Улучшение условий и охраны труда работников АПК путем обоснования, разработки и использования дыхательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Улучшение условий и охраны труда работников АПК путем обоснования, разработки и использования дыхательных аппаратов

Специальность: 05.26.01 - Охрана труда (отрасль АПК)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тюриков Борис Михайлович

Санкт - Петербург - Пушкин 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Научный консультант Заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Шкрабак Владимир Степанович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Огнев Олег Геннадьевич

доктор технических наук, профессор Дружинин Петр Владимирович

доктор технических наук, профессор Юрков Михаил Михайлович

Ведущая организация ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия

Защита состоится «29» _октября_ 2010 г. в 15 час. _30_ мин. на заседании диссертационного совета Д220.060.05 при ФГОУ ВПО “Санкт - Петербургский государственный аграрный университет”, 196601, Санкт - Петербург - Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2529. Факс (8-812) 465-05-05, электронный адрес: uchsekr@ spbgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «___»_______________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Т.Ю. Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современный агропромышленный комплекс (АПК) представляет собой сложное объединение производственных процессов. Вместе с тем, условия труда в отдельных отраслях сохраняют свои особенности, обусловленные спецификой производственного процесса и далеки от требуемых.

В целом по России только 3,47% объектов сельского хозяйства, находящихся на контроле органов Роспотребнадзора, отвечают санитарно-гигиеническим требованиям. Ежегодно на производстве в АПК травмируется более 35 тыс. человек, около 600 человек гибнет. Профессиональные заболевания у работников сельского хозяйства составили 11,56% (1182 случая) от суммы всех профессиональных заболеваний, зарегистрированных в Российской Федерации. И это практически при отсутствии службы профпатологии в сельской местности.

В целом по России материальный ущерб только от производственного травматизма и профессиональной заболеваемости в организациях АПК составляет более 3,5 млрд. руб., из них в сельском хозяйстве 1,7 млрд. руб., в пищевой промышленности 1,6 млрд. руб., что соответствует недопроизводству продукции сельского хозяйства в размере 0,7%, продукции пищевой промышленности 0,4%.

Создание благоприятных и безопасных условий труда, сохранение нормального функционального состояния человека и его работоспособности неразрывно связано с обеспечением работающих средствами индивидуальной защиты (СИЗ).

Одним из перспективных направлений, в индивидуальной защите работающих является использование фильтрующих средств индивидуальной защиты органов дыхания с принудительной подачей воздуха (дыхательных аппаратов).

Однако, создание данного вида СИЗ осложняется несовершенством теоретических основ их разработки, практики применения, а также необходимостью оценки перспектив развития и использования с учетом назначения, защитных и эксплуатационных свойств, характера технологических процессов, специфики производства и контингента работающих в отраслях АПК.

Диссертационная работа выполнялась в рамках отраслевых научно-технических программ О. Сх. 127, О. Сх. 82 Минсельхоза и Госагропрома СССР, Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программы на 1992-1995 гг. «Охрана труда» Министерства сельского хозяйства РФ и РАСХН (Д. 29.28.01.92 Б), госконтрактов 2.3.18/02 и 2.3.21/02 межотраслевой целевой программы Минтруда России (пр.№42, 2002г.), ряда договоров с производственными и научно-исследовательскими организациями.

Цель исследования заключается в теоретическом и методологическом обосновании разработки и применения дыхательных аппаратов для защиты работающих в АПК

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- проведен анализ вредных и опасных производственных факторов агропромышленного производства и их воздействия на работников;

- систематизированы конструктивные схемы существующих дыхательных аппаратов, проведены экспериментальные исследования аналогов и определены направления их совершенствования;

- разработаны методологические аспекты создания дыхательных аппаратов, на основе моделирования процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК, математической модели работы дыхательного аппарата, вероятностной оценке его надежности в условиях эксплуатации;

- проведены исследования элементной базы и компоновочных схем дыхательного аппарата, полученные результаты реализованы в виде конкретной конструкции;

- обоснована схема параметрического типоряда источников воздухоснабжения автономных дыхательных аппаратов для различных условий эксплуатации и на ее основе разработаны, изготовлены и испытаны модификации дыхательных аппаратов и их элементов;

- проведены исследования по оценке перспектив использования новых материалов и технологий в блоке фильтрации дыхательных аппаратов;

- организован и проведен мониторинг обеспеченности работающих АПК средствами индивидуальной защиты;

- обоснован механизм развития и функционирования системы индивидуальной защиты работающих в АПК;

- созданы информационно-консалтинговые системы и базы данных по СИЗ для работников АПК на основе новых информационных технологий;

- определена социально-экономическая эффективность применения дыхательных аппаратов в АПК.

Объект исследования - средства индивидуальной защиты для работников АПК, процессы их разработки и применения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач принят комплекс методов, включающий: анализ и обобщение данных научно-технической литературы и материалов по разработке и эксплуатации средств индивидуальной защиты; мониторинг вредных производственных факторов на рабочих местах работников в АПК и обеспеченности их СИЗ; применение теоретических и экспериментальных методов изучения аэродисперсных систем и аэродинамики газового потока применительно к дыхательным аппаратам; методы оценки защитной и эксплуатационной эффективности СИЗ и их элементов с использованием современного приборного оснащения; математическое моделирование процессов, математическая статистика и теория вероятностей; методы экспертных оценок.

Обоснованность и достоверность научных положений приведенных в диссертации, выводов и рекомендаций базируется на использовании известных теоретических разработок, достоверных математических моделей, обширном экспериментальном материале, полученном автором в результате многолетних исследований, применением стандартных методов статистической обработки результатов с использованием ЭВМ и сходимостью расчетных показателей с экспериментальными данными, положительными результатами эксплуатации образцов дыхательных аппаратов, изготовленных по рекомендациям автора.

Научную новизну исследований составляют:

- методологические основы путей снижения воздействия на работников вредных и опасных производственных факторов агропромышленного производства, систематизации конструктивных схем дыхательных аппаратов;

- методологические аспекты создания дыхательных аппаратов, включающие моделирование процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК, математическую модель работы аппарата, вероятностную оценку его надежности в условиях эксплуатации;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение адекватных математических алгоритмов, описывающих газодинамические и технологические режимы работы дыхательных аппаратов, в зависимости от их конструктивных особенностей;

- сформулированные предпосылки и структура схемы параметрического типоряда источников воздухоснабжения, позволяющие установить рациональные конструктивно-технологические параметры дыхательных аппаратов и их элементов с учетом конкретных требований защитной и эксплуатационной эффективности;

-экспериментальные исследования опытных модификаций дыхательных аппаратов и новых сорбционно-фильтрующих материалов;

- приоритетные патентно-чистые конструкции нового дыхательного аппарата (а.с.№№ 1251391, 1369045), его узлов и элементов (а.с.№№ 850423, 1152853, 1556674), а также методов их испытаний (пат. №№ 1460632, 2106161, 2158912, 2284505, 2282177);

- методологические основы организации мониторинга и обоснования механизма развития и функционирования системы обеспечения работающих АПК СИЗ; дыхательный аппарат вредный опасный

Практическая значимость. Ее составляют:

- результаты анализа вредных и опасных производственных факторов агропромышленного производства и их воздействия на работников;

- математические модели процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК и работы дыхательного аппарата;

- опытные модификации образцов дыхательного аппарата и расчет их конструктивных параметров;

- методы и оборудование для исследования эксплуатационных и защитных характеристик дыхательных аппаратов;

- рекомендации по использованию дыхательных аппаратов, регламентирующие безопасное ведение работ;

- результаты мониторинга обеспеченности работающих АПК средствами индивидуальной защиты;

- созданные информационно-консалтинговые системы и базы данных по СИЗ для работников АПК на основе новых информационных технологий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ вредных и опасных производственных факторов воздействующих на работников АПК и обоснование путей их снижения за счет применения дыхательных аппаратов;

2. Методологические аспекты создания дыхательных аппаратов, включающие моделирование процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК, математическую модель работы аппарата, вероятностную оценку его надежности в условиях эксплуатации;

3. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение адекватных математических алгоритмов, описывающих газодинамические и технологические режимы работы дыхательных аппаратов, в зависимости от их конструктивных особенностей;

4. Сформулированные предпосылки и структура схемы параметрического типоряда источников воздухоснабжения, позволяющие установить рациональные конструктивно-технологические параметры дыхательных аппаратов и их элементов с учетом конкретных требований защитной и эксплуатационной эффективности;

5. Экспериментальные исследования опытных модификаций дыхательных аппаратов и новых сорбционно-фильтрующих материалов;

6. Методы и оборудование для исследования эксплуатационных и защитных характеристик дыхательных аппаратов и его элементов;

7. Методологические основы организации и результаты мониторинга, а также обоснование механизма развития и функционирования системы обеспечения, работающих АПК средствами индивидуальной защиты;

8. Информационно-консалтинговые системы и базы данных по СИЗ для работников АПК на основе новых информационных технологий.

Апробация работы. Основные материалы исследований доложены, обсуждены и одобрены на конференциях, симпозиумах, конгрессах, в т.ч.: Минсельхоз СССР и России, ВИМ, ВНИИОиЭТ, ВЦНИИОТ ВЦСПС, МГАУ, РИАМА, Росинформагротех (Москва, 1988-2008); АГАУ(Барнаул, 2007); НЦАОМУ (Днiпропетровськ, 2000,2001); ИЭУП (Казань, 2007); КурганГУ (Курган, 2000); ВНИИОТ, МАНЭБ, СПбГАУ (Санкт-Петербург, 1990-2010); МАНЭБ (Киев, Одесса, Москва, Санкт-Петербург, 2007,2009); МААН, АМН Украины (Киев, 1998), МаГУ (Магнитогорск, 2008); НИИГП (Н-Новгород, 1999, 2004); МСХ Литовской ССР (Вильнюс, 1984); ОНМУ (Одесса, 2008); ВНИИОТ, ОрелГАУ, ОГУ, ОрелГТУ, ОГИЭТ (Орел, 1988-2010); Саратовский ГАУ (Саратов, 2007); ВНИИТБХП (Северодонецк, 1986); ТГСХА (Тверь, 2007); НИИБЖ (Уфа, 2000); УГТУ (Екатеринбург, 1999); Ул ГТУ, УГСХА (Ульяновск, 2008); ЧГАУ (Челябинск, 2007).

Образцы дыхательных аппаратов неоднократно экспонировались на ВВЦ (ВДНХ СССР) и награждены шестью медалями.

В 1998 году работа «Разработка автоматизированной системы определения потребности в средствах индивидуальной защиты для работников агропромышленных предприятий различных форм собственности» награждена 2 премией Минсельхозпрода России за освоение в агропромышленном производстве важнейших научно-технических достижений.

Внедрение. Результаты исследования и отдельные положения диссертационной работы включены в 19 нормативных правовых актов (Правила по охране труда для различных отраслей АПК, утверждены Минсельхозом России, согласованы Минздравсоцразвития России и ЦК профсоюзов работников АПК, зарегистрированы Минюстом России), 22 нормативно-технических документа и Положение об отраслевой системе управления охраной труда в АПК.

Предприятием «Газозащита и комфорт» (г. Орел) серийно выпускаются дыхательные аппараты типа НИВА, конструкция которых базируется на использовании положений диссертационной работы автора.

Модификации дыхательного аппарата внедрены и применяются на ряде предприятий различных регионов страны.

Методология моделирования процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК внедрена в ЗАО «Экология» г. Орел.

Экспериментальные установки внедрены в практику научных исследований ВНИИОТ (г.Орел) и использовались при разработке новых СИЗ по заданию Минсельхоза России и заказу других организаций.

Инженерно-технические предложения по методам и способам испытания СИЗОД, реализованы в виде испытательных стендов и применяются при производственном контроле выпускаемых защитных комплектов НИВА-2М.

Материалы диссертации преподаются в Орловском государственном университете, других учебных заведениях и включены в учебно-методические пособия.

Публикации. Основные материалы исследования нашли отражение в более 100 печатных работах, в т.ч. 29 в рекомендованных ВАК изданиях, 10 монографиях и учебных пособиях, 15 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Научной монографии «Теория и практика разработки и применения дыхательных аппаратов для защиты работающих в АПК» присужден Диплом лауреата конкурса на лучшее инновационное решение в области безопасных условий труда «Здоровье и безопасность 2007» в номинации «Методология в области контроля и обеспечения безопасных условий труда» организованном Минздравсоцразвития России.

Учебное пособие «Охрана и безопасность труда при техническом обслуживании и ремонте автомобилей» награждена в 2008 году Грамотой УМО за 2 место в номинации «Учебное пособие по специальности».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 7 глав, заключения и выводов, списка литературы, включающего 382 наименования. Работа изложена на страницах основного текста, содержит 151 рисунок, 65 таблиц и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи исследований. Даны общая характеристика, научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе «Анализ вредных и опасных производственных факторов агропромышленного производства и их воздействия на работников» дана оценка состояния проблемы, выполнен мониторинг вредных и опасных производственных факторов; приведена классификация загрязнения воздуха рабочих зон; дан анализ профзаболеваемости и производственного травматизма работников АПК.

Большинство технологических операций в агропромышленном производстве сопровождаются выделением в воздух рабочих зон различного рода вредных веществ. Основными вредными веществами, загрязняющими воздух рабочих зон, в агропромышленном производстве являются пестициды и пыль.

Воздействие пестицидов является одним из существенных факторов риска. По оценкам ВОЗ, ежегодно отравления пестицидами получают от 2 до 5 млн. трудящихся, из которых 40 тыс. умирают.

Пыль оказывает неблагоприятное воздействие на работающих в кормопроизводстве, в промышленном животноводстве и других отраслях АПК. Проникая в дыхательные пути человека, пыль может вызывать развитие специфических процессов, заканчивающихся хроническими заболеваниями органов дыхания, такими как бронхиты и пневмокониозы.

Воздействие вредных и опасных производственных факторов может привести не только к профзаболеваниям, но и несчастным случаям, например, отравлениям, в том числе и со смертельным исходом.

В организациях сельского хозяйства и пищевой промышленности за последние 10 лет погибло около 13 тыс. человек. Ежегодный ущерб от несчастных случаев и профзаболеваний составляет 4,0-4,5 млрд. рублей.

Уменьшение числа погибших связано с уменьшением численности работающих в отраслях АПК (рис.1). Другим фактором уменьшения числа погибших явилось снижение объемов работ, выполняемых на посевных площадях и при уходе за животными.

При выполнении работ по ремонту и техобслуживанию машин и оборудования, а также при сантехнических работах, в результате отравлений различными газами пострадали 23 работника, из них 21 погиб.



Рис. 1 Динамика численности работающих и погибших в АПП РФ

В Российской Федерации ежегодно умирает от воздействия вредных опасных производственных факторов около 180 тысяч человек. Анализ причин заболеваемости показывает, что до 40% профессиональных заболеваний прямо или косвенно связано с неудовлетворительными условиями труда.

В 2008 году в Российской Федерации зарегистрировано 7740 случаев профессиональных заболеваний (отравлений). Показатель профзаболеваемости в 2008 г. составил 1,52 на 10 000 работающих. Всего за последние 5 лет было зарегистрировано 47 619 случаев профессиональных заболеваний (отравлений).

Состав работников агропромышленного производства, которым был установлен диагноз профессионального заболевания или отравления, на 72,8% состоит из работников растениеводства, животноводства и мясной промышленности. Около 60% всех отравлений (преимущественно пестицидами) диагностируется среди работников растениеводства.

В структуре заболеваемости в отраслях по производству и переработке сельскохозяйственной продукции 68,4...76,8% всех случаев и 53,5... 66,9% дней нетрудоспособности (в случаях и днях) приходятся на болезни органов дыхания (47,6 и 30,4%), опорно-двигательного аппарата (7,8 и 9,2 %), сердечно-сосудистой системы (6,8 и 9,2%), желудочно-кишечного тракта, кожи и подкожной клетчатки (5 и 4,3%).

Одним из направлений выхода из сложившейся ситуации является улучшение условий и охраны труда в АПК на современной научно-технической основе, в разработке которой активное участие принимают В.С. Шкрабак, А.П. Лапин, Ю.Г. Горшков, О.Н. Русак, А.К. Тургиев, М.М. Юрков, И.В. Гальянов, А.И. Гавриченко, П.Г. Митрофанов и другие ученые. Внедрение результатов их исследований, а также выполнение специальных научно-технических программ способствовали улучшению условий труда, снижению травматизма и заболеваемости в отраслях АПК.

В связи со сложившимися условиями труда в АПК, в большинстве случаев невозможно предотвратить загрязнение воздуха вредными веществами и СИЗОД являются единственными.

Во второй главе «Современные средства индивидуальной защиты органов дыхания, особенности применения и пути совершенствования» приведены и систематизированы их основные типы и характеристики, показаны результаты поисковых исследований аналогов.

В процессе анализа и оценки, существующих СИЗОД, нами была разработана удобная и простая конструкция респиратора, а также оборудование и технология их изготовления (патент РФ на изобретение №2106161).

Разработанный облегченный респиратор предназначен для индивидуальной защиты органов дыхания работающих от аэрозолей (пыли, тумана), в том числе от пылевидных нелетучих агрохимикатов, присутствующих в окружающем воздухе, за исключением высокотоксичных. По конструктивному оформлению респиратор (рис.2) выполнен в виде сварной фильтрующей полумаски.



Рис. 2 Облегченный респиратор 1- фильтрующий элемент; 2- боковой сварной шов; 3-обтюратор; 4-алюминиевая пластина; 5-лямки

Рис. 3 Облегченный респиратор «Нечерноземье»

Облегченный противогазоаэрозольный респиратор "Нечерноземье" (рис. 3) предназначен для индивидуальной защиты органов дыхания работающих на протравливании семян, а также от токсичных агрохимикатов, присутствующих в окружающем воздухе одновременно в виде паров, газов и аэрозолей, за исключением высокотоксичных, при других видах работ, по аналогии с существующими противогазоаэрозольными респираторами с патронами марки А при концентрации вредных веществ, не превышающей ПДК более, чем в 10 раз. Респиратор защищен патентом РФ №40109 на промышленный образец «Респиратор».

Лабораторные и производственные испытания респираторов показали их высокую защитную и эксплуатационную эффективность.

За последние годы появилось большое количество технических решений фильтрующих СИЗОД с принудительной подачей воздуха (далее дыхательных аппаратов). Проведенный нами патентный поиск выявил около 100 публикаций, патентов и авторских свидетельств.

Фильтрующие средства индивидуальной защиты органов дыхания с принудительной подачей воздуха по конструктивному исполнению можно разделить на следующие типы: дыхательные аппараты с воздуходувками, носимыми человеком и дыхательные аппараты с вмонтированными в лицевую часть источником воздухоснабжения.

Представителем первой группы дыхательных аппаратов может являться пневматический дыхательный аппарат типа «Экран». Он предназначен для защиты органов дыхания механизаторов сельского хозяйства и других рабочих от аэрозолей, паров и газов пестицидов, минудобрений и других опасных и вредных веществ. На рис. 4 представлена схема защиты органов дыхания в индивидуальном устройстве типа «Экран-1М».

Рис. 4 Схема защиты в индивидуальном устройстве типа «Экран-1М»: 1-воздуходувка; 2- приемный патрубок защитной маски; 3- выпускное сопло маски; 4-маска; 5-воздухораспределя-ющая вставка; 6 - гибкий воздуховод; 7 - сменный фильтрующий элемент



Рис. 5 Схема подачи и фильтрации воздуха в шлеме " Аirstream "AH.I: 1 - запыленный воздух; 2 - фильтр грубой очистки; 3 - вентилятор; 4 - пластмассовая каска (корпус шлема); 5 - фильтр тонкой очистки; 6 - прозрачный экран; 7 - профильтрованный воздух

Испытания аппарата типа «Экран-1М» проводились совместно с Кубанским СХИ (ныне Кубанский ГАУ) в рамках соответствующей программы.

При лабораторных испытаниях концентрации аэрозоля, газов и паров, в воздухе пылевой камеры колебались соответственно в пределах от 49,1 до 125,8 мг/м³ и от 0,41 до 0,55 мг/м³. Несмотря на высокие концентрации аэрозоля и паров пестицидов в воздухе, аппарат типа «Экран-1М» показал высокую защитную эффективность (89-100%).

Исследование защитной эффективности пневматического аппарата «Экран» в производственных условиях проводились при протравливании зерна озимой пшеницы пентатиурамом. В воздухе рабочей зоны концентрация аэрозоля находилась в пределах от 26,8 до 515,0 мг/м³ парогазовой фазы - от 19,2 до 47,3 мг/м³. Аппарат «Экран» показал эффективную защиту, однако при превышении ПДК в 800-1000 раз аппарат также не обеспечивал полную защиту от пентатиурама.

Основным недостатком аппарата «Экран» является несовершенная лицевая часть, не предусматривающая защиту кожных покровов головы, большая масса и габариты, а также потребляемая мощность воздуходувки. Наличие электрошнура, соединяющего стационарный источник питания (220В) с аппаратом, ограничивает перемещение рабочего при выполнении технологических операций.

Целью проведенных нами испытаний противопылевого шлема «Аirstream» АН.I (рис. 5) являлась определение возможности его применения в сельскохозяйственном производстве на технологических операциях с большой запыленностью воздуха рабочих зон.

На основании результатов лабораторных испытаний сделан вывод, что технические характеристики шлема в основном соответствуют данным, приведенным в инструкции по эксплуатации. Противопылевой шлем обеспечивает комплексную защиту головы, лица, глаз и органов дыхания человека. Коэффициент проникания шлема имеет одинаковый порядок с коэффициентом проникания респираторов, в то же время в 4 раза превышает массу респиратора «Астра-2» и в 90 раз массу респиратора ШБ-1 «Лепесток». Преимуществом шлема является то, что он практически не оказывает сопротивления дыханию и не ограничивает поля зрения.

Оценивая результаты испытаний в производственных условиях, следует признать, что противопылевой шлем «Аirstream» АН.I при содержании в воздухе рабочей зоны зерновой пыли в концентрациях 167,6+34,1 - 342,5+26,0 мг/м³ не обеспечил необходимого снижения ее до предельно допустимого уровня.

Результаты приведенных исследований послужили основой для подготовки исходных требований и технического задания на разработку нового дыхательного аппарата.

В третьей главе «Методологические аспекты создания дыхательных аппаратов» рассмотрено моделирование процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК, составлена математическая модель работы дыхательного аппарата, дана вероятностная оценка его надежности в условиях эксплуатации.

Природные факторы вследствие работы вне помещений в любую погоду усугубляют неблагоприятные условия труда (например, сильные порывы ветра при распылении пестицидов) и также влияют на правильный выбор и эффективную эксплуатацию средств индивидуальной защиты.

Самыми распространенными моделями прогнозирования являются модели, полученные на основе решения уравнения турбулентной диффузии. Явления переноса и диффузии загрязняющего вещества описываются известным уравнением:

(1)

где С - концентрация загрязняющего вещества; К = (к_х, к_у, к_z) - вектор коэффициентов турбулентной диффузии; U = (u, v.w) - вектор осредненного поля скоростей воздушной среды; Q - масса или скорость выделения загрязняющего вещества от источника.

В общем виде решение уравнения (1) аналитическими методами невозможно. Оно становится доступно или при упрощении уравнения или при использовании численных методов.

Так наличие в уравнении (1) допущений об отсутствии конвективного переноса, неизотропности среды и расположении источника за пределами рассматриваемой области приводит к уравнению

(2)

Фундаментальное решение этого уравнения имеет вид функции Гаусса.

Методы прогнозирования уровней загрязнения воздуха на основе указанных выше моделей отражены в методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (методика ОНД-86) и методике оценки последствий химических аварий (методика ТОКСИ). Указанные методики могут быть взяты за основу моделирования процессов загрязнения воздуха рабочих зон в АПК

Источниками, создающими загрязнение воздуха на территории объектов агропромышленных предприятий твердыми аэрозолями, являются различные технологические установки, осуществляющие нестационарный выброс вредных веществ, оборудование по использованию пестицидов и агрохимикатов и т.п., Запыленность воздуха промышленных площадок отдельных предприятий АПК может достигать предельно-допустимого уровня, что регламентирует применение работниками средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Приближенный расчет концентраций от наземных источников может быть выполнен на основании аналитических или численных решений уравнений турбулентной диффузии.

Распределение максимальных концентраций С_тах на расстоянии х и при времени диффузии t < min(t₁,t₂) (где t₁ -- время действия источника фиксированной мощности М, a t₂ -- время сохранения метеоусловий) может быть описано в случае точечного наземного источника следующим известным соотношением:

, (3)

где коэффициент А, зависящий от температурной стратификации атмосферы.

Соотношение (3) не описывает фактическое поле концентраций вблизи источника (при х = 0), так как расчетные концентрации обращаются в этой области в бесконечность.

Условия выхода струи запыленных выбросов учитываются с помощью следующих параметров:

(4) (6)

где используются свойства источника пылевых выбросов: диаметр или эффективный диаметр выхлопного отверстия D, м; высота его расположения H, м; скорость пылевоздушной струи , м/с; объемный расход струи L, м³/с; разность температур выброса и окружающего воздуха , ⁰С; массовый расход выбрасываемой пыли, М, г/с; скорость ветра U, м/с.

Пылевые выбросы большинства предприятий АПК относятся к холодным выбросам, для которых f >100, в этом случае максимальное значение приземной концентрации пыли C_М,мг/м³ может быть найдено по базовым формулам с нашими уточнениями

, (5)

где F = 2 - коэффициент, учитывающий оседание пылей агропромышленного производства; - коэффициент, учитывающий рельеф местности (производственные площадки перерабатывающих предприятий АПК, как правило, имеют небольшие размеры, поэтому можно принять = 1); n - коэффициент, определяемый через параметр V_м.

Расстояние X_м, м, от источника выброса по оси его факела, на котором концентрация пыли достигает при неблагоприятных условиях максимального значения C_м, определяется по базовой формуле:

, (6)

где d зависит также от V_м.

При моделировании загрязнения производственных площадок предприятий АПК газообразными вредными веществами, по сценариям методики ТОКСИ, следует руководствоваться соображениями физического подобия процессов. Например, для сельскохозяйственного производства может быть применен сценарий методики, характеризующий частичное разрушение трубопровода вредных веществ (опасных химических веществ - ОХВ) с образованием множества отверстий, что подобно загрязнению воздуха рабочих зон при полнообъемном (обычном) опрыскивании растений пестицидами с помощью штангового распылителя.

С помощью опрыскивания вносится около 75% всех используемых в сельскохозяйственном производстве препаратов. Полнообъемным является опрыскивание с нормой расхода рабочей жидкости от 100 до 500 л/га на полевых культурах и свыше 500 л/га на многолетних насаждениях. Размер капель составляет 150…600 мкм.

Из отверстий трубопровода общей площадью S₆ (S₆ < S_Т) количество вылившегося сжиженного ОХВ (в нашем случае - пестицида) определяется по предложенной формуле

, (7)

где м - коэффициент сужения струи (0,8…1,0); с_ж - плотность сжиженного вещества (пестицида); t_л - время истечения вещества из отверстий; Р₆ - давление в трубопроводе системы; Р_а - атмосферное давление, бар; U₆ - скорость подачи жидкости, м/с. S_Т - сечение трубопровода.

Скорость испарения из отверстий q₆ вычисляется по известной формуле:

, (8)

где U - скорость ветра, м/с; М₀ - молекулярная масса вещества; Р_н - упругости паров ОХВ, при температуре Т_и.

Продолжительность испарения t₆, с, определяется как,

. (9)

Линейный размер области испарения l, м, равен:

. (10)

Для определения поля концентрации вредной примеси вводится функция G{x, у, z, t) размерности 1/м³, называемая фактором метеорологического разбавления. Концентрация загрязняющего компонента С(х, у, z, t) в точке с координатами (х, у, z) в момент времени t определяется умножением интегрального фактора метеорологического разбавления G_i (x, у, z), с/м³, на скорость истечения (испарения) q_i, т/с, - для источника продолжительного времени действия.

Фактор метеорологического разбавления для мгновенного точечного источника определяется по базовой формуле с нашими уточнениями применительно к агропромышленному производству

, (11)

где U - скорость ветра, м/с; х, у, z - пространственные координаты, м; t - время после истечения ОХВ, с; h - высота источника ОХВ, м.

Дисперсии по координатным осям у_x, у_y, у_z выражаются следующими соотношениями:

, (12)

, (13)

, (14)

(15)

Параметры А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂, С₃, D₁, D₂ зависят от топологических и метеоусловий и приведены в литературе.

Концентрация ОХВ, мг/м³, определяется как

(16)

Моделирование процесса загрязнения воздуха вредными веществами позволяет уточнить требования, предъявляемые к средствам индивидуальной защиты, регламентировать условия их применения и повысить эффективность использования для защиты работающих на предприятиях АПК.

При построении компоновочной схемы дыхательного аппарата с различными элементами его формирующими, применительно к условиям труда работников АПК, основным этапом является выбор базового варианта комплекта и исследование характеристик его возможных компоновочных схем на основе унифицированных структурных элементов.

Дыхательный аппарат должен обеспечивать высокие защитных свойств в течение необходимого времени эксплуатации при условии подачи с наименьшими затратами энергии, достаточного для дыхания количества воздуха и минимальных значениях массы и габаритов аппарата. При этом конструкция дыхательного аппарата должна быть выполнена по схеме: лицевая часть - соединительный шланг - носимый источник подачи воздуха (ИПВ) (воздуходувка) со сменным блоком фильтрации - источник электроснабжения (ИЭС).

Главными параметрами, характеризующими ИПВ, являются производительность и повышение давления в нем.

Необходимое количество воздуха (L), которое должно подаваться непрерывно ИПВ, может быть выражено следующим предложенным соотношением:

L = L_min + L_Pизб + L_Iг, (17)

где L _min - минимальное количество воздуха, устанавливаемое физиолого-гигиеническими нормами для обеспечения нормального функционирования органов дыхания (легочная вентиляция),

L _min = V _л · f _д, (18)

здесь V _л - объем анатомического пространства легких; f _д - частота дыхания; L_Pизб - количество воздуха, подаваемого в лицевую часть дыхательного аппарата для создания избыточного давления, препятствующего попаданию вредных веществ из наружного воздуха через неплотности прилегания, по известным данным,

L_Pизб = 10...15 % L (19)

L_Iг - количество приточного воздуха для удаления избытка тепла в лицевой части.

Проведенные нами расчеты показывают, что необходимое количество воздуха, которое должно подаваться непрерывно ИПВ, для принятых условий труда в АПК, не должно быть менее L = 0,0029 м³/с.

Давление воздуха, создаваемое ИПВ, должно преодолевать суммарные потери в узлах пневмотракта и блока фильтрации дыхательного аппарата, а также обеспечивать избыточное давление в подмасочном пространстве.

P = P _пт + P_бф + P_изб, (20)

где P - давление, создаваемое ИПВ; P_пт и P_бф - потери давления в узлах пневмотракта и блоке фильтрации, соответственно; P_изб - избыточное давление в подмасочном пространстве.

Расход воздуха потребителем в лицевой части характеризуется синусоидальной зависимостью:

, (21)

где L_п- - расход воздуха в момент времени t, л/мин;

L_по - максимальный (амплитудный) расход воздуха потребителем, л/мин; щ - частота дыхания, выраженная в угловых градусах/с; t - время в секундах от начала чикла.

С зависимостью (21) связано изменение давления в потоке выдыхаемого и вдыхаемого воздуха:

, (22)

где Р_п- - давление воздуха в потоке в момент времени t от начала цикла, Па; Р_по - максимальное (амплитудное) давление в потоке, Па; ц- угол смещения фаз между расходом и давлением, выраженный в угловых градусах.

Скорость движения воздуха определяется по известной зависимости:

, (23)

где К - отношение удельных теплоемкостей (показатель адиабаты: для воздуха К=1,4); Р_о - давление перед воздухораспределителем, определяемое по формуле (22); Р - давление внутри пневматической камеры; с_о - плотность воздуха.

Расход воздуха через клапан, обладающий пассивным аэродинамическим сопротивлением, определяется зависимостью:

, (24)

где С - коэффициент пропускной способности.

В качестве исходного варианта рассмотрим классическую схему пневматической камеры с односторонним пассивным выходом и естественной (пассивной) подачей воздуха через фильтр. По этой схеме построены все фильтрующие противогазы и респираторы без принудительной подачи воздуха.

Полагая в формуле (24), в соответствии с ГОСТ 12.4.041,

L_k = 30л/мин = 0,5·10^-3 м³/с или . Р - Р_о = 70 Па,

получим: С=7,1·10^-6.

Отсюда, при расходе, характерном для работающего при выполнении им работ средней тяжести на вершине вдоха или выдоха: L_k = 150л/мин = 2,5·10^-3 м³/с, сопротивление вдоху или выдоху составит:

.

Сопротивление выдоху, равное 352 Па, значительно превышает норму.

Рассмотрим организацию воздушных потоков под лицевой частью аппарата с использованием пневмошлема ЛИЗ-4.

В связи с отсутствием в шлеме конструктивного клапана выдоха его условный диаметр d_кл может определяться диаметром эквивалентного отверстия D_эо, физический смысл которого представляет сумму всех неплотностей между пелериной и телом работающего, из выражения

. (25)

При L_k = 150л/мин = 2,5·10^-3 м³/с и минимальном Р_изб = 10Па, D_эо = 0,028м².

С учетом других конструктивных параметром шлема получим С=0,08·10^-3. Тогда сопротивление вдоху или выдоху составит:

,

что находится в пределах нормативных значений.

Одной из причин попадания вредных веществ в зону дыхания работающего в дыхательном аппарате может являться перенос вредных газов в канале (неплотностях), соединяющем подмасочное пространство и рабочую зону за счет диффузии.

Для описания процесса диффузии принимаем некоторые естественные упрощения, так переходные режимы и все процессы считаются установившимися, подмасочное пространство и рабочая зона соединены каналом длиной l, течение воздуха в канале турбулентно и за счет поперечного перемешивания параметры воздуха постоянны в каждом сечении канала.

В этих предположениях описание переноса вредных газов сводится к простейшей одномерной задаче диффузии. Введем в соединительном канале координату х, отсчитываемую от рабочей зоны. При этом координата зоны дыхания работающего х = l. По отрезку (Q l) течет воздух со скоростью - v, зависящей только от координаты х (точнее от сечения канала F = F(x)). Поскольку направление движения воздуха противоположно выбранному направлению координатной оси, то знак скорости взят отрицательным. Концентрация вредных газов в зоне процесса (рабочей зоне) постоянна и равна С(О) = С_п. За счет диффузии во встречном потоке воздуха вредные газы распределяются на отрезке (Ql) с концентрацией С = С(х).

Зависимость концентрации С от координаты х подчиняется второму закону Фика, записанному для случая переменной скорости потока:

, (26)

где D - коэффициент диффузии вредных газов в воздухе.

Первый интеграл уравнения (26) имеет вид:

, (27)

где Q = const, q - плотность потока вредных газов.

На практике перепад давления между подмасочным пространством и рабочей зоной достаточно мал (доля процента его абсолютного значения). Концентрация вредных газов не превосходит единиц процентов. Поэтому плотность воздуха практически неизменима, _в = 1,3 кг/м³. Тогда из условия неразрывности потока воздуха имеем: F_v= Q_в = const.

С помощью этого условия находим общее решение уравнения (26):

, (28)

где С₁ = Q/Q_в C₂ - произвольные постоянные.

Если за счет неполной очистки в воздухе, нагнетаемом в подмасочное пространство, имеется примесь вредного газа с концентрацией С_оч, то поток вредных газов равен Q = С_оч Q_в (мы пренебрегли их поглощением в подмасочном пространстве). Отсюда С₁ = С_оч. Из условия С(О) = С_п найдем значение второй постоянной: С₂ = С_п - С_оч. Таким образом получаем следующее частное решение уравнения (26):

, (29)

Максимальная скорость течения воздуха в канале (соответствующая его минимальному сечению F_min) определяется перепадом давления между подмасочным пространством и рабочей зоной

, Отсюда , (30)

Для дыхательного аппарата с лицевой частью в виде пневмошлема ЛИЗ-4 проведенный расчет показывает, что концентрация С_пп вредных газов в подшлемном пространстве приблизительна, равна 0,007С_п. Следовательно, вклад молекулярной диффузии в последнюю величину исчезающе мал.

Потери давления в узлах пневмотракта - лицевой части и соединительном шланге зависят от объемного расхода воздуха, проходящего через них, и могут быть определены экспериментально:

P_пт = P_лч + P_ш = f(L), (31)

здесь P_лч и P_ш - потери давления в лицевой части и соединительном шланге, соответственно.

Потери давления в блоке фильтрации, складываются из начального сопротивления блока фильтрации и дополнительного сопротивления, возникающего по мере его загрязнения, в основном за счет аэрозоля, т.е.

P_бф = P_о^бф + P₁^бф, (32)

где P_о^бф, P₁^бф - начальное и дополнительное сопротивление, соответственно.

Максимальное давление воздуха, создаваемое ИПВ как известно равно:

(33)

где N - мощность ИПВ; - к.п.д.; P - создаваемое давление воздуха.

Суммарные аэродинамические потери в пневмотракте дыхательного аппарата при его различных компоновочных схемах:

, (34)

где (а,b)_лч,ш,фэ - эмпирические коэффициенты для лицевой части, соединительного шланга и фильтрующего элемента, соответственно; n - количество параллельно присоединенных фильтрующих элементов.

Габариты аппарата в основном определяются диаметром колеса воздуходувки. Наружный диаметр лопаточного колеса D может быть рассчитан на основе статистического метода, изложенного в литературе, сделав ряд соответствующих преобразований, получим

D = 1,86 ^-1,33 N^0,75 L^{-0,92 0,75} (35)

Основным требованием к ИЭС дыхательного аппарата является обеспечение электроэнергией двигателя воздуходувки ИПВ аппарата, для создания им в течение рабочей смены заданного режима подачи воздуха.

Электрическая мощность, потребляемая воздуходувкой аппарата как известно

N_иэ = U x I, (36)

где U - напряжение питания; I - потребляемый ток.

Как известно емкость источника электроснабжения

Е_иэ = I х , (37)

где - необходимое время работы ИПВ.

Из уравнений (33, 36) получаем необходимую емкость ИЭС

Е = (38)

Воздух рабочих зон в агропромышленном производстве загрязнен вредными веществами различного агрегатного состояния, что требует применения в блоке фильтрации дыхательного аппарата очистку воздуха, как от аэрозолей, так и от парогазовой фазы пестицидов.

Для улавливания и очистки воздуха от аэрозолей в СИЗОД обычно используется фильтрация аэрозолей через волокнистые материалы.

Защитные свойства аэрозольного фильтра характеризуются эффективностью и коэффициентом проскока К, которые находятся между собой в известном соотношении

= 1- К (39)

Эффективность фильтра представляет собой сложную зависимость, которую в общем виде записывают выражением

= f ( D, R, St, G, U, Re), (40)

где D, R, St, G, U, Re - безразмерные параметры осаждения частиц за счет эффектов диффузии, касания, инерции, седиментации, электрических сил и характеристики потока.

В соответствии с основным законом фильтрации аэрозолей, с учетом линейного характера зависимости сопротивления материала от его толщины

К = = или = 1 - (41)

= , (42)

где - коэффициент фильтрующего действия; - перепад давления в слое фильтрующего материала при = 1 см/с.

Максимальную концентрацию пыли, до которой данное СИЗОД обеспечивает надежную защиту, определяется соотношением:

(43)

Однако, формула (43) применима лишь в условиях, для которых был найден коэффициент проникания К. Если дисперсность пыли меняется, то применение соотношения (43) с прежним коэффициентом проникания может привести к существенным ошибкам. В этом случае значение максимальной допустимой концентрации пыли можно найти расчетным путем, не прибегая к проведению новых трудоемких испытаний, а уточнив лишь дисперсный состав пыли , взвешенной в воздухе рабочей зоны:

(44)

где К_i - фракционные коэффициенты проникания.

Фракционные коэффициенты проникания для данного вида пыли можно считать постоянными и не зависящими от изменения условий в рабочей зоне. Их можно рассчитать по результатам предварительных испытаний СИЗОД:

(45)

где - относительные массовые доли фракций пыли в подмасочном пространстве.

По мере загрязнения, в основном за счет аэрозолей, фильтрующий материал получает дополнительное сопротивление, которое может быть выражено эмпирической зависимостью

Р₁ = а·m^b + P_o , (46)

где m - масса аэрозоля, поступившая на фильтр; а, b - эмпирические коэффициенты.

Масса аэрозоля, поступившая на фильтр, может быть найдена из соотношения

m = с _вх · L · , (47)

где с_вх - концентрация аэрозоля на входе в фильтр; L - объемный расход воздуха, проходящий через фильтр; - время эксплуатации.

Очистка воздуха от содержащихся в нем вредных веществ в парогазовой фазе осуществляется противогазовой коробкой. Продолжительность работы коробки можно определить по уточненной нами формуле

 (48)

где _н - насыпная плотность адсорбента; _г - кинематический коэффициент вязкости газа; d₃ - средний диаметр зерен адсорбента; D - коэффициент молекулярной диффузии при температуре процесса; W_г- скорость газовой смеси, отнесенная к полному сечению адсорбера; Z_нас - концентрация насыщенного адсорбента; У_нас - концентрация поглощаемого вещества в газе, поступающего на адсорбцию; Z_c- концентрация вещества в слое адсорбента, соответствующая Yc ; H - высота работающего слоя адсорбента; G_г - расход инертного газа; V_см - расход парогазовой смеси; Z* - концентрация адсорбента, равновесная с составом поступающего на адсорбцию газа; f - площадь полного сечения адсорбера.

...