CC BY
44
Экология и охрана труда
161
ЭКОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА
УДК 614.841.332
В.А. Уварова, В.Е. Уваров, А.И Фомин
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМЕРОВ
В 2007 году в «НЦ ВостНИИ» был запатентован экспресс-метод оценки токсичности продуктов горения (далее - ТПГ) материалов [1]. На основе этого метода с включением разработок Новосибирского НГТУ был создан программный комплекс «Токсика-Q» на языке C++, ОС: Windows XP/Vista/7, который предназначен для расчета параметров газо- и дымообразования полимеров, оценки их пожарной и токсической опасности, моделирования процесса горения полимеров и расчета токсичных газовыделений для условий протяженной горной выработки. В состав программы входит: блок вычисления результатов измерений и блок отчета по результатам испытаний. Используемые в программном комплексе методы расчета математически обоснованы и проверены в стендовых лабораторных испытаниях при проведении процессов термодеструкции полимерных материалов. На рисунке 1 представлен интерфейс программного комплекса «Токсика-Q».
Испытания образцов полимерных материалов
проводят в лабораторных условиях. Они включают в себя термодеструкцию образца на лабораторных установках «Термодес» и «Дым», измерение начальной то и конечной массы образца mi<, времени термодеструкции т, объема Vo газовоздушной смеси, образовавшейся в результате термодеструкции, а также концентрации газов и аэрозолей Ci и значений начального То и конечного Tmin светопропускания. На основании этих данных вычисляют показатель gCO токсичности продуктов горения (далее - ТПГ) и коэффициент дымообразования Dm.
Математическая модель расчета концентраций токсичных газов, способных выделиться при горении шахтных полимерных материалов для условий размеров протяженной горной выработки была разработана с учетом параметров проветривания, геометрических горной выработки и количества полимерного материала на одном метре ее пространства.
Математические формулы основаны на иссле-
& Таксика Q
Файл Справка
Общее [
Токсичность
Дымообразование | Расчёт доп, критериев
Генерации отчета
Парамефы эксперимента
Температура, °С 20.0 fii
атмосферное ----------—-
паалете, 742 Щ
Относительная влажность, % Объём реакционной камеры, м3
69 0
0.51 ES
Используемые весы электронные лабораторные AUW-120 №0449100407 (но 06.02.2014г.); хроматограф «Кристаллюкс 4000М» № 928 (до 01.02.2014);
приборы и газосигнализатор Комета -5М № 9204 (до 17.09.13)
оборудование
Описание ______________________________________
объекта твердый материал светло-желтого цвета| испытаний
№ образца Масса образца, г Плотность теплового потока, кВт со, % С 02, % HCI, мг/мл3 СИ20, мг/мл3 HCN, мг/мА3 N0-*-N02, мг/мл3 S02, мг/м л3 Показатель токсичности дСО мг/г
2.7 18 0.002 0.21 0 3.5 0 8.2 21 17.0472
5-10 28 32 0.006 0.82 0 1.1 0 192 32 426969
Материал является уммеренноопасным (дСо = 42.6969}
Должность сотрудника в.н.с ФИО Сотрудника Уварова В. А. Дата 15.01.2014 I
Назад
Вперёд
Рис. 1. Интерфейс программного комплекса «Токсика-Q»
162
В.А. Уварова, В.Е. Уваров, А.И. Фомин
дованиях [2] и предназначены для расчета массовых концентраций токсичных газов и твердого аэрозоля в условиях горной выработки длиной 1, площадью поперечного сечения S, с количеством q полимерного материала на 1 м выработки и скорости проветривания V„.
Разработанный программный комплекс реализует следующие расчетные параметры газовыде-ления для условий протяженной горной выработки:
среднюю скорость выгорания материала п, г/кг-с определяют по формуле:
n=(mo-nik) / 1000 то г , (1)
где то - исходная масса образца, г; /щ - конечная масса образца после деструкции, г; г- время деструкции образца, с.
- расход материала на горение в условной горной выработке N, кг/с определяют по формуле:
У=/ q п, (2)
где / - длина участка условной горной выработки, м; q - масса материала на участке длиной 1 метр, кг/м; п - средняя скорость выгорания материала, г/кгс.
- удельную массу /-го токсичного газа, образовавшегося при сгорании 1 кг материала, Mi, мг/г определяют по формуле:
М,= С/ Vo / т0 , (3)
где С, - концентрация /-го вещества, выделяющегося при горении образца материала, мг/м3, Го -объем газовоздушной смеси, образовавшейся в результате испытания, м3, то - исходная масса образца, г;
-среднюю по сечению выработки массовую концентрацию /-го токсичного газа, мг/м3 рассчитывают по формуле:
С/ =N Gi / Qe , (4)
где Gi - средняя по сечению выработки массовая концентрация i-ro токсичного газа, мг/м3; N - расход материала на горение в условной горной выработке, кг/с, Qe - расход воздуха в горной выработке, м3/с:
Q«=SVe , (5)
где S- площадь поперечного сечения выработки, м2; Ve - скорость движения воздуха в горной выработке, м3/с.
Согласно экспресс-методу оценка токсичности продуктов горения материалов проводится путем измерения концентраций токсичных газов, выделяющихся в процессе термодеструкции образца, и определения на этой основе показателя ТПГ. Состав газовых и аэрозольных компонентов, определенный в результате термодеструкции образца, оценивают на однонаправленность действия и вычисляют удельные массы токсичных газов, имеющих эффект суммации. Эти удельные массы приводят к величине удельной массы оксида углерода (СО). Оксид углерода является компонентом, наиболее массово представленным в продуктах горения и обладающим выраженным токсическим действием. Вычисленное таким обра-
зом значение gCO принимают за показатель токсичности:
gCO= Мсо+ Mi ПДК,УПДК,+...+ Mi пдк,упдк,
(6)
где gCO - показатель токсичности продуктов горения, мг/г; Мсо, Mi,.. Mi - удельные массы СО и других токсичных газов, мг/г, вычисляют по формуле 1; ПДКС0, ПДКь ...ПДК, - предельно
допустимые концентрации СО и других вредных веществ для воздуха рабочей зоны, мг/м3 (определяются из ГН 2.2.5.1313-03, ГН 2.2.5.2100-06).
Оценка класса опасности материала по показателю ТПГ производится автоматически и реализуется в программе следующим образом. При значении показателя ТПГ gCO до 40 мг/г материалы относят к малоопасным, при значениях от 40 до 120 мг/г - умеренноопасным, при значениях от 120 до 360 мг/г - высокоопасным (ГОСТ 12.1.044-89).
Кроме показателей, характеризующих токсичность, в программном продукте осуществлена возможность вычисления коэффициента дымооб-разования.
Коэффициент дымообразования - показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества твердого вещества (материала) в условиях специальных испытаний (ГОСТ 12.1.044-89).
Сущность метода определения коэффициента дымообразования заключается в определении оптической плотности дыма, образующегося при горении или тлении известного количества испытуемого вещества или материала, распределенного в заданном объеме. Коэффициент дымообразования вычисляют по формуле:
Dm={ VIL)\n{TolTmiH) , (7)
где V- вместимость камеры измерения, м3; L -длина пути луча света в задымленной среде, м , То, Tmin - соответственно значения начального и конечного светопропускания, %; Dm - коэффициент дымообразования, м2/кг.
В программе реализован процесс автоматической классификации материалов по группам дымообразующей способности соответственно вычисленному значению коэффициента дымообразования. Материалы с коэффициентом дымообразования до 50 м2/кг включительно относят к группе материалов с малой дымообразующей способностью; с коэффициентом дымообразования ев. 50 до 500 м2/кг включительно - с умеренной дымообразующей способностью; с коэффициентом дымообразования свыше 500 м2/кг - с высокой дымообразующей способностью.
В процессе разработки программного продукта были решены следующие задачи:
• разработан интерфейс программы, позволяющий осуществлять диалог с пользователем и удобный ввод исходных данных;
Экология и охрана труда
163
• реализована оценка пожарной и токсической безопасности веществ и материалов на основе разработанной модели, которая включает:
- оценку класса опасности материалов по показателю токсичности продуктов горения;
- оценку степени дымообразующей способности;
- вычисление параметров токсичных газовы-делений при термодеструкции полимерных материалов в условиях, смоделированных для протяженной горной выработки;
• визуализирован вывод результатов вычислений в виде таблиц и отчета о результатах испытаний;
• организован экспорт результатов расчетов в среду MS Word;
• организовано хранение результатов вычислений в базе данных;
• осуществлена возможность оперативно вносить результаты измерений в электронный
протокол выполняемой работы.
Получено свидетельство о государственной регистрации программы, она внесена в Реестр программ для ЭВМ, регистрационный № 2014616116 от 11.06.2014 г.
Программный продукт «Токсика-Q» предназначен для автоматизации расчетов, предусмотренных разработанной моделью по расчету критериев и оценке параметров пожарной и токсической опасности полимерных материалов, проходящих экспертизу на допуск для использования на горнодобывающих предприятиях. Программа позволяет легко и быстро обрабатывать большие массивы данных, хранить результаты расчетов и представлять отчеты в удобном для пользователя виде. Применение на практике программного комплекса «Токсика-Q» позволяет повысить производительность труда при научных исследованиях и в процессе испытаний полимерных материалов в 10 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Способ оценки токсичности продуктов горения материалов: Пат. на изобретение № RU 2300098 С1 Рос. Федерация: МПК G01 N25/22 (2006.01)/ А.А. Трубицын, Н.В. Трубицына, В.А. Уварова, Т.М. Грачева; ВостНИИ -№ 2005137275, 30 ноября 2005. // Изобретения. Полезные модели: Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. -2007, 27 мая - № 15.
2. Отчет о НИР. Оценка экологической опасности по газовому и аэрозольному факторам при термическом разложении материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах. 16.1032.001.02 ВостНИИ, Кемерово 1996.
Авторы статьи
Уварова Варвара Александровна канд.техн.наук, ведущий науч. сотр. ОАО «НЦ ВостНИИ» E-mail: [email protected].
Уваров Вадим Евгеньевич студент 5 курса ФПМИ Новосибирского НГТУ. E-mail: [email protected].
Фомин
Анатолий Иосифович докт. техн. наук, проф. каф. аэрологии, охраны труда и природы КузГТУ. E-mail: [email protected]
