Моделирование и расчет вентиляции взрывоопасных помещений гальванических цехов машиностроительных предприятий

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВЕНТИЛЯЦИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЦЕХОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Г.Л. Шидловский, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. Н.Н. Северин, доктор педагогических наук, профессор. Белгородский юридический институт МВД России им. И.Д. Путилина. В.В. Шаптала, кандидат технических наук, доцент. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Разработана математическая модель и метод расчета вентиляции пожаровзрывоопасных помещений гальванических цехов. Исследован аварийный режим работы вытяжной общеобменной вентиляции. Рассмотрен численный метод расчета распределения концентрации водорода во внутреннем объеме помещения.

Ключевые слова: гальваническое производство, пожаровзрывоопасное помещение, аварийная вентиляция, распределение концентрации водорода

MODELING AND CALCULATION OF VENTILATION OF HAZARDOUS AREAS GALVANIC SHOPS OF MACHINE-BUILDING ENTERPRISES

G.L. Shidlovskij. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. N.N. Severin. Belgorod law institute of the Ministry of internal affairs of Russia they I.D. Putilin. V.V. Shaptala. Belgorod state technological university they V.G. Shukhov

The mathematical model and method of calculation of ventilation of fire-dangerous rooms of galvanic shops is developed. Emergency operation of operation of the exhaust all-exchange ventilation is investigated. The numerical method of calculation of distribution of concentration of hydrogen in the internal volume of the room is considered.

Keywords: galvanic production, fire-dangerous room, emergency ventilation, distribution of concentration of hydrogen

В машиностроении широко применяется гальванический способ нанесения на детали машин и механизмов декоративно-защитных металлических покрытий. Некоторые технологические процессы получения таких покрытий (травление, хромирование, меднение, воронение и др.) сопровождаются выделением атомарного водорода [1], который образует с воздухом пожаровзывоопасные смеси. Нижний концентрационный предел взрываемости таких смесей равен Ci=4,1 объемных процента. Предельно допустимая взрывобезопасная концентрация водорода в производственных помещениях равна 10 % С1 [2]. В помещениях гальванических цехов аварийных залповых выбросов водорода не бывает, но и постепенное распределенное выделение образующегося в результате химических реакций водорода приводит к поступлению в помещение больших его объемов, достигающих сотен м3/ч. Расчеты [3] показывают, что при взрыве таких количеств водорода в помещениях ванн даже больших размеров развиваются избыточные давления, превышающие 5 кПа. Поэтому помещения ванн гальванических цехов по своей взрывопожарной опасности относятся к категории А и должны удовлетворять всем требованиям взрывопожаробезопасности, предъявляемым к таким помещениям [4-6]. Одной из мер взрывопожарозащиты помещений с выделением горючих газов является устройство вентиляции [4, 5, 7, 8] как основной,

включающей в себя местную вытяжную и общеобменную вентиляции, так и аварийную вентиляцию как средство ограничения поступления в помещения горючих газов и снижение их концентраций до безопасного уровня. Функцию аварийной вентиляции могут выполнять достаточно мощные вытяжные устройства общеобменной вентиляции при их оснащении системой автоматического включения при срабатывании газовых анализаторов или сигнализаторов в случае возникновения опасных концентраций водорода [5, 8, 9].

Изменение содержания водорода в помещении может быть описано следующим уравнением [10, 11]:

АУС =

\ о мо мо п п / ^^

где V - свободный объем помещения ванн; С - объемная концентрация водорода; G - объемная интенсивность выделения водорода из гальванических ванн, м3/с; Ьо - объемный расход воздуха, удаляемого общеобменной или аварийной вентиляцией; Ьмо - объемный расход воздуха, удаляемого местными (преимущественно бортовыми) отсосами [1]; Смо - объемная концентрация водорода в воздухе, удаляемом местными отсосами; Ьп - объемный расход приточного воздуха, то есть наружного воздуха, подаваемого механическим образом или поступающего неорганизованно через проемы и неплотности ограждений помещения для компенсации удаляемого воздуха; Сп - концентрация водорода в приточном воздухе. При определенных значениях величин, входящих в правую часть уравнения (1), она обращается в 0. В этом случае изменение объема водорода в помещении прекращается и возникает установившееся стационарное газовое состояние помещения. Для определения условий его возникновения, а также стационарного значения концентрации водорода, уравнение (1) следует дополнить уравнением материального баланса вентиляционного воздуха [11]:

в А - ЬСА - СМо Ьмо + ЬпСпА? = 0;

353.4

где Ру, рп - плотности воздуха в помещении и снаружи; Ру п =-

ТУ,п .

Система уравнений (1, 2) позволяет при заданных значениях Ьмо, Ьп и Сп найти Ьа и стационарное значение С.

Уравнения (1-3) справедливы в предположении однородного распределения водорода по всему объему помещения. Поэтому входящая в уравнение (1) величина С является не локальной, а усредненной по внутреннему объему помещения объемной концентрацией водорода. При этом концентрации водорода в воздухе, удаляемом местными отсосами, как правило, выше, а Сп из-за рассеяния загрязненных выбросов ниже концентрации водорода в помещении. Для расчета аварийной вентиляции важно знать темп или скорость снижения концентрации водорода в помещении в результате работы вентиляции. Динамика изменения концентрации водорода описывается дифференциальным уравнением (4), которое можно получить из уравнения (1), записав его левую часть в виде:

АУС = V—А? дг

В результате этого преобразования получим уравнение, описывающее изменение концентрации водорода, которое принимает вид:

дС , ^ в

— = —к0С + — ,

дг 0 V

где в = —с + СмоТмо — ЬпСп; ко - кратность общеобменной или аварийной вытяжки.

В стационарном газовом состоянии помещения левая часть уравнения обращается в 0, поэтому стационарное значение концентрации водорода определяется формулой:

с = В

^ст J Т0

Рассмотрим пример расчета аварийной вентиляции помещения ванн гальванического цеха. Предположим, что помещение имеет размеры: 20*12*6 м. Тогда свободный объем помещения, равный его 80 % его геометрического объема составляет 1 152 м3. Объем выделяемого водорода положим равным G=220 м /ч. Объемный расход воздуха, удаляемого бортовыми отсосами, для типичных условий Ьмо=14 400 м3/ч. Для предотвращения взрывов водорода в воздуховодах и газоочистных аппаратах его концентрация в отсасываемом местными отсосами воздухе не должна превышать 30 % нижнего концентрационного предела взрываемости водородно-воздушной смеси С1 [1, 8]. Поэтому Смо=0,012. Концентрация водорода в приточном воздухе также не должна превышать 30 % Спдк. Положим Сп=0,1; С1=0,0004. В теплый период года различиями температур удаляемого и приточного воздуха можно пренебречь [11] и считать ¿п=^о+^мо. Тогда для Ьо получим выражение:

С — С  Т + С  Т

т = С Смо мо Сп-мо=12160 м3/ч.

0 С — С

^ст ^п

При такой производительности общеобменной или аварийной вытяжки кратность воздухообмена помещения:

к0 = То = 10,6. 0 V

Таким образом, для установления стабильного газового состояния помещения местная вытяжная вентиляция должна быть дополнена общеобменной или аварийной вытяжкой с найденной производительностью. Полный воздухообмен помещения с учетом работы местной вытяжной вентиляции вырастет до 23 1/час.

Будем считать, что в результате работы вентиляции в штатном или аварийном режимах при стабильном газовом состоянии концентрация водорода в помещении равна предельно допустимой взрывобезопасной концентрации, то есть С=Сст=0,0041.

Решение уравнения (3) имеет вид:

С

Значение постоянной К найдем из начального условия:

С^=0) = С0,

где С0 - значение среднеобъемной концентрации водорода в начальный момент времени. Отсюда К=С0-Сст.

Из выражения (5) следует, что предельно допустимые взрывобезопасные концентрации Сст при умеренных значениях к0 могут быть достигнуты лишь по истечении

достаточно большого промежутка времени. За ограниченное время 1;, определяемое формулой (6), может быть достигнута концентрация С, незначительно превышающая Сст в пределах погрешности определения и фиксации среднеобъемной концентрации водорода:

1 С - С

г = -—1п С Сст .

к С - С

к0 С0 Сст

Для условий рассмотренного выше примера предположим, что в начальный момент времени концентрация водорода превышала предельно допустимую в два раза: С0=2Сст. Найдем время, в течение которого при работе аварийной вентиляции концентрация водорода будет снижена до С(0=1,1Сст:

- 1п 0,1

г =-= 0,22 ч « 13 мин.

10,6

Приведенная выше модель и метод расчета получены при допущении об однородном распределении водорода по всему объему помещения, то есть концентрация С предполагалась независящей от координат. Поэтому, входящая в уравнения (1, 2) является усредненной по всему внутреннему объему концентрацией водорода. В реальных условиях это предположение нарушается в первую очередь из-за очень малой плотности водорода [12], а также из-за подвижности воздуха в помещении, которая возникает вследствие работы вентиляции и конвективных потоков [13]. Особенности распределения водорода в помещении необходимо знать для правильного размещения датчиков системы контроля загазованности помещения и вытяжных вентиляционных устройств. Приведенные в документах [5, 14] эмпирические соотношения для расчета размеров взрывоопасных зон горючих газов для помещений ванн гальванических цехов не применимы, поскольку эти соотношения выведены для паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей в неподвижной воздушной среде.

Распределение концентрации водорода в воздушной среде помещений ванн может быть исследовано с помощью модели смешения двух газов различной плотности [15]. Согласно этой модели обозначим объемные доли водорода и воздуха в ячейках расчетной области как а1 и а2=1-а1.

Для объемной доли водорода запишем уравнение конвективной диффузии:

Da + t

dt

1 + V-(Ua: ) = V-

ab „ W Sc У

Vax

где Dab - коэффициент молекулярной диффузии; Vf - коэффициент турбулентной вязкости; ц

Sc =-- турбулентное число Шмидта.

pD

Данное уравнение должно решаться совместно с уравнением неразрывности для смеси газов, уравнением движения в приближении Буссинеска-Обербека и уравнением теплопереноса:

V-U = 0

dpU + V-PUU ) = -v{prgh )- g hVp + Vp t );

V-(pU T )-V-aeff VT = gT/Cp

где т = — ejjV-UI + Veß. VU )T - тензор, описывающий турбулентные

и вязкие напряжения в смеси; ^eff, аeff - усредненные эффективные коэффициенты кинематической вязкости и теплопередачи для смеси газов; V^Pr^ j и ghVр

определяются из выражения P = Prgh + Pgh.

Входящая в уравнения плотность смеси р рассчитывается как средневзвешенная плотность компонентов смеси с учетом температурной неоднородности смеси:

р = арх +

Последнее слагаемое позволяет учесть влияние на плотность водородно-воздушной смеси ее температурной неоднородности. Множитель ß представляет собой средневзвешенное значение коэффициентов теплового расширения водорода и воздуха:

ß = aß+{l —a)ß.

Для численного решения системы (7) был модифицирован решатель TwoLiquidMixingFoam, входящий в состав гидродинамического пакета OpenFoam [16].

Литература

1. Елинский И.И. Вентиляция и отопление гальванических цехов машиностроительных предприятий. М.: Машиностроение, 1989. 152 с.

2. Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 288 с.

3. НПБ 105-2003. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. Доступ из справ.-правового портала «Гарант».

4. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений: Федер. закон от 30 дек. 2009 г. № 384-Ф3. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

5. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Сер. 9. Вып. 37. 2-е изд., доп. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2015. 126 с.

6. СНиП П-М.2-72*. Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования. Доступ из справ. -правового портала «Гарант».

7. СП 60.13330.2012. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Доступ из справ.-правового портала «Гарант».

8. СП 7.13130.2013. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Требования пожарной безопасности. Доступ из справ. -правового портала «Гарант».

9. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник. М.: Асс. «Пожнаука», 2000. 757 с.

10. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. М.: Химия, 1980. 288 с.

11. Отопление и вентиляция: учеб. для вузов. Ч. 2: Вентиляция / В.Н. Богословский [и др.]. М.: Стройиздат, 1976. 439 с.

12. Кривцова В.И., Ключка Ю.П. Определение времени до возникновения пожаровзрывоопасных концентраций в помещении при истечении водорода из системы его хранения. Харьков: НУГЗУ, 2012. № 32. С. 119-124

13. Пузач С.В., Лебедченко О.С. Расположение взрыво- и пожароопасных участков водородно-воздушной смеси по высоте конвективной колонки, образующейся над

53

источником натекания водорода в помещение // Пожаровзрывобезопасность. 2017. Т. 26. № 1. С. 18-24.

14. Рапопорт Ф.М., Ильинская А.А. Лабораторные методы получения чистых газов. М.: Госхимиздат, 1963. 420 с.

15. Rok Krpan and Bostjan Koncar. Simulation of turbulent wake at mixing of two confined horizontal flows science and technology of nuclear installations. Vol. 2018. «Jozef Stefan» institute, Ljubljana, Slovenia.

16. Chen, Goong; Xiong, Qingang; Morris, Philip J.; Paterson, Eric G.; Sergeev, Alexey Sergeev; Wang, Yi-Ching. «OpenFOAM for computational fluid dynamics» // Notices of the American Mathematical Society. 61 (4): 354-363.

References

1. Elinskij I.I. Ventilyaciya i otoplenie gal'vanicheskih cekhov mashinostroitel'nyh predpriyatij. M.: Mashinostroenie, 1989. 152 c.

2. Gel'fand B.E., Popov O.E., Chajvanov B.B. Vodorod: parametry goreniya i vzryva. M.: FIZMATLIT, 2008. 288 s.

3. NPB 105-2003. SP 12.13130.2009. Opredelenie kategorij pomeshchenij, zdanij i naruzhnyh ustanovok po vzryvopozharnoj i pozharnoj opasnosti. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

4. Tekhnicheskij reglament o bezopasnosti zdanij i sooruzhenij: Feder. zakon ot 30 dek. 2009 g. № 384-FZ. Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».

5. Obshchie pravila vzryvobezopasnosti dlya vzryvopozharoopasnyh himicheskih, neftekhimicheskih i neftepererabatyvayushchih proizvodstv: Federal'nye normy i pravila

v oblasti promyshlennoj bezopasnosti. Ser. 9. Vyp. 37. 2-e izd., dop. M.: ZAO «Nauchno-tekhnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopasnosti», 2015. 126 c.

6. SNiP II-M.2-72*. Proizvodstvennye zdaniya promyshlennyh predpriyatij. Normy proektirovaniya. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

7. SP 60.13330.2012. SNiP 41-01-2003. Otoplenie, ventilyaciya i kondicionirovanie vozduha. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

8. SP 7.13130.2013. Otoplenie, ventilyaciya i kondicionirovanie. Trebovaniya pozharnoj bezopasnosti. Dostup iz sprav.-pravovogo portala «Garant».

9. Korol'chenko A.Ya. Pozharovzryvoopasnost' veshchestv i materialov i sredstva ih tusheniya: spravochnik. M.: Ass. «Pozhnauka», 2000. 757 c.

10. El'terman V.M. Ventilyaciya himicheskih proizvodstv. M.: Himiya, 1980. 288 c.

11. Bogoslovskij V.N., Novozhilov V.I., Simakov B.D., Titov V.P. Otoplenie i ventilyaciya: ucheb. dlya vuzov. Ch. 2: Ventilyaciya. M.: Strojizdat, 1976. 439 s.

12. Krivcova V.I., Klyuchka Yu.P. Opredelenie vremeni do vozniknoveniya pozharovzryvoopasnyh koncentracij v pomeshchenii pri istechenii vodoroda iz sistemy ego hraneniya. Har'kov: NUGZU, 2012. № 32. S. 119-124

13. Puzach S.V., Lebedchenko O.S. Raspolozhenie vzryvo- i pozharoopasnyh uchastkov vodorodno-vozdushnoj smesi po vysote konvektivnoj kolonki, obrazuyushchejsya nad istochnikom natekaniya vodoroda v pomeshchenie // Pozharovzryvobezopasnost'. 2017. T. 26. № 1. S. 18-24.

14. Rapoport F.M., Il'inskaya A.A. Laboratornye metody polucheniya chistyh gazov. M.: Goskhimizdat, 1963. 420 s.

15. Rok Krpan and Bostjan Koncar. Simulation of turbulent wake at mixing of two confined horizontal flows science and technology of nuclear installations. Vol. 2018. «Jozef Stefan» institute, Ljubljana, Slovenia.

16. Chen, Goong; Xiong, Qingang; Morris, Philip J.; Paterson, Eric G.; Sergeev, Alexey Sergeev; Wang, Yi-Ching. «OpenFOAM for computational fluid dynamics» // Notices of the American Mathematical Society. 61 (4): 354-363.