Месхи Б.Ч., д.т.н., проф. Булыгин Ю.И., д.ф.-м.н., проф. Соловьев А.Н., асп. Корончик Д.А. асп. Тирацуян Л.Л., асп. Легконогих А.Н.

Математическое моделирование формирования параметров производственного микроклимата в помещениях с активной вентиляцией и источниками вредных примесей

Математическое моделирование формирования параметров производственного микроклимата в помещениях с активной вентиляцией и источниками вредных примесей.

Определение параметров состояния производственной среды в помещениях с активной вентиляцией является актуальной технической задачей в области обеспечения комфортных условий труда работников.

Предложена нестационарная трехмерная математическая модель тепломассопереноса вредных примесей и теплоты в производственной среде с активной вентиляцией и источниками загрязнения, которая в отличие от существующих моделей распространения производственных вредностей позволяет учитывать завихрения газо-воздушных потоков [1,2].

Основными уравнениями (1-3) являются: уравнение неразрывности (сохранения массы), импульса и переноса энергии (теплоты):

(1)

 i=1,2,3. (2)

(3) (4)

Для определения полей концентраций компонентов смеси в воздушной среде решается уравнение конвективно-диффузионного переноса вещества (5), которое приведено ниже:

(5)

гдемолекулярные и турбулентные матрицы диффузии m –го компонента в n-ю среду,  - интенсивность выделения в n-ю среду m –го компонента вещества.

Перенос кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации турбулентной энергии учтены двумя дополнительными уравнениями (6) и (7):

(6)

(7)

(8)

(9)

где - коэффициент динамической вязкости, - коэффициент турбулентной динамической вязкости, k - турбулентная кинетическая энергия (в случае ламинарных потоков k=0),  представляет собой величину, учитывающую влияние сил плавучести на турбулентное течение:  где - величина гравитационного ускорения в направлении координаты, константа =0,9, константа CB=1 когда, и 0 в противном случае:Константы,,,,определяются эмпирически и в модели их величины приняты: ,,,,. При числе Льюиса  уравнения диффузии и теплопроводности становятся идентичными и профили избыточных концентраций и температур оказываются подобными и i=1,2,3. Здесь константа = 0,9, Pr - число Прандтля, и h – теплосодержание (энтальпия). Модельные уравнения описывают как ламинарные, так и турбулентные потоки и решаются при определённых начальных и граничных условиях с использованием численного метода конечных элементов в среде SolidWorks Flow Simulations.

Численное решение задачи осуществляется в программной среде SolidWorks. Программное обеспечение позволяет рассчитать поля концентраций вредных веществ, температур, подвижности воздуха рабочей зоны и относительной влажности, определить опасные зоны загазованности воздуха и зоны неблагоприятных параметров микроклимата в помещении, а также количество рабочих мест операторов, не удовлетворяющих санитарно-гигиеническим нормативам.

С целью подтверждения предложенной математической модели переноса вредных веществ и избытков теплоты в производственных помещениях с местной вытяжной вентиляцией были проведены исследования как систем вентиляции, так и параметров, определяющих условия труда операторов на рабочих местах. В качестве объекта  исследования был выбран сварочный цех Ростовского автобусного завода (рис.1). Анализ выполненных модельных расчётов показал, что на формирование полей концентраций, температур и подвижности воздуха оказывают воздействие ряд факторов: схема организации воздухообмена, эффективность работы местной вентиляции цеха, расчетный период года, интенсивность и расположение источников загрязнения, вид технологического процесса сварки, обкатки машин, работа систем отопления и вентиляции и ряд других факторов. Выбор измерительных точек определялся из необходимости доказать наличие сильных конвективных потоков газов у источников загрязнения, где скорость в 3-4 раза превышает подвижность воздуха на удалении от них (рис.2). Точки А расположены в зоне дыхания сварщика (0,5 м от лица) на высоте 1,7 м от пола. Точки Б, В, Г, расположены над точками А на высотах соответственно 3,5 м; 5,0 м и 7,0 м от пола. Точки Д и Г расположены на удалении от рабочего места сварщика на одной высоте с точками А на расстоянии от них соответственно 2 и 4 м.

Рис. 1 – Сварочный цех со схемой размещения измерительных точек: 1 – система вентиляции, 2 – ширмы, 3 – железобетонная плита, 4 – входные ворота, 5 – участок лазерной резки.

Рис. 2 – Графики скорости движения газо-воздушных потоков по высоте помещения.

Как видно из графиков (рис. 2) устойчивый конвективный поток со скоростью 0,4-0,5 м/с образуется на рабочем месте сварщика в зоне дыхания. Очевидно, что такой поток увлекает за собой газы и твёрдую составляющую сварочной аэрозоли (ТССА) и рассеивает их по помещению. На удалении от точек А1, А4 конвективные потоки ослабляются, и на расстоянии 2-4 м средняя скорость становится равной 0,1 м/с, что соответствует скорости витания ТССА. Образующийся при электросварке аэрозоль конденсации характеризуется мелкой дисперсностью. Более 90% частиц размером 0,15 мкм (в массовых долях) имеют скорость витания менее 0,1 м/с. Поэтому частицы аэрозоля легко следуют за воздушными потоками аналогично газам. Эксперименты показали удовлетворительную точность предлагаемой математической модели процессов конвективного переноса воздушных потоков. Полученные значения относительной погрешности укладываются в величины максимальной погрешности используемых измерительных средств.

Аналогичные исследования по проверке адекватности предложенной модели тепломассопереноса вредных веществ (ВВ), сварочной аэрозоли (СА) и избытков теплоты (ИТ) были проведены в отношении определения концентраций ВВ и ТССА, температур и относительной влажности воздуха в рабочей зоне сварщиков. На рис. 3 для полуавтоматической сварки плавящейся проволокой в среде углекислого газа показаны результаты натурных экспериментов и модельных расчетов концентраций СО.

Рис. 3 – Изменение концентрации СО в зоне дыхания сварщиков и возле рабочих мест по высоте помещения, мг/м3

Как следует из рис. 3 максимальная концентрация СО в РЗ находится в точках А (зона дыхания сварщиков) и превышает ПДК более чем в 7 раз, вызывая хронические профессиональные заболевания органов дыхания. Увеличение концентрации СО в зоне дыхания сварщика 4-го поста обусловлено наличием железобетонной плиты, расположенной над 3-5 постами, которая способствует снижению скорости движения конвективных потоков, тем самым ухудшая «разветривание» газов. На удалении от рабочего места в точках Б, В, Г концентрация снижается, достигая величины ПДК. Превышение концентраций над ПДК получены из результатов модельных расчетов, поскольку используемые газоанализаторы не способы определять концентрации выше 2,5 ПДК. Снижение концентрации СО в горизонтальной плоскости выражено сильнее, и на удалении 2-4 м от рабочего места концентрация составляет всего 0,5 ПДК. Значения относительной погрешности по концентрациям угарного газа в РЗ укладываются в величины максимальной погрешности измерений газоанализатора Dräger X-am 5000.

Результаты модельных расчетов параметров производственного микроклимата и полей концентрации ВВ и ТССА. На рис. 4 представлены поля подвижности воздуха в помещении в вертикальной (а) и горизонтальной (б) плоскостях в зоне дыхания сварщика и на уровне расположения рабочих мест.

Рис. 4 – Поля подвижности воздуха в помещении сварочного цеха РоАЗ.

Величина вектора скорости в вертикальном срезе выше, чем в горизонтальной плоскости, это доказывает, что вертикальные конвективные потоки определяют структуру движения воздуха около рабочих мест. На рис. 5 и 6 представлены результаты модельных расчетов полей температур и концентраций угарного газа в рассматриваемом помещении.

Как видно из рис. 5 и 6, поля концентраций СО и температур подобны. Отходящие «теплые» газы от сварочных постов за счет конвекции поднимаются вверх и быстро накапливаются под плитой и у потолка.

Рис. 5 – Вертикальный срез поля температур воздуха в помещении

(черным цветом показаны зоны, где температура более 26 °С).

Рис. 6 – Вертикальный срез поля концентрации СО в воздухе помещения (черным цветом показаны зоны, где концентрация выше ПДК).

Соответственно, в этих местах мы имеем наибольшую концентрацию ВВ, превышающую ПДК. Аналогичная картина имеет место и по температуре. Вертикальное расслоение температур достигает 3 ºС (рис. 5). Как следует из расчетов, опасные зоны загазованности располагаются рядом с зоной дыхания сварщиков. На удалении 2-4 метра опасных зон не наблюдается. Аналогичные расчеты были произведены и по ТССА, основной составляющей которой являются оксиды железа. На рис. 7 показана значительно более выраженная, по сравнению с СО, опасная зона запыленности, где превышен ПДК. Максимальная концентрация ТССА приходится на зону дыхания сварщиков, где достигает 10 ПДК. Определяющую роль в формировании полей подвижности воздуха, температур и концентраций играет конструктивное решение (наличие железобетонной плиты над 3-5 постами). Кроме того посты ограждены тканевыми ширмами, являющимися преградами для поступающего свежего воздуха к сварочным постам. Эти факторы приводят к ухудшению вентилируемости помещения, и как следствие - к ухудшению условий труда сварщиков.

Рис. 7 – Вертикальный срез поля концентрации ТССА в воздухе помещения (чёрным выделены зоны, где концентрация выше ПДК).

Выводы.

1. Предложена трёхмерная нестационарная модель тепломассопереноса, которая учитывает вихревые газовоздушные потоки и позволяет определять поля концентраций ВВ, ТССА, температур, подвижности воздуха и относительной влажности в помещениях с активной вентиляцией и источниками загрязнения.

2. Разработано программное обеспечение в среде SolidWorks, реализующее предложенную математическую модель, которое может быть использовано как на стадии планирования физической модели процесса, так и как инструмент прогноза состояния параметров производственной среды участков с повышенной загазованностью.

Литература

1. Конечно-элементное моделирование процессов массопереноса загрязнений в производственной среде с учетом завихрений воздушных потоков/ Б.Ч. Месхи, А.Н. Соловьев, Ю.И. Булыгин, Д.А. Корончик// Вестник ДГТУ.-2012.- №6

2. Математическое и экспериментальное моделирование процессов распространения оксидов углерода и избытков теплоты в газовоздушной среде помещения/ Б.Ч. Месхи, Е.И. Маслов,  А.Н. Соловьев,  Ю.И. Булыгин, Д.А. Корончик.// Вестник ДГТУ.- 2011.-  Т.11 , № 6. C.862-874.