Динамика газовоздушной среды в закрытых помещениях при работе в них транспортных средств

Динамика газовоздушной среды в закрытых помещениях при работе в них транспортных средств

В статье исследуется образование токсических веществ в закрытых помещениях при работе них мобильной техники и условия обеспечения нормальных условий работы в пределах предельно допустимых концентрациях вредных веществ в помещении.

Аннотация статьи
газовая смесь
количество воздуха
содержание вредных веществ
выхлопные газы
Ключевые слова

Постановка задачи. Имеется помещение объемом V м3, в котором работает некоторое транспортное средство, к примеру, животноводческое помещение, теплица и пр., при работе в нем трактора. Вследствие работы двигателя трактора в помещение поступают выхлопные газы, содержащие вредные вещества (ВВ), отрицательно сказывающиеся на животных и обслуживающем персонале. Для удаления выхлопных газов работает приточно-вытяжная вентиляционная система [1, 2]. Требуется исследовать динамику изменения количества ВВ и их концентрацию с течением времени.

Примем следующие данные. Начальная концентрация ВВ в помещении С0 грамм/м3; количество ВВ при этом равно Q0 = С0V грамм [г]. Количество выхлопных газов, начинающих поступать в помещение при t0 = 0 в единицу времени VВГ [м3/с], имеет концентрацию ВВ СВГ [г/м3]. Тогда количество ВВ, поступающее в помещение в единицу времени QBB = CВГVВГ [г/с]. Количество воздуха, поступающее от приточного вентилятора в единицу времени VПР [м3/с]. Следовательно, объем газовой смеси, поступающий в помещение в единицу времени, равен VГС = VПР + VВГ [м3/с] и имеет концентрацию ВВ СГС = QВВ/VГС = СВГVВГ/(VПР + VВГ) [г/м3]. Этот объем должен удаляться вытяжной вентиляцией при условии отсутствия сжатия или разрежения газо-воздушной среды в помещении.

Составим дифференциальное уравнение изменения ВВ в помещении. Пусть в текущий момент времени количество ВВ y = y(t). Изменение количества ВВ за элементарное время dt будет равно:

 dy = QВВdt – (VГС/V)ydt, (1)

где первый член в правой части (1) – количество ВВ, поступающих в помещение за время dt, а второй – количество ВВ, удаляемое из помещения за время dt.

Разделив на dt и обозначив VГС/V = k [1/c], получим дифференциальное уравнение

, (2) с начальным условием t0 = 0, у(0) = Q0.

Решение уравнения (2) известно [3, с. 33]:

 . (3)

Из (3) видно, что при t = 0 y(0) = Q0, при → ∞ y → QВВ/k – конечное количество ВВ в помещении.

Перейдем к концентрациям, разделив (3) на V.

, (4)

где С – текущая концентрация ВВ в помещении, С0 – начальная концентрация, СК = СВГ VВГ/(VВГ + VПР) [г/м3] – конечная концентрация.

Таким образом

 . (5)

Рассмотрим ряд процессов изменения концентрации ВВ в помещении.

1. Пусть V = 600 м3 – объем помещения, VВГ = 0,3 м3/с – объем выхлопных газов, поступающих в помещение в секунду от транспортного средства, С0 = 5 мг/м3 – начальная концентрация ВВ в помещении, СВГ = 30 мг/м3 – концентрация вредных веществ в выхлопных газах, VПР = 0.5 м3/с – объем приточного воздуха, СПР = 0 – концентрация ВВ в приточном воздухе. Рассчитать процесс изменения ВВ с течением времени.

Подсчитаем величину k = (VВГ + VПР)/V = 1,333×10-3 1/с. и конечную концентрацию ВВ СК = СВГ VВГ/(VВГ + VПР) = 11,25 мг/м3. Согласно формуле (5) процесс изменения концентрации ВВ показан на рис. 1 кривой 1. Видно, что концентрация ВВ в помещении нарастает, так как СК > С0.

2. Пусть VВГ = 0,3 м3/с, С0 = 5 мг/м3СВГ = 30 мг/м3VПР = 1.5 м3/с, СПР = 0. Величина k = 3×10-3СК = 5 мг/м3. Концентрация ВВ с течением времени остается постоянной, так как СК = С0 (прямая 2). Производительность приточного вентилятора подсчитывается по формуле VПР = VВГ×(СВГС0 – 1).

3. Пусть VВГ = 0,2 м3/с, С0 = 5 мг/м3СВГ = 10 мг/м3VПР = 1 м3/с, СПР = 0. Величина k = 2×10-3СК = 1.667 мг/м3. Концентрация ВВ с течением времени убывает, так как СК < С0 (кривая 3). Пусть предельно-допустимая концентрация pdk = 2 мг/м3. Время, в течение которого концентрация ВВ достигнет предельно-допустимого значения, подсчитывается по формуле

и равно 5×103 сек. или »1,4 часа.

4. Пусть VВГ = 0, С0 = 10 мг/м3СВГ = 0, VПР = 0,5 м3/с, СПР = 0. Требуется рассчитать процесс уменьшения начальной концентрации ВВ при отсутствии их поступления в помещение.

Уравнение (4) при заданных начальных условиях имеет вид (СК = 0)

,

где величина k = 8,333×10-4. Концентрация ВВ с течением времени убывает, (кривая 4). Пусть предельно-допустимая концентрация pdk = 2 мг/м3. Время, в течение которого концентрация ВВ достигнет предельно-допустимого значения в 2 мг/м3, подсчитывается по формуле

и равно 1,9×103 сек. или » 0,536 часа.

Так как полное удаление ВВ из помещения теоретически достигается при t = ¥, то на практике обычно считают, что переходный процесс изменения ВВ в этом случае заканчивается при достижении концентрации ВВ, равной (1 – 5)% (0,01 – 0,05 мг/м3) [4, с. 206]. Примем 0,05 мг/м3 и подставляя в приведенную выше формулу pdk = 0,05, определим условное время окончания переходного процесса: tК = 1,766 часа.

Текст статьи
  1. Ванцов, В.И. Обоснование и разработка комплекса мероприятий по нормализации атмосферы теплицы в процессе использования в них средств механизации [Текст] : дис… канд. техн. наук / В.И. Ванцов. – Рязань, 1990. – 220 с.
  2. Тришкин, И.Б. Способы и технические средства снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств при работе в помещениях сельскохозяйственного назначения [Текст]: дис… д-р техн. наук: / И.Б. Тришкин. – Мичуринск, 2014. – 545 с.
  3. Пискунов, Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов / Н.С. Пискунов. – М. : «Наука», 1978. – 575 с.
  4. Бессекерский, В.А., Попов, Е.П. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бессекерский, Е.П. Попов. – М. : «Наука», 1975. – 767 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 24 июля по 30 июля
Осталось 6 дней до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
03 августа
Загрузка в eLibrary
03 августа
Рассылка печатных экземпляров
11 августа