Технология улучшения состояния воздушной среды в помещениях ограниченного объема при работе в них двигателей внутреннего сгорания с жидкостными нейтрализаторами

В настоящее время во многих регионах РФ сложилась крайне сложная экологическая обстановка, обусловленная тем, что масштабы хозяйственной деятельности человека формируют существенное превышение допустимых экологических нагрузок на природные комплексы, а восстановление нарушенных экосистем происходит крайне медленно.

Экономическая ситуация сложившаяся на современном этапе развития в сельском хозяйстве, требует от объектов хозяйственной деятельности сокращения расходов и увеличения прибыли, поэтому важно использовать такие разработки, применение которых позволит сократить платежи, себестоимость продукции и увеличивать прибыль. Одним из источников материальных ресурсов в сельском хозяйстве является животноводство, растениеводство. Существуют различные пути увеличения производства животноводческой, растениеводческой продукции, наиболее перспективным будет такой путь, при котором вложение дополнительных средств было бы минимальным. Таким путём является улучшение содержания животных, повышению урожайности тепличных культур. В настоящее время в большинстве производственных помещений параметры микроклимата значительно отклоняются от уровней, установленных зоотехническими и санитарными требованиями, что приводит к ухудшению здоровья обслуживающего персонала и животных, к снижению урожайности, а в ряде случаев к гибели растений в теплицах, а следовательно, к снижению работоспособности людей продуктивности животных и растений. Всё это ведет к материальным потерям, и, в конечном счёте, к снижению эффективности животноводства и растениеводства.

В большинстве хозяйств задача механизированной раздачи кормов решена при помощи машинно-тракторных агрегатов, состоящих из мобильных кормораздатчиков, агрегатируемых с тракторами. Однако после непродолжительной работы двигателя трактора внутри помещения содержание токсичных составляющих газов в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации в несколько раз, несмотря на хороший воздухообмен. Это сказывается на здоровье людей и животных, а, следовательно, на качестве и количестве производимой продукции.

Исключение вредного влияния отработавших газов обеспечивает создание нормальных условий труда для людей, хорошее развитие животных, увеличивает срок службы зданий и сооружений, что в конечном итоге приводит к сокращению потерь рабочего времени, повышению продуктивности животных, повышению урожайности растений, снижению эксплуатационных затрат на содержание зданий и сооружений.

Уменьшение вредного воздействия отработавших газов двигателей внутреннего сгорания при их работе внутри помещений может быть осуществлено различными способами снижения токсичности выхлопа. Но снижение токсичности не позволяет полностью исключить влияние вредных компонентов отработавших газов на организм людей и животных, так как будет происходить их постепенное накопление в атмосфере помещения, что в итоге приведет к превышению предельно допустимых норм.

Решению вопроса снижения токсичности и дымности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания посвящены работы И. П. Варшавского, Р. В. Малова, А. Г. Сахарова, В. А. Звонова, В. И. Смайлиса, Ю. Якубовского, Я. Б. Зельдовича, В. А. Лиханова, а также других российских и зарубежных последователей.

Наиболее рациональным направлением исключения вредного влияния отработавших газов на людей и животных при работе двигателей внутреннего сгорания внутри помещений является их удаление. Удаление газов из животноводческих помещений может быть реализовано путём оборудования их более мощной механической вентиляцией или замены естественной вентиляции на искусственную, но это требует дополнительных капитальных вложений.

Другим путём удаление отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания является применение устройств [13, 14, 25, 26, 27, 29] для отвода газов непосредственно от двигателя, в атмосферу за пределы помещения.

Однако, известные [24] устройства для удаления отработавших газов имеют такие недостатки как сложность конструкций, невозможность использования при непрямолинейном передвижении мобильных энергетических средств с ДВС внутри помещений, высокая стоимость.

Одним из широко распространенных методов очистки вредных газов является пропускание их через различные аппараты. Эти аппараты либо прямо задерживают токсичные вещества, осаждая (адсорбируя) их на поверхности наполнителя или растворяя в жидкостях, либо предварительно химически связывают вредные компоненты газов и задерживают уже продукты химических реакций. Жидкостные нейтрализаторы исторически явились первыми аппаратами, нашедшими применение для частичного обезвреживания отработавших газов.

Жидкостные нейтрализаторы не затратны, просты в обслуживании, менее металлоёмки.

В связи с выше изложенным, целью настоящей диссертационной работы является улучшение микроклимата в помещениях ограниченного объёма при работе в них энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания, снабжённых жидкостными нейтрализаторами, которые обеспечивают снижение токсичности, дымности и температуры ОГ.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1 — конструктивно-технологическая схема жидкостного нейтрализатора;

2 — теоретические зависимости, обосновывающие конструктивные и режимные параметры жидкостного нейтрализатора;

3 — методика оценки токсичных выбросов дизелей;

4 — результаты лабораторных и производственных испытаний работы жидкостного нейтрализатора по снижению токсичности, дымности, температуры ОГ.

Значительную роль в формировании и решении задач, поставленных в данной диссертации играли рекомендации к.т.н. доцента Тришкина И. Б., к.т.н. доцента Дмитриева Н.В.

Общие выводы и рекомендации производству.

1. В животноводческих помещениях и теплицах дизельные двигатели, установленные на тракторах, работают как на холостом ходу, так и под нагрузкой, загрязняя воздушную среду. Установлено, что отработавшие газы двигателя Д-240, установленного на трактора МТЗ-80 и 82, превышают предельно допустимые концентрации вредных веществ на холостом ходу по оксидам азота в в 3, оксиду углерода в 10, сумме углеводородов в 4,4, сероводорода в 12,5, массовой концентрации сажи в 14, альдегидов в 1,7 раза, а при номинальной нагрузке — оксида азота в 21, оксид углерода в 4, сумма углеводородов в 9, сероводорода в 22, альдегидов в 5,5, массовая концентрация сажи в 25,4 раза.

Существующая естественная вентиляция в указанных выше помещениях ограниченного объёма даже через несколько часов не обеспечивает ПДК по отдельным видам вредных веществ. Изменение режима работы двигателя влечёт за собой изменение температуры ОГ и их количества, выделяющиеся в единицу времени.

2. Установлено, что снижения токсичных компонентов, выделяемых в воздушную среду в помещениях ограниченного объёма при работе ДВС, можно достичь путем использования жидкостного нейтрализатора, представляющего из себя емкость, частично заполненную водой, на дне которой расположен коллектор с распределительными коническими трубками и выполненными в них отверстиями. Для равномерного распределения ОГ по площади нейтрализатора необходимо, чтобы площадь поперечного сечения подводящей трубы равнялась суммарной площади поперечного сечения конических трубок коллектора в начале, а площадь поперечного сечения каждой трубки должна уменьшаться на величину площади отверстий.

3. Установлено, что количество ОГ и их состав зависят от расхода топлива двигателя с учётом его загрузки при выполнении работ. Токсичность веществ, входящих в состав ОГ, можно привести к вредности одного вещества в пересчёте на СО, действие которого на организм человека хорошо изучено.

4. Теоретически установлено, что расход абсорбента (воды) зависит от количества пропускаемых в единицу времени через нейтрализатор ОГ и разности концентраций распределяемого компонента в жидкой и газовой фазах на входе и выходе. Высота жидкости в нейтрализаторе зависит от массы абсорбируемого вещества, коэффициентов массопередачи, удельной поверхности контакта фаз, площади поперечного сечения абсорбера.

5. Установлено, что при температуре воздуха 20 °C температура воды в жидкостном нейтрализаторе повышается до 36 °C за 1час 30 минут работы двигателя на холостом ходу, а при нагрузке двигателя 50% температура воды повышается до 63 °C за 2 часа работы, а затем стабилизируется. Вода в нейтрализаторе не должна нагреваться свыше 70 °C, так как свойства воды как абсорбента при этом резко ухудшаются.

6. Установлено, что при нагрузке на двигатель 50% можно достичь снижения токсичности ОГ по NOx на 40%, СО на 50%, С02 на 30% и сажи на 5560%. При этом объём жидкости в нейтрализаторе должен составлять 54−60 л, высота столба 0,32−0,34 м и температура воды не более 70 °C.

7. Производственные испытания показали, что применение жидкостного нейтрализатора на тракторах МТЗ-80 и 82, работающих в коровниках и теплицах, значительно улучшает воздушную среду в них, быстрее обеспечивает достижение ПДК вредных веществ, а простота изготовления и обслуживания позволяет получить экономический эффект на один нейтрализатор только от экономии электроэнергии на искусственную вентиляцию в одном коровнике на 200 голов в размере 47 684 рубля в год.

1. Альтман, А. В. Снижение дымности и токсичности ОГ тракторного дизеля Д-240/ А. В. Альтман, А. И. Крутов, А. М. Сойкин и др. Автомобильная промышленность № 4, 1982.-е. 15−16.

2. Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В. А. Звонов. М.: Машиностроение, 1981. — 160 с.

3. Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В. А. Звонов. М.: Машиностроение, 1973.-200 с.

4. Варшавский, И. П. Токсичность дизельной сажи и измерение сажесодер-жания дизельного выхлопа /И.П. Варшавский, Ф. Ф. Магульский. Сборник трудов ЛАНЭ. М.: Знание, 1969. — с. 120−157.

5. Лиханов, В. А. Регулировка двигателя и токсичность / В. А. Лиханов. Сельский механизатор № 1,1979. — с. 23.

6. Лиханов, В. А. Применение метаноло-топливных эмульсий в тракторных дизелях / В. А. Лиханов, С. А. Плотников. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2000. — 96с.

7. Вырубов, Д. Н. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей /Д.Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др. М.: Машиностроение, 1983. — 372 с.

8. Варшавский, И. П. Как обезвредить отработавшие газы автомобиля / И. П. Варшавский, Р. В. Малов. М.: Транспорт, 1968. — 127.

9. Брюханов, О. Н. Основы гидравлики и теплотехники /О.Н. Брюханов, А.Т. Мелик-Аракелян, В. И. Коробко. М.: Издательский центр «Академия», 2004.-240 с.

Ю.Либеров, И. Е. Токсичность выхлопа дизельного двигателя, её снижение / И. Е. Либеров, Л. Я. Орлов, В. М. Умеров. Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов, автомобилей и двигателей. Горький, 1977. -с. 25−28.

11.Тришкин, И. Б. Способ и устройство для снижения токсичности тракторного дизеля при выполнении механизированных работ в теплицах / И. Б. Тришкин. Диссертация кандидата технических наук. Рязань, 2000. 12. Китовани, К. Г. Жидкостный нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания /К.Г. Китовани. А.с. № 2 003 816,1993. 1 З. Новиков, А. К. Устройство для отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания / А. К. Новиков, Ю. А. Захаров, В. П. Емельянов, Е. Г. Захаров, В. И. Николаев. А.с. 1 719 674, 1989. Н. Казаков, Г. М. Устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания / Г. М. Казаков, B.C. Игнатович, В. В. Харитонов. Патент РФ № 2 030 602,1989.

15.Воробьев-Обухов, А. Освежить дыхание / А. Воробьёв-Обухов. За рулём № 12, 2000.-с. 52−54.

16.Светланова, И. Экологически чистые автобусы для Люксембурга / И.Светланова. Автомобильный транспорт № 7, 1997. — с.35.

17.Шведов, В. И. Естественная вентиляция в животноводческих помещениях / В. И. Шведов. Техника в сельском хозяйстве № 3. 1975. — с. 24−30.

18.Кондратьев, М. М. Микроклимат на животноводческих фермах и комплексах /М.М. Кондратьев, Кельдюшева Л. Н. Алма-Атп: Койнор, 1983. -176 с.

19.Протопопов, А. П. Вентиляция и тепловой баланс помещения для селько-хозяйственных животных /А.П. Протопопов. М. — Л., 1982. — с. 83.

20.Бронфман, Л. И. Микроклимат помещений в промышленном производстве и птицеводстве / Л. И. Бронфман. Кишинёв: Шитница, 1984.-202 с.

21.Ванцов, В. И. Обоснование и разработка комплекса мероприятий по нормализации атмосферы теплиц в процессе использования в них средств механизации /В.И. Ванцов. Диссертация кандидата технических наук. Рязань, 1990.

22.Согалович, А. В. Состав и токсичность отработавших газов двигателей. Материалы встречи специалистов /А.В. Согалович, A.M. Сайкин, А. И. Френкель. Пути снижения загрязнения воздушного бассейна выбросами.

ДВС. М., 1985.

23.Алексеев, А. Экологический триптих /А. Алексеев, М. Козлов. За рулём № 6, 1998.

24.Вагди, Т.М. А. Разработка и обоснование способа и средств мехенизации удаления отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания трактора при раздаче кормов в животноводческом помещении /Т.М. А. Вагди. Диссертация кандидата технических наук. Рязань, 1999.

25.Ли, В. Устройство для удаления отработавших газов автомобиля /В. Ли, А. Л. Сахаров. А.с. 1 127 786,1983.

26.Терещенко, М. А. Устройство для удаления газов /М.А. Терещенко, Б. Г. Левитина, В. Н. Мамошин. А.с. № 699 292, 1975.

27.Синицкая, А. А. Устройство для удаления выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания /А.А. Синицкая, В. Д. Соломатин. А.с. № 1 314 207, 1985.

28.Новиков, А. К. Устройство для отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания /А.К. Новиков, Ю. А. Захаров, В. П. Емельянов, Е. Г. Захаров, В. И. Николаев. А.с. № 1 719 676, 1989.

29.Некрашевич, В. Ф. Устройство для удаления выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания / В. Ф. Некрашевич, В. А. Ксёндзов, Т.М. А. Вагди. Патент РФ № 2 120 040, 1997.

30.Мочешников, Н. А. Комбинированная система нейтрализации /Н.А. Мо-чешников, И. З. Лесман, О. М. Жоров и др. А.с. № 1 000 563,1983.

31.ГОСТ 12.1.005−88 ССБТ «Общие санитарно — гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».

32.Соловьёва, Т. В. Руководство по методам определения вредных веществ в атмосферном воздухе /Т.В. Соловьёва, В. А. Хрусталёва. М.: Медицина, 1974.

33.Быховская, М.с. Методы определения вредных веществ в воздухе /М.С. Быховская и др. М.: Медицина, 1968.

34.Алиев, Э. А. Технология возделывания овощных культур и грибов в за.

35.Брызгалов, В. А. Овощеводство защищенного грунта /В.А.Брызгалов. М.:

Колос, 1995.-350 с. Зб. Зайцев, A.M. Микроклимат животноводческих комплексов /A.M. Зайцев, В. И. Жильцов, А. В. Шавров. М.: Агропромиздат, 1986. — 191 с.

37.Лебедев, П.т. Микроклимат помещений для животных и методы его исследования /П.Т. Лебедев. М.: Россельхозиздат, 1973. — 128 с.

38.Мельников, С. В. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплексов /С.В. Мельников. Л.: Агропромиздат, 1985. — 640 с.

39.Алешкин, В. Р. Механизация животноводства /В.Р. Алёшкин, П.М. Ро-щин, 1985.-335 с.

40.Юшин, В. В. Техника и технология защиты воздушной среды /В.В. Юшин, В. М. Попов, П. П. Кукин и др. М.: Высшая школа, 2005. — 391 с.

41 .Либеров, И.Е. К вопросу наполнения цилиндров дизеля свежим зарядом при двухфазной подаче топлива /И.Е. Либеров, Л. Я. Орлов, В. М. Умеров. Механизация с/х производства. Горький, 1974. -т.ЗО, с. 65−69.

42.Либеров, И. Е. Некоторые особенности работы тракторного дизеля при двухфазной подаче топлива /И.Е. Либеров, Л. Я. Орлов. Труды Рязанского СХИ, 1972.-т. 28, с. 75−85.

43.Справочник химика. Основные свойства органических и неорганических соединений. Т2. М. — Л.: Химия, 1965. — 1168 с.

44.Фере, Н. Э. Пособие по эксплуатации машинно-тракторного парка /Н.Э.Фере и др. М.: Колос, 1978. — 256 с.

45.Журавлёв, Б. А. Справочник мастера — вентиляционника / Б.А. ЖуравлёвМ.: Стройиздат, 1983. — 365 с.

46.Николаенко, А. В. Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей /А.В. Николаенко. М.: Колос, 1992. — 413 с.

47.3олотаревский, Л. С. Сборник трудов ЛАНЭ/ Л. С. Золотаревский, В. А. Дарин. М.: Знание, 1969. — 360 с.

48.Дарин, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути её снижения. Доклады /В.А. Дарин. М., 1966.

49.Луканин, В. Н. Теплотехника /В.Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер и др. — М.: Высшая школа, 2005. — 671.

50.Ицкович, A.M. Техническая термодинамика /A.M. Ицкович. М., 1970. -240 с.

51.Баранов, Д. А. Процессы и аппараты / Д. А. Баранов, A.M. Кутепов. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 304 с.

52.Сычугов, Н. П. Вентиляторы /Н.П.Сычугов. Киров, 2000.-227 с.

53.Вайсман, М. Р. Вентиляционные и пневмотранспортные установки /М.Р. Вайсман, И. Я. Грубиян, М.: Колос, 1969. — 255 с.

54.Мельников, С. В. Планирование экспериментов в исследовании сельскохозяйственных процессах / С. В. Мельников, В. Р. Алёшкин, П. М. Рощин. Л.: Колос, 1980.-168 с.

55.Веденяпин, Г. В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных / Г. В. Веденяпин. М.: Колос, 1973. — 187 с.

56.Налимов, В.В. статистические методы экспериментальных экспериментов /В.В. Налимов, А. А. Чернова. М.: Наука, 1965. — 327 с.

57.Налимов, В. В. Таблица планов эксперимента для факторных и многофакторных моделей / В. В. Налимов. М.: Металлургия, 1982. — 750 с.

58.Горя, B.C. Алгоритм математической обработки результатов исследований /B.C. Горя, Кишинёв: Шитница, 1978. — 120 с.

59.Львовский, Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул /Е.Н. Львовский, М.: Высшая школа, 1988. — 240 с.

60.Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий /Ю.П. Адлер, Е. В. Макаров, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976. — 279 с.

61.Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений /П.В. Новицкий, И. А. Зограф. Л.: Энергоатомиздат, 1991. — 304 с.

62.Фельдман, Ю. Г. Гигиеническая оценка автотранспорта как источника за.

63.Беспамятов, Г. П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде /Т.П. Беспамятов, Ю. А. Кротов. JL: Химия, 1985.-528 с.

64.Кульчинский, А. Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей /А.Р. Кульчинский, М.: Академический проект, 2004. — 400 с.

65.Григорьев, И. С. Физические величины. Справочнок /И.С. Григорьев, Е. З. Мейлихов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1231 с.

66.Тяговые характеристики сельскохозяйственных тракторов. Альбом-справочник. М.: Россельхозиздат, 1985.-240 с.

67.Методика определения экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательской деятельности и опытно-конструкторских работ, новой техники и рационализаторских предложений /М.: Колос, 1980. — 112 с.

68.Некрашевич, В. Ф. Патент на полезную модель № 33 979 РФ, 7 F 01N 7/08, F 24 F 7/04. Устройство для отвода отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания /В.Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, О.О. Максимен-ко, А. В. Ерохин.

69.Максименко, О. О. Свидетельство на полезную модель № 26 596 РФ, 7 F 01 N 7/08. Устройство для удаления выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания / О. О. Максименко, В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, С. Е. Крыгин, А. В. Ерохин.

70.Некрашевич, В. Ф. Свидетельство на полезную модель № 34 971 РФ, 7 F 01N 3/04. Жидкостный нейтрализатор отработанных газов двигателя внутреннего сгорания /В.Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, О. О. Максименко.

71.Нормативно — справочный материал для определения экономической эффективности технологий и новой сельскохозяйственной техники. Приложение к ОСТ — 10. — М.: 1998. — 21 с.

72.Alkidas А.С. Relationships Between Smoke Measurements and Particulate Measurements. — SAE Technical Paper Series № 840 410 — 9 p.

73.Automobile Fuel Handbook / K. Owen, T.Coley. — New-York, SAE, 2004. -651 p.

74.Becker E.R., Watson RJ. Future Trends in Automotive Emission Control. -SAE Paper 980 173, 2003.-9 p.

75.Cole R.L., Poola R.B., Gaseous and Particulate Emissions from a Vehicle with a Spark — Ignition Direct — Injection Engine. — SAE Paper 2004 — 01 — 1282, 2004;14 p.

76.Development of Catalyst for Diesel Engine / H. Ueno, T. Furutani, T. Nagami, N. Aono, H. Goshima, K.Kasahara. — SAE Paper 980 195, 2003. — 8 p.

77.Emissions Testing of a Hybrid Fuel Cell Bus / R.R. Wimmer, J. Fletcher, N.N.Clark, D.L.McKain, D.W.Lyons. — SAE Paper 980 680,2004. — 15 p.

78.Hydrocarbon Emissions from a HAJI Equipped Ultralean Burn SI Engine / J. Lawrence, H.C.Watson and other. — SAE Paper 980 044, 2003. — 9 p.

79.Numerical Analysis of Mass Emission Measurement Systems for Low Emission Vehicles. / K. Inoue, M. Ishihara, K. Akashi, K. Ishida — SAE Paper 2004;10 150, 2004. 18 p.

80.Progress in Sulfur Poisoning of Lean NOx Catalysts / K. Arakawa, S. Matsuda, H.Kinoshita. — SAE Paper 980 930,2004. — 9 p.

81.Walsh M.P. Global Trends in Diesel Emissions Control. — SAE Paper 2004;10 107,2004. 17 p.