Россия
Россия
сотрудник
Белгородская область, Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
При организации вентиляции сварочных помещений ограниченных размеров необходимо учитывать возможное влияние сносящих потоков, возникающих в результате совместной работы вытяжных устройств. В статье выполнен анализ эффективности устройств местной вытяжной вентиляции сварочных постов в зависимости от объемно-планировочных решений, взаимного расположения приточно-вытяжных устройств, а также особенностей выполнения технологических операций. Для конкретного примера сварочного помещения найден оптимальный вариант организации вентиляции сварочных постов. 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. Исследования процессов распространения сварочных аэрозолей в производственном помещении выполнялось путем опытных замеров, а также компьютерного моделирования с использованием программного гидродинамического пакета Ansys Fluent.
электродуговая сварка, подъемно-поворотные вытяжные устройства, эффективность вентиляции, компьютерное моделирование
Введение. В последнее время для вентиляции стационарных сварочных постов широкое распространение получили подъемно-передвижные вытяжные устройства. В виду того, что область захвата таких устройств не покрывает всю поверхность рабочего стола, при работе с конструкциями средних размеров для обеспечения ПДК в области дыхания сварщик вынужден периодически отвлекаться на изменение расположения всасывающей воронки. В результате это приводит к снижению производительности труда, либо к нарушению требований безопасности и ухудшению пылегазовой обстановки не только данного сварочного поста, но и в силу возникающих аэродинамических связей, может негативно влиять на обстановку смежных постов. Эффективность использования передвижного вытяжного устройства в значительной степени определяется размером зоны эффективного улавливания аэрозоля (не менее 80 %). Считается, что диаметр этой зоны не должен быть меньше 0.4 м [2, 4].
Методы и материалы. Организация сварочных участков в помещениях малых размеров с определенным расположением вентиляционных проемов требует учитывать влияние компенсационных течений на эффективность вытяжных устройств при различных компоновках сварочных постов. На воздухообмен помещений оказывают влияние размеры помещения, расположение, конструкция, производительность местных вытяжных устройств, расположение и площади приточных проемов [1, 3]. Влияние указанных факторов на эффективность вентиляции рассмотрим на примере электросварочного помещения учебной мастерской (рис. 1).
Помещение, размерами 9×6×3м оборудовано 4-мя инверторами с максимальным сварочным током I = 500 А и системой местной вытяжной вентиляции, состоящей из 4-х подъемно-передвижных устройств “СовПлим”. В теплый и переходный периоды года, компенсирующий работу вытяжных устройств воздух поступает через оконные проемы. В холодный период года основная часть воздуха поступает через вентиляционный проем из смежного отапливаемого помещения. Сразу следует отметить, что данная реализация системы местной вытяжной вентиляции не предусматривает индивидуального регулирования производительности вытяжных устройств и в случае эксплуатации только одного сварочного поста работают все четыре отсоса, что приводит к приводит к снижению как гигиенической так и энергетической эффективности. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением сценария одновременного функционирования трех сварочных постов с возможностью регулирования производительности каждого из отсосов по отдельности.
Рис. 1. Электросварочное помещение учебной мастерской
Основная часть. Для поиска оптимального варианта организации и режима работы системы вентиляции сварочного помещения использовался метод компьютерного моделирования [8, 17–22]. Параметры модели настраивались и проверялись по результатам опытных замеров параметров воздушной среды, таких как скорость движения воздуха в помещении, температура воздуха, концентрация вредных выделений, а также по установленным экспериментальным зависимостям [4, 15, 16]. На рисунках (2-4) приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований свободного сварочного факела.
Рис. 2. Зависимость температуры на оси сварочного факела от высоты при токе сварки I = 100 А.
Рис. 3. Зависимость скорости воздуха на оси сварочного факела от высоты при токе сварки I = 100А.
Рис. 4. Концентрация оксидов марганца на оси сварочного факела. I = 100 А. Интенсивность выделения сварочного аэрозоля g = 0.36 мг/c.
В летний период года, при поступлении воздуха, компенсирующего работу вытяжных устройств, через полностью раскрытые оконные проемы негативное влияние сносящих потоков незначительно. При такой организации притока эффективность вытяжных устройств в основном зависит от их производительности, взаимного расположения с источниками выделения вредностей и их параметров, таких как интенсивность выделения вредных веществ, а также мощность сварочной дуги (рис. 5)
Рис. 5. Организация вентиляции сварочного помещения в летний период (а). Поле концентраций оксида
марганца в вертикальном сечении помещения, проходящем через сварочные посты (б).
Интенсивность выделения оксидов марганца g = 0.36 мг/м3c, сварочный ток I = 400 А
В результате вычислительных экспериментов установлена зависимость необходимой производительности вытяжных устройств от мощности сварочной дуги для различных высот расположения всасывающей воронки и взаимного расположения вытяжных устройств и приточных проемов, показанного на рис. 5.
Рис. 6. Графики зависимости необходимой производительности вытяжных устройств
подъемно-передвижного типа от сварочного тока для различных высот размещения всасывающей воронки
вытяжного устройства. Горизонтальное расстояние от точки сварки до воронки l = 0.4 м
Относительно низкая производительность вытяжного устройства, расположенного на высоте 0.2 м над столом связана с ограничением области подтекания воздуха поверхностью стола. Также из графика видно, что необходимая для локализации вредностей производительность отсоса, расположенного на высоте 0.4 м ниже производительности отсоса, расположенного на высоте 0.3 м, что связано с более полным использованием энергии восходящего конвективного потока.
Для компенсации работы вытяжных устройств в холодный период года в рассматриваемом сварочном помещении предусмотрены прямоугольный вентиляционный проем 1 площадью S = 0.3×0.8 м на высоте 2 м, расположенный в непосредственной близи к сварочным постам, а также проем круглого сечения диаметром d = 0.2 м на высоте 2.2 м и удаленный от постов на расстояние 6 м (рис. 5). Первый проем соединяют мастерскую и коридор учебного корпуса. Через второй проем воздух поступает с улицы. При полностью раскрытых вентиляционных проемах, объем компенсационного воздуха распределяется следующим образом: Q1 = 0.45 м3/c и
Q2 =0.15 м3/c. Такое распределение притока приводит к нарушению нормального режима работы вытяжных устройств (рис. 7, а). И хотя вынос вредностей с первого поста в помещение по сравнению с планировкой, приведенной на (рис. 7, б) не значителен, поскольку неудовлетворительная работа первого отсоса компенсируется работой смежных отсосов, такое расположение приточного проема 1 приводит превышению ПДК вредностей на рабочих местах [5, 7]. Даже при одинаковой производительности вытяжных устройств Q = 0.2 м3/c концентрация на 1 и 3 сварочных постах превышает ПДК в 2 раза.
Рис. 7. Поля концентраций оксидов марганца при различных схемах размещения сварочных постов.
Сварочный ток I = 400 А. Расход воздуха через приточные проемы Q1in = 0.45 м3/c Q2in =0.15 м3/c.
Производительность вытяжных устройств Qout = 0.2 м3/c, интенсивность выделения g = 0.36 мг/м3c.
При таких условиях, нормализовать пылегазовую обстановку на рабочих местах можно путем поиска наиболее приемлемого расположения отсосов [6–13]. Так на рис. 8, а компенсационный поток вытяжного устройства 3-го поста имеет направление, противоположное направлению всасывающего факела, а на рис. 8б, он создает дополнительный передувочный эффект.
Рис. 8. Распределение концентрации вредностей и линии тока воздуха на третьем сварочном посту при разной ориентации всасывающей воронки вытяжного устройства. Производительность вытяжек Q = 0.2 м3/c.
Однако, удаление точки сварки от всасывающей воронки более чем на 0.4 м. приводит к резкому увеличению концентрации вредностей в зоне дыхания за счет накопления их в образовавшейся циркуляционной зоне.
Нормализовать пылегазовую обстановку на первом посту при таком расположении и производительности притока можно только путем размещения воронки вытяжного устройства в непосредственной близи к источнику выделения вредностей рис. 9, а. Наиболее благоприятные условия работы при такой организации вентиляции наблюдаются на втором посту (рис. 9, б)
Рис. 9 Распределение вредностей на первом (а) и втором (б) постах. Высота расположения всасывающих
воронок h = 0.4 м. Горизонтальное расстояние от точки сварки до воронки l = 0.4 м.
Таким образом, в целом такая организация вентиляции сварочного помещения в холодных период года является неудовлетворительной. Снизить энергоемкость системы вентиляции при обеспечении нормируемых значений параметров воздушной среды рабочей зоны сварщиков можно за счет подачи компенсационного воздуха через вентиляционный проем, удаленный от зоны сварки совместно с ориентацией всасывающих воронок вытяжных устройств навстречу течениям компенсационного воздуха. Например, при организации притока через проем площадью S = 0.3×0.8 м2, размещенного на расстоянии 6 м от сварочных постов на высоте 2 м и при сохранении прежней ориентации всасывающих воронок устройств производительностью Q1 = 0.18 м3/c, Q2 = 0.19 м3/c, Q3 = 0.14 м3/c пылегазовая обстановка на сварочных постах все еще остается неудовлетворительной (рис.10).
Переориентация всасывающих воронок навстречу потокам компенсационного воздуха позволяет полностью нормализовать условия труда сварщиков.
Учет указанных рекомендаций по организации вентиляции сварочного помещения учебной мастерской позволит сократить энергопотребление системы вентиляции в среднем на 15 %.
Рис. 10. Влияние на пылегазовую обстановку помещения удаленного от сварочных постов размещения приточного проема. a – схема размещения приточного проема, b – поле концентраций оксидов марганца в сечении, проходящем через сварочные посты. Концентрации вредностей в зоне дыхания на сварочных постах С1 = 0.47 мг/м3, С2 = 0.53 мг/м3, С3 = 0.35 мг/м3.
Рис. 11. Линии тока воздуха в помещении на высоте 1 м (а) и поле концентраций оксидов марганца в поперечном сечении, проходящем через сварочные посты (b).
Выводы. При организации сварочных участков в малых помещениях с компактными приточными проемами для обеспечения приемлемой пылегазовой обстановки на рабочих местах целесообразно решать вопрос взаимного расположения и ориентации приточно-вытяжных устройств таким образом, чтобы минимизировать влияние сносящих потоков на эффективность вытяжных устройств или использовать энергию компенсационных потоков для повышение эффективности вытяжных устройств, а не наоборот. 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.
1. Логачев И.Н., Логачев К.И., Аверкова О.А. Энергосбережение в аспирации. Москва, Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2013. 504 с.
2. Grimitlin A.M. Ventilation of electric welding production // World Applied Sciences Journal. 2013.Vol. 23. No. 13. Pp. 50-54.
3. Посохин В.Н. Расчет местных отсосов от тепло- и газовыделяющего оборудования. М.: Машиностроение, 1984. 160с.
4. Писаренко В.Л., Рогинский М.Л. Вентиляция рабочих мест в сварочном производстве. М.: Машиностроение. 1981г. 120 с.
5. Минко В.А., Логачев И.Н., Логачев К.И., Шаптала В.Г. и др. Обеспыливающая вентиляция. Белгород: Изд-во БГТУ. 2010. 565с.
6. Logachev I., Logachev K., Averkova O. Local Exhaust Ventilation: Aerodynamic Processes and Calculations of Dust Emissions. Boca Raton: CRC Press. 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. 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.
14. 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.
15. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. М.: Химия, 1980. 288с.
16. Shaptala V.V., Logachev K.I., Severin N.N., Khukalenko E.E., Gusev Yu.M. Computer Simulation of Ventilation During Electric Welding Operations // Refractories and Industrial Ceramics. 2020. Vol. 61. Pp. 463-468.
17. Zhuang J., Diao Y., Shen H. Numerical Investigation on Transport Characteristics of High-Temperature Fine Particles Generated in a Transiently Welding Process // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 176. DOI: 10.1016/ j.ijheatmasstransfer.2021.121471
18. Wang H., Huang C., Liu D., Zhao F., Sun H., Wang F., Li C., Kou G., Ye. M. Fume Transports in a High Rise Industrial Welding Hall with Displacement Ventilation System and Individual Ventilation Units // Building and Environment. 2012. Vol. 52. Pp. 119-128.
19. Cao Z., Zhang C., Zhai C., Wang Y., Wang M., Zhao T., Lu W., Huang Y. Evaluation of a Novel Curved Vortex Exhaust System for Pollutant Removal // Building and Environment. 2021. Vol. 200. doihttps://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.107931.
20. Zeng L., Liu G., Gao J., Du B., Lu L., Cao C., Ye W., Tong L., Wang Y. A Circulating Ventilation System to Concentrate Pollutants and Reduce Exhaust Volumes: Case Studies with Experiments and Numerical Simulation for the Rubber Refining Process // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 35. doihttps://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101984.
21. Zhang J., Wang J., Gao J., Cao C., Lu L., Xie M., Zeng L. Critical Velocity of Active Air Jet Required to Enhance Free Opening Rectangular Exhaust Hood // Energy and Buildings. 2020. Vol. 225. doihttps://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110316.
