая воздушные потоки вообще не меняющимися со временем, т. е. стационарными. Стационарные скорости потоков легко находятся
, _1 Эр
из соотношения и1 = к1 которое получается при
обнулении в уравнении (1) всех нелинейных членов и членов с временной производной.
Допустим, что в системе вентиляции произошел сбой, при котором градиент давления немного изме-
Э(р+8р) .
нился и стал равен —^-— для какого-то 1. 1огда
дх
неизбежна потеря стационарности скоростями воздушного потока. Считая величину др малой, для описания этого процесса можно линеаризовать уравнение (1). В результате будет получено следующее выражение:
Э8ы. ® Э5ы 1 Эр dt дх, р Эх,
Эта система легко решается численными методами - найденные при этом изменения скоростей воздушного потока, когда они оказываются положительными, необходимо сложить с исходными стационарными скоростями, а полученную скорость сравнить с пороговой скоростью, при которой начинается взвихрение пыли. Разумеется, пороговое значение зависит от характеристик той пыли, которая образуется в рассматриваемом помещении.
Помимо сбоев в работе системы вентиляции, изменения градиентов давления и результирующие от них нарушения стационарности воздушных потоков внутри помещения могут возникать по таким причи-
нам, как внезапное открывание входов в помещение и резкие сдвиги производственного оборудования. Однако даже в этих случаях переходные процессы реакции воздушных потоков внутри помещения могут быть описаны с помощью линеаризованной системы уравнений (3).
Совсем другим фактором, могущим приводить к взвихрению пыли, является термическая конвекция. Она возникает из-за того, что деревообработка происходит с выделением тепла, при этом нагреваются:
- сами механизмы деревообработки;
- образующаяся при этом стружка и древесная пыль.
Для учёта этого к приведённым выше уравнениям гидродинамики следует добавить известное уравнение термодинамики - уравнение переноса тепла внутри помещения.
Граничные условия для поля температуры при этом можно задавать различным образом в зависимости от решаемой задачи. Чаще всего можно считать, что температура на всех стенках помещения одинакова и постоянна. При наличии вытяжной вентиляции теплообменом между воздухом внутри помещения и стенками можно вообще пренебречь, полагая, что всё выделяющееся тепло эффективно выводится из помещения вместе с удаляемым запыленным воздухом.
Важнейшими для моделирования условий за-пыления при деревообработке в замкнутом помещении являются уравнения, описывающие динамику концентрации древесной пыли. Этих уравнений много, так как частицы пыли различаются своими размерами и формой. Для каждого типа пылевых частиц в публикации [1] были предложены свои уравнения. Особенностью этих уравнений является то, что в них фигурируют не просто скорости воздушного потока, приведённые в (1)-(3), а так называемые скорости витания пылевых частиц, которые отличны от скоростей воздушного потока. Но эти отличия обычно не слишком велики, если только частицы пыли не являются очень тяжёлыми или имеют аэродинамически сложную форму [9, 10].
Спектры размеров и других характеристик пылевых частиц, образующихся при деревообработке, изучались многими учёными [2, 3]. Используя подходящее для конкретного рассматриваемого процесса деревообработки распределение частиц древесной пыли по размерам, можно вычислить эволюцию во времени общего количества древесины, витающей в воздухе помещения, где производится деревообработка:
- путём суммирования результатов численного интегрирования вышеприведенных уравнений;
- с учётом заданных начальных значений всех модельных переменных.
Эта величина наиболее просто может измеряться в натурных экспериментах, а потому может служить критическим параметром, определяющим условия взвихрения древесной пыли при деревообработке.
ЛИТЕРАТУРА
1. ПирумовА. И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат, 1974.
207 с.
2. Штокман Е. А. Очистка воздуха. Учебное пособие. М.: Ассоциация строительных вузов, 1999. 319 с.
3. Баренблатт Г. И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке // Прикладная механика и математика. 1953. Т. 17. Вып. 3. С. 261-274.
4. Самсонов В. Т. Закономерности распределения взвешенных в воздухе частиц пыли по размерам // Вентиляция и кондиционирование воздуха на полиграфических предприятиях / под ред. Е. Е. Карписа. М.: Книга, 1972. С. 65-77. Труды Гипронииполи-графа. Вып. 1.
5. Голенев А. П., Самородов В. Г. Пылевой режим производственных помещений, связанных с обращением горючих пылей. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1983. С. 27-33.
6. Гавриленков А. М, Некрасов А. В., Каргашилов Д. В. Математическая модель движения частиц пыли у стенки циклона // Безопасность в техносфере. 2009. № 2. С. 35-37.
7. Гавриленков А. М, Каргашилов Д. В., Некрасов А. В. Способы обеспечения безопасности оборудования с горючей пылью // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2012. № 2 (3). С. 29-30.
8. Сонечкин В. М, Панасевич Л. Т., Решташ А. Гидродинамическое моделирования условий запыления замкнутого помещения при деревообработке // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2014. № 3. С. 46-50.
9. Porowski R. Явление детонации смесей пыли: обзор имеющихся знаний // Вегрюсге^шо 1 1есИп1ка рогагшсга. 2014. № 4. С. 85-93. 001: 10.12845/ЬКр.36.4.2014.9
10. Хорватх А, Сонечкин В. М. Моделирование процесса пы-леосаждения в производственном помещении и их категорирова-ние // Сборник материалов VI Международного форума «Техногенная безопасность». М., 2001. С. 199-200.
Материал поступил в редакцию 18 января 2018 года.
Vladimir SONECHKIN
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Associate Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Liudmila PANASEVICH
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: l.tihonovna@academygps.ru
BLESZITY Janos
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor Institute of Emergencies at the National University of Civil Service, Budapest, Hungary E-mail: Bleszity.Janos@uni-nke.hu
DUST TURBULENCE CONDITIONS AT A WOODWORKING FACILITY
ABSTRACT
Purpose. The problem of fire explosion hazard during the technological process relating to mechanical processing of wood materials and its connection with the dependence of wooden dust particles turbulence on their weight, size and shape have been considered. A model of dust propagation in a manufacturing facility has been presented.
Methods. Analytical factors which are taken into account when designing a system for forced dust and waste removal from the equipment have been considered. Considering the given initial values of all model variables, it is possible to calculate evolution in time of the total quantity of the wood particles circulating in the air of a woodworking facility.
Findings. It has been shown that in the course of woodworking dust-air mixture constantly builds up in the system of aspiration. Its concentration changes depending on technological parameters of processing as well as the quality of the initial material. Formation
of fine dust and dust-air mixture is inevitable during mechanical wood processing.
Research application field. Ensuring fire safety during a technological process of woodworking.
Conclusions. The air flow created in the aspiration system must remain non turbulent. It is necessary to take into account all the factors listed above while designing an aspiration system . Summing up the results of numerical integration in the equations provided in the present article, it is possible to calculate the sizes and other characteristics of dust particles which are formed during woodworking. The received value can be measured in full-scale experiments and used as a critical parameter defining conditions of wood dust turbulence during woodworking.
Key words: wood dust, dust-air mixture, air flow
speed.
REFERENCES
1. Pirumov A.I. Obespylivanie vozdukha [Dedusting of air]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1974. 207 p.
2. Shtokman E.A. Ochistka vozdukha [Air purification]. Moscow, Assotsiatsiia stroitel'nykh vuzov Publ., 1999. 319 p.
3. Barenblatt G.I. On the motion of suspended particles in a turbulent flow. Prikladnaia mekhanika i matematika, 1953, vol. 17, no. 3, pp. 261-274. (in Russ.).
4. Samsonov V.T. Regularities of distribution of dust particles suspended in air by size. Ventiliatsiia i konditsionirovanie vozdukha na poligraficheskikh predpriiatiiakh. Trudy Giproniipoligrafa. Vyp. 1. [Air ventilation and air conditioning at printing enterprises. Ed. by E.E. Karpis. Proceedings Gipronii polygraph. Issue 1.]. Moscow, Kniga Publ., 1972, pp. 65-67. (in Russ.).
5. Golenev A.P., Samorodov V.G. Pylevoi rezhim proizvodstvennykh pomeshchenii, sviazannykh s obrashcheniem goriuchikh pylei [Dust mode of industrial buildings related to the treatment of combustible dusts]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of the Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 1983, pp. 27-33.
6. Gavrilenkov A.M., Nekrasov A.V., Kargashilov D.V. Mathematical model of the motion of a dust particle near the cyclone wall. Bezopasnost' v tekhnosfere, 2009, no. 2, pp. 35-37. (in Russ.).
7. Gavrilenkov A.M., Kargashilov D.V., Nekrasov A.V. The methods of fire and explosion hagard of apparatuses with combustible dust. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChS Rossii, 2012, no. 2 (3), pp. 29-30 (in Russ.).
8. Sonechkin V.M., Panasevich L.T., Restas A. Hydro-thermodynamic modelling of confined premises dusting conditions while woodworking. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia, 2014, no. 3, pp. 46-50. (in Russ.).
9. Porowski R. Dust detonation phenomenon: state of the art. Bezpicczenstwo i technika pozarnicza, 2014, no. 4, pp. 85-93. DOI: 10.12845/bitp.36.4.2014.9
10. Khorvatkh A., Sonechkin V.M. Simulation of the process of dust precipitation in the production room and their categorization. Sbornik mat-lov VI Mezhdunar. foruma "Tekhnogennaia bezopasnost"' [Proceedings of the materials of the 6th Inter. Forum "Technogenic Security"]. Moscow, 2001, pp. 199-200. (in Russ.).
© Sonechkin V., Panasevich L., Bleszity J., 2018
57
