МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Чеберячко Сергій Іванович

УДК 614.89

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОТИАЕРОЗОЛЬНИХ

ЗАСОБІВ ІНДИВІДУАЛЬНОГО ЗАХИСТУ

ОРГАНІВ ДИХАННЯ працюючих

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ГОЛІНЬКО Василь Іванович, завідувач кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України

(м. Дніпропетровськ).

Офiцiйнi опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник КАшуба Олег Іванович, завідувач лабораторії боротьби з рудниковим пилом, Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України;

кандидат технічних наук, доцент ГАСИЛО Юрій Антонович, доцент кафедри охорони праці і безпеки життєдіяльності Дніпродзержинського державного технічного університету

Міністерства освіти і науки України

Провідна установа – Український державний науково-дослідний інститут безпеки праці і екології в гірничорудній і металургійній промисловості (НДІБПГ), лабораторія рудникової аерології Міністерства промислової політики (м. Кривий Ріг).

Захист дисертації відбудеться "20" лютого 2003 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бiблiотецi Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий "17" січня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор В.Т. Заїка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Незважаючи на комплекс заходів, які проводяться з метою зниження пилоутворення на гірничодобувних підприємствах, запиленість повітря під час основних технологічних процесів значно перевищує гранично допустиму величину, що веде до росту захворювань гірників пневмоконіозами та пиловими бронхітами. З 2000 до 2001 року на Україні було зареєстровано 2160 випадків легеневих захворювань, із яких більше ніж 60 % припадає на гірників. Це зумовлено шкідливими умовами праці, недостатньою забезпеченістю працюючих засобами індивідуального захисту органів дихання (ЗІЗОД) та їх низькою якістю. Враховуючи те, що на деяких підприємствах використання ЗІЗОД є майже єдиним заходом із профілактики професійних захворювань, зумовлених пиловим фактором, проблеми, пов'язані з виробництвом та підвищенням якості і ефективності протипилових ЗІЗОД, сьогодні дуже актуальні.

У зв'язку зі складними умовами праці на гірничодобувних підприємствах найбільше розповсюдження отримали респіратори багаторазового використання, основними елементами яких є гофровані фільтри, параметри котрих були визначені ще в 50-х роках виходячи з властивостей фільтруючих матеріалів ФПП певного типу (фільтри Петрянова, виготовлені на основі перхлорвінілової смоли). З часом для виготовлення фільтрів стали використовувати різноманітні матеріали типу ФП (ФПС, ФПАН, С-11, РФМ, ФМП та інші), а також поліпропіленові (типу НФП, елефлен) та металоволоконні матеріли (МВФЕ-1). Частина цих ФМ має малу механічну міцність, тому при виготовленні фільтрів в якості підкладки та покривного шару використовують додаткові шари матеріалів, такі, як марля, марля апретована, термоскріплені матеріали із лавсанових і поліамідних волокон різної поверхневої щільності. Властивості нових типів фільтруючих матеріалів суттєво відрізняються від властивостей матеріалу ФПП, а конструктивно фільтруючі елементи за останні 50 років практично не змінилися. Це призвело до того, що в ряді випадків фільтруючі та ергономічні показники респіраторів погіршилися, а також до неповного використання можливостей нових фільтруючих матеріалів. Методики розрахунку фільтрів до респіраторів, які б враховували структурні особливості фільтруючих матеріалів, а також вплив підкладки та покривного шару на ефективність фільтрів, не розроблені.

Зважаючи на викладене, дослідження, спрямовані на підвищення ефективності протипилових ЗІЗОД, є досить актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до Національної програми поліпшення охорони праці на 1996-2000 рр. № 1345 від 02.11.96 р., прийнятої Кабінетом Міністрів України, і відповідає планам науково-дослідних робіт Національного гірничого університету за темами: “Розробити методи та засоби контролю пилового навантаження гірників на основі даних про вміст пилу в повітрі робочої зони гірничих виробок” (№ держ. реєстрації 0102U003025), “Дослідження фільтруючих елементів до респіратора РПА і розробка рекомендацій по підвищенню їх ефективності”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності протиаерозольних засобів індивідуального захисту органів дихання на основі збільшення пилоємності фільтрів при незмінній їх площі фільтрації та зменшенні початкового опору фільтра постійному повітряному потоку.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

- провести аналіз і оцінку якості протиаерозольних респіраторів багаторазового використання;

- провести аналіз конструкцій фільтруючих елементів респіраторів;

- визначити фактори, які зумовлюють низьку ефективність робити ЗІЗОД в умовах вугільних шахт;

- дослідити характеристики поліпропіленових матеріалів та визначити можливість використання їх для виготовлення ЗІЗОД різного класу захисту;

- дослідити характеристики фільтрів із поліпропіленових матеріалів;

- визначити взаємозв'язок між конструктивними параметрами ЗІЗОД та характеристиками фільтруючих матеріалів, з яких вони виготовляються;

- розробити нові конструкції фільтрів із високим коефіцієнтом використання фільтруючого матеріалу.

Об'єктом дослідження є засоби індивідуального захисту органів дихання працюючих.

Предметом досліджень є показники фільтруючих елементів респіраторів багаторазового використання та фільтруючих матеріалів, що визначають їх фільтруючі та ергономічні характеристики.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи застосовано: аналіз і узагальнення літературних джерел відносно конструкцій фільтрів, характеристик фільтруючих матеріалів та процесу уловлювання аерозольних часток – при виборі та обгрунтуванні напрямку робіт; методи математичної статистики і статистичного аналізу – для встановлення взаємозв'язків між основними параметрами та характеристиками поліпропіленових матеріалів; методи математичного моделювання – для обґрунтування пилоємності поліпропіленових матеріалів та розподілу повітряного навантаження в конфігурованих матеріалах.

Ідея роботи полягає в тому, що підвищення ефективності протиаерозольних засобів індивідуального захисту органів дихання досягається за рахунок більш рівномірного розподілу уловленого пилу по площині робочої поверхні фільтра і залежить від товщини фільтруючого матеріалу, з якого виготовлений фільтр.

Основні наукові положення та результати, їх новизна.

Положення. 1. Фільтруючі елементи, скомпоновані з декількох шарів фільтруючого матеріалу, мають більшу захисну ефективність, ніж фільтруючі елементи, що складаються з одного шару матеріалу такої ж товщини, опору і щільності упакування волокон, як у фільтрів із декількох шарів.

2. Збільшення пилоємності поліпропіленових матеріалів можливе не тільки за рахунок зміни щільності упакування по товщині матеріалу, а й за рахунок зміни заряду волокон за товщиною, що дозволяє керувати процесом розподілу пилу. Використання поліпропіленового матеріалу, у якого верхній шар не має заряду, приводить до зменшення поверхневого насичення верхнього шару пилом і збільшує пилоємність на 14 % у порівнянні з фільтрами, у котрих заряд рівномірно розподілений по товщині.

3. Опір гофрованих фільтруючих елементів респіраторів, які не мають жорстких вставок між гофрами, нелінійно залежить від швидкості фільтрації, при цьому зі збільшенням швидкості фільтрації збільшується опір фільтра, що пояснюється змиканням гофрів і відповідно зменшенням ефективної площі фільтрації.

Наукові результати.

1. Встановлено фактори, що зумовлюють малий термін роботи ЗІЗОД в умовах вугільних шахт. Показано, що, крім відомих факторів, на роботу фільтра впливає жорсткість і еластичність фільтруючих матеріалів, котрі використовуються для виготовлення гофрованих фільтрів.

2. Встановлено залежності, які пов'язують технічні параметри поліпропіленових матеріалів, що використовуються для виготовлення фільтрів, з фільтруючими та ергономічними показниками. Показано, що при малих швидкостях фільтрації найвагоміший вплив у процесі уловлювання аерозольних часток у цих матеріалах має електростатичний ефект.

3. Розроблена математична модель для оцінки пилоємності поліпропіленових матеріалів, яка відрізняється від відомих урахуванням зв'язку показників фільтрації з показниками структури фільтруючого матеріалу та враховує те, що накопичення пилу в цих матеріалах відбувається не тільки на поверхні фільтруючого шару, а й по товщині.

4. Показано вплив двомірного конфігурування фільтруючих матеріалів на показники фільтрів респіратора. Допрацьована відома математична модель розподілу повітряного навантаження по висоті гофрів і поширена на фільтри респіраторів. Уперше встановлено, що геометрія фільтрів респіратора залежить не тільки від показників фільтруючого матеріалу, а й від кількості повітря, що проходить крізь фільтр.

5. Уперше встановлено, що найкращі ергономічні та фільтруючі показники, на відміну від відомих, мають фільтруючі елементи до респіраторів Пульс та РПА при співвідношенні висоти фільтра до кроку складки (1,8...3,2):1 та площі фільтрації (320...550) см2.

Достовірність наукових положень та результатів підтверджується: коректністю постановки і вирішення задач; застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих припущень; достатнім обсягом експериментів, проведених на атестованому обладнанні із застосуванням атестованих методик в лабораторії, яка акредитована в системі УкрСЕПРО, що забезпечило з імовірністю 0,95 відхилення результатів не більш 10 %; узгодженістю результатів теоретичних та експериментальних досліджень; позитивними результатами дослідно-промислової перевірки розроблених конструкцій фільтруючих елементів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що результати досліджень дозволили оптимізувати габарити і форму високоефективних фільтрів до респіраторів багаторазового використання та розробити інженерні методики розрахунку параметрів поліпропіленових матеріалів та фільтруючих елементів до респіраторів, які передані Українському державному науково-дослідному інституту безпеки праці і екології в гірничорудній і металургійній промисловості (НДІБПГ, м. Кривий Ріг). На базі цих досліджень були також розроблені рекомендації щодо вибору матеріалів для виготовлення фільтрів виходячи із різних умов експлуатації, які передані НВП “Спецснаб” для подальшого впровадження їх у виробництво ЗІЗОД.

Особистий внесок здобувача полягає у вирішенні науково-практичної проблеми розвитку наукових і методологічних основ підвищення ефективності протиаерозольних засобів індивідуального захисту органів дихання. У роботах, написаних у спіавторстві, особистий внесок полягає в такому: [3] – обгрунтувано методики визначення коефіцієнта проникнення по аерозолях: масляного туману, диоктилфталату соляного та пилового; [4] – досліджено режими роботи генератора пилу; [7, 8, 9] – досліджено показники фільтрів у результаті лабораторних і промислових дослідів; [11, 12] – запропоновано рішення щодо підвищення строку дії фільтрів і ефективності використання поліпропіленового фільтруючого матеріалу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на першій Всеукраїнській науково-практичній конференції “Україна наукова 2001” (м. Дніпропетровськ, 2001); на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки” (м. Дніпропетровськ, 2001); на Міжнародній науково-практичній конференції “Неделя горняка 2002”, ИПКОН РАН – МГУ (Москва, 2002).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 12 наукових робіт у журналах та збірниках наукових праць, у тому числі 10 у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, отримано 2 патенти, 2 – тези доповідей конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку літературних джерел із 88 найменувань, має 149 сторінок машинописного тексту, 54 рисунки, 25 таблиць, додатки. Загальний обсяг – 149 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також відомості про практичне значення результатів роботи, їх апробацію і публікацію матеріалів дослідження.

У першому розділі проаналізовано технічні характеристики респіраторів багаторазового використання, конструкції фільтруючих елементів, фільтруючі властивості сучасних матеріалів, які використовуються для виготовлення засобів індивідуального захисту органів дихання; приведено аналіз літературних джерел, що характеризують сучасний рівень у цій області знань, і встановлено таке:

- найкращі показники мають респіратори РПА і Пульс, тому вони найбільш розповсюджені на підприємствах вугільної промисловості, але їх фільтруючі елементи мають малий термін використання [1];

- практично у всіх респіраторів вітчизняного виробництва використовуються фільтруючі елементи типу КУГ (конус усічений гофрований), до недоліків яких слід віднести нетехнологічність їх виготовлення (частина фільтруючого матеріалу не використовується);

- відомості з питань розрахунку фільтрів респіраторів з урахуванням властивостей фільтруючих матеріалів, з яких вони виготовляються, в літературних джерелах відсутні;

- найбільше розповсюдження для виготовлення фільтрів респіраторів отримали фільтруючі матеріали ФПП та поліпропіленові матеріали НФП і елефлен. Матеріли ФПП характеризуються високою ефективністю фільтрації при низькому опорі диханню. Однак до їх недоліків слід віднести: малу механічну міцність, труднощі під час утилізації, необхідність природоохоронних заходів під час виготовлення, шкідливу дію на людину. Дослідження властивостей поліпропіленових матеріалів показали, що вони мають низький опір диханню, достатню ефективність фільтрації, високу міцність, але вони мають широкий діапазон показників, що ускладнює розрахунок і вибір матеріалів для виготовлення фільтрів різного класу захисту [2];

- відомі методи для розрахунку, як властивостей так і параметрів фільтруючих матеріалів, не можуть бути використані для поліпропіленових матеріалів без додаткових досліджень і доробки, оскільки вони грунтуються на монодисперсному розподілі волокон, у той час як поліпропіленові матеріали характеризуються полідисперсним розподілом.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі шляхом моделювання процесів, що відбуваються у фільтруючих матеріалах під час уловлювання аерозольних часток, та їх експериментальних досліджень у лабораторних умовах уточнені основні закономірності розрахунку технологічних характеристик поліпропіленових матеріалів і розроблено метод оцінки їх пилоємності. Коротко описані основні методи оцінки властивостей фільтруючих матеріалів та респіраторів. Встановлено, що одним із найкращих методів оцінки захисних властивостей ЗІЗОД є метод, розроблений на основі монодисперсного аерозолю масляного туману з діаметром часток 0,3 мкм [3, 4]. Приведено інженерну методику розрахунку параметрів поліпропіленових матеріалів.

Нині для виготовлення протипилових ЗІЗОД використовуються фільтруючі матеріали з поліпропіленових волокон. Вони мають ряд переваг над традиційними матеріалами ФП, у зв'язку з чим можливе спрощення технології виготовлення фільтруючих елементів респіраторів та зниження їх собівартості.

Найбільш істотними характеристиками, що визначають властивості волокнистих фільтруючих матеріалів, є опір повітряному потоку, захисна ефективність і пилоємність. Величина опору є важливою експлуатаційною характеристикою фільтрів, яка визначає умови праці робітників та впливає на час експлуатації фільтра. Крім того, знання величини опору дозволяє розрахувати оптимальний радіус волокон матеріалу.

Нині теорія розрахунку опору фільтруючих матеріалів розроблена досить детально. Однак для фільтруючих матеріалів із поліпропіленових волокон дані, отримані шляхом застосування відомих формул, не відповідають експериментальним. Це пояснюється тим, що вся теорія розрахунку опору розроблялась для умов монодисперсного розподілу волокон матеріалу, а розглянуті фільтруючі матеріали мають полідисперсний розподіл.

За результатами експериментальних досліджень був встановлений взаємозв'язок між опором і середнім радіусом волокон поліпропіленових матеріалів, а також встановлено коефіцієнт похибки [5]:

, (1)

де – опір фільтруючого матеріалу, Па; н – швидкість повітряного потоку, м/с; м – динамічна в'язкість повітря, Н·с/м2; в – щільність упакування волокон у матеріалі; Н – товщина фільтруючого шару, м; – радіус волокон, м; л –поправочний коефіцієнт; у – дисперсія волокон.

Поправочні коефіцієнти для поліпропіленових матеріалів приведені в табл. 1.

Таблиця 1

Експериментальні значення середнього радіуса та поправочного коефіцієнта

Фільтруючі матеріали Діапазон діаметрів волокон, мкм Середній радіус волокон, мкм Поправочний коефіцієнт, л

розрахунковий експеримент.

елефлен 5 1…8 2,0 2,3 1,12

елефлен 7С 1…5 1,12 1,13 1,11

НФП 5 1…8 2,0 2,2 1,11

мелтблоун 1…6 1,5 1,45 1,07

Захисна ефективність фільтруючих матеріалів залежить як від структури матеріалу так і від сумарного коефіцієнта уловлювання, що зумовлюється дифузійним, інерційним, гравітаційним та електростатичним механізмами захвату аерозольних часток:

, (2)

де К – коефіцієнт проникнення аерозолю через фільтруючий матеріал; – сумарний коефіцієнт уловлювання аерозольних часток.

Оскільки сумарний коефіцієнт уловлювання аерозольних часток являє собою складну суперпозицію одночасної реалізації всіх механізмів аерозольних часток, то його розрахунок викликає значні труднощі. Крім того, коефіцієнти уловлювання, зумовлені різними механізмами фільтрації, є складними і різнохарактерними функціями, які залежать від розмірів і маси аерозольних часток, діаметрів волокон і щільності їх упакування, а також в'язкості і швидкості фільтрації.

Виконані нами дослідження залежності коефіцієнта проник-нення поліпропіленових матеріалів від швидкості фільтрації (рис. 1), показали, що вклад конкретних механізмів захвата в результуючий коефіцієнт уловлювання в різних діапазонах швидкості неоднаковий. Так, при малих швидкостях фільтрації до 0,02 м/с перева-жаючим механізмом захвата є електростатичний, тоді як із ростом швидкості збільшується вплив інерційного механізму.

Таким чином, для розрахунку сумарного коефіцієнта уловлювання фільтруючих матеріалів, які використовуються для ЗІЗОД, достатньо визначити коефіцієнт уловлювання, зумовлений електростатичним механізмом, оскільки вклад усіх інших механізмів становить менше 10 %. Величину коефіцієнта уловлювання для матеріалів з поверхневим електростатичним зарядом та монодисперсним розподілом волокон можна оцінити з виразу, запропонованого Дж. Зебелом. Виконані нами дослідження показали, що для матеріалів з полідисперсним розподілом необхідно також враховувати їх структурні особливості, наприклад, через гідродинамічний коефіцієнт k0, остаточний вираз для розрахунку коефіцієнта уловлювання, зумовленого електростатичним механізмом захвата, має вигляд:

, (3)

де – гідродинамічний коефіцієнт, враховуючий характер течії газу між волокнами; еk – діелектрична постійна частинки; е2 – діелектрична постійна матеріалу волокон; Е0 – напруженість електричного поля, в яке помістили фільтруючий матеріал, кв/см; R – радіус частинки, м.

Враховуючи, що опір лінійно залежить від товщини фільтруючого матеріалу, можна визначити взаємозв'язок між ним та коефіцієнтом проникнення і захисною ефективністю. У ході експериментального дослідження цього взаємозв'язку було встановлено, що зразки фільтруючого матеріалу, котрий складається з декількох шарів, мають більшу захисну ефективність, ніж зразки з одного шару такої ж товщини, опору і щільності упакування волокон (рис. 2). Це пояснюється тим, що за існуючої технології виготовлення поліпро-піленових матеріалів отримують неоднорідне фільтруюче полотно за своїми властивостями, тобто є дільниці з підвищеною і пониженою поверхневою щільністю. Наявність неоднорідностей знижує захисну ефективність усього фільтруючого матеріалу. Виготовлення багато-шарових матеріалів збільшує однорідність фільтруючого полотна і тим самим підвищує захисну ефективність.

Важливою характеристикою фільтруючих матеріалів є пилоємність, чим більше значення останньої, тим повільніше зростає опір, більший час експлуатації фільтра, який визначається досягненням нормативного опору. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень було встановлено залежність росту опору від пилоємності для поліпропіленових матеріалів:

, (4)

де Др0 – початковий опір чистого фільтруючого матеріалу, Па; kn – коефіцієнт пропорційності, який залежить від швидкості фільтрації, м4/с2; L – загальна довжина волокон; F0 – загальна площа фільтруючого матеріалу, м2; – сумарна поверхня волокон; П – маса осілих часток пилу, кг; сn – насипна щільність часток пилу, кг/м3; ц – коефіцієнт нерівномірності розподілу пилу на волокнах матеріалу.

Вираз (4) був одержаний з урахуванням припущення, що малому росту пилоємності відповідає малий ріст опору, або , де коефіцієнт є лінійною функцією відношення площі перетину, зайнятої волокнами з пилом F?, до загальної площі фільтруючого матеріалу F0. При цьому площу перетину, зайняту волокнами з осілим пилом, можна визначити за формулою:

, (5)

Коефіцієнт пропорційності kn встановлювався експериментально (рис. 3). Для проектування і розробки нових типів ЗІЗОД необхідно за заданими основними характерис-тиками фільтруючих матеріалів отримати їх основні параметри: радіус волокон, щільність упакування та товщину. Для цього була запропонована методика розрахунку параметрів поліпропіленових матеріалів, яка відрізняється від відомих тим, що в ній враховано вплив пилоємності. Керуючись виразами (1) – (3) і задавшись граничною величиною , яка визначається виходячи з технологічних вимог на виготовлення матеріалу або ЗІЗОД, можна розрахувати величину радіуса волокон матеріалу.

Визначившись з основними параметрами фільтруючого матеріалу, робимо перевірку щодо пилоємності:

, (6)

де Пі – задане значення пилоємності; – кінцеве значення опору запиленого матеріалу.

Якщо умова (6) не виконується, необхідно або змінити щільність упакування волокон по товщині матеріалу, або змінити електростатичний заряд волокон за товщиною, що забезпечить рівномірний розподіл пилу по товщині матеріалу, за рахунок зменшення поверхневого насичення ним зовнішнього шару фільтруючого матеріалу. У табл. 2 приведені середні значення результатів експериментальних випробувань декількох зразків, виготовлених із фільтруючого матеріалу елефлен 5С, у якого зовнішній і внутрішній шари мають однакову щільність упакування, та з матеріалу елефлен 5СН, у якого зовнішній шар не має електростатичного заряду.

Таблиця 2

Результати порівняльних випробувань фільтрів по вугільному пилу

Марка фільтруючого матеріалу Початкова маса фільтра, m, г Початковий опір, P, Па Кінцевий опір P, Па Маса пилу, яка осіла на фільтр, m, г Захисна ефективність, %

елефлен 5С 0,455 2,83 100 1,44 99,6

елефлен 5СН 0,455 2,82 100 1,67 99,5

Як видно з табл. 2, матеріал елефлен 5СН, у якого верхній шар вільний від електростатичного заряду, має пилоємність на 14 % більшу, ніж у матеріалу з рівномірно розподіленим електростатичним зарядом.

У третьому розділі приведені результати досліджень властивостей різних типів фільтруючих елементів, а також процесу фільтрації волокнистими матеріалами після двомірного конфігурування.

Оскільки фільтруючі матеріали ФПП мають істотний недолік – малу механічну міцність, то для виготовлення фільтрів використовують додаткові шари матеріалів в якості підкладки та покривного шару, таких, як марля, марля апретована, термоскріплені матеріали із лавсанових і поліамідних волокон. Таким чином, до кожного респіратора існує декілька різновидів фільтруючих елементів, які відрізняються типом підкладки і покривного шару. Враховуючи те, що останнім часом з'явились поліпропіленові фільтри, які виготовляються за старими технологіями, розробленими для фільтрів із ФПП, були проведені порівняльні лабораторні та промислові дослідження за основними показниками для визначення найкращого типу (табл. 3, 4) [7 - 9]. У результаті було встановлено, що найкращі показники мають фільтри з поліпропіленових матеріалів, але й вони характеризуються неефективним використанням робочої поверхні. Особливо це стосується фільтрів із ФПП на марлі, у яких коефіцієнт використання фільтруючого матеріалу менший, ніж 50 %. Це зумовлено як змиканням гофрів фільтра, що помітно навіть візуально, так і нерівномірністю повітряного навантаження по висоті гофрів, що випливає під час порівняння характеристик конфігурованного шару матеріалу з неконфігурованим. Скажімо, опір неконфігурованого поліпропіленового матеріалу площею, яка дорівнює площі шестискладчастого фільтра до респіратору РПА, становить 6,4 Па, тоді як опір шестискладчастого фільтра в залежності від товщини фільтруючого матеріалу і висоти фільтра становить 19...23 Па.

За допомогою порівняння показників різних конструкцій фільтрів було встановлено, що при заданій висоті гофрів для кожного типу фільтра існує кінцевий крок між двома виступами, при якому повітряне навантаження буде рівномірно розподіленим, а опір фільтра буде мінімальним. У результаті порівняння властивостей фільтрів до різних респіраторів багаторазового використання було встановлено, що для визначення оптимальної відстані між гофрами необхідно зв'язати конструктивні параметри фільтра з властивостями фільтруючого матеріалу, з якого він виготовлений.

На основі моделі, яка описує процеси фільтрації в промислових фільтрах типу НЕРА (High Efficiency Particulate Air) та ULPA (Ultra Low Penetration Air), що використовуються для очищення повітря в приміщеннях, було розроблено математичну модель для фільтрів респіраторів. Основною відмінністю фільтрів респіраторів від промислових фільтрів є те, що перші вставляються в коробку, у якої надто велика різниця між вхідним і вихідним отворами (до того ж вихідний отвір зміщений відносно центра коробки), що призводить до додаткового збільшення опору диханню. Крім того, гофри фільтра в коробці можуть повністю або частково змикатись, оскільки в них відсутні ребра жорсткості, як це передбачено в промислових фільтрах.

Таблиця 3

Результати лабораторних досліджень фільтрів до респіраторів РПА і Пульс

Показники, що визначаються Значення показників

Фільтри з мелтблоун Фільтри з елефлен 5С Фільтри з ФПП15-1,5 на марлі, підкладка – марля апретована Фільтри з ФПП15-0,6 на марлі, підкладка – марля апретована Фільтри з ФПП15-0,6 на спанбонді, підкладка – спанбонд

Робоча площа фільтра, S, см2 500 500 500 500 500

Маса фільтра; m, г 4,7±0,22 5,9 ± 0,4 6,8±0,32 8,3 ± 0,3 8,7 ± 0,2

Коефіцієнт прони-кнення по аерозолю масляного туману з частинками 0,28-0,34 мкм, К, % 0,63±0,05 0,23 ± 0,05 0,07 ± 0,03 0,06 ± 0,04 0,06 ± 0,02

Опір постійному потоку повітря з витратою через ЗІЗОД 15 л/хв, P,Па 21±2,1 21,9 ± 2,5 34±2,3 28 ± 2,5 31 ± 2,0

Пилоємність фільтрів по вугільному пилу при досягненні опору 100 Па, г 6,4±0,25 6,6 ± 0,15 5,7±0,14 5,8±0,17 5,7 ±0,2

Коефіцієнт ефек-тивності вико-ристання фільт-руючого матеріалу 0,66 0,72 0,43 0,49 0,47

Таблиця 4

Результати промислових досліджень фільтрів до респіраторів РПА і Пульс

Показники, що визначаються Значення показників

Фільтри з мелтблоун Фільтри з елефлен 5С Фільтри з ФПП15-1,5 на марлі, підкладка – марля апретована Фільтри з ФПП15-0,6 на спанбонді, підкладка – спанбонд

Початкова маса фільтра; m, г 4,7±0,22 6,1 ± 0,4 6,8 ± 0,32 8,7 ± 0,2

Початковий опір пос-тійному потоку повітря з витратою через ЗІЗОД 15 л/хв, Р, Па 21±2,1 24 ± 2,5 36±2,3 34 ± 2,0

Маса пилу, накопиченого на фільтрі (пилоємність), П, г 1,02±012 1,12 ± 0,12 0,287 ± 0,042 0,715 ± 0,153

Опір запиленого фільтра постійному потоку повітря з витратою через ЗІЗОД 15 л/хв, Р, Па 32±2,4 31± 2,1 44 ± 3,5 42 ± 3,2

Виходячи із запропонованої математичної моделі, опір фільтра респіратора можна розрахувати за формулою [10]:

, (7)

де h – висота гофрів, м; t – ширина каналу, м; л – параметр конфігурування, 1/м.

Параметр конфігурування л характеризує вплив як властивостей фільтруючого матеріалу, так і геометрії фільтра на ступінь нерівномірності розподілу швидкості повітряного потоку по висоті гофрів. Крім того, він враховує і змикання гофрів, що залежить від кількості повітря і деформації фільтра в коробці:

, (8)

де k1 – коефіцієнт нерівномірності розподілу повітряного навантаження по висоті гофрів, який залежить від кількості повітря; Q – кількість повітря, л/хв; Сf – коефіцієнт опору фільтруючого матеріалу, Н/м3?с.

Коефіцієнт нерівномірності розподілу повітряного навантаження по висоті гофрів встановлюється експериментально, для фільтрів з матеріалу ФПП дорівнює 10, з елефлен – 8 (рис. 4).

Відповідно до виразу (7) було отримано співвідношення між висотою та шириною каналу, що дозволить забезпечити рівномірне розподілення повітряного наван-таження по висоті гофрів:

, (9)

де .

Таким чином, за допомогою відношення (9) можна визначити оптимальні розміри фільтра з мінімальним опором диханню та відомою захисною ефективністю.

У четвертому розділі приведена інженерна методика розрахунку фільтруючих елементів, параметри нових конструкцій фільтрів до респіраторів РПА та Пульс, результати їх лабораторних та промислових досліджень, дана техніко-економічна оцінка впровадження нових конструкцій та розглянуто перспективи їх подальшого розвитку.

Із виразу (9) були розраховані оптимальні співвідношення між висотою і кроком складки для матеріалів ФПП на спанбонді, елефлен, НФП і мелтблоун (табл. 5), які забезпечать рівномірне повітряне навантаження по висоті гофрів та максимальне використання робочої поверхні фільтра респіратора.

Таблиця 5

Конструктивні параметри фільтруючих елементів респіраторів РПА і Пульс

Матеріал для фільтра до респіратора РПА Висота фільтра, h, мм Поправочний коефіцієнт, k1 Товщина заготівки, мм Крок складки, Т, мм Співвідношення між висотою і кроком складки

ФПП15-0,6 на спанбонді 24 10 1,0…1,4 8,9 2,5:1

елефлен, НФП 24 8 0,8 7,8 2,9:1

мелтблоун 24 9 0,9 7,2 3,3:1

Згідно з цими розрахунками неможливо виготовити фільтри до респіраторів РПА і Пульс, які б підходили до їх коробки без зміни її габаритних розмірів. Тому було розроблено декілька конструкцій фільтрів, які б відповідали розмірам фільтруючої коробки, при цьому співвідношення між висотою і кроком складки максимально приближене до оптимального [11]. Були виготовлені п'ятискладчасті та чотирьохскладчасті фільтри, а потім за допомогою лабораторних і промислових досліджень було встановлено, які з них мають кращі показники (рис. 5-6).

Як видно із рисунків 5 і 6, найкращі показники мають п'ятискладчасті фільтри з поліпропіленових матеріалів і чотирьохскладчасті фільтри з матеріалу ФПП.

Таким чином, враховуючи результати досліджень, вважємо, що для респіраторів РПА і Пульс можна використовувати п'ятискладчасті і чотирьохскладчасті фільтри, які забезпечують високий коефіцієнт використання робочої поверхні фільтра (0,83...0,92), а отже, і збільшення пилоємності у порівнянні з традиційними – до 16 %, зменшення опору диханню – до 30 %, при цьому захисна ефективність залишається незмінною за рахунок рівномірного розподілу повітряного навантаження по висоті фільтра. Було також встановлено, що внаслідок зменшення площі фільтруючого матеріалу, необхідного для виготовлення фільтрів, собівартість фільтрів при виготовленні п'ятискладчастих фільтрів зменшиться на 20 %, а чотирьохскладчастих – на 35 %.

Отже, результати досліджень дозволяють по-новому оцінити роботу фільтрів і можливості використання фільтруючих матеріалів, вони указують також на нові задачі, пов'язані з розробкою як нового типу фільтра, так і нової конструкції респіратора, вирішення яких максимально захистить здоров'я працюючих від пливу шкідливих речовин.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі, яка є закінченою науково-дослідною роботою, поставлена та вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності протиаерозольних засобів індивідуального захисту органів дихання, що полягає: в обгрунтуванні габаритних розмірів фільтрів, виявленні оптимальних співвідношень між основними параметрами фільтрів, розкритті властивостей багатошарових фільтруючих матеріалів, які мають електростатичний заряд, та виявленні впливу швидкості фільтрації на опір фільтра, що дозволило збільшити пилоємність і термін служби фільтрів респіраторів при незмінній їх площі фільтрації, а також зменшити їх початковий опір і вартість.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки і рекомендації полягають у такому:

1. Виконано аналіз технічних характеристик респіраторів багаторазового використання, властивостей фільтруючих матеріалів і конструкцій фільтруючих елементів різних типів респіраторів. Встановлено причини, що зумовлюють швидкий ріст опору фільтрів диханню, низьку пилоємність, яка приводить до малого строку служби та високої вартості фільтрів. Встановлено, що властивості фільтруючих матеріалів суттєво впливають на конструктивні параметри фільтрів.

2. Шляхом моделювання процесів, що протікають у фільтруючих матеріалах при уловлюванні аерозольних часток та їх експериментальних дослідженнях в лабораторних умовах, уточнені основні закономірності для розрахунку технологічних характеристик поліпропіленових матеріалів і виконана оцінка їх пилоємності, у тому числі:

- встановлені закономірності, що зв'язують опір і захисну ефективність з середнім радіусом волокон поліпропіленових матеріалів, щільністю упакування і їх товщиною, визначено коефіцієнт похибки для розрахунку опору;

- встановлено закономірність захвату аерозольних часток при малих швидкостях фільтрації (до 0,02 м/с), визначено вплив коефіцієнта захвату аерозольних часток, обумовленого електростатичним механізмом захвату на захисну ефективність, при цьому показано, що захисна ефективність двошарових матеріалів вища, ніж одношарових такої ж товщини, щільності упакування волокон і опору;

- встановлено, що збільшення пилоємності поліпропіленових фільтруючих матеріалів можливе не тільки за рахунок зміни щільності упакування, діаметру та товщини волокон, а й за рахунок перерозподілу електростатичного заряду, нанесеного на волокна.

3. Теоретично і експериментально досліджені процеси фільтрації волокнистими матеріалами після двомірного конфігурування; встановлено взаємозв'язок між властивостями фільтруючих матеріалів та конструктивними параметрами фільтрів, у тому числі:

- розроблено математичну модель розподілу швидкості фільтрації по висоті гофрів фільтра; встановлено, що їх оптимальна геометрія і об'ємна розгортка залежать як від властивостей фільтруючих матеріалів, включаючи товщину, так і від кількості повітря, що проходить через фільтр, при цьому опір фільтра нелінійно залежить від швидкості фільтрації;

- визначені оптимальні розміри фільтрів, у яких забезпечується рівномірне повітряне навантаження по висоті гофрів.

4. Розроблена інженерна методика розрахунку основних параметрів поліпропіленових матеріалів з урахуванням їх пилоємності та інженерна методика розрахунку фільтрів з поліпропіленових матеріалів.

5. Розроблені рекомендації щодо використання найбільш розповсюджених типів фільтруючих матеріалів під час виготовлення фільтрів для різних умов експлуатації.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах:

1. Чеберячко С.И. Анализ и оценка качества противоаэрозольных респираторов со сменными фильтрами // Науковий вісник НГАУ. - 2000. - № 6. - С. 58-59.

2. Чеберячко С.И. Анализ фильтрующих материалов, применяемых для изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания // Разработка рудных месторождений. - 2001. - № 76. - С. 98-102.

3. Ищенко А.С., Чеберячко С.И. Анализ методов оценки эффективности противопылевых респираторов и фильтрующих материалов // Сб. научн. тр. - НГАУ. - 2001. - Т. 1. - № 11. - С. 105-109.

4. Разработка установки для испытаний средств пылезащиты и контроля запыленности // В.И. Голинько, В.Е. Колесник, А.С. Ищенко, С.И. Чеберячко / Науковий вісник НГАУ. - 2001. - № 3. - С. 64-66.

5. Чеберячко С.И. Дослідження опору повітряному потоку фільтруючих матеріалів з поліпропіленових волокон // Вісник ЖІТІ. - 2002. - № 18. - С. 183-185.

6. Чеберячко С.И. Математическое описание процесса улавливания пыли полипропиленовыми фильтрующими материалами // Сб. научн. тр. - НГАУ. - 2001. - Т. 2. - № 12. - С. 217-222.

7. Голинько В.И., Ищенко А.С., Чеберячко С.И. Сравнительная оценка фильтрующих элементов к противопылевым респираторам // Уголь Украины. - 2002. - № 2-3. - С. 57-58.

8. Голинько В.И., Ищенко А.С., Чеберячко С.И. Производственные испытания фильтров к респиратору Пульс (РПА) // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. - № 5. - С. 109 - 111.

9. Голинько В.И., Колесник В.Е., Чеберячко С.И Контроль пылевой нагрузки горнорабочих с использованием математической модели распространения пыли по горным выработкам // Сб. научн. тр. - НГАУ. - 2002. - Т. 1. - № 13. - С. 198-205.

10. Чеберячко С.И. Определение параметров фильтра респиратора в зависимости от свойств фильтрующих материалов // Науковий вісник НГАУ. - 2002. - № 2 - С. 71-74.

11. Пат. 44101 Україна, МКИ3 А 62 В 23/02. Фільтруючий елемент протипилового респіратора / В.І. Голінько, О.С. Іщенко, С.І. Чеберячко та ін. (Україна) - № 2001042915; Заявл. 27.04.01; Опубл. 15.01.02; Бюл. № 1.

12. Пат. 44101 Україна, МКИ3 А 62 В 23/02. Фільтруючий елемент протипилового респіратора / В.І. Голінько, О.С. Іщенко, С.І. Чеберячко та ін. (Україна) - № 2001042466; Заявл. 12.04.01; Опубл. 15.01.02; Бюл. № 1.

13. Чеберячко С.И. Исследование сопротивления фильтрующих материалов из полипропиленовых волокон // Тез. докл. І Всеукр. научн.-практ. конф. “Україна наукова 2001”. - Т. 3. Технічні та фізико-математичні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2001. - С. 12-13.

14. Голинько В.И., Чеберячко С.И., Дядюшко В.Р., Савченко К.К., Коврыгин С.А. Сравнительные испытания фильтрующих элементов респираторов РПА (Пульс) // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки / Зб. мат. Міжнар. наук.-практ. конф. - Дніпропетровськ, 2001. -

С. 303-306.

АНОТАЦIЯ

Чеберячко С.І. Підвищення ефективності протиаерозольних засобів індивідуального захисту органів дихання працюючих. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 – “Охорона праці”, Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

У дисертаційній роботі виконано рішення актуального науково-технічного завдання підвищення ефективності протиаерозольних засобів індивідуального захисту органів дихання, що полягає у підвищенні пилоємності фільтруючих елементів, збільшенні їх строку служби, зменшенні початкового опору і вартості фільтрів.

Виконано аналіз технічних характеристик респіраторів багаторазового використання, властивостей фільтруючих матеріалів і конструкцій фільтруючих елементів різних типів респіраторів. Досліджені основні закономірності для розрахунку технологічних характеристик поліпропіленових матеріалів і виконана оцінка їх пилоємності. Встановлено взаємозв'язок між властивостями фільтруючих матеріалів та конструктивними параметрами фільтрів. Розроблена математична модель розподілу швидкості фільтрації по висоті гофрів.

Розроблена інженерна методика розрахунку фільтрів із поліпропіленових матеріалів.

Отримані результати досліджень дозволили розробити рекомендації щодо використання найбільш розповсюджених типів фільтруючих матеріалів при виготовлені фільтрів для різних умов експлуатації.

Ключові слова: респіратор, фільтр, фільтруючий матеріал, опір, захисна ефективність, коефіцієнт проникнення, пилоємність.

АННОТАЦИЯ

Чеберячко С.И. Повышение эффективности противоаэрозольных средств индивидуальной защиты органов дыхания трудящихся. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – “Охрана труда”, Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

В диссертационной работе осуществлено решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности противоаэрозольных средств индивидуальной защиты органов дыхания, которая заключается в повышении пылеемкости фильтрующих элементов, увеличении их срока службы, уменьшении начального сопротивления и стоимости фильтров.

Выполнен анализ и оценка качества противоаэрозольных респираторов многоразового использования. Проанализированы конструкции фильтрующих элементов и свойства фильтрующих материалов, которые применяются для их изготовления. Определены факторы, обусловливающие низкую эффективность работы СИЗОД в условиях угольных шахт.

Исследовано сопротивление полипропиленовых материалов и установлена взаимосвязь между средним радиусом волокон и основными их характеристиками. Исследован процесс улавливания аэрозольных частиц полипропиленовыми материалами и произведена оценка влияния основных механизмов захвата аэрозольных частиц на эффективность фильтрации при малых скоростях. Впервые установлен наиболее точный метод расчета защитной эффективности полипропиленовых материалов. Исследован процесс улавливания аэрозольных частиц многослойными полипропиленовыми материалами. Разработана и обоснована математическая модель для оценки пылеемкости полипропиленовых материалов. Разработана методика расчета параметров полипропиленовых материалов, которая отличается от известных учетом пылеемкости.

Исследованы процессы фильтрации волокнистыми фильтрующими материалами после двухмерного конфигурирования и установлено его влияние на показатели фильтра. Разработана математическая модель распределения воздушной нагрузки по высоте гофра фильтра респиратора. Впервые установлено, что геометрия фильтров респиратора зависит не только от показателей фильтрующего материала, но и от расхода воздуха, который проходит через фильтр. Разработана инженерная методика расчета параметров фильтров, которая отличается от известных тем, что площадь фильтра определяется исходя из оптимального соотношения между высотой фильтра и шагом складки.

В результате выполненных исследований обоснованы конструкции новых фильтрующих элементов к респираторам РПА и Пульс, которые обеспечивают высокий коэффициент использования рабочей поверхности фильтра, следовательно, и увеличение пылеемкости по сравнению с традиционными – до 16 %, снижение сопротивления дыханию – до 30 %, при этом защитная эффективность остается неизменной за счет равномерного распределения воздушной нагрузки по высоте фильтра. Предложены несколько методов увеличения пылеемкости фильтров и впервые предложен метод, основанный на изменении электростатического заряда по толщине фильтрующего материала, что увеличило пылеемкость двухслойных фильтров до 14 %.

Оценена экономическая эффективность