книги / Оптимизация систем обеспыливания воздуха в промышленных зданиях
..pdfСкорость движения воздуха в трубопроводе, при которой проис ходит транспортирование материала, называют транспортирующей ско ростью и трС
Поток воздуха перемещает частицы пыли со скоростью, меньшей скорости движения воздуха. Отношение скорости движения частицы
ич |
е потоке воздуха к скорости движения воздуха |
и называют |
|||
относительной скоростью ( и |
Щ/и ) . В |
момент |
трогания части |
||
цы в |
горизонтальном трубопроводе |
ff - |
0. При скорости движения |
||
воздуха, большей скорости трогания и |
U |
всегда < I. Увели |
|||
чение |
и приводит к более устойчивому |
движение частицы в потоке |
|||
воздуха. При некоторой скорости движения в горизонтальном трубо проводе, называемой критической скоростью, величина и приобретаем максимальное значение. Критическая скорость движения воздуха для горизонтального участка трубопровода зависит от размера и термы
частиц, их плотности, |
концентрации смеси |
и плотности |
воздуха. |
Транспортирующая скорость |
в горизонтальном |
трубопроводе |
долж |
на быть несколько больше |
критической скорости. |
|
|
При транспортировании смеси воздуха и |
пыли по вертикальным |
||
трубопроводам с такой же скоростью, как и по горизонтальным, де?. ствие силы тяжести перемещаемых частиц приводит к увеличению кон центрации смеси в вертикальных участках. Увеличение концентрации смеси будет происходить непрерывно, при этом концентрация может значительно превысить расчетную, в результате чего пыль забьет вертикальные участки трубопроводов. Чем больше высота вертикально го участка, тем больше вероятность его забивания.
Для предотвращения закупорки вертикальных участков трубопро
водов ЦПУ транспортирующая скорость в |
них должна быть больше,чем |
в горизонтальных участках на величину |
скорости витания и&т,т .е . |
|
итрс * |
итрс * ^6т |
|
Таким образом, значения |
транспортирующих скоростей в трубодро |
водах |
ЦПУ определяются величинами скорости витания и скорости тро |
|
га ния |
частиц. Значения первой из них определяются расчетом, по |
|
номограммам или в результате эксперимента. Значения скорости тро гания могут определяться из условий (133) и (135).
На выбор оптимальных скоростей транспортирования влияет ско рость интенсивности осаждения частиц пыли на стенках труб /4 5 /.
Одним из следствий турбулентности воздушного потока в трубо проводе является резкое повышение интенсивности осаждения частиц пыли из турбулентного потока на обтекаемых им стенках. Ивследовя-
ния данного процесса |
показали, что при турбулентном режиме тече |
|||
ния воздуха скорость |
осаждения частиц на |
стенках труб |
обычно на |
|
несколько порядков превосходит |
скорость |
диффузионного |
(броунов |
|
ского) осаждения тех же частиц |
из ламинарного потока и в проти |
|||
воположность последнему возрастает с повышением скорости движе ния воздуха, свидетельствуя тем сашм об инерционной природе яв ления. Это характерное для турбулентных запыленных потоков осаж дение взвешенных частиц пыли на продольно обтекаемых препятстви ях получило название турбу лентного осаждения аэрозолей. Главными движущими силаш турбулентного переноса и осаждения частиц являют
ся турбулентная миграция и турбулентная диффузия частиц. |
|
||
Обозначим количество столкновений частиц с |
единицей |
площади |
|
стенки трубы за |
единицу времени через I т • Захватывается |
стенками |
|
^З^стк частиц. |
Обычно коэффициент захвата aCj « |
/ , так |
как чис |
ло столкновений очень велико (в опытах с трубами с клеющимися по верхностями даже при длине трубы в несколько метров концентрация частиц на выходе составляет лишь несколько процентов от концент рации частиц на входе), а оседает лишь малая часть частиц, столкнув
шихся |
со |
стенкой. |
|
|
|
|
|
I |
|
X |
|
|
|
X.1 |
|
|
|
|
|
Csl1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x+dK |
|
|
|
|
Рис. 77. Схема процесса транспортирова |
|
||
|
|
ния пыли по горизонтальной трубе |
|
|
|
Рассмотрим участок круглой трубы диаметром 2Z#n |
и |
длиной |
|||
dx , |
на |
котором средняя концвнтрация частиц равна с(х) |
(ри с.77). |
||
За единицу времени на этом участке осядет F1Cx)^2xZgndxHi im cCx) частиц. Причем, на стабилизированном участке, где процесс стацио
нарен, |
величины ^ и |
i CTK |
не зависят от |
г |
.З а |
это же время че |
||
рез заштрихованный участок пройдет объем воздуха |
* 4 п исР |
• 03® |
||||||
концентрация частиц |
при прохождении длины dx |
изменится |
на - dc |
|||||
то на |
а х осядет |
J tz&f?uCp d c |
частиц. |
|
|
|
|
|
С учетом ^Сх) |
получим |
|
|
|
|
|
||
|
dc/c = - |
[ |
/ ( |
иCp ) ] |
dx 9 |
|
||
откуда
С ( з : ) = с 0 е х р { - ^ L ^ |
x / C |
Z s n U |
y ) ] , |
co = c(0) |
(150) |
||
За время |
Г |
на участке |
трубы длиной С6п осядет пыли |
|
|||
fin |
|
4 ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•(151) |
В выражения (150) и (151) входят величины |
I ^ и а 3 , |
зависящие |
|||||
от ряда |
параметров. Величина |
iCTK |
различна для вертикальных и |
||||
горизонтальных |
трубопроводов, |
так как во |
втором случае возможно |
||||
гравитационное осаждение частиц. При высокой скорости движения
воздуха очевидно, что учет силы |
тяжести не очень важен /4 5 /. |
В этом случае число осажденных в |
горизонтальных трубах частиц |
было почти одинаково на всех участках окружности трубы. Сущест вует ряд простых эмпирических формул, определящих зависимость
величины |
LrTK от скорости |
иср |
. Для вертикальных труб LCTK~ |
|||
» 0,1 u £fp |
в |
м/мин |
при |
Оц |
= Ю-15 мкм; i CTK = -0,5ч0,7 в |
|
м/мин при |
Оч = 95-120 |
мкм. Для горизонтальных труб / ^ = 0 , 4 ^ |
||||
в м/мин при |
Sq |
= ЬО мкм. В более сложных формулах, учитывает |
||||
ся зависимость не только от скорости иср , а и от безразмерного
времени |
релаксации |
частиц: |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
г+ = Zp (и*)Ч *Ь |
|
|
(152) |
|
|
Для вертикальных труб предлагается |
зависимость |
|
||||||
|
|
|
|
|
^стк = °ст*г+ |
|
|
|
(153) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
остк - |
эмпирическая константа, |
остк = |
(2*6)•Ю~4 . |
|
||||
|
Величина |
оС3 |
сильно зависит от $ч |
, причем |
падает с |
||||
его увеличением. Очевидно, что величина |
|
должна уменьшаться |
|||||||
с ростом |
иср • |
Это |
подтверждается |
экспериментами. При |
этом Ы3 ^ О |
||||
при |
иср > |
20 |
м /с. |
Значение оС3 , |
как и |
1СТК , зависит от мно |
|||
гих факторов: материала и качества обработки стенки трубы, ее раз мера, электризации частиц и стенок, наличия температурных пере
падов и т .д ., |
но, |
в основном, ai3 - ^3 (S^,ucp) , |
что подтверждается |
||
результатами |
эксперимента. Так, значения |
при движении частиц |
|||
диаметром I мкм в нисходящем вертикальном потоке в |
трубе |
диамет |
|||
ром 25 мм цри |
иср |
от 1,5 до 4,5 м/с изменяется |
от |
0,84 |
до 0,89. |
Это означает, что к стенкам трубы прилипает только часть частиц, соприкасающихся с ними. Для чисел Рейнолвдса Ю4-Ю^ и концентра-
кдадывается на этапе ее разработки, обеспечивается в процессе производства обеспыливающего оборудования и монтажа, испытания
иналадки и реализуется в процессе эксплуатации системы.
Вобеспечении надежности СОВ большая роль отводится количест венным методам исследований, позволяющим научно обосновывать требо вания к вновь разрабатываешь и создаваемым системам; проектиро вать системы с требуемым уровнем надежности; выбирать пути сниже ния экономических и энергетических затрат; повышать качество про изводства и монтажа систем; выбирать наиболее эффективные меры по обеспечению надежности на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации систем; разрабатывать научно обоснованные рекоменда ции по улучшению техники обеспыливания и методов ее эксплуатафи.
Одно из направлений развития теории надежности систем 06 и КВ связано с разработкой методов обеспечения надежности систем цутем повышения надежности подсистем и элементов на основе совер шенствования технологии их изготовления /3 4 /. Второе направление связано с разработкой методов оптимального проектирования систем по надежности /18/.
Основной чертой современных методов проектирования высоко надежных систем 0В и КВ является стремление к оптимальности реше
ний в |
сани тврно-ги га ениче оком, технико-экономическом и энергети |
ческом |
отношениях. Такая комплексная оптимизация сложных систем |
возможна только в случае црименения современных научных методов системного подхода с использованием электронно-вычислительной тех ники. Системная методология базируется на вероятностно-статисти ческих и традиционных экспериментальных методах (на реальных объ ектах, на их моделях - физических, аналоговых или математических).
Основной задачей теории надежности целостной СКМ помещения является разработка количественных методов оценки надежности и определение наиболее рациональных методов обеспечения требуемого уровня надежности создаваемых и вводимых в эксплуатацию систем.
В теории надежности СКМ процесс обеспечения надежности кон диционирования макроклимата рассматривается как единый процесс, охватывапций стадии проектирования систем, их монтажа, пуска, эксплуатации и заключается в разработке и внедрении мероприятий, ffi прав ленных на достижение требуемого уровня надежности и оптама зании при минимальных затратах.
Под СОВС в соответствии с системным подходом в с точки зрения теории надежности понимают совокупность подсистем: наружный запы
ленный воздух - помещение - инженерные обеспыливающие системы и установки (ПСОВ или СКВ, ВСОВ, ЦСПС, пылеосадительные установки, СРПВ) - запыленность воздуха в помещении - человек, производствен ная технология. Все эти подсистемы взаимодействуют в процессе обеспыливания воздуха в помещении и является в свою очередь под системой СОВ и СКМ в целом.
Под задачей СОВС понимается обеспечение нормируемого уровня запыленности воздушной среды помещения (надежность СОВС). Потерю надежности системы связывают с появлением отказов. Вероятность бе зотказной работы СОВС определяется показателем надежности систе
мы - нормой концентрации |
пыли в воздухе |
помещения. |
|
Например, зависимость концентрации |
пыли в воздушной |
среде |
|
сварочного отделения С |
во времени Г |
показана на рис. |
79. |
Rac. 79. |
Изменение значений концентрации электросварочной пыли |
( Сд0„ |
= 4,0 мг/м3) во времени в помещении сварочного отделе |
ния сборочно-заготовительного цеха завода санитарно-технических заготовок
Концентрация пыли измеряется для некоторого времени с0 . Устано вившееся значение концентрации пыли равно постоянной величине
Сс 9 которая при правильно рассчитанной и надлежащим образом
эксплуатируемой СОВ не должна превышать предельно допустимую концентрацию.
В ходе |
работы СОВ возможно повышение концентрации |
пыли в |
помещении в |
результате увеличения пылевыделекий £ |
по сравнению |
с расчетным |
количеством Вр таким образом, что |
или |
в результате уменьшения воздухообмена в |
помещении. |
В этих |
случа |
|||
ях текущий расход |
удаляемого |
из помещения воздуха |
и |
расчет |
||
ный расход воздуха |
L ^ |
, а |
также текущая и расчетная кратности |
|||
воздухообмена кр |
и к£ |
соотносятся: |
-<fiHd < 1 |
|
||
Первая группа причин связана с технолотческим процессом, вторич ными пылеобразованиями и неудовлетворительной работой ЦПУ, вторая
группа |
- |
с работой систем вентиляции. Нарушение работы |
АУ одновре |
||||||||
менно относится к первой и ко второй группе событий, вызывающих |
|||||||||||
увеличение концентраций |
пыли С . |
|
|
|
|
||||||
На рис. |
79 изображены |
последствия трех |
событий |
(I , 2, |
3 ), |
||||||
приведших к тому, |
что концентрация пыли увеличивалась соответствен |
||||||||||
но в течение отрезков времени |
9 Т2 и |
. При этом концент |
|||||||||
рация возрастала |
соответственно |
на приращение концентрации ACf , |
|||||||||
АС2 |
и |
J C j |
• Заметим, |
что в ходе событий, связанных с увели |
|||||||
чением |
пылевыделений |
|
|
I)» |
с уменьшением воздухообмена |
|
|||||
|
I ) , или с |
одновременным изменением коэффициентов tyHd и |
срнд |
||||||||
>1й(/?н0 * |
I)» |
не |
исключены ситуации, |
когда С > Сдоп |
(со |
||||||
бытия |
/ |
и Z ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Очевидно, что показатели надежности СОВС - это частота собы |
|||||||||||
тий, подобных событиям I, |
2, 3, возможный уровень дополнительно |
||||||||||
го за пыления воздуха |
А с |
, |
связанный с этими событиям и коэффи |
||||||||
циенты готовности, вычисленные от деления времени нормального |
|||||||||||
действия |
системы |
на время |
v0 . |
|
|
|
|
||||
Коэффициент готовности, так же, как и вероятность безотказ |
|||||||||||
ной работы, может быть вычислен для любого |
значения А С . Таким |
||||||||||
образом, |
надежность |
обеспыливания воздушной среды производственных |
|||||||||
помещений в общем случае характеризуется не числом, а матрицей, |
|||||||||||
состоящей не |
из одной, а из нескольких числовых характеристик. |
||||||||||
Вобщем виде такая матрица имеет вид
АЪ ^ к п г31
ACnJ2'^2 ^Г2^32
|
|
|
Л С ; |
< *r i 151 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
ЛС1 |
- |
уровень дополнительного |
запыленвя воздуха по |
сравнению |
||
с Сс |
; S £ |
- вероятность безотказной работы |
по отношению к отка |
||||
зам, |
при |
которых будет превзойдено |
запыление |
£/ ; k'L - |
коэффи |
||
циент готовности, вычисленный с учетом математического ожидания
суммарного времени неготовности |
по отказам, |
при которых будет |
|
превзойдено запыление Сi ; г yL |
- |
максимальное время единичного |
|
превышения уровня запыленности |
С/ |
. Во всех |
случаях подразумева |
ется, что |
|
|
|
Сс = Сс + A C L , |
(155) |
||
тогда |
|
|
|
* сдоп= сдап ' *с |
^ 6) |
||
Показатели надежности, образующие матрицу (154), всесторонне характеризуют надежность СОВС. В некоторых случаях для характерис тики надежности СОВС достаточно воспользоваться одним или несколь кими ее элементами.
Для определения показателей надежности, образующих матрицу (154), применительно к конкретным помещениям используются статис тические материалы, содержащие результаты систематических наблюде ний, или общеизвестные теоретические методы определения вероятнос
ти безотказной работы. При этом используются известные |
зависимости: |
; |
(157) |
|
(158) |
r3i ~ тахСЪц'), |
(159) |
где Лi - плотность потока |
отказов, приводящих к приращению кон |
||||
центрации |
пыли равного |
или |
превышающего л |
; г - • - |
продолжи- |
те льнос ть |
устранения J. |
-й |
неисправности, приведшей к |
приращению |
|
концентрации пыли, равному |
или превышающему |
/sc- |
|
||
Для оценки надежности существующих или проектируемых СОВС необходимо установить показатели и уточнить рабочие формулы для численного определения этих показателей и утвердить общепринятый критерий надежности.
Действующие в настоящее время нормативные требования к обес
пыливанию воздушной среды помещений сводятся к полному исключению
возможности |
превышения |
расчетной концентрации |
пыли с с , |
в качест |
ве которой |
принимается |
с^оп • Это требование |
может быть |
сформули |
ровано в виде единственного ограничения, налагаемого на матрицу (154) и сводящегося к строке
АСс жАС9оа |
S |
= f |
кг Г 1 |
ZU = ° |
(160) |
||||
При этом |
принятое |
условие |
Сс = Сдоп |
предопределяет |
лс^ |
= |
|||
= л с£оп = |
Сдоп - с с |
= 0 . |
Это делает соблюдение ограничения |
||||||
(160) не невозможным принципиально, так |
как |
оно нарушается при |
лю |
||||||
бой неисправности хотя бы одной обеспыливающей установки СОВС. |
|
||||||||
Для обеспечения |
условия |
С *С д 0П необходимо |
соблюдение |
условия |
|
||||
Сс < сдоп |
или |
^ сдоп> |
Следовательно, |
если при назначении |
|||||
критерия надежности обеспыливания исходить из позидеи недопустимос ти концентрации Сд0П , то критерий надежности сводится к нало жению ограничения (160) на одну строку матрицы (154) при соблюдении
УСЛОВИЯ Л Сдоп > 0 .
Практическая инженерная задача заключается в определении
конкретной величины &Сдоп% обеспечивающей соблюдение условия (160). Другими словами, ее сводят к определению расчетной концент
рации пыли в |
воздухе. Эта концентрация должна быть ниже сдоп |
на |
||
величину, гарантирующую |
соблюдение условия £ - с доп |
в ходе |
любо |
|
го возможного |
события, |
нарушающего нормальную работу |
СОВ и прини |
|
маемого в расчет.
Условимся считать параметрами такого события характерные для него величины Т , lf/Hg и 4>нд . Пусть концентрация пыли в воздухе помещения равна Сс • В некоторый момент времени наступает событие, при котором уменьшается воздухообмен, характеризуемый коэффициен том <рнд , и увеличиваются выделения пыли, характеризуемые коэф фициентом у/ид • Рассматриваемое событие продолжается в течение времени Г , по прошествии которого восстанавливаются начальные значения коэффициентов (fHg и Ц/Нд : %д= I; У/Нд = I . В этом слу чае концентрация пыли в воздухе помещения в конце периода продол жительностью Г определится интегральным уравнением
