Full Text

Введение Во многих отраслях современного машиностроительного производства из-за увеличения числа и интенсивности технологических процессов, в ходе которых образуется и выделяется большое количество аэрозольных загрязнителей, наблюдается неблагоприятное воздействие на воздух рабочей зоны [1-3]. Несмотря на то что значимость аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны признана уже давно, до настоящего времени не все фундаментальные закономерности аэрозольного загрязнения в реальных производственных условиях установлены и описаны. Наиболее изученными являются аэрозольные частицы с размером, превышающим 0,5-1 мкм, в силу возможности отбора их на фильтры для последующего микроскопического и химического анализа. Однако принятый в настоящее время гравиметрический подход к способу оценки вредного воздействия аэрозольного загрязнения не удовлетворяет современным тенденциям, поскольку без определения дисперсности аэрозольных частиц, их физико-химических и технологических свойств нельзя объективно оценить эффективность, подобрать, наладить и правильно эксплуатировать устройства индивидуальной и коллективной защиты [4-6]. На современном этапе развития машиностроительного производства актуальность проблемы обеспечения безопасности и качества воздуха рабочей зоны усугубляется увеличением выбросов в воздух рабочей зоны высокодисперсных аэрозольных частиц (диаметром от порядка нанометра до, по крайней мере, сотен нанометров), в том числе и электрически заряженных (тяжелых аэроионов) [7-14]. Увеличение доли высокодисперсных частиц связано с технологическим и техническим перевооружением, а именно с всевозрастающими скоростями, сложностью и точностью обработки материалов, с всё более широким внедрением на различных производствах пластмассовых, полимерных и композитных материалов и обрабатываемых деталей из высокопрочных сплавов, в том числе полученных при помощи нанотехнологий. Другой, не менее важной характеристикой рабочей зоны является аэроионный состав, который определяет качество воздуха в технологической зоне машиностроительного производства и активно влияет на износ оборудования [15, 16]. Таким образом, с учетом изменения характера и условий труда современного машиностроительного производства необходимо рассматривать высокодисперсное аэрозольное загрязнение и аэроионный состав как взаимосвязанные производственные факторы, определяющие безопасность и качество воздуха рабочей зоны. Однако следует отметить, что измерение концентраций аэрозольных частиц диаметром менее 0,1 мкм является задачей технически очень сложной [17]. В связи с этим актуальным становится получение информации о высокодисперсных аэрозольных частицах путем экстраполяции инструментально определенного распределения частиц размером более 0,1 мкм в более мелкие фракции. Для этого предлагается осуществить моделирование взвешенных в воздухе частиц диаметром от порядка нанометра до, по крайней мере, сотен нанометров, рассматривая систему «аэрозольные частицы - аэроионы». Теоретико-эмпирические основы модели Картину взаимосвязи концентрации легких аэроионов с аэрозольным загрязнением предлагается проследить, рассматривая ионизационно-рекомбинационное уравнение образования и исчезновения легких аэроионов, устанавливающее взаимосвязь величины объемных счетных концентраций легких аэроионов с уровнем ионообразования и аэрозольным загрязнением с учетом рекомбинации аэроионов между собой и осаждения на аэрозольные частицы: (1) где ni - концентрация легких аэроионов подвижностью mi = = 0,5…2 см2·В-1·с-1; i - характеристика заряда иона: если заряд положительный, то i обозначается знаком «+», если заряд отрицательный - знаком «-»; n - интенсивность ионообразования; a - коэффициент рекомбинации противоположно заряженных легких аэроионов друг с другом, согласно расчетам по теории прилипания в результате тройного столкновения для нормальных условий a = 1,4 × 10-6 см3/с, что близко к экспериментально наблюдаемым значениям a @ 1,6 × 10-6 см3/с [18]; - коэффициент слияния легких положительных (или отрицательных) аэроионов и аэрозольных частиц диаметром D и зарядом ce (или -ce); - концентрация аэрозольных частиц диаметром D и зарядом ce в момент времени t; e - элементарный заряд; t - время. Предположим, что система «аэрозольные частицы - аэроионы» находится в термодинамическом и электрическом равновесии (т.е. распределение аэрозольных частиц по размерам квазистационарно и по зарядам симметрично). Тогда уравнение (1) может быть записано в виде (2) где - коэффициент, отражающий величину убыли аэроионов на аэрозольных частицах, В равновесном состоянии производные уравнений (2) становятся равными нулю и Решение уравнений (2) относительно n+ и n- дает (3) Предположив, что концентрации легких аэроионов обоих знаков равны (n+ = n- = n), исходные уравнения аэроионного баланса (2), опуская индекс i, запишем в виде (4) Убыль аэроионов Spn в уравнении ионного баланса за счет оседания на аэрозольные частицы в предположении, что полное число аэрозольных частиц в единице объема и N+ = N-, можно записать как (5) где b0(D) - коэффициент рекомбинации между аэроионами и нейтральными аэрозольными частицами; bc(D) - коэффициент рекомбинации между аэроионами и заряженными частицами с числом элементарных зарядов c = 1, 2, 3, ... (или -c = 1, 2, 3, ...); N0(D) - концентрация незаряженных частиц; Nc(D) - концентрация частиц, заряженных до величины c (или -c). В равновесном состоянии системы применительно к условию симметричной (т.е. при диффузионной зарядки аэрозольных частиц легкими аэроионами слияние аэроионов и аэрозольных частиц (5) во всем интервале размеров частиц может быть описано эмпирической формулой [19] (6) где D - диаметр аэрозольных частиц, мкм; - распределение аэрозольных частиц по размерам. С учетом принятых обозначений для стационарных условий уравнение (4) принимает вид (7) Решая полученное квадратное уравнение и исключая отрицательное решение, имеем (8) Модель системы «аэрозольные частицы - аэроионы», алгоритм моделирования распределения аэрозольных частиц по размерам Отметим, что для решения уравнения (8), связывающего интенсивность ионообразования, счетные концентрации легких аэроионов и распределение аэрозольных частиц по размерам, необходимы сведения о дисперсном составе аэрозоля в широком интервале размеров частиц от Dmin (по крайней мере порядка 0,05 мкм) до Dmax. В практических исследованиях чаще всего распределение определено только для аэрозольных частиц диаметром порядка и более 0,1 мкм (чаще в диапазоне диаметров более 0,3-0,5 мкм). Применение уравнения (8) становится некорректным в случае отсутствия данных распределения аэрозольных частиц в широком интервале от Dmin до Dmax. Информацию о высокодисперсных аэрозольных частицах, имея данные о распределении частиц размером более 0,1 мкм, можем получить, рассматривая эмпирические модели, описывающие характер распределения частиц аэрозоля по размерам. Логарифмически нормальное распределение считается наиболее обоснованным для аналитического описания дисперсного состава аэрозольного загрязнения, особенно в области высокодисперсной фракции. Известно [20], что в большинстве случаев распределение аэрозольных частиц может быть сведено к суперпозиции нескольких логарифмически нормальных распределений: (9) где N0j - общее число частиц j-й моды; sj - стандартное геометрическое отклонение j-й моды; D0j - среднее геометрическое значение диаметра моды. Число мод j в распределении примем равным четырем [21], причем одна из мод (j = 4) лежит в области частиц со средним геометрическим значением диаметра D04 > 1 мкм. В области размеров частиц менее 1 мкм рассматриваются возможные оставшиеся три моды (рис. 1). При этом будем иметь в виду, что в отдельных случаях распределение в области размеров частиц менее 1 мкм может быть сведено к бимодальному или даже одномодальному. Таким образом, использование суперпозиции нескольких логарифмически нормальных распределений для описания дисперсного состава аэрозольных частиц позволяет проводить аппроксимации экспериментальных данных распределения вплоть до диапазона диаметров D ~ 0,01 мкм и тем самым оценивать количественные характеристики высокодисперсной фракции аэрозоля. При моделировании распределения аэрозольных частиц предлагается принять следующие начальные условия итераций и пройти следующие итерационные этапы: Этап 1. В первоначальном приближении средние геометрические диаметры частиц, стандартные геометрические отклонения и концентрации частиц принимают значения согласно рис. 1. Значения sj, подбираются методом наименьших квадратов таким образом, чтобы обеспечить соответствие известным экспериментальным данным распределения аэрозольных частиц, а также сходимость уравнения (5), Рис. 1. Первоначальные условия итераций при моделировании распределения аэрозольных частиц (по данным работы [21]) связывающего распределение аэрозольных частиц и концентрации аэроионов. Для этого в модах последовательно подгоняются значения: а) средних геометрических диаметров б) стандартных геометрических отклонений sj в диапазоне 1,2-2,1; в) общего числа частиц Этап 2. При условии достижения заданной точности аппроксимации рассматривается возможность уменьшения количества мод в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм с трех до двух. Возможны два варианта: в диапазоне размеров частиц менее 0,1 мкм наблюдаются две моды (начальные условия итераций аналогичны моде 1 и моде 2 (см. рис. 1)) или в диапазоне частиц менее 0,1 мкм наблюдается только одна мода (диапазон частиц 0,003-0,100 мкм), а вторая мода попадет в диапазон размеров 0,1-1,0 мкм. Этап 3. При условии достижения заданной точности аппроксимации рассматривается возможность уменьшения количества мод в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм с двух до одной. В случае одномодового распределения проводятся итерации, аналогичные описанным на первом этапе для диапазона размеров частиц 0,003-1,000 мкм. В диапазоне высокодисперсных аэрозольных частиц (диаметром менее 0,1 мкм) следует рассматривать только одну моду, а другую следует отнести к диапазону размеров частиц более 0,1 мкм при выполнении хотя бы одного из представленных ниже условий: а) и мкм; б) и и мкм; в) и или ; г) или и В диапазоне высокодисперсных аэрозольных частиц (диаметром менее 0,1 мкм) следует рассматривать две моды при выполнении хотя бы одного из представленных ниже условий: а) мкм; б) и мкм; в) или и мкм; г) Моду высокодисперсных частиц (мода 2) определяем методом наименьших квадратов таким образом, чтобы значения концентраций тяжелых аэроионов, вычисленные исходя из больцмановского распределения заряда на аэрозольных частицах (10) а также эмпирического соотношения, связывающего значение диаметра аэрозольных частиц и подвижности [22] (11) совпадали с экспериментально наблюдаемыми. В уравнениях (10) и (11) приняты обозначения: e0 - электрическая постоянная; k - постоянная Больцмана; T - температура. Экспериментальная проверка достоверности модели Предложенная модель системы «аэрозольные частицы - аэроионы» апробирована экспериментально в условиях действующего машиностроительного производства. В качестве характерной производственной операции и характерной рабочей зоны выбрана ручная механическая шлифовка деталей и, соответственно, воздух рабочей зоны шлифовщика, выполняющего работу по зачистке деталей при помощи ручной шлифовальной машины, оснащенной шлифовальным кругом из керамического оксида алюминия, скорость его вращения - до 35 000 об/мин. Исследования проведены для обрабатываемых деталей из различных материалов - стали, алюминия, керамики, политетрафторэтилена (тефлона). Измерение концентраций легких (подвижностью более 0,1 см2·В-1·с-1) и тяжелых (подвижностью 0,001 см2·В-1·с-1) аэроионов проводилось при помощи спектрометра аэроионов UT-8401 № 154. Для определения распределения аэрозольных частиц по размерам использовался аэрозольный счетчик ПКЗВ-1 с диапазоном размеров исследуемых аэрозольных частиц 0,3-100 мкм. Все указанные средства измерения располагались на передвижной платформе высотой 1,5 м, которая при проведении исследований находилась на расстоянии не более 0,5 м от зоны дыхания работника (все исследованные операции выполнялись работниками в положении стоя). Перед началом измерений приборы заземляли, готовили к работе, прогревали и устанавливали необходимые настройки. Снятие показаний приборов осуществляли после начала выполнения исследованных производственных операций. Для обеспечения статистической достоверности все исследования выполнялись сериями из не менее 5-7 измерений. Между проведением серий измерений осуществлялись сброс показаний, корректировка или установление «нуля» приборов. Во время измерений не допускалось никаких посторонних движений в исследуемом объеме воздуха рабочей зоны. При шлифовке распределение аэрозольных частиц носит явно выраженный модальный характер. Распределение частиц при обработке деталей из стали описывается двумя модами (рис. 2, а). В случаях обработки деталей из алюминия (рис. 2, б), керамики (рис. 2, в), тефлона (рис. 2, г) - тремя модами. При обработке деталей из керамики и тефлона в области высокодисперсных (менее 0,1 мкм) частиц распределение удалось свести к одной моде (см. рис. 2, в и г, обозначено мода 1(2)). Средние геометрические значения диаметров мод распределений варьируются в диапазонах D02 = (0,034 ± 0,013) мкм, D03 = (0,61 ± 0,06) мкм, D04 = (2,33 ± 0,44) мкм. Величины стандартных геометрических отклонений варьируются в диапазонах s02 = = 1,75 ± 0,13, s03 = 1,65 ± 0,15, s04 = 1,73 ± 0,18. Модальные счетные концентрации N03 и N04 варьируются в очень широких пределах - от единиц до сотен и от долей единиц до единиц соответственно. Модальная счетная концентрация (диапазон высокодисперсных частиц) варьируется в диапазоне N02 = (48 750 ± 15 750) см-3. а б в г Рис. 2. Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны при шлифовке детали: а - из стали; б - алюминия; в - керамики; г - тефлона Концентрации легких аэроионов при шлифовке составляют величину порядка 100 см-3. Оцененная по уравнению (7) величина интенсивности ионообразования варьируется в пределах (4,65 ± 0,15) см-3·с-1 и является характерной для производственных помещений без дополнительных источников генерации аэроионов, что подтверждает достоверность представленной модели «аэрозольные частицы - аэроионы» и положенного в ее основу теоретико-эмпирического аппарата. Заключение Предложенная модель системы «аэрозольные частицы - аэроионы» апробирована на одной из характерных для машиностроительных производств операции - холодной механической обработке (шлифовке) деталей из различных материалов (сталь, алюминий, керамика, тефлон). Полученные результаты подтверждают возможность применения предложенного подхода к оценке содержания аэрозолей высокодисперсной фракции (размером менее 0,1 мкм) по результатам исследований аэроионного состава и аэрозольного распределения частиц в области фракций размером более 0,3 мкм. Совпадение результатов оценок с известными в научном сообществе результатами свидетельствует о достоверности предложенного подхода. Показано, что при осуществлении отдельных из указанных выше производственных операций аэрозольное загрязнение характеризуется наличием аэрозольных частиц высокодисперсной фракции, что накладывает дополнительные требования по обеспечению безопасной и качественной воздушной среды в зоне технологических операций и рабочей зоне. Так, например, при шлифовке наибольшая генерация высокодисперсных частиц наблюдается при обработке деталей из алюминия. При обработке деталей из керамики установлена максимальная (по сравнению с другими исследуемыми материалами) из исследованных материалов концентрация аэрозольных частиц респирабельной фракции (диаметром более 0,5 мкм).

About the authors

K. A Chernyi

Perm National Research Polytechnic University

Email: chernyy_k@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 46

PDF (Russian) - 36

Refbacks

• There are currently no refbacks.