Куда дует? Зачем нужно моделирование пылегазовых потоков.

Профессор Ольга АВЕРКОВА из Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова занимается важной экологической темой — она моделирует пылегазовые потоки в системах аспирации. Это нужно для того, чтобы улучшить вентиляцию промышленных помещений, а заодно убрать производственную пыль, которая вызывает профессиональные заболевания у работников предприятий. Но, к сожалению, как признается Ольга, получившая на свои исследования молодежный грант Президента РФ, ситуация в стране такова, что предприятия не заинтересованы улучшать условия работы людей. Впрочем, девушка надеется, что ее научный продукт станет востребованным в дальнейшем, — при позитивном изменении отношения к проблемам экологии. 

— Развитие современного общества характеризуется интенсивным ростом промышленного производства, потреблением невозобновляемых энергоресурсов и, как следствие, значительными темпами загрязнения окружающей среды. Сегодня мы — свидетели критического периода для сохранения природы и человека. Настало время переориентирования основных направлений науки и техники в пользу бережного отношения к окружающей среде. Экологи уже давно вынесли вердикт: либо человек меняет свое отношение к природе (и сам, соответственно, меняется), либо ему будет суждено быть стертым с лица Земли.

Один из видов механического загрязнения атмосферы — промышленная пыль. Наиболее опасные в экологическом отношении — агломерат и окатыши, получаемые в результате спекания тонкоизмельченного концентрата. Загрузка и разгрузка железнодорожных вагонов, высыпание в штабель резервных складов сопровождаются мощным выбросом пыли. Основная причина выноса пыли — эжекция — формирование направленных воздушных течений в потоке сыпучего материала за счет динамического взаимодействия падающих частиц с воздухом.

Вот уже более ста лет наиболее эффективным средством локализации и очистки воздуха от пылевых загрязнений являются системы аспирации — обеспылевающей вентиляции. Под локализацией мы понимаем отделение мест пылеобразования аспирационными укрытиями. Это надежный технический прием защиты воздуха производственных помещений и промышленных площадок предприятий от загрязнений пылевоздушными потоками, которые образуются при механической переработке и транспортировании сыпучих материалов. 

На многих предприятиях по производству строительных материалов (цемента, извести, стеновых материалов), в черной и цветной металлургии (дробильно-сортировочные и обогатительные фабрики железных руд, агломерационные и окомковательные фабрики, доменные цеха) суммарная мощность систем аспирации сопоставима с мощностью технологического оборудования. 

— Мы изучаем процессы и явления в системах аспирации, описываем математически, моделируем их. Главная задача аспирации — обеспечение комфортных и нормальных санитарно-гигиенических условий труда работников различных производств. Так как системы промышленной вентиляции энергозатратны, то необходимо, с одной стороны, чтобы они были эффективны в плане обеспечения нормальных условий труда, а с другой стороны, эта эффективность должна быть достигнута при наименьших затратах. Снизить потребление электроэнергии системами аспирации можно с помощью квалифицированного проектирования элементов аспирационных установок и грамотного выбора оптимальной производительности местных отсосов, рациональных конструкций и схем их размещения.

— Изучать поведение пылевоздушных потоков необходимо для того, чтобы определять объемы воздуха, удаляемого системами вентиляции и направляемого для очистки. Моделируя различные варианты обеспыливания, мы определяем новые закономерности и процессы. Это поможет снизить объем и затраты электроэнергии на функционирование систем аспирации. 

Мы также исследуем, как отрывается воздушный поток на входе в неплотности аспирационных укрытий, изучаем рециркуляцию потоков, вихревых течений, закрученных потоков, эжекцию (увлечение потоком с более высоким давлением среды с низким давлением), конструкцию укрытий. Раскрытие закономерностей образования эжекционных потоков воздуха позволяет не только прогнозировать уровень загрязнений атмосферы аэрозольными выбросами, но и выбрать оптимальные технические решения локализации и обеспыливания воздуха. Применение таких методов и способов снижает энергозатраты производства на системы аспирации от 15 до 80%. Это будет востребовано в разных отраслях промышленности.

— Моделирование проводим по компьютерным программам, которые мы сами разработали. В этом году получили два свидетельства Роспатента на регистрацию программ для ЭВМ. Они основаны на численных методах решения сингулярных интегральных уравнений. Проводим также экспериментальные исследования, чтобы проверить адекватность и достоверность данных компьютерного моделирования. Это исследования на лабораторных и опытно-промышленных установках. Результатом работы становятся научно-обоснованные рекомендации по проектированию систем аспирации сниженной энергоемкости. 

— За последние 15 лет наш научный коллектив выиграл более 15 грантов, в том числе 5 — Президента России, 6 — РФФИ, ряд региональных и внутривузовских грантов. В 2012-2013 годах мы выполняли работы по президентскому гранту для ведущих научных школ страны. Наша школа “Аэродинамика обеспыливающей вентиляции” была создана профессорами Валентином Нединым и Олегом Нейковым в 1950-х годах, во времена бурно развивающейся горнорудной промышленности, в Кривом Роге. 

Тогда остро стояла проблема борьбы с силикозом на горнорудных предприятиях. Силикоз — это профессиональное заболевание легких, возникающее при вдыхании пыли, содержащей свободный диоксид кремния. Чаще всего эта болезнь наблюдается у работающих на различных рудниках, в литейных цехах, на производстве огнеупорных материалов и керамических изделий. Это хроническое заболевание, развитие которого зависит от концентрации пыли, дисперсности и содержания свободного диоксида кремния. Пылевые выбросы опасны не только в связи с отравлениями и развитием профессиональных заболеваний, но также из-за того, что они оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

Поэтому и возникла необходимость разработки эффективных систем противопылевой вентиляции. Проблемами разработки и исследования этих систем научная школа продолжает заниматься до сих пор, находясь уже в Белгороде. Более сорока лет научный руководитель и идейный вдохновитель нашей научной школы — профессор Иван Логачев.

Мы докладывали о своих научных достижениях на крупных научных конференциях под эгидой European Communityon Computational Methodsin Applied Sciences (ECCOMAS): в Вене, Штутгарте, Барселоне, Венеции, на Крите, Родосе, в Ганновере (2017). В России и за рубежом в международном издательстве CRSPress изданы наши монографии.

— Трудности есть в каждой работе. У нас одна из главных заключается в том, что очень низок уровень заинтересованности промышленных предприятий страны в научных разработках. Почему так происходит, сказать сложно. Может быть, дело в отсутствии рекламы с нашей стороны, а может, нет соответствующего экологического контроля за деятельностью промышленных предприятий, которая направлена только на получение прибыли.