Повышение эффективности технологических процессов посредством автоматического снижения производственных рисков на основе прогнозирования загрязнений воздуха рабочей зоны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Родригес Брисеньо Пабло Энрике

• Родригес Брисеньо Пабло Энрике
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Родригес Брисеньо Пабло Энрике

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I: АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ СОЖ НА КАЧЕСТВО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ И НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РИСК

1.1 Применение СОЖ для повышения качества процессов механообработки

1.2 Влияние СОЖ на загрязнении воздуха рабочей зоны

1.3 Влияние СОЖ на производственный риск

1.4 Методы и средства очистки воздуха рабочей зоны

1.5 Значение моделирования для прогнозирования распространения

токсичных веществ в воздушной среде

Выводы по Главе

ГЛАВА II: РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ, ОБРАЗУЕМЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ СОЖ

2.1 Анализ моделей распространения токсичных веществ в воздушной среде

2.2 Требования к разработке математических моделей

2.3 Математическое моделирование распространения токсичных веществ в воздухе рабочей зоны

2.4 Анализ разработанного математического аппарата

Выводы по Главе II

ГЛАВА III: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ ПРИ ПРОЦЕССЕ ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ СОЖ

3.1 Методика экспериментальных исследований

3.2 Аппаратура, применяемая для экспериментальных исследований

3.3 Результаты экспериментальных исследований и их анализ

3.4 Анализ достоверности разработанной модели прогнозирования

распространения в рабочей зоне токсичных веществ

Выводы по Главе III

ГЛАВА IV: ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

4.1 Разработка методики автоматического управления на основе прогнозирования концентрации токсичных веществ

4.2 Разработка методики автоматического управления с учётом дополнительных источников термодеструкции

4.3 Разработка алгоритма автоматического управления на основе прогнозирования распространения токсичных веществ в воздухе рабочей зоны

4.4 Разработка автоматизированной системы управления очистной производительностью на основе прогнозирования

распространения токсичных веществ в воздухе рабочей зоны

Выводы по Главе IV

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Давление насыщенного пара воды от 0°С до 374°С

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Доказательство определённого константа на основе

решения интеграла Гаусса

ПРИЛОЖЕНИЕ В Доказательство решения дифференциального уравнения диффузии....................................................................................... ^28

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Справка об использовании в учебном процессе результатов диссертационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Справка об использовании результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности технологических процессов посредством автоматического снижения производственных рисков на основе прогнозирования загрязнений воздуха рабочей зоны»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Интенсификация производства, рост конкуренции предъявляют всё более высокие требования к обеспечению качества технологических процессов механообработки.

Во многих случаях эти технологические процессы реализуются с применением смазочно-охлаждающих технических средств (СОТС) в целом и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в частности. В процессе реализации технологического процесса СОЖ подвергается термодеструкции, в результате которой компоненты, входящие СОЖ, загрязняют воздух рабочей зоны токсичными веществами. Это существенно снижает эффективность технологических процессов, т.к. увеличивает вероятность возникновения производственного риска. Для снижения уровня этого загрязнения применяют специальные системы - локальные очистные устройства, обеспечивающие удаление этих веществ из рабочей зоны.

При практической реализации локальных устройств их установка и очистная производительность практически не учитывает реальные поля концентрации токсичных веществ, их изменения во времени и в пространстве.

Особенно большое значение это имеет для устройств, очистная производительность которых регулируется в автоматическом режиме.

В настоящее время в мировой практике широко используются модели распространения в воздушной среде химических загрязнений разных видов. Однако их прямое применение для анализа и прогнозирования концентрации в рабочей зоне токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ при реализации технологических процессов механообработки, практически невозможно из-за большого разнообразия СОЖ, ограничения размеров рабочей зоны и других факторов.

По этой причине работа, направленная на разработку математического аппарата и анализ математических моделей распространения в воздухе рабочей зоны токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ при реализации технологических процессов механообработки, направленная на формирование решений, позволяющих определить выделение, перенос, диффузию и рассеивание токсичных веществ и на основе этих решений спрогнозировать их распространение, является актуальной.

Степень разработанности темы. Вопросами повышения эффективности управления технологическими процессами механообработки в автоматическом режиме посвящены труды учёных Ю.М. Соломенцева, В.Г. Митрофанова, В.Л. Сосонкина, Г.М. Мартинова, Л.Э. Шварцбурга, А.В. Васильева, Д.В. Гусарова, T. Zaborovsky, M. Jenek и др.

В трудах вышеперечисленных учёных расмотрены вопросы повышения качества технологических процессов механообработки и, в частности, вопросы, связанные с формированием требуемых показателей качества этих процессов средствами автоматизации.

Вопросы применения СОЖ при реализации технологических процессов механообработки, вопросы, связанные с очисткой воздуха рабочей зоны, а также вопросы, связанные с минимизацией производственного риска, расмотрены в трудах Л.В. Худобина, Е.Г. Бердичевского, В.И. Романовского, К.А. Склярова, С.С. Тимофеева, А.Д. Хайруллина, А.Т. Хазиевой и др.

В трудах учёных Ж.В. Ким, С.Н. Кузнецова, В.Ф. Мироненко, D. Palacios, L. Sajo-Bojus и др. рассмотрены вопросы, связанные с формированием моделей распространения загрязнения в воздушной среде.

Однако вопросы, связанные с разработкой математических моделей, позволяющих спрогнозировать распространение токсичных веществ в воздухе рабочей зоны относительно выбранных направлений, изучены в недостаточной степени.

Цель работы. Повышение эффективности очистки воздуха рабочей зоны от токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ, и снижение производственных рисков за счет разработки математической модели прогнозирования распространения токсичных веществ в рабочей зоне.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих подходов к минимизации загрязнений воздуха рабочей зоны продуктами термодеструкции СОЖ при реализации технологических процессов механообработки, модели процессов распространения газообразных веществ в воздушной среде.

2. Разработать математическую модель, учитывающую выделение, перенос, диффузию и рассеивание продуктов термодеструкции СОЖ в рабочей зоне и провести её анализ с точки зрения возможности адаптации к технологическим процессам механообработки.

3. Разработать методику и стендовую аппаратуру для экспериментальных исследований, позволяющих определить параметры математической модели и проанализировать её достоверность.

4. Разработать методику автоматического управления очистной производительностью локальных систем очистки воздуха рабочей зоны.

5. Разработать автоматизированную систему управления очистной производительностью на основе прогнозирования распространения токсичных веществ в воздухе рабочей зоны.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Установлены взаимосвязи между концентрацией в рабочей зоне продуктов термодеструкции СОЖ и температурой в зоне резания, с составом и расходом СОЖ, координатами сопла локального очистного устройства, характеристиками

воздуха рабочей зоны, определяющими условия диффузии.

2. На основе установленных взаимосвязей разработана математическая модель распространения концентрации продуктов термодеструкции СОЖ, отличительной особенностью которой является её адаптация к реальным условиям реализации технологического процесса механообработки и алгоритм её реализации, позволяющий определить концентрацию продуктов термодеструкции СОЖ в различных точках рабочей зоны и ее изменение во времени.

3. Разработана методика экспериментального определения параметров математической модели, позволяющая определить их значения при различных условиях реализации технологических процессов механообработки.

4. Разработана методика и схемное решение автоматизированной системы очистки воздуха рабочей зоны, в которой автоматически обеспечивается изменение сечения трубопроводов на основе прогнозной информации распространения продуктов термодеструкции СОЖ.

Теоретическая значимость работы заключается в разработанных моделях, алгоритмах и методиках, позволяющих спрогнозировать концентрацию продуктов термодеструкции СОЖ в рабочей зоне при реализации технологических процессов механообработки.

Практическая значимость работы заключается в разработанных методиках экспериментального исследования параметров моделей, прогнозирующих концентрацию продуктов термодеструкции СОЖ в рабочей зоне и методиках построения автоматизированной системы очистки воздуха рабочей зоны посредством изменения сечения трубопроводов на основе прогнозной информации о распространении продуктов термодеструкции СОЖ.

Практическая значимость заключается также в разработке автоматизированной системы управления очистной производительностью на основе прогнозирования распространения токсичных веществ в воздухе рабочей зоны.

Методы исследования. Диссертационные исследования выполнены на основе применения основных положений технологии машиностроения, теории автоматического управления, теории математического моделирования процессов и систем, теории планирования эксперимента, теории массопереноса.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель распространения концентрации продуктов термодеструкции СОЖ, метод её формирования на основе решения дифференциальных уравнений распространения газа в воздушной среде и адаптация её к условиям реализации технологических процессов мехенообработки.

2. Алгоритм реализации математической модели, позволяющий определить концентрацию продуктов термодеструкции СОЖ в различных точках рабочей зоны.

3. Методика экспериментального определения параметров математической модели, позволяющая определить их значения при различных условиях реализации технологических процессов механообработки.

4. Методика построения автоматизированной системы очистки воздуха рабочей зоны посредством изменения сечения трубопроводов на основе прогнозной информации о распространении продуктов термодеструкции СОЖ.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также результатами успешной апробации основных положений в рецензируемых научных изданиях и на международных и российских научных конференциях.

Апробация работы. Теоретический и практический результаты докладывались на заседаниях кафедр «Автоматизированные системы обработки информации и управления», и «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», а также на международных конференциях «Техносферная Безопасность Надежность, Качество, Энергосбережение» - г. Ростов на Дону, (2015г,

2017г, 2018г), «Автоматизация и информационные технологии» - г. Москва (2016г), «Производство. Технология. Экология» - г. Москва (2016г, 2018г), «Международная школа молодых ученых и специалистов в области робототехники, производственных технологий и автоматизации» - г. Москва (2017г), «Безопасность производственных процессов» - г. Познань (2016г, 2017г).

Практический и теоретический разработки по тематике диссертации отмечены дипломам Всероссийской молодёжной научной-технической конференции с международным участием «Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК» (2016г, 2018г), II Международной школы молодых учёных и специалистов в области робототехники, производственных технологий и автоматизации в рамках Международной выставки «Металообработка-2017».

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)» в части п. п. 4 «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация», 6 «Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК, 1- в журнале, индексируемом в базе данных Web of Science и Scopus, 3 раздела в 3 монографиях.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 144 наименований. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 24 таблицы, 5 приложений.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ СОЖ НА КАЧЕСТВО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ И НА ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РИСК

В главе проанализированы загрязнения воздуха рабочей зоны продуктами термодеструкции СОЖ при реализации технологических процессов механообработки, методы и средства снижения этих загрязнений, влияние загрязнений на производственный риск.

1.1 Применение СОЖ для повышения качества процессов механообработки

СОЖ представляют собой многокомпонентные составы, применяемые с целью устранения негативных последствий, возникающих при обработке изделий, увеличения производительности и обеспечения высокого качества продукции. Тем не менее их применение является одним из основных источников загрязнения воздуха рабочей зоны, что существенно снижает показатели качества технологических процессов механообработки, характеризующих воздействие этих процессов на окружающую среду и человека, ведет к увеличению производственного риска [1,2,3,4,5,6,7].

Повышение эффективности механообработки, ее производительности и снижение производственных рисков требует применения ряда мер, часть из которых представлена на рисунке 1.1 [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20].

В настоящее время реализация технологических процессов механообработки часто осуществляется с применением СОЖ [5,9,21,22,23,24,25]. Их применение позволяет (рисунок 1.2) существенно увеличить стойкость инструмента (до 5 и более

раз), снизить силы трения на передней и задней поверхностях режущего инструмента, уменьшить износ и затраты энергии на резание, повысить качество обработки, обеспечить выполнение требований стандартов и нормативных документов [23,26,27,28,29,30,31,32]. В результате использования СОЖ достигается значительное уменьшение наростообразования на режущей кромке инструмента, снижение шероховатости, улучшение условия для удаления стружки и взвесей -примесей, обеспечивается хорошее качество обрабатываемых поверхностей деталей [4,33,34].

Рисунок 1.1. - Меры, повышающие эффективность обработки резанием

Рисунок 1.2. - Положительные эффекты использования СОЖ

СОЖ должна обладать высокими охлаждающими, смазывающими и антикоррозионными свойствами и быть безвредной для обслуживающего персонала [33]. Кроме того, СОЖ обеспечивает более благоприятные условия для удаления стружки (рисунок 1.3) [35,36,37].

Рисунок 1.3. - Основные функции СОЖ

Все СОЖ можно разбить на две основные группы в соответствии с их смазывающими и охлаждающими свойствами (рисунок 1.4) [34,38,39,40,41,42,43].

Для улучшения (таблица 1.1) [8,38].

Рисунок 1.4.- Типы СОЖ свойств СОЖ применяют различного рода присадки

Таблица 1.1.- Присадки в масляные и водные СОЖ

а антифрикционные;

л к антио кис литель ные; антикорр о зио иными

1 я про тив о износные; противозадирные;

й м я против отуманные;

& О С1 моющие;

антипенные:

а л к £ а Эмулвгаторы

ингибиторы коррози

Й ь о и Биоциды, противоисносно-противозадирные присадки

электролиты (вода, спирты, глимолии пр.)

другие органические и неорганические вещества

Водные СОЖ содержат малую концентрацию в своем составе вредных веществ [34,42]. Это является одним из основных их преимуществ перед масляными, т.к. они представляют меньшую опасность для работников. Кроме того, одним из важных их преимуществ являются высокие охлаждающие свойства и пожаробезопасность. Следует также отметить и их меньшую стоимость. Отметим и недостатки водных СОЖ. К основным из них следует отнести [3,8]:

- недостаточно высокие характеристики, определяющие смазочные свойства этих СОЖ;

- испаряемость при относительно низких температурах;

- низкая биологическая устойчивость;

- высокое пенообразование;

- невозможность применения в особо тяжелых условиях обработки резанием и некоторые другие.

Требования к технологическим смазкам и СОЖ включают в себя ряд характеристик, важнейшие из которых представлены на рисунке 1.5 [38].

Рисунок 1.5. - Требования, предъявляемые к технологической смазке

Для удовлетворения требований, предъявляемых к СОЖ, к ним часто добавляют для расширения их функциональных возможностей компоненты, представленные в таблице 1.2 [44].

Таблица 1.2. - Компоненты, которые вводят в состав СОЖ

Соединения органического вида серо-, хлор-, фосфор и азотсодержащие

Присядки алкилфенольного типа 2.6 - д и- тр етбу Т1П - 4 - метил ф ено л (ио но л). 4.4-ыетиленбис (4-мены-6- тр ет бутил ф ено л)

Серосодержащие присадки обеспечивают такие свойства как противозадир-ные, антикоррозионные и антиокислительные, а также хорошую растворимость в маслах [44].

Выбор и правильная эксплуатация СОЖ зависит от многих факторов - модели станка, обрабатываемого материала и интенсивности технологического процесса [45]. Кроме того, окончательно судить о пригодности СОЖ приходится чаще всего на основе практики её использования. Следует также иметь в виду, что не существует универсальных СОЖ, отвечающих в полно мере всем требованиям и пригодных для любых условий эксплуатации [38,41].

Однако, несмотря на вышеотмеченные преимущества использования СОЖ, они существенно снижают экологичность технологических процессов механообработки, негативно влияют на производственные риски [35,39,40,42,46,47,48].

Объясняется это в первую очередь токсичностью продуктов их термодеструкции.

1.2 Влияние СОЖ на загрязнении воздуха рабочей зоны

Как известно, производственный риск представляет собой вероятностную характеристику, важнейшей составляющей которой является вероятность возникновения негативной ситуации. В нашем случае такой ситуацией является наличие в рабочей зоне продуктов термодеструкции СОЖ [49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60].

Технологические свойства СОЖ и ее состав в значительной степени определяют характер загрязнения воздуха рабочей зоны. Его следует рассматривать с позиций молекулярного и химического взаимодействия с поверхностью металла. Машиностроительные предприятия выбрасывают в воздушную среду в результате

термодестркции СОЖ токсичные вещества различного химического состава (таблица 1.3) [61].

Таблица 1.3. - Выброс загрязнителей различного химического состава при работе

машиностроительных предприятий

серннстый ангидрид

а окись углерода

X а X окислы азота

м е-: ■г; О сероводород

■V О масляный и сварочный аэрозоли

а о а ш 1—1 N-1 Е м растворители ароматического ряда (бензол, толуол, ксилол, ацетон)

1—1 X углеводороды эфирного ряда (бензин, уайтспирит)

испарения гальванических ванн и др

В процессе эксплуатации СОЖ происходят различные изменения в их структуре, носящие физико-химический характер. Эти изменения зависят от реализуемого технологического процесса [34] и определяются в первую очередь температурой в зоне резания. Объясняется это тем, что температура в зоне резания в большинстве случаев достигает значений, превышающих значения температур, вызывающих термодеструкцию компонентов, входящих в состав СОЖ. При этом образуются токсичные вещества, которые попадают в воздух рабочей зоны [30,35,36,41].

Температура в зоне резания достигает величин 300...450 °С, что существенно выше температуры, при которой сохраняется работоспособность СОЖ. Это объясняется тем, что для многих компонентов СОЖ температура их термодеструкции существенно ниже. Это усугубляется и тем фактором, что в процессе резания температура режущей кромки инструмента может достигать 600 °С и выше (таблица 1.4) [8,41].

Таблица 1.4. - Температура (Тк) термодеструкции компонентов жидких СОТС

Компоненты жидких СОТС Температура Тк (°С)

Растительные масла 130

Животные жиры 130

Синтетические вещества 200

Свободная сера 1000

К * Хлорсодер ж а щ ие 500

£ О К фосфорсодержащие 800

С. 1= серосодержащие 900

В связи с этим в воздух рабочей зоны при реализации технологических процессов механообработки поступают аэрозоли и вредные газообразные вещества (таблица. 1.5), обладающие высокой степенью токсичности для человека. Это приводит к развитию профессиональных заболеваний, к целому ряду негативных последствий для окружающей среды [2,3,23,36,41,46,62], т. е. ведет к увеличению производственного риска.

Таблица 1.5. - Вещества в воздухе рабочей зоны, образуемые в результате термодеструкции СОЖ

Вещества

а эр оз о ли ми н ер а ль но го ма с л а формальдегид*

ангидрид сернистый углерода оксид

акролеин водорода хлорид

спирт изобутиловый моноэтаноламин

аммиак ацетон

толуол спирт метиловый

кислота серная сероуглерод*

диметиламин* алифатические предельные углеводороды

эт ил енглико ль триэтаноламин

хлористый водород другие вещества

* Наиболее токсичные вещества

Следует отметить, что концентрация этих веществ в воздухе рабочей зоны существенно зависит от температуры в зоне резания (для водных эмульгирующихся СОЖ) и от состава СОЖ [41].

В таблице 1.6 приведены концентрации некоторых токсичных веществ в воздухе рабочей зоны, образуемых в результате термодеструкции СОЖ [30].

Таблица 1.6. - Концентрация продуктов термодеструкции СОЖ

№ ПродуктьI термодеструкц1111 масляных СОТС Ко н ц е нтр а ци я (м г/м3)

1. масляный аэрозоль 1-23

2. углеводороды 20 - 560

3. оксид углерода 6-16

4. формальдегид 0Л - 1,72

5. хлористый водород 1-6,3

6. сернистый газ 0,2- 10

При превышении критической температуры составляющих СОЖ происходит деструкция её компонентов. На рисунке 1.6 представлены вещества, которые попадают в воздух рабочей зоны за счёт термодеструкции СОЖ в зависимости от её типа [30].

Качественный состав токсичных веществ в воздухе рабочей зоны, образуемых в результате термодеструкции СОЖ зависит от входящих в нее компонентов. Кроме того, существенную роль при этом играет температура в зоне резания, которая сущеественно зависит от режимов обработки (таблица 1.7) и от оборудования, на котором осуществляется технологический процесс [62].

На рисунке 1.7 представлены состав и концентрации токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ для их различных типов и марок [62].

Таким образом, СОЖ за счёт термодеструкции является одним из основных загрязнителей воздуха рабочей зоны при реализации технологических процессов мханообработки [2,3,42,63,64].

Рисунок 1.6. - Вещества, которые попадают в воздух рабочей зоны за счёт термодеструкции СОЖ

в зависимости от её типа

Таблица 1.7. - Качественный состав образующихся продуктов термодеструкции

Температурный режим Характер процесса Химические вещества, поступающие в воздух

Малая интенсивность Масло минеральное,

< 300 окисления смазывающих угле во др оды, в основном

материалов насыщенные

Аэрозоль масла

400 - 600 Интенсивное, но не полное окисление технических жидкостей минерального, углеводороды, оксид углерода, формальдегид, хлористый водород, сернистый газ

Дихлорэтан, фосфен.

полицикличе ские

ароматические

> 700 Быстрое сгорание за короткое время углеводороды: бенз(а)пирен. метилхолантрен. полихлор иванные бифенилы

I Синтетическая 1-1 Полусинтетическая ^^Эмульсионная • ПДК

Г)

£ 60 ^ 50

В 40

(Я

£ 30

X

а

5 20 X

3 10 0

/ с/

& &

,-чг

, 4

¿а

Рисунок 1.7а. - Состав и концентрации продуктов термодеструкции для различныз типов СОЖ

Аквол-14

Аквол-6

Укринол-1М

45

40

2 35 ^

£30

к 25 ¡5

ев 20 Л

Ё 15

Я 10 X

5 5

0

Укринол-3П

Карбомол-П1

ПДК

Масло Сернистый Формальдегид Кислота Акролеин Изобутиловый минеральное ангидрид соляная спирт

Рисунок 1.7б. - Состав и концентрации продуктов термодеструкции при применении различных

марок СОЖ

1.3 Влияние СОЖ на производственный риск

Снижение наличия в рабочей зоне продуктов термодеструкции СОЖ обеспечивается в основном за счет стабильности состава СОЖ и выполнения требований их эксплуатации, совершенствования процесса утилизации СОЖ, внедрения методов механической обработки без использования СОЖ или с использованием ее в минимальных количествах, использования современных методов и средств очистки воздуха рабочей зоны [3,39,46,64].

В машиностроении, при реализации технологических процессов механообработки производственный риск тесно связан с резкой интенсификацией всех показателей и параметров инновационного производства, применением современных материалов, требованием обеспечения экономических характеристик, повышенными требованиями к соблюдению норм и правил по обеспечению безопасности труда [30,65,66].

Оценку экологических и экономических аспектов применения тех или иных токсикантов проводят путем сопоставления их характеристик, связанных с нарушением требований нормативных документов, в первую очередь с точки зрения их негативного воздействия на работников и окружающую среду [63,67].

В ряде исследований, например в [46], приведены конкретные результаты, подтверждающие токсичность продуктов термодеструкции СОЖ. Кроме того, использование в производстве самых дешевых, токсичных и низкокачественных эмульсолов представляет собой большой риск не только для здоровья работников, но и ухудшает характеристики металлообрабатывающего оборудования и инструмента, вследствие чего качество обработки материалов существенно снижается [28].

В целом различают следующие основные составляющие производственного риска (рисунок 1.8) [68].

Рисунок 1.8. - Составляющие экологического риска

В многочисленных работах рассмотрены вопросы, в которых подробно отмечены положительные и отрицательные стороны применения СОЖ при реализации технологических процессов механообработки. В этих работах также рассмотрены взаимосвязи: применение СОЖ и производительность труда, применение СОЖ и качество технологических процессов механообработки, применение СОЖ и влияние на здоровье работников. Кроме того, эти взаимосвязи рассматриваются с учетом не только состава СОЖ, но и с учетом способа ее подачи, расхода, режимов резания и других факторов [2,30,37,40,45,46].

На рисунке 1.9 показаны основные пути поступления токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ, в организм работников и вызываемые этим профессиональные заболевания [47].

Причиной этих профессиональных заболеваний является превышение гигиенических норм за счет повышения концентрации паров и концентрации присадок в воздухе рабочей зоны, которые образуются за счет испарения воды в СОЖ, основанных на водных растворах.

Таким образом СОЖ и продукты ее термодеструкции могут привести к профессиональным заболеваниям работников [30,37,42].

Рисунок 1.9. - Основные пути поступления токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ, в организм работников и вызываемые этим профессиональные заболевания

Применение СОЖ также может воздействовать негативно на детали и инструмент, т.к. их химически активные элементы способствуют снижению износостойкости и коррозионостойкости поверхностей деталей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Родригес Брисеньо Пабло Энрике, 2019 год

Источник энергии

концентрация^

Измеритель

воздушной среды

Рисунок 3.1. - Упрощенная обобщённая функциональная схема

Стенд включает в себя дозатор для порционной подачи СОЖ, систему нагрева СОЖ, измеритель температуры нагревательного элемента, систему сбора токсичных веществ и измерители.

Эта схема была применена для моделирования процессов термодеструкции СОЖ при механообработке.

Стенд постоянно модернизировался с точки зрения совершенствования его некоторых элементов, в первую очередь элементов, обеспечивающих контроль температуры нагревательного элемента и элементов, обеспечивающих возможности повторного использования СОЖ (рисунок 3.2).

Температура нагревательного элемента контролируется посредством микропроцессорного одноканального измерителя-регулятора мод. ТРМ1. Основным элементом этого измерителя-регулятора является термопара. Всё это обеспечивает

возможность управления температурой нагревательного элемента в автоматическом режиме.

Рисунок 3.2. - Модернизация стенда Нагревательный элемент; 2. Вентиль с патрубком для подачи СОЖ; 3. Вентилятор; 4. Измеритель-регулятор микропроцессорный одноканальный мод ТРМ-1; 5.Термопара с керамическим чехлом;

6. Тележка; 7. Емкость; 8. Водяной насос; 9. Сборник СОЖ; 10. Сливное отверстие; 11. Корпус.

Подача СОЖ из емкости 7 на нагревательный элемент 1 осуществляется через вентиль 2 посредством водяного насоса 8.

В состав стенда включен вентилятор, обеспечивающий требуемый воздушный поток в зоне термодеструкции СОЖ.

Ниже (рисунок 3.3) представлена упрощенная схема алгоритма работы стенда, используемого для измерения концентрации токсичных веществ в воздухе рабочей зоны в результате термодеструкции СОЖ.

Эта схема позволяет исследовать зависимость концентрации от температуры, а на рисунке 3.4 представлен алгоритм формирования этой зависимости.

Рисунок 3.3. - Упрощенная схема алгоритма работы стенда

Определение переменных параметров контрол^^

У

Подключение устройств к источнику питания и трансформатору^

-Jk

устройств

Установка зонда штатного

Расположение определённых переменных параметров контроля

Вентилятор I _ (off/on) А_

Напряжение на регуляторе до достижения выбранной температуры на нагревательном элементе А

Подключение насоса и добавление СОЖ на негревательном элемент^

Ожидание времени получения информации с газоанализатор^

^ Измерение концентрации

продуктов термодеструкции^ +

Выключение насоса, измеритель-регулятора ТРМ1 и ожидание целого рассеивания газов

Определение нового переменного параметра контроля

Отключение устройств от источника питания и трансформатора ^

I

Конец

Рисунок 3.4. - Алгоритм формирования зависимости концентрации от температуры

Стенд обеспечивает возможность исследования взаимосвязи температурных полей и пространственного распределения концентрации токсичных веществ в процессе термодеструкции СОЖ. Это позволит формировать дальнейшие экспериментальные исследования по изучению аналоговых вычислительных задач большей сложности.

Необходимо добавить, что при экспериментальных исследованиях следует обеспечить возможность изменения каждой переменной величины (положение штатного зонда относительно нагревательного элемента, где берётся газообразный

образец, температура нагревательного элемента, марка СОЖ, время измерения и др.) при неизменных значениях других, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов измерений.

Для выполнения экспериментальных исследований были разработаны и реализованы ещё два экспериментальных стенда, отличающиеся особенностями реализации его систем.

Необходимость этого обусловлена целевыми назначениями стендов для экспериментальных исследований — получение предварительных данных для изучения поставленных вычислительных задач, определение параметров, необходимых для описания выделения и распространения токсичных веществ в воздухе рабочей зоны в результате термодеструкции СОЖ, обеспечение мгновенного контакта СОЖ с поверхностью.

Эти стенды отличаются способом подачи и дозирования СОЖ, системой её нагрева и измерения температуры нагрева, системой сбора и измерения характеристик продуктов термодеструкции СОЖ и некоторыми другими особенностями.

Одним из методов, используемых для количественной оценки объема газа, образующегося в результате физико-химического процесса, является смещение воды в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3.5.

На рисунке 3.5 а) представлена функциональная схема стенда, а на рисунке 3.5 б) - стенд для экспериментального определения значения 0(Х;У;2д).

СОЖ нагревается в сферической колбе до достижения температуры её термодеструкции. Газ, поступающий в цилиндр, представляет собой смесь газа, выделяемого в процессе термодеструкции СОЖ и газа образовавшегося водяного пара. Давление, оказываемое водяным столбом в сочетании с давлением смеси «газ + водяной пар», будет равно атмосферному давлению.

При экспериментальном исследовании используется колба (4) с определенным объемом СОЖ (7), которая подается через защитную трубку (1). Трубка и пробки (8)

позволяют герметизировать систему и предотвратить утечку газа, выделяемого в процессе термодеструкции СОЖ при её нагревании посредством горелки (6). Таким образом, выделяемый газ выходит из колбы через шланг (9) и поступает в стеклянный градуированный мерный цилиндр (10), перемещая объем воды (11) внутри него в контейнер (12). В колбе установлен термометр (3) с металлическим элементом (5) в виде полого цилиндра, чтобы имитировать процесс термодеструкции при контакте СОЖ с поверхностями, подверженными высокой температуре. Колба и цилиндр удерживаются универсальными опорами (2).

а)

б)

Рисунок 3.5. - Схема, иллюстрирующая метод количественной оценки объема газа

а) функциональная схема, б) общий вид Защитная трубка двух воздушных шаров; 2. Универсальные опоры; 3. Термометр; 4. Сферическая колба; 5. Нагревательный элемент; 6. Горелка; 7. СОЖ; 8. Пробка; 9. Шланг; 10. Мерный цилиндр; 11. Вода; 12. Пластиковый контейнер; 13. Часы и барометр.

Давление, создаваемое водяным паром (Рводяной пар), находится из таблицы в функции температуры воды (см. приложение А), содержащейся в колбе [135]. Используя уравнение идеального газа и с учётом выражения

^газ СОЖ ^атмосферы ^водяной пар ^водяной столб

(3.1)

где Р - соответствующее давление;

Ргаз СОЖ- давление токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ,

после несложных преобразований находим функцию 0(Х,у,2д> которая определяет количество газа, выделяемого в зависимости от времени.

Значение этой функции позволяет решить дифференциальное уравнение (2.8).

Стенд, представленный на рисунке 3.5, позволяет определить объём газа, выделяемого при достижении температуры кипения жидкости, содержащейся в колбе.

Однако, в реальных условиях, процесс термодеструкций СОЖ происходит во время мгновенного контакта СОЖ с поверхностью изделия, обрабатываемого режущим инструментом, в соответствии с технологическим процессом, который имеет место.

По этой причине был спроектирован модернизированный стенд, учитывающий эти особенности.

В первую очередь модернизации был подвергнут блок подачи и нагрева СОЖ (рисунок 3.6).

В модернизированном блоке используется система клапанов, труб и соединений для формирования пути прохождения СОЖ. С помощью горелки нагревается металлический центральный элемент до высоких температур. Затем открывается полностью клапан 2 и добавляется СОЖ в систему, регулируя поток жидкости через клапан 1.

Кроме того к стенду был добавлен крестообразный разъем на центральной металлической части, чтобы была возможность использовать цифровой термометр для измерения внутренней температуры системы. Это позволило при экспериментальных исследованиях измерять температуру и контролировать поток газов.

Все это позволяет получить газ в результате термодеструкции СОЖ, измерить его объём и изменение объема во времени и учесть температуру системы.

Рисунок 3.6. - Схема модернизированного блока подачи и нагрева СОЖ

Модернизированный стенд представлен на рисунке 3.7.

Ограничения в конструкции заставили внести изменения в расположение труб и клапанов, чтобы найти конфигурацию, которая предотвратила бы утечку газа и направила его без потерь в градуированный цилиндр.

Это потребовало изменения в конечной системе труб и добавления дополнительного клапана для более точного контроля потока охлаждающей жидкости, проходящего через систему.

При этом нижний клапан позволяет установить количество потока газа в соответствии с требованиями экспериментальных исследований, а верхний клапан используется для контроля полного открытия или закрытия потока СОЖ.

Таким образом обеспечивается постоянство потока во времени при повторении экспериментов.

Рисунок 3.7. - Модернизированный стенд

На рисунке 3.8 представлен алгоритм обеспечения постоянства потока СОЖ при экспериментальных исследованиях.

После завершения процесса происходит нагревание металлического элемента, имитирующего контактную поверхность, на которой происходит процесс термодеструкции СОЖ.

На рисунке 3.9 представлена упрощенная схема алгоритма экспериментальных исследований концентрации (скорости выделения) токсичных веществ в зависимости от времени.

Стенд был дополнительно модернизирован с целью получения более точных результатов и объяснения возникновения несоответствий, возникающих в связи с монтажом.

Рисунок 3.8. - Алгоритм обеспечения постоянства потока СОЖ

В связи с этим был добавлен дополнительный элемент для измерения температуры впуска СОЖ и проводного ключа с прозрачным шлангом на выходе, чтобы наблюдать за прохождением газа к цилиндру.

Кроме того, был установлен дополнительный клапан и частично изменена окончательная конфигурация стенда для предотвращения прохождение жидкости в мерный цилиндр.

Модернизированный стенд для экспериментальных исследований представлен на рисунке 3.10.

( Начало Эксперименте

Выполнение экспериментальной ^ сборки_^^

Нагревать металлический элемент до определённой высокой температуры^^

I

Измерить температуру металлического элемента.

Добавить объём СОЖ

Измерить количество выделенного газа в результате процесса термодеструкции СОЖ в функции времени Л

Открыть резко и полностью верхний клапан

Рисунок 3.9. - Алгоритм экспериментальных исследований скорости выделения токсичных

веществ в зависимости от времени

Рисунок 3.10. - Модернизированный стенд для экспериментальных исследований

3.2 Аппаратура, применяемая для экспериментальных исследований

Для реализации разработаны методик и алгоритмов экспериментальных исследований была применена следующая аппаратура.

Газоанализатор модели КОЛИОН 1В-27. Газоанализатор был использован для определения концентрации токсичных веществ в различных точках в воздушной среде.

Общий вид газоанализатора представлен на рисунке 3.11, а его технические характеристики - в таблице 3.1 [136].

Рисунок 3.11. - Общий вид газоанализатора модели КОЛИОН 1В-27

Диапазон измерения для каждого детектора этого газоанализатора представлен в таблице 3.2.

Предельное значение концентрации по каждому из измеряемых компонентов представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.1. - Технические характеристики газоанализатора КОЛИОН- 1В-27

Модель газоанализатора Детектор Измеряемый компонент Диапазоны измерения (мг м3) Пределы допускаемой основной погрешность (То; До)

Газыи и пары ±20% приведенная уо от 0 до 50 мг/м3

с энергией ионизации Е< 10.64 эВ

ФИД 0 - 2000

±20% относительная До

от 50 до 2000 мг/м3

Метан и

другие 0 - 2,2%об.

КОЛИОН- 1В-27 ткд горючие и взрывоопасны е вещества (0 - 50% НКПР) ±10% приведенная уо

±20% приведенная уо от

эхд Сероводород 0-30 0 до 3 мг/м3

±20% относительная До от 3 до 30 мг/м3

эхд Оксид 0-300 ±20% приведенная уо от 0 до 20 мг/м3

углерода ±20% относительная До от 20 до 300 мг/м3

Таблица 3.2. - Диапазон измерения

Детектор Номинальные значения единицы наименьшего разряда

ФИД 1 мг/м3

ТКД 0;01 %об.

ЭХД (СО) 1 мг/м3

ЭХД (На») 0:01 мг/м3

эхд (ОД 0,1 %об.

Таблица 3.3. - Предельные значения концентрации

Компонент СЬ жь ЭСЬ Оз

Концентрация (мг/м3) 20 1 2 10 0,1

Измеритель-регулятор ТРМ-1. Измеритель-регулятор включает в себя блок управления, нагревательный элемент и измеритель температуры (термопару). Он предназначен для автоматического регулирования температуры нагревательного элемента.

Общий вид измерителя-регулятора представлен на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12. - Общий вид измерителя-регулятора ТРМ-1

В таблице 3.4 представлены технические характеристики измерителя-регулятора ТРМ-1 [137].

Таблица 3.4. - Технические характеристики измеритель-регулятора ТРМ-1

Ниименование Значение

Диапазон переменного напряжения питания: напряжение (В) 90...245

частота (Гц) 47...63

Потребляемая мощность (ВЛ) не более 7

Напряжение встроенного источника питания постоянного тока (В) 24 ±2.4

Максимально допустимый ток встроенного источника питания (мА) 80

Количество каналов 1

Время опроса входа: Термометры сопротивления (°С) не более 0.8

термоэлектрические преобразователи и унифицированные сигналы постоянного напряжения и тока (°С) не более 0.4

Предел основной приведенной погрешности при измерении: Термоэлектрическими преобразователями (%) ±0.5

Термометрами сопротивления и унифицированными сигналами постоянного напряжения и тока (%) ± 0.25

Специальная сферическая колба и защитная трубка. Сферическая колба с тремя патрубками предсназначена для размещения СОЖ, которая подвергается на-грево, а защитная трубка предсназначена для обеспечения безопасности при выделении токсичных веществ в результате термодеструкции СОЖ.

На рисунке 3.13 показана эта аппаратура.

Рисунок 3.13. - Специальная сферическая колба и защитная трубка

Отдельные характеристики специальной колбы и защитной трубки представлено в таблице 3.5, а физические свойства стекла, из которого они изготовлены - в таблице 3.6 [138].

Таблица 3.5. - Характеристики колбы и защитной трубки

Инструмент Марка Материал

Зх-горлая шшбаЗООтШЭ 29/32 $СН0ТТ01ЖА>Т Боросиликатное стекло

Защитная трубка РОВЕЬ Боросиликатное стекло

Таблица 3.6. - Физические свойства боросиликата

Свойство Значение Норма

Константа линейного расширения (20- 300°С) 3:3 * КИК1 КО 7991

Плотность (20°С) 2.23 фт> -

Свойство Значение Норма

Рабочая температура 1260°С ISO 7884-2 ISO 7884-5

Температура отжига 560 °С ISO 7884-7

Температура деформации 515 °С ISO 7884-7

Температура трансформации 525 °С ISO 7884-8

Цифровой термометр. При экспериментальных исследованиях, для измерения температуры СОЖ, подвергаемой термодеструкции, применён цифровой термометр маркт ВаЦ"оппТР-3001.

Его общий вид представлен на рисунке 3.13, а технические характеристики - в таблице 3.7.

Таблица 3.7. - Технические характеристики цифрового термометра

№ Характеристики Значение

1 Измер ениетемпературы: -50°С... 300°С

2 Р азр ешаю щая с по с о б нос ть: О.ГС

3 Сохранение по следн его измерения в памяти

4 Фу нкция ав то о тключ ения 15 мин

Материал Нержавеющая сталь

5 Щуп Дпинащупа: 15 см

Размеры: 228 х 21x21 мм

При экспериментальных исследованиях была использована водусмешиванная СОЖ марки BLASOCUT 2000 UNIVERSAL, разбавленная до концентрации (2 -7) %. В таблице 3.8 приведены физико-химические свойства этой марки СОЖ.

Таблица 3.8. - Физико-химические свойства СОЖ BLASOCUT 2000 UNIVERSAL (арт. 00870-20)

Описание Водосмешиваемая СОЖ на основе минерального масла со спецнальнымнприсадками для обработки цветных металлов

Область применения Универсальный продукт специально разработанный для лезвийной обработки цветных металлов. Применяется ятя обработки чугунов, статей и алюминиевых сплавов

Производитель Blaser SwisslubeAG, Швейцария

С войства продукта Преимущества

Высокая эффективность резки Высокая скорость и хорошая система подачи, длительный срок эксплуатирования инструмента

Мягкий состав без бактерицидов Безопасно для человека, совместима с кожей

Универсальность Одна СОЖ для эффективной обработки всех материалов

Стабильно сть Экономично вследствие длительного срока службы рабочей жидко сти

Физико-химические данные

Концентрат

Внешный вид Прозрачный, светлый

Цвет Зеленый

Плотно сть/20°С (г/мл) 0.97

Вязкость/40°С (мм2/с) 46

Хлорпарафин. неактивный (%) 6

Сера, активная (%) 0

Температура возгорания (°С) 133

Температура застывания (°С) <-30

Содержание минерального масла (%) 63

Содержание воды (%) 3

Свежая эмульсия (с водопроводной водой 15°(1Н)

Внешний вид молочный

Цвет зеленый

Величина рН после 24 ч (5%) 8.5 - 9.2

Величина рН после 24 ч (10%) 9.0 - 9.3

Стабильно сть (по ВШ 51367) 100%

3.3 Результаты экспериментальных исследований и их анализ

Экспериментальное исследование были приведены на стендах, описанных в разделе 3.1, и на основе алгоритмов, представленных в этом разделе, а также с исползованием аппаратуры, описанной в разделе 3.2.

В таблице 3.9 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости концентрации токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры, а на рисунке 3.14 - графическая интерпретация этих результатов (измерение концентрации проводилось в течении 30 секунд) [129].

Таблица 3.9. - Результаты экспериментальных исследований зависимости концентрации токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры

Детектор

Температура (°С) ФИД (мг/м ) (мг/м )

200 0 0

250 0,01 0,2

300 0,03 0,3

350 0,08 0,4

400 0,13 1,13

а)

б)

Рисунок 3.14. - Графическая интерпретация результатов а) концентрации газовых компонентов и паров с энергии ионизации Е < 10,64 эВ при термодеструкции СОЖ б) концентрация сероводорода И28 при термодеструкции СОЖ

Экспериментальные исследования показали количественные и качественные изменения концентрации токсичных веществ с увеличением температуры.

Дополнительно были проведены экспериментальные исследования зависимости объёма выделяемых токсичных веществ в зависимости температуры термодеструкции СОЖ.

В таблице 3.10 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости объёма токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры, а на рисунке 3.15 - графическая интерпретация этих результатов.

Таблица 3.10. - Результаты экспериментальных исследований зависимости объёма токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры

Объём (мл) Объём (мл)

Температура (°С) Температура (°С)

73,5 0 99,5 110

77,7 10 99,7 120

81,4 20 99,7 130

86 30 99,5 140

89,3 40 100 150

93,5 50 100,1 160

98 60 100 170

99,2 100 100,1 180

200

180

160

^ 140

та 120

т

<0 к- 100

£ 80

Л

о 60

О

40

20

0

А

_1

1

♦ ♦

♦

♦ —ф- ♦

-г^ ......♦ 1 ■ 1 ■

60

70 80 90

Температура ("С)

100

110

Рисунок 3.15. - Графическая интерпретация результатов

Результаты экспериментальных исследований показали, что изменение объёма токичных веществ до температуры 100 °С носит практически линейной характер.

Следует добавить, что реализация алгоритмов экспериментальных исследований, представленных в разделе 3.1, позволяла обеспечить достаточную сходимость результатов экспериментальных исследований.

На рисунке 3.16 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости объёма токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры, полученные при повторных исследованиях

Рисунок 3.16. - Результаты экспериментальных исследований зависимости объёма токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры при повторных

исследованиях

Как видно из рисунка 3.16 характер изменения объёма не меняется, а количественные его расхождения не превышает 10 % (с учётом исключения систематической погрешности).

Аналогичные результаты были получены и при других многократных измерениях этих зависимости.

Зависимость изменения объёма продуктов термодеструкции СОЖ от времены термодеструкции играет важную роль в определении параметров модели. По этой причине были прыведены эксперименталные исследования этой зависимости для разных условий.

Результаты этих исследований приведены в таблице 3.11, а их графическая интерпретация представлена на рисунке 3.17.

Таблица 3.11. - Результаты экспериментальных исследований зависимости объёма токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры

Скорость подачи СОЖ (мл/мин]

66 S2 SS 214 250 304

Время Ю Объём газа (глл} Время M Объем газа (мл} Время (с) Объём газа (мл} Время (с} Объём газа (мл} Время Ю Объём газа (мл} Время (с} Объём газа (мл}

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3 10 2 40 4 50 3 60 3 50 4 40

13 40 9 70 11 100 7 70 11 120 5 50

16 50 11 S0 1S 150 10 120 15 190 7 70

20 70 15 100 23 200 14 200 1S 220 10 90

27 90 1S 115 31 250 16 250 20 2В0 13 150

32 110 21 130 43 300 21 320 23 320 17 200

36 130 23 135 5S 350 25 350 27 370 21 230

40 145 26 155 S2 400 2S 3S0 30 390 -

45 170 29 175 34 400 36 430

50 190 33 200 37 420 42 450

54 210 37 230 42 450 -

71 250 40 250 - -

7S 265 44 280

SO 2В0 4S 300

S7 315 52 330

90 330 55 350

93 340 60 370

95 375 63 390

117 395 71 420

124 410 -

131 420

142 430

147 440

156 450

Анализ кривых показывает, что объём газа (токсичных веществ), образуемого в результате термодеструкции СОЖ, увеличивается независимо от скорости подачи

СОЖ. Однако скорость этого увеличения зависит от скорости подачи СОЖ.

500

400

S W 300

и

200

г.

? t т 100

4 • •

Г.

ш

с 0 #

_ 500 е

- 400

£

С 300

- 200

Я

U

■i100 ¿ n

f» о •

• ♦

О 50 100

Время (с)

♦ Поток СОЖ ббмл/мим

• Поток СОЖ 82мл/мин Поток СОЖ 88мл/мин

150

О 10 20 30

Время (с)

* Поток СОЖ 304 мл/мин

• Поток СОЖ 250 мл/мин Поток СОЖ 214 мл/мин

40

50

Рисунок 3.17. - Графическая интерпретация данных таблицы 3.11

Указанные зависимости позволяют определить значение Q(x,y,z,t), которое необходимо для аналитического решения прогнозирования распространения токсичных веществ, образуемых в результате термодеструкции СОЖ, в воздухе рабочей зоны.

Покажем это на примере.

Определим экспериментально зависимость объёма газа, выделяемого при термодеструкции СОЖ, от времени для скорости подачи СОЖ 300 мл/мин.

В результате экспериментальных исследований представлены в таблице 3.12, а их графическая интерпретация - на рисунке 3.18.

Результаты экспериментальных исследований были линеаризированы по методу наименших квадратов посредством программы MicrosoftExcel.

Таблица 3.12. - Результаты экспериментальных исследований зависимости объёма токсичных веществ, выделяемых в результате термодеструкции СОЖ, от температуры

Скорость подачи СОЖ (мл/мин)

300

Время (с) Объём газа (мл) Время (с) Объём газа (мл)

0 0 0 0

3 30 3 40

Скорость подачи СОЖ (мл/мин)

300

Время (с) Объём газа (мл) Время (с) Объём газа (мл)

0 0 0 0

3 30 3 40

5 60 9 70

9 100 11 110

11 150 16 170

13 190 18 210

15 220 20 240

16 250 21 260

18 290 25 290

20 310 28 330

23 340 30 360

24 360 34 410

25 390 37 450

29 430 42 500

36 460 46 530

39 470 49 560

43 500 56 580

48 530 63 600

69 580 83 610

О 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100

Время (с) Время (с)

Рисунок 3.18. - Графическая интерпретация данных таблицы 3.12 (Д - коэффициент корреляции)

Примем во внимание уравнение идеального газа [139,140,141].

РУ = пЯТ, (3.2)

где Р - давление газа; У - объём газа; п - количество вещества; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Важным является учет при прогнозировании структурных элементов, соответствующих количеству атомов в углероде-12 массой 0,012 кг [142]. Это обеспечивается величиной «п».

Значение Р в уравнении идеального газа определяется по уравнению (3.1). При этом

Р = Ргаз СОЖ,

а ^атмосферы, ^водяной пар, ^водяной столб определяются экспериментально. ^атмосферы определяются по показаниям датчика давления. Для определения величины Рводяной парнеобходимо воспользоваться данными, представленными в приложении А.

Для нашего случая, при температуре воды Т = 20 °С величина Рводяной пар = 17,9928 мм. ртут. столба.

^водяной столб определялось по установившемуся значению высоты водяного стольба в мерной колбе в каждый момент времени.

Полученные экспериментальные данные и позволили в конечном итоге получить значения количества вещества в разные моменты времени (таблица 3.13).

Таблица 3.13. - Определение количества вещества

Время (с) Объём воды, соответсвующий определённому уровню в цилиндре (мл) Объём смеси токсичных веществ и водяного пара (см3) Рводяной столб О) 4 5Н Рводяной столб(мм рт.ст.) Рводяной столб (атм) §■ с й о и я д о в Р (мм рт.ст.) о о 3 и Рн (мм рт.ст.) Количество вещества

0 120 0 4601,92 34,52 0,05 17,99 707,49 0,0000

3 150 30 4451,74 33,39 0,04 17,99 708,62 0,0009

5 180 60 4301,56 32,26 0,04 17,99 709,74 0,0018

9 220 100 4101,32 30,76 0,04 17,99 711,24 0,0031

11 270 150 3851,01 28,89 0,04 17,99 713,12 0,0046

13 310 190 3650,77 27,38 0,04 17,99 714,62 0,0058

15 340 220 3500,59 26,26 0,03 17,99 715,75 0,0068

16 370 250 3350,41 25,13 0,03 17,99 716,88 0,0077

18 410 290 3150,16 23,63 0,03 17,99 718,38 0,0090

20 430 310 3050,04 22,88 0,03 17,99 719,13 0,0096

23 460 340 2899,86 21,75 0,03 17,99 720,26 0,0105

24 480 360 2799,74 21,00 0,03 17,99 721,01 0,0112

25 510 390 2649,56 19,87 0,03 17,99 722,13 0,0121

29 550 430 2449,32 18,37 0,02 17,99 723,64 0,0134

36 580 460 2299,13 17,24 0,02 17,99 724,76 0,0143

39 590 470 2249,07 16,87 0,02 17,99 725,14 0,0146

43 620 500 2098,89 15,74 0,02 17,99 726,26 0,0156

48 650 530 1948,71 14,62 0,02 17,99 727,39 0,0166

69 700 580 1698,41 12,74 0,02 17,99 729,27 0,0182