Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів

Розглянуто процес формування пилового осаду на багатошаровому фільтрі. Запропоновано методику розрахунку багатошарових фільтрів, яка сприяє забезпеченню максимальної пиломіскості й мінімального перепаду тиску при варіюванні діаметрів волокон шарів та їх товщини. Згідно з результатами експериментальн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Чеберячко, С.І., Яворська, О.О., Чеберячко, Ю.І., Столбченко, О.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2016
Назва видання:	Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138251
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів / С.І. Чеберячко, О.О. Яворська, Ю.І. Чеберячко, О.В. Столбченко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 129. — С. 256-270. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-138251
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1382512025-02-09T14:57:31Z Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів Расчет двухступенчатых фильтровальных систем протипылевых респираторов Calculation of two-stage filtration systems in the dust mask Чеберячко, С.І. Яворська, О.О. Чеберячко, Ю.І. Столбченко, О.В. Розглянуто процес формування пилового осаду на багатошаровому фільтрі. Запропоновано методику розрахунку багатошарових фільтрів, яка сприяє забезпеченню максимальної пиломіскості й мінімального перепаду тиску при варіюванні діаметрів волокон шарів та їх товщини. Згідно з результатами експериментальних досліджень із запилення, виготовлених двошарових зразків, максимальна кількість пилу осідає на фільтрах, щільність упакування яких міститься в діапазоні 0,03–0,06. Розраховано параметри нової багатошарової фільтрувальної півмаски зі збільшеною пиломісткістю. Рассмотрен процесс формирования пылевого осадка на многослойном фильтре. Предложена методика расчета многослойных фильтров, которая способствует обеспечению максимальной пилеѐмкости и минимального перепада давления при варьировании диаметров волокон слоев и их толщины. Согласно результатам экспериментальных исследований по опылению, изготовленных двухслойных образцов, максимальное количество пыли оседает на фильтрах, плотность упаковки которых содержится в диапазоне 0,03-0,06. Рассчитаны параметры новой многослойной фильтровальной полумаски с увеличенным пылевмещением. A process of formation of dust deposition in the multi-layer filter is considered. A method of calculating the multilayer filter is proposed, which helps ensuring maximum dust depositing and minimum pressure drop at varying diameter and thickness of the fiber layers. According to the experimental study of the dust content in the two-layer samples, maximal amount of dust is deposited on the filters, packing density of which is within the range of 0.03-0.06. Parameters were calculated for the new multi-layer filtering half-mask with increased volume for deposition of dust. 2016 Article Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів / С.І. Чеберячко, О.О. Яворська, Ю.І. Чеберячко, О.В. Столбченко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 129. — С. 256-270. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138251 614.894.3:622.872 uk Геотехнічна механіка application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Розглянуто процес формування пилового осаду на багатошаровому фільтрі. Запропоновано методику розрахунку багатошарових фільтрів, яка сприяє забезпеченню максимальної пиломіскості й мінімального перепаду тиску при варіюванні діаметрів волокон шарів та їх товщини. Згідно з результатами експериментальних досліджень із запилення, виготовлених двошарових зразків, максимальна кількість пилу осідає на фільтрах, щільність упакування яких міститься в діапазоні 0,03–0,06. Розраховано параметри нової багатошарової фільтрувальної півмаски зі збільшеною пиломісткістю.
format	Article
author	Чеберячко, С.І. Яворська, О.О. Чеберячко, Ю.І. Столбченко, О.В.
spellingShingle	Чеберячко, С.І. Яворська, О.О. Чеберячко, Ю.І. Столбченко, О.В. Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів Геотехнічна механіка
author_facet	Чеберячко, С.І. Яворська, О.О. Чеберячко, Ю.І. Столбченко, О.В.
author_sort	Чеберячко, С.І.
title	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів
title_short	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів
title_full	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів
title_fullStr	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів
title_full_unstemmed	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів
title_sort	розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138251
citation_txt	Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів / С.І. Чеберячко, О.О. Яворська, Ю.І. Чеберячко, О.В. Столбченко // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 129. — С. 256-270. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT čeberâčkosí rozrahunokdvostupenevihfílʹtruvalʹnihsistemprotipilovihrespíratorív AT âvorsʹkaoo rozrahunokdvostupenevihfílʹtruvalʹnihsistemprotipilovihrespíratorív AT čeberâčkoûí rozrahunokdvostupenevihfílʹtruvalʹnihsistemprotipilovihrespíratorív AT stolbčenkoov rozrahunokdvostupenevihfílʹtruvalʹnihsistemprotipilovihrespíratorív AT čeberâčkosí rasčetdvuhstupenčatyhfilʹtrovalʹnyhsistemprotipylevyhrespiratorov AT âvorsʹkaoo rasčetdvuhstupenčatyhfilʹtrovalʹnyhsistemprotipylevyhrespiratorov AT čeberâčkoûí rasčetdvuhstupenčatyhfilʹtrovalʹnyhsistemprotipylevyhrespiratorov AT stolbčenkoov rasčetdvuhstupenčatyhfilʹtrovalʹnyhsistemprotipylevyhrespiratorov AT čeberâčkosí calculationoftwostagefiltrationsystemsinthedustmask AT âvorsʹkaoo calculationoftwostagefiltrationsystemsinthedustmask AT čeberâčkoûí calculationoftwostagefiltrationsystemsinthedustmask AT stolbčenkoov calculationoftwostagefiltrationsystemsinthedustmask
first_indexed	2025-11-27T02:25:51Z
last_indexed	2025-11-27T02:25:51Z
_version_	1849908638779441152
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 256 УДК 614.894.3:622.872 Чеберячко С.І., д-р техн. наук, професор, Яворська О.О., канд. техн. наук, доцент, Чеберячко Ю.І., канд. техн. наук, доцент, Столбченко О.В., канд. техн. наук, доцент (Державний ВНЗ «НГУ») РОЗРАХУНОК ДВОСТУПЕНЕВИХ ФІЛЬТРУВАЛЬНИХ СИСТЕМ ПРОТИПИЛОВИХ РЕСПІРАТОРІВ Чеберячко С.И., д-р техн. наук, профессор, Яворская Е.А., канд. техн. наук, доцент, Чеберячко Ю.І., канд. техн. наук, доцент, Столбченко Е.В., канд. техн. наук, доцент (Государственное ВУЗ «НГУ») РАСЧЕТ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРОТИПЫЛЕВЫХ РЕСПИРАТОРОВ Cheberyachko S.I., D.Sc.(Tech.), Professor, Yavorska O.О., Ph.D. (Tech.), Associate Professor, Cheberyachko Yu. I., Ph.D. (Tech.), Associate Professor, Stolbchenko O.V., Ph.D. (Tech.), Associate Professor (State HEI «NMU») CALCULATION OF TWO-STAGE FILTRATION SYSTEMS IN THE DUST MASK Анотація. Розглянуто процес формування пилового осаду на багатошаровому фільтрі. Запропоновано методику розрахунку багатошарових фільтрів, яка сприяє забезпеченню максимальної пиломіскості й мінімального перепаду тиску при варіюванні діаметрів волокон шарів та їх товщини. Згідно з результатами експериментальних досліджень із запилення, ви- готовлених двошарових зразків, максимальна кількість пилу осідає на фільтрах, щільність упакування яких міститься в діапазоні 0,03–0,06. Розраховано параметри нової багатошарової фільтрувальної півмаски зі збільшеною пи- ломісткістю. Ключові слова: респіратор, коефіцієнт захисту, СІЗОД, професійні захворювання, аеро- зольний фільтр, пиломісткість. Актуальність. Високоефективний аерозольний фільтр – це пристрій, у яко- му вдихуване повітря просочується крізь фільтрувальний матеріал, який затри- мує аерозольні частинки за допомогою декількох механізмів уловлювання і по- ступово накопичує їх осад у своєму об’ємі. Водночас перепад тиску аерозоль- них частинок зростає і при високих концентраціях пилу в робочій зоні фільтра його експлуатаційні властивості погіршуються і зростають енергозатрати гір- ників [1,2]. Тож збільшення тривалості захисної дії протипилових респіраторів в складних умовах експлуатації гірничих підприємств є актуальним завданням. ________________________________________________________________________________ © С.І. Чеберячко, О.О. Яворська, Ю.І. Чеберячко, О.В. Столбченко, 2016 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 257 Проблема збільшення пиломісткості фільтрів, а отже, і тривалості їх захис- ної дії, виникла вже з появою перших пристроїв для захисту органів дихання. Нині важливого значення набуває завдання збільшення ресурсу високоефекти- вних поліпропіленових фільтрів, що широко використовуються для виготов- лення засобів індивідуального захисту органів дихання шахтарів. Постановка проблеми. Загально визнаний шлях розв’язання цієї проблеми – виготовлення фільтрів з різною щільністю упакування волокон за товщиною. Це дає змогу мінімізувати зростання перепаду тиску під час уловлювання аеро- золів. Якщо щільність упакування волокон однорідна за товщиною, то пиловий осад розподіляється нерівномірно. Найбільше пилу концентрується на зовніш- ньому шарі фільтра, унаслідок чого значно зменшується ресурс його викорис- тання. Змінюючи щільність упакування або радіус волокон, можна значно під- вищити пиломісткість і строк експлуатації фільтра. Однак у методиках розра- хунку багатошарових фільтрів умови їх експлуатації не враховуються [3–5]. Отже, постає завдання визначити основні характеристики поліпропіленових фі- льтрувальних шарів – радіус волокон, товщину фільтрувального шару, щіль- ність упакування – для забезпечення рівномірного розподілу пилового осаду на багатошарових фільтрах. Більшість дослідників, розраховуючи параметри фільтрувальних матеріалів, виходили тільки із зазначеної ефективності захисту, яку має забезпечити фільтр. Наприклад, у роботі [3] автори з формул для оцінки перепаду тиску зра- зка фільтрувального матеріалу й коефіцієнта проникнення виділили спільну ча- стину, яку назвали сумарною поверхнею волокон фільтрувального матеріалу, і встановили зв’язок між цими двома величинами. Це й дало змогу отримати па- раметри фільтрувального шару. Інші вчені розрахували оптимальний радіус двошарових фільтрів для встановлення механізму осідання пилових частинок на волокні, що дало змогу врахувати їх вплив на коефіцієнт проникнення та опір диханню [4, 5]. Також є праці, у яких розглядаються питання підвищення пиломісткості фільтрів за збереження необхідної ефективності фільтрації. Деякі науковці пропонують змінювати щільність упакування волокон за товщиною фільтра [6], проте розрахунки ґрунтуються тільки на концентрації пилу в робо- чій зоні. Мета: розробка двоступеневої фільтрувальної системи збільшеної пиломіс- кості для протипилових респіраторів. Результати досліджень. Розглянемо метод розрахунку двошарових фільт- рів (рис. 1). Сформулюємо завдання: знайти такі параметри фільтрувальних шарів, для яких кількість частинок, що осіли в системі, буде максимальною са- ме тоді, коли перепад тиску досягне гранично допустимого значення (за умови, що задано коефіцієнт захисту фільтра). Уважатимемо, що площі двох фільтрів і швидкості фільтрування є однако- вими; для забезпечення максимальної тривалості захисної дії можна змінювати радіуси чистих волокон, щільність їх упакування і товщину фільтрувального шару. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 258 Рисунок 1 – Схема двошарового фільтра Оскільки попередній фільтр характеризується більшою захисною ефектив- ністю Е2, ніж фінішний, то на його лобовій поверхні швидко зростає шар пило- вого осаду. За таких умов об’ємне фільтрування відсутнє. Це дає змогу визна- чати перепад тиску на фінішному фільтрі як суму початкового перепаду тиску Δp2 і перепаду тиску на пиловому осаді,що формується на його поверхні Δp2п. Тоді повний перепад тиску на двошаровому фільтрі можна визначити за фор- мулою [7]        .tt,pppp ;tt,ppp p ' ' п22п11 п221 ф (1) де Δp1 – перепад тиску на попередньому фільтрі, Па; Δp1п – перепад тиску шару пилового осаду, що утворюється на поверхні попереднього фільтра після закін- чення об’ємного забивання пилом, Па;t – загальний час роботи, с; t′ – час, коли на поверхні попереднього фільтра починає формуватися пиловий осад, с. Перепад тиску на фінішному фільтрі розраховується за формулою [8] Δp2 = 4μβНv/[а 2 k0(β)], (2) де μ – динамічна в’язкість повітря, Па∙с; β – щільність упакування волокон; Н – товщина фільтрувального шару, м; а – середній радіус волокон у фільтрі, м; v– швидкість фільтрування, м/с; k0(β) – коефіцієнт опору фільтрувального шару, який для поліпропіленових волокон розраховується за формулою [9] k0(ß)=4π/(-0,5lnß-1,15). Перепад тиску на пиловому осаді, що утворюється під час фільтрування, ви- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 259 значаємо за формулою [8] νHп(t)k0(ß1)/(2πρчαr 2 ) (3) де Нп(t) – товщина пилового шару, м, що визначається як волокнистий еквіва- лент, у якому довжина волокон відповідає кількості частинок, що осіли на їх поверхні: Hп (t)=2ηαr 3 N(H,t)/ß2; де β2 – щільність волокон з налиплим пилом: ß1(х,t)=ß+8παr 3 N(x,t), Де N(x,t) – кількість частинок, що осіли за час t на одиниці об’єму фільтра на глибині х; ar – середній радіус частинок, що осіли, м. Перепад тиску на зовнішньому шарі з урахуванням накопичення пилового осаду визначається за формулою [8]       H dx)t,х(N,t,хF)d/(tp 0 1 2 1 4х, , (4) де d – діаметр волокон фільтра, м; F– сила, що діє на одиницю довжини волокна й залежить від часу tі товщини фільтрувального шару х, кількості частинок N, що осіли на поверхні волокон, і щільності упакування волокон β1. Оскільки захисна ефективність усього фільтра визначається здебільшого внутрішнім шаром, то його радіус волокон можна визначити з рівняння [9] η2(αп)/(πα2)= – [lnKп/(2α2Н)] (5) а параметри зовнішнього фільтра – ураховуючи значення перепаду тиску й не- зважаючи на значення захисної ефективності. Повний об’єм частинок пилу, що осіли на деякій площі фільтра, можна ви- значити за формулою [10] V = vpnvt = πβ1a1t . (6) Імовірну кількість пилу, що осідатиме на фільтрі респіратора за відомої за- пиленості повітря, розрахуємо за формулою [11] Пф=СQt/F (7) де Пф – пиломісткість, мг/м 2 ; С – загальна концентрація пилу, мг/м 3 ; Q – об’єм легеневої вентиляції, м 3 /хв; t – тривалість робочої зміни, хв; F – площа фільтра. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 260 Використовуючи ці формули, можна визначити радіуси волокон фільтрува- льних матеріалів, що забезпечать мінімальний перепад тиску до кінця робочої зміни. На рис. 2 зображені криві Δр(Пф), розраховані для умов фільтрування вугі- льного пилу із середнім розміром частинок 10 мкм при швидкості повітряного потоку v = 1,5 м/с зі щільністю упакування волокон β = 0,05 і товщиною Н = 6 мм для різних діаметрів волокон (d = 2; 3,5 і 5 мкм). Горизонтальні лінії відпо- відають заданим перепадам тиску в системі. Ділянки кривих 1, 2, 3 до перетину їх з горизонтальними лініями характеризують об’ємний процес фільтрування першого шару. Якщо ці криві збільшимо на значення Δp2п, отримаємо повний перепад тиску системи. Рисунок 2 – Залежність перепаду тиску (Δр) від пиломісткості (П) фільтра; криві розраховані при v = 1,5 м/с; γ = 0,05; Н = 6 мм; і діаметрів волокон d, мкм: 2 (1); 3,5 (2); 5 (3) З рис. 2 випливає, що для заданого перепаду тиску існує таке значення раді- уса волокон попереднього фільтра, за якого кількість пилу буде більшою ніж в інших системах. Точки перетину кривих відповідають початку формування ша- ру пилу, що осідає на поверхні фільтра. Отже, попередній фільтр працює тільки в режимі об’ємного фільтрування. Збільшення розміру волокон зовнішнього шару призведе до швидкого зростання опору повітряного потоку внутрішнього шару внаслідок швидкого забивання поверхні крупними частинками. І навпаки, зменшення радіуса волокон попереднього фільтра призведе до швидкого зрос- тання його опору через утворення на поверхні пилового шару. На рис. 3 показано взаємозв’язок між радіусом волокон і очікуваною пило- місткістю фільтрувального шару, з урахуванням розміру аерозольних частинок, що осіли на поверхню фільтра. Знаючи потрібну пиломісткість і розміри части- нок пилу, які вловлюються, можна вибрати волокна з оптимальним радіусом. Так, для одержання заданої кількості пилу, що осів на фільтрі, зі зростанням ро- змірів аерозолю треба збільшувати діаметр волокон. З іншого боку, радіус во- локон попереднього фільтра має бути не менш як 6 мкм. З рис. 4 видно, що в такому разі розміри аерозольних частинок на перепад ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 261 тиску впливають неістотно. Рисунок 3 – Залежність радіуса волокон (а) попереднього фільтра від його пиломісткості (Пф) для різних розмірів осілих аерозольних частинок аr, мкм: 5 (1); 2 (2); 1 (3); 0,5 (4) Рисунок 4 – Залежність перепаду тиску (Др) попереднього фільтра від радіуса волокон (а) при осіданні аерозольних частинок Після встановлення оптимального радіуса волокон попереднього фільтра оцінюємо його коефіцієнт захисту за формулою [12, 13] К3 =100/[exp(-2ßHη/πα)] (8) де η – сумарний коефіцієнт уловлювання аерозольних частинок. Потім для розрахунку пиломісткості фінішного фільтра визначаємо концен- трацію пилового аерозолю Сп після попереднього фільтра за формулою C1=K1пС, (9) де K1п – коефіцієнт проникнення аерозолю через попередній фільтр. Зазначимо, що концентрація пилу значно впливає на діаметр волокон фільт- рувального матеріалу. Тому виконані розрахунки орієнтовані на типовий роз- поділ дисперсного складу вугільного пилу. Завдання полягає в тому, щоб ви- значити оптимальний розмір волокон для вловлювання передусім вугільного пилу й забезпечення максимального строку експлуатації фільтра на гірничих підприємствах. За концентрацією пилу в повітрі робочої зони визначально пиломісткість попереднього шару фільтра за час t. За рис. 3 і 4 установлюємо радіус волокна, який забезпечить найбільшу пиломісткість. Потім, визначившись із щільністю упакування і товщиною фільтрувального шару (для поліпропіленових фільтрів ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 262 β = 0,05; Н = 6 мм), розраховуємо ефективність фільтрації за формулою (8) і концентрацію пилового аерозолю після попереднього шару за формулою (9). За формулою (4) установлюємо зміну перепаду тиску на зовнішньому шарі за об- раний час t. Радіус волокон фінішного фільтра розраховуємо,ураховуючи задану ефек- тивність фільтрації респіратора, за формулою (8) або за рис. 5. Потім розрахо- вуємо пиломісткість фінішного фільтра за такий самий час t за формулою (7). Уточнивши радіус його волокон за формулою (8),установлюємо приріст пере- паду тиску, що створить на ньому осілий шар пилу. Порівнявши отримані зна- чення з перепадом тиску на попередньому фільтрі, зробимо висновок щодо правильності розрахунків. Радіуси волокон попереднього і фінішного фільтрів мають бути такими, щоб перепад тиску на обох фільтрах збільшився однаково (рис. 6). Рисунок 5 – Залежність ефективності фільт- рації (Е) шару фільтруючого матеріалу від радіусу волокон (а) Рисунок 6 – Залежність перепаду тиску (Др) від часу (t) у двошаровому фільтрі: 1 – попе- редній фільтр, 2 – основний фільтр Для розрахунку параметрів двошарових поліпропіленових фільтрів із зага- льною площею фільтрації 50 см 2 при концентрації вугільного пилу 100 мг/м 3 , для заданої ефективності фільтрації Е = 99,99 % використано такі вихідні дані в таблиці 1. Результати розрахунків двошарових фільтрів наведено в табл. 2. Для заданих умов отримали оптимальні радіуси волокон попереднього а = 6,5 мкм і фінішного (а = 2,5 мкм) фільтрів, що забезпечить найкращі харак- теристики фільтра за пиломісткістю. Пиломісткість фільтрів або зразків фільтрувальних матеріалів вимірювали за тест-аерозолями вугільного пилу [14]. Кількість пилу, що осів, визначали гравіметричним методом. Загальний вигляд і схему установки наведено на рис. 7, методику проведення досліджень – у ДСТУ EN 149. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 263 Таблиця 1 – Вихідні дані Діаметр аерозольних частинок dч, мкм 3,0 Початкова щільність упакування волокон попереднього фільтрувально- го шару в 0,05 Початкова швидкість фільтрування v0, м/с 0,015 Товщина попереднього фільтрувального шару Н, мм 4 Початкова концентрація аерозольних частинок n0, мг/м 3 100 Сумарний коефіцієнт уловлювання аерозольних частинок з 3,3∙10 –2 Коефіцієнт проникнення аерозолю Kп 0,01 Час запилення, с 1800 Константа b, м –1 42 Таблиця 2 – Результати розрахунків двошарових фільтрів Час робо- ти фі- льтра t, хв Попередній шар Фінішний фільтр Сумарна пилеміст- кість фільтра, г/м 2 Сумар- ний пе- репад ти- ску на фільтрі, Па радіус воло- кон, мкм пило- міст- кість, г/м 2 перепад тиску, Па радіус волокон, мкм пиломіст- кість, г/м 2 перепад тиску, Па 5 6 0,01 13,2 2,5 0,001 5,67 0,011 18,9 10 0,03 30,9 0,002 9,53 0,032 40,4 20 0,06 81,0 0,005 20,39 0,065 101,4 30 0,09 145,8 0,008 34,43 0,098 180,2 5 7,5 0,01 8,5 2,5 0,002 7,9 0,012 16,4 10 0,03 17,5 0,004 15,9 0,034 33,4 20 0,06 43,2 0,009 38,3 0,069 81,5 30 0,09 76,4 0,013 67,2 0,103 143,6 5 8 0,01 7,6 2,5 0,002 8,8 0,012 16,4 10 0,03 15,0 0,005 18,5 0,035 33,5 20 0,06 36,1 0,001 45,6 0,061 81,7 30 0,09 63,5 0,015 80,7 0,105 144,2 5 9 0,01 5,6 2,5 0,004 22,1 0,014 27,7 10 0,03 9,4 0,007 55,8 0,037 65,2 20 0,06 20,2 0,014 151,2 0,074 171,4 30 0,09 34,2 0,021 274,7 0,111 308,9 Випробувальний стенд працює так. Повітря під тиском від компресора через фільтр попереднього очищення 1 потрапляє на стабілізатор 2. Кількість повітря регулюють вентилем 4 і контролюють манометром 3, ураховуючи перепад тис- ку на каліброваній діафрагмі 6. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 264 1 – фільтр попереднього очищення; 2 – стабілізатор тиску 3 – манометр; 4, 6, 16 – регулю- вальні вентилі; 5, 8, 17 – діафрагма з манометром; 9 – генератор пилу; 11 – мікроманометри; 12 – аспіратор; 13 – випробувальна камера; 14 - фільтрувальна коробка з фільтрами або зраз- ками фільтрувального матеріалу; 15 – алонж з фільтром АФА Рисунок 7 – Фото и схема установки для визначення пиломіскості фільтрів або зразків фі- льтрувальних матеріалів Для утворення пилового аерозолю із заданим дисперсним складом у вібра- ційний генератор 7 подається 2–10 дм 3 /хв пилу. Вібраційний генератор пилу це сталевий стакан із впускним і випускним штуцерами, у який завантажують по- передньо подрібнені куски вугілля загальною масою близько 100 г. Унаслідок ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 265 вібрації камери відбувається інтенсивне їх самоподрібнення до пилового стану. Для прискорення подрібнення передбачено завантаження в камеру генератора пилу сталевих шарів діаметром 10–15 мм. Потім пилова суміш подається у ви- пробувальну камеру 9, де розміщено фільтр 11. Повітря, яке відбирається під фільтром за допомогою аспіратора 13 з витратою 95, 30 або 15 дм 3 /хв, що кон- тролюється діафрагмою 6, відводиться через алонж з аналітичним фільтром АФА 14. Зміна перепаду тиску під час накопичення пилового осаду фіксується за показниками мікроманометра 12. Концентрацію пилу в камері визначають за допомогою іншого аналітичного фільтра 10 і аспіратора 13 за формулою С= 1000(М1 – М2 )/(Qt), (10) де С – концентрація пилу в камері, мг/м 3 ; М1 – маса запиленого аналітичного фільтра АФА, мг; М2– маса фільтра АФА, мг; Q – витрата повітря через фільтр, дм 3 /хв;t – час запилення фільтра, хв. Коли опір повітряному потоку досягне критичного значення, випробування припиняють шляхом вимкнення аспіратора і пилового генератора. Запилений фільтр або зразок фільтрувального матеріалу та аналітичний фільтр, який міс- тився після респіратора, зважують для визначення маси накопиченого пилу. Коефіцієнт проникнення пилового аерозолю крізь фільтр визначають за форму- лою Кп= (М1ф–М2ф)/(М1– М2), (11) де М1ф і М2ф – маса запиленого і чистого фільтра АФА (відповідно) після зраз- ків, що перевіряються, мг. Для перевірки запропонованого способу розрахунку оптимальних діаметрів волокон двошарових фільтрувальних матеріалів виготовлено декілька експери- ментальних зразків з однаковою поверхневою щільністю – 45 мг/м 2 . Фінішний фільтр усіх зразків мав однаковий середній радіус волокон 2,5 мкм, тоді як у попередніх фільтрах: – у першому випадку середній радіус волокон становв 3 мкм, у другому – 4 мкм, у третьому – 7 мкм, у четвертому – 11 мкм. Під час ек- сперименту спостерігалося зростання перепаду тиску у виготовлених зразках двошарових фільтрувальних матеріалів при однаковій концентрації пилу (рис. 8). Зростання опору і на першому і на другому фільтрах відбувається практично одночасно протягом двох годин. Після, зміна перепаду тиску на основному фі- льтрі, початок сповільняться, а на передфільтрі навпаки стало рости швидше. Це пояснюється утворенням на поверхні передфільтра саме шару пилу, що фі- льтрується, який збільшив його ефективність і тим самим зменшив надходжен- ня пилу на основний фільтр (рис. 9). ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 266 Рисунок 8 –Зміна перепаду тиску на основному фільтрі з щільністю 55 г / см 2 (1) і передфіль- трі з щільністю 27 г /см 2 (2) при запиленні їх вугільним пилом з концентрацією 300 мг /м 3 Рисунок 9 – Фільтри після запилення: передфільтр (1) і основний фільтр (2) Відзначимо, що сумарний опір фільтруючої системи було на 20% нижче, ніж у випадку з одним фільтром, що говорить про більшу пилоємність цієї сис- теми. Наприклад, порівнюючи показники зміни перепаду тиску цієї фільтрую- чої системи з аналогічними показниками фільтра з щільністю 55 г/см 2 , бачимо, що незважаючи на більш високі початковий опір у, двоступеневої системи ре- сурс терміну експлуатації більше на 25 %. За даними проведених досліджень виготовлено фільтрувальний респіратор Шахтар з двома фільтрами (рис. 10),які виконані з поліпропіленового фільтру- вального матеріалу з різними параметрами (діаметром волокон і щільністю упакування) При використанні даного респіратора попередній фільтр, уловлює крупну фракцію пилу, тим самим збільшує ресурс основного фільтра. Крім то- 1 2 0 20 40 60 80 100 0 30 60 90 120 150 180 ΔР, Па t, хв ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 267 го, присутність додаткового клапану видиху та розташування їх по боках пів- маски дозволяє зменшити опір при видиху та підвищити вентиляцію підмасоч- ного простору. Запропонована модель успішно пройшла випробування у спеціалізованій випробувальній лабораторії, де були отримані значення коефіцієнта проникання і опору диханню на випробувачах (табл. 3.). Також представлені зразки отримали позитивні відгуки при виробничих випробуваннях на вугільних шахтах. В таблиці 4 представлені результати цих випробувань і зазначена його область безпечного використання. Таблиця 3 – Результати випробування респіратора шахтар Тип філь- тра Початковий опір рес- піратора постійному повітряному потоку з витратою 95 л/хв, Па Середній коефіцієнт проникнення за тест-аерозолем хло- риду натрію, на ви- пробувачах, % Коефіцієнт проникнення тест- аерозолю NaCl при повітряному потоці з витратою 95 л/хв для фільтрів FMР2, % (за ДСТУ EN 143:2002) FM 48 0,9 6 Таблиця 4 – Результати виробничих досліджень Тип респі- ратора Кількість вимірів, шт Коефіцієнт проникнення пилового аерозолю Коефіцієнт захисту Номінальний коефіцієнт захисту до другого класу FFP2 за ДСТУ EN 526 Шахтар 30 5,1 15,6 12 Виходячи з отриманих даних можна рекомендувати даний респіратор вико- ристовувати для захисту органів дихання на гірничорудних і вугільних підпри- ємствах до 12 ПДК. Рисунок 10 – Загальний вигляд респіратора «Шахтар» 1 − гумова півмаска; 2 − протипиловий патрон; 3 − фільтруючі елементи; 4 − вузол клапана видиху; 5 − наголів’я ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 268 Висновки. Аналіз сучасних підходів до збільшення пиломісткості й строку експлуатації фільтрів і фільтрувальних півмасок показав, що найперспективні- шим є виготовлення багатошарових фільтрів зі змінною поверхневою щільніс- тю. Запропоновано методику розрахунку багатошарових фільтрів спрямовано на забезпечення максимальної пило місткості й мінімального перепаду тиску при варіюванні діаметрів волокон шарів та їх товщини. Експериментальні дос- лідження із запилення виготовлених двошарових зразків засвідчили, що макси- мальна кількість пилу осіла на фільтрах, при діаметрі волокон основного фільт- ра 3 мкм, а попереднього 11 мкм. ––––––––––––––––––––––––––––––– СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Шевченко, В.Г. К количественной оценке трудозатрат робочих урановых шахт / В.Г. Шевчен- ко, Ю.И. Кияшко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днеп- ропетровск, 2012. - Вып. 99. - С. 250-256. 2. Шевченко, В.Г. Исследование особенностей изменения показателей труда горняков при выпо- лнении различных технологических операций / В.Г. Шевченко, Р.А. Дякун, Геотехническая механи- ка: Межвед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2014. - Вып. 115. - С. 86-93. 3. Кальнин, Ю. В. Разработка метода расчета иглопробивных фильтрующих материалов / Ю.В. Кальнин, Н. С. Канусин // Тр. ЦНИПП. – 1992. – Вып. 6. – С. 28–31. 4. Стечкина, И. Б. Оптимизация параметров фильтров в многоступенчатой системе тонкой очист- ки газов / И. Б. Стечкина, В. А. Кирш // Теоретические основы хиической технологии. – 2003. – Т. 37, № 3. – С. 238–245. 5. Кирш, В. А. Кинетика забивки и оптимизация предфильтров в двухступенчатой системе очист- ки воздуха / В. А. Кирш, И. Б. Стечкина // Теоретические основы хиической технологии. – 2010. – Т. 44, № 1. – С. 78–87. 6. Лебедев, М. Н. Метод расчета срока службы высокоэффективного аерозольного фильтра / М.Н. Лебедев // Коллоидный журнал – 1998. – Т. 60, № 1. – С. 46–54. 7. Колесник, В. Е. Дослідження опору повітря протипилових респіраторів при їх експлуатації на гірничорудних підприємствах / В. Е. Колесник, С. І. Чеберячко, Ю. І. Чеберячко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2014. – № 4. – С. 118–123. 8. Кирш, В. А. Метод расчета роста перепада давления в аэрозольном фильтре при забивке твер- дыми частицами / В. A. Кирш // Коллоидный журнал – 1998. – Т. 60, № 4. – С. 480–484. 9. Чеберячко, С. И. Исследование сопротивления воздушному потоку фильтрующих материалов с полипропиленовых волокон / С. И. Чеберячко // Віснник ЖІТІ. – 2002. – № 18. – С. 183–185. 10. Двухименный, B. A. Изменение эффективности и перепада давления аэрозольных фильтров при накоплении на волокнах осадка твердых частиц / B. A. Двухименный, A. A. Кирш, И. Б. Стечки- на, Е. Н. Ушакова // Теоретические основы хиической технологии. - 1985. – Т.19, № 5. – С. 649–654. 11. Стечкина, И. Б. К вопросу о выборе параметров фильтрующего материала для тонкой очистки газов / И. Б. Стечкина, А. А. Кирш // Теоретические основы хиической технологии. – 1991. – Т. 15, № 1. – С. 79 – 83. REFERENCES 1. Shevchenko, V.G. and Kiyashko, Y.I. (2012), “To quantify labor working uranium mines”, Geo- Technical Mechanics, vol. 99, pp. 250-256. 2. Shevchenko, V.G., Dyakun, R.A and Svetlichniy, V.N. (2014), “Study features of change indicators miners while performing different technological operations”, Geo-Technical Mechanics, vol. 115, pp.86-93. 3. Kalinin, Yu.V. and Kanusin, N.S. (1992), “Development of a method of calculation of needle- punched filtering materials”, Trudy TSNIPP, no. 6, pp. 28–31. 4. Stechkina,I.B. and Kirsh,V.A.(2003), “Optimizing filter parameters in a multi-stage gas cleaning sys- tem fine”, Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii, vol. 37, no.3, pp. 238–245. 5. Stechkina, I.B. and Kirsh, V.A. (2010), “Kinetics and optimization of driving pre-filter in a two-stage air purification system”, Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii, vol. 44, no.1, pp. 238–245. 6. Lebedev, M.N. (1998), “The method of calculating the period of service highly efficient aerosol fil- ter”, Colloidnyi Zhurnak, vol. 60, no. 1, pp. 46–54. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 269 7. Kolesnik, V.E., Cheberyachko, S. I. and Cheberyachko, Yu.I. (2014), “The study of air resistance dust mask during their operation in mining enterprises”, Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyishlennost, no.4, pp. 118–123. 8. Kirsch, V.A. (1998), “The method for calculating the pressure drop in the growth of the aerosol filter at a pile of particulate matter”, Colloidnyi Zhurnal, vol.. 60, no.4, pp. 480-484. 9. Cheberyachko, S.I. (2002), “Investigation of the airflow resistance of filter material of polypropylene fibers”, Visnyk ZhITI, no. 60, pp. 183-185. 10. Dvuhimenny, B. A., Kirsch, A. A.. Stechkin, I. B. and Ushakova, E.N. (1985), “Changing the effi- ciency and aerosol filters differential pressure in the accumulation of fibers on the solids sludge”, Teoreti- cheskie osnovy himicheskoy tehnologii, vol. 19, no. 5 pp. 649-654. 11. Stechkina, I.B and Kirsch, A.A.(1991), “On the selection of the filter material parameters to fine scrubbing”, Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii, vol. 15, no. 1 pp. 79-83. ––––––––––––––––––––––––––––––– Про авторів Чеберячко Сергій Іванович, доктор технічних наук, доцент, Державний вищий навчальний за- клад «Національний гірничий університет» (Державний ВНЗ «НГУ»), Дніпро, Україна, sihc@yandex.ru. Яворська Олена Олександрівна, кандидат технічних наук, доцент, Державний вищий навчальний заклад «Національний гірничий університет» (Державний ВНЗ «НГУ»), Дніпро, Україна, lenayavorskay@mail.ru. Чеберячко Юрій Іванович, кандидат технічних наук, доцент, Державний вищий навчальний за- клад «Національний гірничий університет» (Державний ВНЗ «НГУ»), Дніпро, Украї- на,intruder@hotbox.ru. Столбченко Олена Володимирівна, кандидат технічних наук, доцент, Державний вищий навча- льний заклад «Національний гірничий університет» (Державний ВНЗ «НГУ»), Дніпро, Україна, elena_aot@ukr.net. About the authors Cheberyachko Sergiy Ivanovych, Doctor of Technical Sciences (D.Sc.), Associate Professor, State Higher Education Institution «National Mining University» (State HEI «NMU»), Dnipro, Ukraine, sihc@yandex.ru . Yavors’ka Olena Oleksandrіvna, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Associate Professor, State Higher Education Institution «National Mining University» (State HEI «NMU»), Dnipro, Ukrain, lenaya- vorskay@mail.ru . Cheberyachko Yuriy Ivanovych, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Associate Professor, State Higher Education Institution «National Mining University» (State HEI «NMU»), Dnipro, Ukrain, intrud- er@hotbox.ru. Stolbchenko Olena Volodymyrivna, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Associate Professor, State Higher Education Institution «National Mining University» (State HEI «NMU»), Dnipro, Ukrain,elena_aot@ukr.net. ––––––––––––––––––––––––––––––– Анотация. Рассмотрен процесс формирования пылевого осадка на многослойном фильт- ре. Предложена методика расчета многослойных фильтров, которая способствует обеспече- нию максимальной пилеѐмкости и минимального перепада давления при варьировании диа- метров волокон слоев и их толщины. Согласно результатам экспериментальных исследова- ний по опылению, изготовленных двухслойных образцов, максимальное количество пыли оседает на фильтрах, плотность упаковки которых содержится в диапазоне 0,03-0,06. Рассчитаны параметры новой многослойной фильтровальной полумаски с увеличенным пылевмещением. Ключевые слова: респиратор, коэффициент защиты, СИЗОД, профессиональные забо- левания, аэрозольный фильтр, пылеѐмкость. mailto:sihc@yandex.ru mailto:lenayavorskay@mail.ru mailto:intruder@hotbox.ru mailto:elena_aot@ukr.net mailto:sihc@yandex.ru mailto:lenayavorskay@mail.ru mailto:lenayavorskay@mail.ru mailto:intruder@hotbox.ru mailto:intruder@hotbox.ru mailto:elena_aot@ukr.net ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. №129 270 Abstract. A process of formation of dust deposition in the multi-layer filter is considered. A method of calculating the multilayer filter is proposed, which helps ensuring maximum dust depositing and minimum pressure drop at varying diameter and thickness of the fiber layers. Ac- cording to the experimental study of the dust content in the two-layer samples, maximal amount of dust is deposited on the filters, packing density of which is within the range of 0.03-0.06. Parameters were calculated for the new multi-layer filtering half-mask with increased volume for deposition of dust. Key words: respirator, protection factor, RPE, occupational diseases, aerosol filter, deposition of dust. Статья поступила в редакцию 11.10.2016 Рекомендовано к публикации д-ром технических наук Шевченко В.Г.

Розрахунок двоступеневих фільтрувальних систем протипилових респіраторів

Репозитарії

Схожі ресурси