from 01.01.2015 to 01.01.2019
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
A significant amount of dust is released during the drilling process. It negatively affects the cleanliness and ecology of the surrounding space, as well as human health. The design of a local extraction nozzle is proposed for dedusting the process of drilling concrete with standard drills. A computer model of the dust-air flow in the developed nozzle is created in the software package SolidWorks Flow Simulation. The dynamics of dust particles formed during drilling is numerically studied. The behavior of dust particles of different sizes is considered. It is proposed to use the value of the maximum diameter of dust particles completely captured by the suction channel as a criterion for the efficiency of dust particle capture. Three variants of the drilling plane arrangement are considered: floor, ceiling and vertical wall. The dependences of the maximum diameter of dust particles on the intake air flow rate, the distance of the extraction channel on the side surface of the nozzle to the place of its abutment to the drilling plane, and the radius of the suction channel are determined. The results obtained can be used to design and improve systems for capturing dust pollution generated during drilling. The formulated further directions of research are useful for researchers engaged in identifying the processes of capturing dust particles from mobile technological equipment.
dedusting, local extraction, dust particles, numerical simulation, drilling
Введение. Среди экологических проблем промышленных и строительных отраслей значимой проблемой является разработка энергоэффективных систем аспирации [1] – наиболее надёжного способа обеспыливания [2–3]. Главным элементом системы аспирации является местный вентиляционный отсос, который обеспечивает улавливание загрязняющих веществ, выделяющихся в непосредственной близости от источника их образования [4–6]. Энергоемкость местного отсоса прямо пропорциональна расходу воздуха, протекающего через него [3]. Поэтому за счет различных способов – механического [3, 7, 8] и аэродинамического экранирования [3, 9], активирования [10], использования вихревых [11, 12] и закрученных [13, 14] потоков добиваются снижения расхода отсасываемого воздуха. За счет профилирования границ вихревых зон на входе в местный отсос и в других элементах воздуховодов можно снизить потери давления, что также способствует снижению энергопотребления [15–18].
Одним из интенсивных источников пылевыделений в строительстве является сверление. При сверлении дрелью на низких оборотах в воздух может выделяться порядка 1,5 кг пыли за 1 час работы, в случае же тяжелого бурения стен с использованием ударного инструмента выделяется примерно 9 кг пыли в час (табл. 1)
Таблица 1
Содержание частиц PM10 и PM2,5 при штроблении стен [21]
|
№п/п |
Наименование процесса |
Доля частиц частиц РМ10 и РМ2,5 |
|
1 |
Штробление стен перфоратором под проводку |
Dmax 22 %–37 % от массы частиц до 20,5–25 мкм |
Учитывая это, требуется использовать пылеудаляющую насадку, обеспечивающую достаточное для рабочей зоны качество воздуха – концентрация пыли должна быть не более ПДК. Зарубежные опыты (табл. 2) подтверждают необходимость использования подобных насадок [19, 20] для улавливания пыли в процессе сверления. Применяемые насадки широко представлены на рынке сверлильных устройств (рис. 1). Целью данной статьи является разработка конструкции отечественного пылеулавливающего насадка – местного отсоса для локализации пылевыделений при сверлильных работах и определения его рациональных режимно-технических характеристик.
Таблица 2
Среднее количество вдыхаемой пыли в зависимости от наличия МВО
|
Без МВО |
С использованием МВО |
С использованием |
|
|
Количество испытаний |
2 |
||
|
Количество сделанных отверстий |
60 |
||
|
Концентрация мелкодисперсной пыль, мг/м3 |
3,32 |
<0,124 |
<0,143 |
|
Масса вдыхаемой кварцевой пыли мг/м3 |
0,55 |
<0,007 |
<0,007 |
Рис. 1. Модели пылеудаляющих насадков и местных отсосов фирм: а) Bosch; б) Metabo; в) Milwaukee; г) DeWalt, д) Интерскол
Методы, оборудование, материалы. В РФ в соответствии с ГОСТ 12.1005-88 ССБТ «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» кремниевая пыль, выделяющаяся при сверлении бетона, отнесена к третьему классу опасности и имеет предельно допустимую концентрацию 2 мг/м3 [22]. Древесная пыль не так опасна, она отнесена к четвертому классу опасности, её относят к аэрозолям фиброгенного действия, способных вызывать аллергию, ПДК древесной пыли составляет 6 мг/м3 и регламентируется ГН 2.1.6.3492–17 (ГН 2.1.6.3492–17 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений: утвержден 22.12.2017 Главный государственный санитарный врач Российской Федерации от 22 декабря 2017 года №165.
Совершенствование различных механизмов может осуществляться с помощью современных программ моделирования пылевоздушных потоков SolidWorks, Ansys Fluent и Simens SX и т.д. Программный комплекс SolidWorks [23], и в частности программа SolidWorks Flow Simulation, позволяет на основе заданной модели получить представление об аэродинамических характеристиках пылевоздушных потоков, образующихся в процессе сверлильных работ.
Предлагаемая модель устройства (рис. 2), геометрические размеры которого представлены на рис. 3, предназначена для работ как со сверлами различного диаметра, так и коронок для подрозетников диаметром до 50 мм. Модель представлена следующими элементами: сверлильный патрон, сверло ⌀7,5 мм, ограждающая конструкция из кирпича, пылеудаляющая насадка с всасывающим отверстием. Для моделирования в SolidWorks использовались уравнения Навье-Стокса и неразрывности, замкнутые при помощи k – ε модели турбулентности [24]. Динамика пылевых частиц описывалась при помощи численного решения дифференциального уравнения их движения, коэффициент сопротивления частиц вычислялся по формуле Хендерсона [25].
Рис. 2. 3D–модель местного отсоса
Рис. 3. Геометрические размеры устройства
В программном комплексе SolidWorks Flow Simulation возможно произвести оценку действия силы гравитации на пылевоздушные потоки, имитируя тем самым горизонтальное сверление стены, а так же вертикальное сверление пола и потолка. Для этого поочерёдно устанавливались следующие направления силы гравитации: 1 – g = 9,81 м/с2 по оси Y (сверление стены); 2 – g = 9,81 м/с2 по оси Z (сверление пола); 3 – g = – 9,81 м/с2 (сверление потолка). Указанные оси показаны на рис. 2. Использовались следующие установки: тип задачи – внешняя, среда – воздух. Граничное условие: массовый расход воздуха в вытяжном канале, изменялся в диапазоне от 0,002 кг/с до 0,012 кг/с [26, 27]. Уровень начальной сетки установлен на отметке: 5; коэффициент разбега до границ расчетной области: 10, т. к. модель центрирована, это позволяет получить наиболее точные значения в требуемой области.
Основная часть. В качестве критерия эффективности улавливания пыли далее используется величина максимального диаметра полностью уловленных отсосом пылевых частиц – dmax, мкм, число частиц заданных в расчете составило 30 шт. Производились исследования изменения dmax в зависимости от радиуса всасывающего отверстия и его смещения от конца насадка; различных направлений сверления и расходов всасываемого воздуха.
Вследствие изменения направления действия силы гравитации в расчётной области, направление сверления оказывает влияние на величину dmax. Из вычислительного эксперимента (табл. 3) следует, что наименьшая величина dmax достигается при сверлении пола. Действительно, в этом случае сила тяжести в области образования пылевых частиц направлена в противоположную от скорости их захвата воздухом сторону, что не способствует их улавливанию (рис. 4). Поэтому, этот самый неблагоприятный для улавливания пыли случай рассматривается далее.
Таблица 3
Изменение dmax в зависимости от направления сверления
|
Направления сверления |
Длина от отверстия до отсоса h, мм |
Радиус всасывающего отверстия r, мм |
Массовый |
Максимальный |
|
Пол |
95 |
10 |
0,01 |
530 |
|
Потолок |
95 |
10 |
0,01 |
610 |
|
Стена |
95 |
10 |
0,01 |
550 |
Рис. 4. Определение максимального диаметра при сверлении а) пола; б) стены
При повышении расхода аспирируемого воздуха величина dmax повышается (рис. 5), что связано с увеличением скорости захвата пылевых частиц вытяжным отверстием. Однако, поскольку не рекомендуется, чтобы скорость в отсосе превышала 20 м/с из-за возникающего шума, расход воздуха Q следует принимать равным в диапазоне 0,008 кг/с – 0,01 кг/с.
При фиксированном расходе воздуха Q и увеличении радиуса r всасывающего отверстия, начиная от 7,5 мм диаметр dmax возрастает (рис. 6), затем достигает максимума при r = 12,5 мм и убывает до достижения максимально возможной для данного насадка величины r = 14 мм. Столь немонотонное изменение dmax связано, с одной стороны, с повышением вероятности попадания частиц пыли в отсос (рис. 7) за счет увеличения его радиуса, с другой – напротив снижения скорости в отсосе при фиксированном расходе Q, что не способствует улавливанию пыли.
При фиксированных значениях радиуса r и расхода Q = 0,01 кг/с влияние на dmax величины удаления h всасывающего отверстия от конца насадка, примыкающего к месту образования пыли, также не монотонно (рис. 8). Здесь максимум достигается при h = 75 – 85 мм, что может быть связано с наиболее оптимальным положением всасывающего канала, при котором наблюдается снижение вихреобразования и его местного сопротивления (рис. 9, 10).
Рис. 5. Зависимость dmax от расхода аспирируемого воздуха при h = 95 мм, r = 10 мм
Рис. 6. Зависимость dmax от радиуса всасывающего отверстия при разных расходах Q, кг/с
Рис. 7. Процесс определения dmax для отверстий радиусом, мм а) 12,5; б) 10; в) 5
Рис. 8. Зависимость dmax от удалённости h всасывающего отверстия при разных радиусах r, мм и Q = 0,01 кг/с
Рис. 9. Определение dmax в зависимости от удаленности h всасывающего отверстия, мм: а) 65; б) 10; в) 35
Рис. 10. Поля скоростей при сверлении а) стены, при удалении отверстия на 95мм; б) пола, при удалении отверстия на 10мм
Дальнейшие направления исследований связаны с выявлением влияния радиуса насадка на эффективность улавливания пылевых частиц, поскольку насадки рассмотренного диаметра подходят для коронок для подрозетников менее 50 мм (рис. 11). Имеет смысл рассмотреть возможность применения двух всасывающих каналов (рис. 12) и определить влияние такой конструкции на эффективность улавливания пылевых частиц. Эффективность улавливания здесь определялась по величине максимального диаметра полностью уловленной фракции пыли. Представляет интерес использовать другие критерии эффективности. Например, отношение количества уловленных частиц к общему количеству частиц, образующихся при сверлении. Необходимо также более глубоко исследовать влияния образующихся вихревых зон на входе во всасывающий канал на коэффициент его местного сопротивления и эффективность улавливания пыли. Изучить возможность профилирования по найденным границам вихревых зон для повышения эффективности пылеулавливания. Влияние на эффективность отсоса наклона плоскости сверления и его скорости также нуждается в дальнейших исследованиях. Полученные данные компьютерного моделирования нуждаются в верификации, для чего необходимо проведение экспериментальных исследований.
Рис. 11. Диаметр входного отверстия насадка
Рис. 12. Добавление второго отсоса и оценка его влияния на пылевоздушный поток
Выводы. Предложена конструкция местного отсоса - насадка для улавливания пыли, образующейся при работе стандартных дрелей. Для выявления процессов пылеулавливания в программном комплексе SolidWorks Flow Simulation разработана математическая модель пылевоздушного потока в разработанном насадке. Численно исследована динамика пылевых частиц, образующихся в процессе сверления, и изменение величины максимального диаметра пылевых частиц, полностью улавливаемых всасывающим каналом. Выявленные зависимости влияния на величину максимального диаметра пылевых частиц: расположения плоскости сверления, расхода отсасываемого воздуха, удаленности и радиуса всасывающего канала полезны для конструирования и совершенствования систем улавливания пылевых загрязнений, образующихся в процессе сверления.
1. Nazaroff W.W. Four principles for achieving good indoor air quality. Indoor Air. 2013. Vol. 23, Pp. 353-356.
2. Lunden M., Delp W.W, Singer B.C. Capture efficiency of cooking-related fine and ultrafine particles by residential exhaust hoods. Indoor Air. 2015. Vol. 25. Pp. 45-58.
3. Logachev I., Logachev K., Averkova O. Local Exhaust Ventilation: Aerodynamic Processes and Calculations of Dust Emissions. CRC Press. 2015. 564 p.
4. Huang Y., Lu K., Guo J., Wang Y., Zhao C., Zhai Y. Study on ventilation performance of lateral exhaust hood under the influence of two high-temperature buoyant jets. Building and Environment, 2020, Pp. 177.
5. Huang Y., Lu K., Wang Y., Jiang C., Cao L., Liu Y. Study on limit flow ratio method for a lateral exhaust hood above high-temperature buoyant jets. Sustainable Cities and Society. 2020. Vol. 54. Pp. 101969
6. Wang Y., Cao L., Huang Y., Cao Y.. Lateral ventilation performance for removal of pulsating buoyant jet under the influence of high-temperature plume. Indoor and Built Environment. 2020. Vol.29 No. 4. Pp.248-255.
7. Reif R.H., Houckt R.S., Poor Design of Local Exhaust Hood Leads to Radioactive Release in the Work Area. Health Phys. 2000. Vol.78. Pp. 222-225
8. Huang R.F., Liu G.S., Chen Y.K., Yeh W.Y., Chen C.W., Chen C.C., Effects of Flange Size on Dividing Streamlines of Exterior Hoods in Cross Drafts. Occup. Environ. 2004. Vol. 1. Pp. 283-288.
9. Chern M.J., Cheng W.Y., Numerical investigation push-pull and exhaust of turbulent diffusion in fume cupboards. Ann. Occup. 2007. Vol. 51. No. 6. Pp. 517-531.
10. Kulmala I., Hynynen P., Welling I. Local ventilation solution for large, warm emission sources. Ann. Occup. 2007. Vol. 51. No. 1. Pp. 35-43.
11. Zhao R., Qian H., Liu L., Zheng X. Comprehensive performance evaluation of a novel Aaberg exhaust system reinforced by a swirling jet. Building and Environment. 2020. Vol. 167. Pp. 106451.
12. Wang P., Feng T., Liu R. Characteristics Study of the Swirl Air Curtain Exhaust Hood. International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering. 2010. Vol. 4. Pp. 1-5.
13. Yan Y., Li X., Tu J., Feng P., Zhang J. Characterisation and analysis of indoor tornado for contaminant removal and emergency ventilation. Building and Environment. 2019. Vol.164. Pp. 107106.
14. Cao Z., Zhai C., Wang I., Zhao T., Wang H. Flow characteristics and pollutant removal effectiveness of multi-vortex ventilation in high pollution emission industrial plant with large aspect ratio. Sustainable Cities and Society. 2020. Vol. 54. Pp. 101990
15. Ziganshin A.M., Batrova K.E. Gimadieva G.A. Numerical determination of flow characteristics through the last side hole in the air duct [Chislennoe opredilenie harakteristik techeniya cherez poslednee bokovoe otverstie v vozduhovode]. Izvestiya VUZov. 2018. No. 7. Pp. 53-65 (rus.)
16. Ziganshin A.M., Naumov T.A. Improving the energy efficiency of a ventilation shaped element in the form of a sudden expansion [ Povyshenie energoeffektivnosti ventilyacionnogo fasonnogo elementa v vide vnezapnogo rasshireniya]. Izvestiya VUZov. 2019. No. 6. Pp. 53-65. (rus)
17. Ziganshin, A.M., Logachev K.I. Minimizing local drag by shaping a flanged slotted hood along the boundaries of vortex zones occurring at inlet. Build. Eng. 2020. Vol. 32. Pp. 101666
18. Logachev K.I., Ziganshin A.M., Popov E.N., Averkova O.A., Kryukova O.S., Gol'tsov A.B. Experiment determining pressure loss reduction using a shaped round exhaust hood. Building and Environment. 2021. Vol. 181. Pp. 107124.
19. Rempel D., Barr A., Cooper M.R.. Effect of hollow bit local exhaust ventilation on respirable quartz dust concentrations during concrete drilling. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 2019. Vol. 5. No. 16. Pp. 336-340.
20. Shephred S., Woskie S.R., Holcroft C., Ellenbecker M. Reducing Silica and Dust Exposures in Construction During Use of Powered Concrete-Cutting Hand Tools: Efficacy of Local Exhaust Ventilation on Hammer Drills. Journal of Occupational and Environmental hygiene. 2009. Vol. 6. No. 1. Pp. 42-51.
21. Petrenko L.K., Manzhilevskaya S.E., Tutaev A.A., Timoshenko E.V. Organization of measures for the protection of atmospheric air on construction sites from the effects of fine dust [Organizaciya meropriyatij po ohrane atmosfernogo vozduha na stroitel’nyh ploschadkah ot vozdejstviya melkodispersnoj pyli]. Engineering Bulletin of the Don. 2019. No. 1. Pp. 11 (rus)
22. Nemchinova N. V., Mineeva T. S., Nikanorov A.V. Problems of ecological safety of aluminum and silicon production [Problemy ekologicheskoj bezopasnosti alyuminievogo I kremnievogo proizvodstv]. Modern problems of science and education. 2013. No. 3. Pp. 93. (rus)
23. Matsson J. An Introduction to SolidWorks Flow Simulation 2010. SDC Publication, Mission, Kansas (USA). 2010. Pp. 297.
24. Alyamovsky A.A. SolidWorks 2007/2008. Computer modeling in engineering practice [SolidWorks 2007/2008. Kompjuternoe modelirovanie v inzhenernoj praktike] St. Petersburg: BHV-Petersburg. 2008. Pp. 1042 (rus)
25. Henderson C.B. Drag Coefficients of Spheres in Continuum and Rarefied Flows. AIAA Journal. 1976. Vol. 14, No. 6. Pp. 103-112.
26. Tiron O.V. Methods and means of localization of dust emissions from drilling equipment [Sposoby I sredstva lokalizacii pylevydelenij ot sverlil’nogo oborudovaniya]. Youth and scientific and technological progress. 2020. Pp. 317-321 (rus)
27. Tiron O.V. Determination of the rational suction power of a dust-removing nozzle for a percussion instrument [Opredilenie racionalnoj moschnosti vsasyvaniya pyleudalyayuschej nasadki dlya udarnogo instrumenta] International Scientific and Technical Conference of Young Scientists. 2020. Pp. 4052-4057. (rus)
