Россия
, Россия
, Россия
, Россия
ВАК 05.02.2000 Машиностроение и машиноведение
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 08.02.01 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений
ББК 385 Строительные конструкции
ТБК 5434 Вентиляция. Кондиционирование воздуха
BISAC ARC024000 Buildings / General
Основным направлением нормализации параметров воздушной среды при выполнении электросварочных работ предлагается рассматривать устройство комплексной системы вентиляции, совмещающей местную вытяжную вентиляцию рабочих мест сварщиков и общеобменную вентиляцию помещений. В статье с применением метода компьютерного моделирования рассчитаны поля подвижности воздуха, его температуры и концентрации вредных примесей и выполнен сравнительный анализ основных типов стационарных устройств местной вытяжной вентиляции электросварочных рабочих мест: вытяжных зонтов, сварочных панелей, а также отсосов с передувом, а также определены условия эффективного использования подъемно-поворотных отсососов. Выявлены факторы влияющие на эффективность их работы и установлены сочетания влияющих факторов, обеспечивающих предельно допустимые концентрации вредных выделений в рабочих зонах сварщиков. Определены условия, при которых общеобменного эффекта местных отсосов достаточно для того, чтобы поддерживать в помещении концентрацию на уровне ПДК. Полученные в статье результаты могут применяться для разработки инженерных методов расчета и оптимизации вентиляционных устройств и систем, а также для анализа конструктивных и проектных решений по устройству вентиляции электросварочных производств.
электродуговая сварка, местная вытяжная вентиляция, общеобменная вентиляция, эффективность, компьютерное моделирование
Введение. Электродуговая сварка широко используется в различных отраслях народного хозяйства (машиностроение, производство строительных конструкций, строительно-монтажные и ремонтно-восстановительные работы). Процесс электродуговой сварки сопровождается рядом вредных факторов (выделение вредных аэрозолей, газов, излучение), а также имеет высокую пожарную опасность. Согласно трудовому кодексу Российской Федерации (ТК РФ Статья 212. Обязанности работодателя по обеспечению безопасных условий и охраны труда) работодатели должны создавать и поддерживать нормальные условия труда, способствующие сохранению здоровья работников. Основным способом поддержания требуемых параметров микроклимата в рабочих зонах сварщиков является организация местной вытяжной вентиляции. Работа местных вытяжных устройств требует значительных энергозатрат. В связи с этим разработка энергосберегающих систем местной вытяжной вентиляции рабочих мест сварщиков является актуальной задачей [1–6, 9, 10].
Методы и материалы. Наиболее неблагоприятные условия труда наблюдаются при ручной сварке электродами. При электродуговой сварке имеет место интенсивное выделение ядовитого сварочного аэрозоля и множества токсичных газов. Состав и интенсивность вредных выделений зависят от вида и расхода сварочных материалов (электродной проволоки, флюса), а также мощности электросварочной дуги [4].
Качество воздушной среды в помещениях, в которых ведутся электросварочные работы определяется тепло- и массообменными процессами, которые формируют поля подвижности воздуха, его температуры и концентрации вредных примесей.
Основным, а в ряде случаев и единственным способом нормализации среды в сварочных помещениях является вентиляция: местная вытяжная и общеобменная, которые применяются совместно.
Нормируемыми параметрами рабочей зоны являются температура, подвижность воздуха и концентрация загрязняющих примесей (ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда).
Пример. При расходе за шестичасовою смену 5 кг электродов марки МP-3 и параметрах электрической дуги U = 30 В и ток 600 A интенсивность выделения оксида марганца составляет 0.36 мг/c. При этом предельно допустимая концентрация (ПДК) оксида марганца равна 0.3 мг/м3. Таким образом для поддержания средней концентрации оксида марганца на предельно допустимом уровне в помещении, содержащем всего один электросварочный пост необходимая производительность общеобменной вентиляции составляет L = q/Cпдк = 0.36/0.3 = 1.2 м3/c =
4320 м3/ч. При этом из-за неоднородного распределения концентрации вредных примесей общеобменная вентиляция даже при высоких кратностях воздухообмена не позволяет обеспечить предельно допустимые концентрации примесей в рабочих зонах сварщиков. Эта задача может быть решена только с помощью местных вытяжных устройств. Эффективность вентиляции рабочего места сварщика определяется выполнением двух взаимосвязанных задач: отклонением конвективной струи загрязненного воздуха от зоны дыхания сварщика и ее улавливание отсосом.
Вопросы расчета и организации вентиляции рабочих мест и помещений при выполнении электросварочных работ рассматривались в работах [2–4, 11–13].
При ручной электродуговой сварке могут использоваться следующие основные виды местных вытяжных устройств: подъемно-поворотные и стационарные местные отсосы (вытяжные зонты, сварочные панели, отсосы с передувом).
Основная часть. Местная вытяжная вентиляция является эффективной, но достаточно энергоемкой (энергия расходуется на работу побудителей тяги -вентиляторов), однако снижение производительности местных отсосов для уменьшения их энергопотребления приводит к выбиванию части вредных выделений в воздушную среду помещения, что повышает ее фоновое загрязнение. Основным средством борьбы с фоновым загрязнением сварочных помещений является общеобменная вентиляция, которая может осуществляться с помощью механического или естественного побуждения (аэрации), а также частично в результате работы самих местных отсосов. Таким образом нормализация воздушной среды сварочного цеха может быть достигнута в результате работы комплексной системы вентиляции, состоящей из двух подсистем по примеру комплексных систем обеспыливания производственных помещений [5, 7]. Оптимальным будет такой режим работы комплексной системы вентиляции сварочного помещения, при котором энергозатраты на работу местной вытяжной вентиляции будут минимальными, но достаточными для поддержания ПДК вредных примесей в рабочих зонах, а общеобменный эффект, создаваемый местными вытяжками, дополненный естественным воздухообменом (аэрацией) помещения, будет достаточным для поддержания и фоновой концентрации вредных примесей на уровне ПДК.
Работа отсосов моделировалась в рамках полевой модели, включающей в себя уравнения движения воздуха (уравнения Навье-Стокса), уравнения тепло- и массопереноса для исследования распределений температуры и концентрации вредных примесей [3, 6, 8, 17–22].
Уравнения (1) дополняются уравнениями k-e модели турбулентности, а также граничными условиями для вычисляемых величин. Для решения данной системы уравнений использовался гидродинамический пакет Ansys Fluent [18].
Интенсивность теплопоступлений от сварочной дуги, расходуемых на нагрев конвективной струи загрязненного воздуха определялась по формуле [4]:
(2)
где I и U = 30 В – сила и напряжение сварочного тока.
Интенсивность выделения оксида марганца считалась постоянной gc = 0.36 мг/м3с и принималась по опытным данным [4].
В процессе моделирования изучались условия, при которых обеспечивалась предельно допустимая концентрация оксида марганца в рабочей зоне, а также условия выноса части загрязненного потока в помещение.
Наиболее универсальными являются подъемно-поворотные перемещаемые вытяжные устройства. Они могут быть использованы при любых видах сварки. Однако при фиксированном расположении подъемно-поворотного отсоса по мере удаления места сварки от воздухоприемной воронки эффективность отсоса снижается. В связи с этим возникает необходимость регулирования производительности с учетом необходимых размеров зоны эффективного улавливания. Ограниченность зоны эффективного улавливания –- удаление порядка 0.4 м., приводит к необходимости многократного перемещения воздухоприемной воронки при работе с протяженными конструкциями, что затрудняет работу сварщика и снижает ее производительность. Поэтому на ряду с подъемно-поворотными отсосами широкое распространение получили стационарные отсосы различных конструкций. При использовании вытяжного зонта максимально используется энергия восходящей конвективной струи над местом сварки. Однако сварочный факел в этом случае может проходить через зону дыхания сварщика. Добиться минимально необходимого отклонения сварочного фактора от зоны дыхания (0.3 м) можно путем смещения рабочего стола (рис. 1, а), относительно вытяжного зонта. Еще большего отклонения при умеренных расходах отсасываемого воздуха можно добиться используя сварочные панели (рис. 1 б).
Дальнейшее смещение стола при использовании вытяжного зонта или снижение высоты расположения сварочной панели приводит к значительному увеличению расхода отсасываемого воздуха, необходимого для обеспечения ПДК в рабочей зоне. Часто применяемым приемом повышения эффективности местных отсосов является использование передувочных устройств [2, 4, 14–16]. Дополнение вертикального отсоса с передувкой позволяет еще более расширить рабочую зону, однако не позволяет уменьшить необходимый расход отсасываемого воздуха, т.к. при его снижении происходит частичное выбивание загрязненной конвективной струи в помещение, это же явление происходит при увеличении интенсивности передувки (рис. 2).
Таким образом, устойчивая работа системы вертикальный отсос – передувка возможна лишь при определенном соотношении расходов отсасываемого и подаваемого передувкой воздуха. Например, для вертикального отсоса с передувкой рис. (2) и приведенных выше условий оптимальное соотношение объемных расходов составляет: расход отсасываемого воздуха: 0.5 м3/c, расход воздуха, подаваемого через передувку: 0.1 м3/c. Если точки сварки расположены близко к плоскости стола, то наибольшую эффективность имеет схема организации местной вытяжной вентиляции с передувкой, приведенной на рис. 3.
Приведенные результаты расчетов получены для условий равномерного подтекания воздуха к отсосу.
Нерегулярность течений окружающего воздуха подтекающих к отсосам для компенсации удаляемого воздуха, нестабильность теплофизических процессов сварки, перемещения точки сварки в плоскости стола и другие неопределенные факторы приводят к нарушению условий полного захвата конвективной струи отсосом и рассеиванию части вредных выделений во внутрицеховое пространство (рис. 4, 5).
При выполнении сварочного шва или точечной сварки габаритной конструкции снижение интенсивности всасывающего спектра в периферийных точках стола также приводит к выбиванию вредностей в помещение (рис. 5).
При использовании сварочной панели вынос вредностей в помещение усиливается, однако создаваемого местной вытяжкой общеобменного эффекта достаточно для того, чтобы поддерживать в помещении концентрацию на уровне ПДК. Использование бокового отсоса с передувом позволяет расширить рабочую зону. Также установлено, что эффективность горизонтального отсоса менее подвержена влиянию изменения расположения точки сварки в плоскости стола.
Еще одним фактором, влияющим на эффективность отсоса, является производственная необходимость регулирования мощности электрической дуги в связи с изменением вида сварочных работ.
Из полученных результатов следует, что изменение силы сварочного тока меньше влияет на эффективность сварочной панели. Расчеты показали, что при сварке с силой тока дуги I = 100 А в центральной области стола для поддержания ПДК в рабочей зоне достаточно V до 0.2 м3/c, а при силе тока дуги I = 600 A, до 0.4 м/c. Для последнего случая концентрация оксида Суд = g/V = 3.6e-7/0.4 = 0.9 мг/м3. Для периферийных областей при токе I=600 А необходимый объем воздуха составляет 0.4 - 0.6 м3/c, а концентрация в отсасываемом воздухе приближается к ПДК. Таким образом, сварочная панель при сварке в периферийной области работает в режиме общеобменной вытяжки, что не является энергосберегающим решением, так как местные вытяжные системы более энергоемки чем общеобменные.
При отклонении влияющих факторов от оптимальных значений условия полного улавливания нарушаются и часть вредных выделений попадает в помещение. При отсутствии общеобменной вентиляции оценить величину выноса вредных примесей в помещение можно по формуле
(3)
где 
– среднее значение концентрации вредных примесей в помещении, Lотс – общий расход воздуха, удаляемый всеми отсосами.
(4)
Числитель представляет собой количество вредных выделений, улавливаемых непосредственно от источника выделения. Остальная часть выделений gвын, пройдя через помещение, возвращается в вытяжные устройства вместе с воздухом, компенсирующим их работу.
Величина gвын может быть минимизирована двумя способами: путем усовершенствования конструкций отсосов или увеличением производительности местных отсосов, что будет вести к снижению концентрации вредных примесей в удаляемом воздухе Cуд. Поэтому для количественной оценки энергетической эффективности вытяжного устройства в работах [21, 22] на ряду с производительностью местных отсосов и коэффициентом аспирации предлагается коэффициент эффективности:
(5)
а работу местного вытяжного устройства предлагается считать эффективной при kэфф > 1, т.к. его уменьшение свидетельствует о приближении режима работы местных отсосов к режиму работы общеобменной вытяжки.
На графиках (рис. 7) показана зависимость коэффициента эффективности (5) отсосов от величины сварочного тока при условии сварки в центральной области стола.
Выводы. Разработка оптимальных технических решений по организации вентиляции элктросварочного производства возможна лишь в рамках предлагаемого комплексного подхода, основанного на рациональном совмещении местной вытяжной вентиляции рабочих мест и общеобменной вентиляции помещений с применением методов математического и компьютерного моделирования.
Для основных типов стационарных отсосов установлена зависимость эффективности улавливания вредностей от следующих влияющих факторов: конструктивные особенности отсосов, расположение точки сварки в плоскости стола, сила сварочного тока. Найдены сочетания влияющих факторов, обеспечивающие предельно допустимые концентрации вредных примесей в рабочей зоне.
Полученные в статье результаты могут применяться для разработки инженерных методов расчета и оптимизации вентиляционных устройств и систем, а также для анализа конструктивных и проектных решений по устройству вентиляции электросварочных производств при их реконструкции и модернизации.
При тесном размещении сварочных постов возможно аэродинамическое взаимодействие смежных отсосов. Особенности такого взаимодействия, а также его влияние на параметры микроклимата рабочих зон сварщиков планируется изучить в дальнейших исследованиях.
Источник финансирования. Исследование выполнено за счет гранта РНФ (проект 18-79-10025).
1. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Энергосбережение в аспирации. М.: Изд-во НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2013. 504 с.
2. Посохин В.Н. Расчет местных отсосов от тепло- и газовыделяющего оборудования. М.: Машиностроение, 1984. 160 с.
3. Месхи Б.Ч., Булыгин Ю.И., Легконогих А.Н., Гайденко А.Л. Математическое и компьютерное моделирование формирования параметров производственной среды в целях проектирования и оптимизации систем вентиляции помещений // Вестник ДГТУ. 2014. №2. С. 46-55.
4. Писаренко В.Л., Рогинский М.Л. Вентиляция рабочих мест в сварочном производстве. М.: Машиностроение, 1981. 120 с.
5. Минко В.А., Логачев И.Н., Логачев К.И., Шаптала В.Г. Обеспыливающая вентиляция. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 565 с.
6. Logachev I., Logachev K., Averkova O. Local Exhaust Ventilation: Aerodynamic Processes and Calculations of Dust Emissions. Boca Raton, 2015. 431 p.
7. Шаптала В.Г., Горлов А.С., Северин Н.Н., Гусев Ю.М. Вопросы комплексного обеспыливания производственных помещений предприятий промышленности строительных материалов. Вестник БГТУ. 2019. № 1. С. 81–85.
8. Копин С.В. Компьютерное моделирование параметров приточно-вытяжной вентиляционной системы // Безопасность труда в промышленности. 2020. № 2. С. 7–11.
9. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А., Крюков И.В. Методы снижения энергоемкости систем аспирации // Новые огнеупоры. 2014. №2. С. 51-56.
10. Пухкал В.А., Суханов К.О., Гримитлин А.М. Энергосбережение в системах промышленной вентиляции // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 6. С. 156–162.
11. Гримитлин А.М., Знаменский Р.Б., Крупкин Г.Я., Луканина М.А. Исследование подавления и локализации конвективных потоков от тепловыделяющего технологического оборудования с использованием метода математического моделирования // Инженерные системы. АВОК – Северо-Запад. 2011.№ 2. С. 36–40.
12. Гримитлин А.М., Позин Г.М. Вентиляция и отопление судостроительных производств // Инженерно-строительный журнал. 2013. №6. С. 7–11.
13. Grimitlin A.M. Ventilation of electric welding production. World Applied Sciences Journal. 2013. Vol. 23. No. 13. Pp. 50–54.
14. Уляшева В.М., Гримитлин А.М., Черников Н.А. Повышение эффективности способов очистки вентиляционных выбросов на предприятиях строительной индустрии // Вода и экология: проблемы и решения. 2018. № 4. С. 92–98.
15. Овсянников Ю.Г., Гольцов А.Б., Семиненко А.С., Логачев К.И., Уваров В.А. Снижение энергопотребления вентиляционных систем через снижение энергопотребления вентиляционных систем через принудительную рециркуляцию // Огнеупоры и техническая керамика. 2017. Т. 57. № 5. С. 557–561.
16. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. М.: Изд-во Химия, 1980. 288 с.
17. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука. 1973. 898 с.
18. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.
19. Versteeg, H. K., Malasekera. An Introduction to CFD Finite volume method. London: Pearson Education Limited, 2007. 517 p.
20. Позин Г.М. Местная вытяжная вентиляция – самый эффективный способ организации воздухообмена в помещении // Журнал С.О.К. № 10. 2006. C. 106–111.
21. Zhixiang Cao, Yi Wang and Meng Wang. A Comparison of Concentrated Contaminant Removal in Enclosure by Using Mixing Ventilation and Vortex Ventilation. International Conference on Building Energy & Environment. 2018. Pp. 136–145.
