Совершенствование локальной очистки воздуха в инкубаториях птицефабрик с помощью электрокоронного фильтра повышенной эффективности

С появлением крупных животноводческих производственных объектов возникла угроза загрязнения окружающего воздушного бассейна. Загрязнения, выбрасываемые в воздух действующих птицефабрик, являются источником запыленности окружающей среды, а также патогенной микрофлоры, создают угрозу для здоровья работников этих производств и окружающего населения.

Так по данным [3] только на одной птицефабрике с поголовьем 720 тысяч вытяжной вентиляцией за один час выбрасывается в воздух до 41,4 кг пыли, 175 млрд. микробов, до 1490 м углекислого газа, 13,3 кг аммиака.

В воздухе цехов птичников, где содержится молодняк, запыленность достигает 200 мг микрочастиц в 1 м воздуха [7, 9, 102] при предельно допустимой концентрации пыли 2.4 мг/м .

Загрязнение атмосферы приводит к снижению производительности труда, повышенной заболеваемости, увеличению числа людей, получивших инвалидность, связанную с производством, что в конечном итоге вызывает рост смертности среди населения [1].

Такая неблагоприятная атмосфера может стать причиной возникновения эпидемий гриппа среди населения окружающих поселков. Это подтверждается исследованиями американских ученых, когда в населенных пунктах с невысоким уровнем загрязнения воздушной среды при эпидемиях гриппа наблюдалось увеличение заболеваемости на 20%, а в населенных пунктах с высоким уровнем запыленности воздушной среды — на 200% [134].

По данным Саратовской областной клиники профессиональных заболеваний в сельском хозяйстве в 1999 году зарегистрировано 144 человека с заболеваниями органов дыхания, в их числе: 95 человек имеют вторую и третью группы инвалидности, 31 человек с частичной утратой трудоспособности.

Эти факты говорят о больших экономических потерях на объектах сельскохозяйственного производства и, конечно, невосполнимы утраты, связанные с потерей здоровья, т.к. такие заболевания, как пылевой бронхит, пневмо-кониоз, бронхиальная астма, носят, как правило, хронический характер, требуют продолжительного лечения для поддержания удовлетворительного состояния больного-хроника.

Неблагоприятное влияние на человека загрязнения внешней среды является определяющим фактором в разработке мероприятий по очистке загрязненного воздуха. Эта проблема постоянно существует в сфере сельскохозяйственного производства, и, в частности, в некоторых зонах производства на инкубаторско-птицеводческих станциях (ИПС, инкубаториях) крупных птицефабрик.

Так, например, высокая запыленность пухом и другими частицами органического происхождения, а также микроорганизмами наблюдается в выводных залах инкубатория, зале сортировки цыплят по полу и оценки их жизнеспособности. В литературе [9] отмечается, что за выводной период в этих помещениях каждый цыпленок выделяет более 10 мг пуха и пыли. Операции по выборке и сортировке цыплят трудоемки и выполняются работницами вручную. А это значит, что на человека в этих условиях всегда оказывает отрицательное влияние этот неблагополучный фон производства.

К сожалению, многие научные исследования и разработки в этой области, как правило, направлены на создание благоприятных, комфортных условий содержания животных и птицы и мало обращают внимания на человека, занятого в этой сфере производства. Между тем, эта проблема давно уже вышла за рамки только производственного процесса, но является частью общей проблемы улучшения экологической обстановки окружающей среды.

Для определения масштабов этой проблемы были исследованы рабочие места вышеуказанных производств на ИПС птицефабрик «Михайловская», «Карла Маркса», агрофирмы «Николаевская». По результатам исследования выявлено, что запыленность воздуха пухом и другими частицами в некоторых о зонах ИПС достигала высоких концентраций: до 30 мг в м воздуха, что превышает среднее значение уровня ПДК таких частиц более чем в 10 раз.

Данное обстоятельство вынуждает птичниц работать в аспирационных (марлевых) масках. Однако, такая мера не решает проблемы экологии рабочего места. Более того, каждая аспирационная маска является своего рода электрофильтром, уничтожая легкие отрицательные аэроионы кислорода, которые необходимы для жизнедеятельности организма человека, что еще более усугубляет экологию воздуха, которым дышат работники этих производств.

Пух, пыль, микроорганизмы, оседая на полу и стенах помещений требуют усиленных мер по уборке и дезинфекции помещений после каждой выборки цыплят, а это дополнительные затраты на оплату труда уборщиц, на расходные моюще-дезинфицирующие средства [45].

Вкладом в решение этой проблемы может стать создание установки для фильтрации воздуха рабочего места и, в первую очередь, в зоне дыхания оператора выводных камер инкубатора и работниц, занятых на выборке и сортировке однодневных цыплят. Необходимо отметить, что в настоящее время таких целенаправленных воздухофильтров локального действия для работников ИПС нет, поэтому разработка эффективного фильтра по очистке воздуха передвижного типа с локальной зоной действия необходима. Нужна также научно-обоснованная программа компьютерного расчета основных параметров таких фильтров на разную производительность. В связи с этим ставится цель данной диссертационной работы, определяются задачи для ее достижения.

Целью диссертации является повышение эффективности очистки воздуха в цехах ИПС птицефабрик путем создания передвижного электрического фильтра коронного разряда локального действия с усовершенствованной системой осадительных электродов.

Дня выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать состояние воздушной среды на рабочих местах особо запыленных зон ИПС и ее влияние на здоровье работающих, обосновать требования к фильтру локальной очистки воздуха и определить его рациональные конструктивно-технологические решения.

2. Исследовать электрофизические свойства пуха однодневных цыплят и выявить их влияние на степень улавливаемости для коронирующе-осадительной зоны фильтра.

3. С помощью морфологического анализа исследовать системное строение разрабатываемого фильтра, осуществить синтез его конструкции по принятым критериям эффективности и теоретически обосновать выбор рациональной электродной системы с целью интенсификации процесса осаждения частиц.

4. Получить уравнение движения частиц пуха в межэлектродном пространстве и определить критериальные условия их осаждения.

5. Изготовить опытный образец фильтра, экспериментально подтвердить теоретические положения в лабораторных, а также производственных условиях при испытании установки.

6. Разработать компьютерную программу для исследования и инженерного расчета основных параметров фильтров с различной производительностью.

7. Дать оценку технико-экономическим показателям применения фильтра на ИПС птицефабрик.

Объектом исследования является электрокоронный фильтр воздуха передвижного типа с локальным действием и трапециевидной схемой расположения осадительных электродов.

Предметом исследования выступают электрофизические процессы, обуславливающие движение частиц пуха и их улавливание с помощью предложенной системы коронирующе-осадительных электродов, а также технологические процессы в работе разрабатываемого фильтра.

Методы исследования заключались в системном подходе при решении поставленных задач, использовании математического аппарата для моделирования электрофизических процессов в фильтре, в использовании специально разработанных программных продуктов ЭВМ.

Научная новизна заключается в том, что:

1. Теоретически обосновано движение частиц пуха однодневных цыплят в рабочей зоне и их осаждение на осадительных электродах предложенной конструкции фильтра, которая защищена Патентом на изобретение Российской Федерации № 2 163 167 от 20.02.2001 г. [111].

2. Получены опытные данные электрофизических параметров пуха однодневных цыплят и обоснованы закономерности их улавливания в рабочей зоне разработанной электродной системы фильтра.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены рациональные электрические режимы для предложенной конструкции осадительных электродов фильтра.

4. Разработана программа компьютерного расчета конструктивно-технологических параметров электрофильтра с предложенной системой осадительных электродов и для различной производительности.

Теоретические исследования основаны: на применении метода морфологического анализа структурных и функциональных признаков существующих систем электрических фильтров воздуха и поиска приемлемого технического решения по принятым критериям эффективности разрабатываемого устройствана теории математического анализа движения частиц пуха в электрическом поле коронного разряда для принятой электродной системы и их осаж-даемостина программных продуктах компьютерного расчета характеристик основных параметров фильтра для заданной производительности при выборе рационального режима.

Экспериментальные исследования включали в себя определение электрофизических свойств пуха однодневных цыплят, его разделение на фракции по физическим и электрическим признакам, исследования Вольт-Амперных и технологических характеристик фильтра для проверки теоретических положений на практике, а также определение рациональных электрических и технологических режимов с целью достижения наибольшего КПД фильтра в граничных пределах эффективности.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основании теоретических и экспериментальных исследований:

— создан энергетически! малозатратный электрофильтр для сильнозапы-ленных производственных помещений ИПС, который осуществляет очистку воздуха от пыли и пуха до норм ПДК непосредственно в зоне дыхания работников;

— оригинальная система осадительных электродов фильтра позволяет повысить до 99% эффективность улавливания пуха и пыли при достаточной воз-духопроизводительности установки;

— для данной модели обоснованы рациональные электрические и технологические режимы рабочей зоны фильтра;

— разработана компьютерная программа расчета параметров фильтра, которую можно использовать для инженерных расчетов основных параметров подобных установок.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-технических конференциях СГАУ (1997.2001гг.) и на отчетной научно-технической конференции Санкт-Петербургского аграрного университета в 2002 году, на Всероссийской конференции «Вавиловские чтения», посвященной 115-летию со дня рождения Н. И. Вавилова, Саратовского государственного аграрного университета, ноябрь 2002 года. В целом диссертация докладывалась на расширенном заседании кафедры ПЭЭСХ СГАУ в декабре 2002 года.

Реализация результатов. Разработанный образец фильтра прошел производственную проверку на ИПС ГУП «Птицесовхоз им. Карла Маркса» Эн-гельсского района в 2002 году с внедрением в производство. Экономическая эффективность от предотвращенного ущерба здоровью работниц ИПС составила 14 810 рублей/год на одного человека. Срок окупаемости установки 1,1 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведенными исследованиями установлено, что отдельные производственные помещения ИПС птицефабрик — зал выводных камер инкубаторов, зал сортировки однодневных цыплят по полу и жизнеспособности, характеризуются значительными зонами запыленности пухом, средняя концентрация о которого колеблется от 6,4 до 19,6 мг/м, а в отдельных местах около о.

30,0 мг/м, что превышает ПДК в 6.10 раз.

2. Неблагополучное состояние воздушной среды отрицательно сказывается на здоровье работников этих производств. Так по данным Саратовского НИИ гигиены села и клиники профзаболеваний при СНИИСГ работники, находящиеся три и более лет под таким пылевым воздействием, как правило, страдают хроническим бронхитом, бронхиальной астмой, пневмокониозами и др. формами заболеваний, которые приводят людей к частичной потери трудоспособности, различным группам инвалидности (по данным на 1.01.2002г. этот показатель по птицеводству составлял 12,9%), сокращению жизни. На лечение заболевших, выплату разного рода пособий по инвалидности затрачиваются значительные средства (по расчетам более 26 тыс. руб./год на 1 человека).

3. Существующие системы общей вентиляции данных производственных помещений энергоемки и не экологичны, а также, не могут, по своей сути, справляться с задачами очистки воздуха на рабочих местах и, непосредственно, в зоне дыхания работников этих производств. Поэтому необходимо разработать автономный передвижной локального действия передвижной фильтр, способный с наименьшим экологическим ущербом и с малозатратной энергетикой эффективно очищать воздух в зоне дыхания работников особо запыленных зон ИПС.

4. Исследования электрофизических свойств пуха однодневных цыплят указывают на то, что эти частицы представляют собой ворсинки, имеющие форму вытянутых эллипсоидов вращения, которые можно разделить на три основные фракции: 54% имеют длину 0,74 мм, ширину 0,23 мм- 28% соответственно 1,23 мм и 0,31 мм- 15,5% - 1,79 мм и 0,33 мми четвертую фракциюсферические частицы диаметром 0,05 мм — 2,5%. Насыпной вес пуха 45 мг/см3, по своим электрическим свойствам он является, практически, диэлектриком О.

Rya=3−10 Ом .м.), диэлектрическая проницаемость s=2,1. Такие электрофизические свойства пуха позволили выбрать наиболее приемлемый способ его улавливания, который основан на коронном разряде в специальной рабочей зоне разрабатываемого электрофильтра.

5. Проведен аналитический обзор конструкций воздухофильтров, на базе которого путем морфологического анализа синтезирован эффективный электрофильтр коронного разряда с трапециевидным расположением осадительных электродов, что позволило за счет возросшей напряженности электрического поля создать на выходе из рабочей зоны, так называемый, электрический барьер, увеличивший силу осаждения частиц и, тем самым, повысить КПД фильтра до 99%.

6. Разработана математическая модель движения частиц пуха в межэлектродном промежутке фильтра, имеющего трапециевидную форму осадительных электродов. Данная модель позволяет проанализировать траектории дрейфа частиц пуха разных фракций в рабочей зоне фильтра, их скорости, а также условия осаждения.

7. На основании аналитических исследований закономерностей движения частиц пуха, в рабочей зоне разработанного фильтра были определены главные электрические, геометрические и режимные управляемые факторы, влияющие на его КПД: угол наклона осадительных электродов — анапряженность электрического поля в межэлектродном пространстве — Ескорость воздушного потока — VB.

8. С помощью разработанной программы компьютерного расчета режимных параметров электрофильтра установлена зависимость влияния данных факторов на показатель эффективности работы фильтра — его КПД. Построенные по результатам таких расчетов аналитические характеристики r|=f (a) — r|=f (U) — Л~((Ув) сопоставлены с аналогичными характеристиками, полученными при лабораторно-производственных испытаниях установки. Расхождение расчетных и опытных кривых r]=f (a) не превышает 6,4%- r|=f (U) — 6,0%- r|=f (VB) — 7,1%, что указывает на их достаточно хорошую сходимость и, следовательно, на достоверность полученных теоретических положений и адекватность предложенной теории движения частиц и их осаждения в рабочей зоне фильтра данной конструкции. Программа расчета на ЭВМ параметрических характеристик электрофильтра данной конструкции позволяет определить траектории движения частиц и их осаждаемость как в стоксовском, так и в надстоксовском диапазоне чисел Рейнольдса, что является необходимым и достаточным для практического применения в инженерных расчетах.

9. С помощью программы была рассчитана и построена многофакторная поверхность отклика КПД фильтра с трапециевидной формой осадительных электродов на основные режимные параметры: напряжение — U и скорость воздуха — VB и определена граничная зона эффективности установки в пределах необходимой производительности по воздуху и допустимой величины отклонения напряжения питающей сети от номинального. Установлено, что при VB=0,6.1,2 м/сек и при U=13,0.12,5 кВ КПД фильтра не выйдет за пределы 0,99.0,9 о.е.

10. Оценка эффективности очистки воздуха с помощью электрокоронного фильтра, проведенная на уровне дыхания работниц, занятых сортировкой выведенных цыплят, показала, что при первоначальной запыленности в 17,3.

3 3 мг/м она составила после включения электрокоронного фильтра 3,4 мг/м, что меньше верхнего уровня ПДК — 4,0мг/м .

11. Экономический эффект от применения электрофильтра определен на основании «неотвратимого случая» профзаболевания органов дыхания работника, занятого в данном производстве. Предотвращенный экономический ущерб за счет внедрения на ИПС такого электрофильтра составил Эпр=14 810 руб./год, срок окупаемости капвложений равен Т=1,1 года.