Найдем площадь проходного сечения горелок. Величина определяет номер горелок - 7. Таким образом, действительное проходное сечение горелок сварочной зоны , горелок томильной зоны - .

Длина прорезей для газа определяется по формуле:

, (67)

где - площадь проходного сечения газовых прорезей, мм²;

- количество прорезей в газовом сопле, шт;

- ширина прорезей, мм;

- высота зубцов резьбы, мм.

Длина прорезей для газа по формуле (67) в горелках сварочной зоны:

;

в горелках томильной зоны:

.

3. Математическое моделирование нагрева металла с применением программно-вычислительного комплекса FLUENT

3.1 Математическая модель нагрева металла в методической печи

Внутренний теплообмен в нагреваемом металле описывается уравнением:

. (68)

Граничные условия при трехстороннем нагреве металла излучением и конвекцией могут быть представлены следующим образом:

при 0 < ф < ф_н:

для верхней поверхности:

; (69)

для боковых поверхностей:

; (70)

при ф ? ф_н:

для верхней поверхности:

; (71)

для боковых поверхностей:

; (72)

где f(x,у) - начальное распределение температуры в металле;

и - лучистый поток на металл соответственно сверху и сбоку;

и - конвективный поток на металл соответственно сверху и сбоку;

ф_н - продолжительность нагрева металла в методической и сварочной зонах.

Плотности тепловых потоков определяем по формулам:

(73)

(74)

где и - коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к металлу, соответственно сверху и сбоку;

(), (), () - температура газа, металла, кладки для верха (бока);

- коэффициент теплоотдачи излучением для абсолютно черного тела;

(), () - угловой коэффициент теплоотдачи с кладки на металл, от газа к металлу для верхней (боковой) грани;

;

;

;

.

Температуру внутренней поверхности кладки определяем по формулам:

(75)

где Т - температура наружной поверхности кладки,

- толщина кладки, м;

- коэффициент теплопроводности кладки, Вт/(м•К);

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки.

Тепловые потоки на кладку:

, (76)

где - относительная рефлективность серого тела, степень черноты которого ;

- степень развития кладки.

3.2 Описание программно-вычислительного комплекса FLUENT

Программно-вычислительный комплекс FLUENT характеризуется следующими возможностями:

- моделирование 2D и 3D потоков, моделирование осесимметричных и закрученных 2D потоков;

- моделирование установившихся и нестационарных потоков;

- невязких, ламинарных и турбулентных потоков с широким набором моделей турбулентности;

- моделирование теплопереноса, включая различные виды конвекции, сопряженный теплообмен и излучение;

- моделирование горения с предварительным смешением химических компонентов и без смешения, двухстадийное сжигание;

- использование моделей фазовых переходов;

- использование динамических сеток вокруг движущихся объектов;

- предсказание образования вредных веществ NO_x и SO_x.

Процесс генерации сетки является неотъемлемой частью любого инженерного расчета, в котором используются программные продукты. От качества сетки напрямую зависят точность, сходимость и скорость решения. И зачастую время, потраченное на построение геометрии расчетной области и сетки, является лимитирующим фактором для всего процесса расчета. Для создания расчетной сетки используется программный продукт GAMBIT. Данный продукт позволяет создавать различные типы сеток: структурированную гексаидальную, неструктурированную гексаидальную и тетраидальную сетки, пограничные слои с комбинированными сетками. В GAMBIT возможно импортирование геометрии из других САD систем с поиском и исправлением возникающих при этом проблем нестыковки объектов.

FLUENT предлагает четыре типа решателя: Pressure-Based расщепленный и сопряженный и Density-Based явный и неявный.

3.3 Выбор моделей в ПВК FLUENT

В методических нагревательных печах металл нагревается за счет излучения от раскаленных продуктов сгорания и прогретой кладки печи. Радиационный теплообмен преобладает над конвективным. Соответственно возникает необходимость включать в моделирование нагрева металла радиационный теплообмен. FLUENT имеет пять моделей радиационного теплообмена:

- дискретная модель переноса излучения (DTRM);

- модель Р-1;

- модель Росселанда;

- «поверхность-поверхность» (S2S);

- модель дискретных ординат (DO).

Данные модели предполагают, что все поверхности являются диффузными, т.е. отражение падающего излучения изотропно по отношению к телесному углу.

Дискретная модель переноса излучения является достаточно простой моделью, относящейся к широкому спектру оптических толщин. Точность решения увеличивается за счет увеличения числа лучей, однако при этом значительно увеличивается интенсивность работы процессора.

Модель Росселанда используется только для оптически плотных носителей. Использование данной модели рекомендовано для решения задач, в которых величина оптической толщины больше 3.

Модель дискретных ординат охватывает весь спектр оптических толщин. требования к памяти зависят от сложности геометрии и сетки расчетной области.

Модель «поверхность-поверхность» используется при моделировании излучения между твердыми поверхностями без участия среды. Требования к памяти растут с увеличением числа участвующих в теплообмене поверхностей.

Модель Р-1 имеет скромные требования к памяти, включает эффект рассеивания и легко используется в сложных геометриях. Последнее достоинство делает эту модель более предпочтительной при моделировании нагрева металла в методической нагревательной печи.

Уравнение переноса излучения для Р-1 модели имеет вид:

; (77)

где - коэффициент поглощения среды;

- постоянная Стефана-Больцмана;

Размещено на http://www.allbest.ru/

- падающее излучение.

Уравнение энергии имеет вид:Размещено на http://www.allbest.ru/

; (78)

где - эффективная проводимость тепла (k+k_t, k_t - турбулентная тепловая проводимость;

J_j - диффузный поток от среды j;

S_h - слагаемое, включающее в себя химические реакции и другие объемные источники тепла, определяемые пользователем;

В уравнении (78)

; (79)

где h - энтальпия.

Уравнение движения среды:

(80)

где J_i - слагаемое, определяемое путем переноса химических реакций;

S_i - слагаемое, получаемое путем добавления дисперсных и фаз и любых определяемых пользователем источников.

3.4 Построение геометрии

На рисунке 3 представлена схема методической нагревательной печи.

Рисунок 3 - Схема методической нагревательной печи

На рисунке 4 показана схема рабочего пространства печи с установленными в шахматном порядке в своде горелками, на рисунке 5 показана горелка, обеспечивающая улучшенное смешение газа и воздуха.

Рисунок 4 - Рабочее пространство печи



Рисунок 5 - Построенная в GAMBIT геометрия горелки, обеспечивающей улучшенное смешение.

3.5 Результаты математического моделирования нагрева металла в методической нагревательной печи с применением ПВК FLUENT

На рисунке 6 показано распределение вектора скорости при движении компонентов горения в корпусе горелки.

Рисунок 6 - Распределение вектора скорости в корпусе горелки

На рисунке 7 показан вид сверху на распределение вектора скорости, отображающее закручивание воздуха в корпусе горелки при тангенциальной подаче воздуха.

Рисунок 7 - Закручивание в корпусе горелки при тангенциальной подаче воздуха

На рисунке 8 показано распределение температур по длине печи.

Рисунок 8 - Распределение температуры по длине печи

На рисунке 9 показано распределение температур по ширине печи в сварочной зоне.

Рисунок 9 - Распределение температуры по ширине печи

На рисунке 10 показано распределение радиационной температуры по длине печи.

Рисунок 10 - Распределение радиационной температуры по длине печи

На рисунке 11 показано распределение молярной концентрации СО₂ по ширине печи. Аналогичным образом выглядит распределение молярной концентрации Н₂О.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 - Распределение молярной концентрации СО₂ и по ширине печи

Распределение молярной концентрации кислорода в корпусе горелки показано на рисунке 12.

Рисунок 12 - Распределение молярной концентрации кислорода в корпусе горелки

3.6 Задача внутреннего теплообмена в металле

В результате решения внутренней задачи получены температурные поля по сечению заготовки в конце каждой теплотехнической зоны. В таблице 9 приведены результаты расчета во FLUENT температур в точках a, b, c d.

Таблица 9 - Распределение температуры по сечению металла

Температура в точках	a	b	c	d
В конце методической зоны	606	576	468	453
В конце сварочной зоны	1210	1181	1034	1015
В конце томильной зоны	1207	1196	1156	1150

На рисунке 13 изображены представляющие интерес точки a, b, c d..

Рисунок 13 - Точки на поверхности заготовки, в которых фиксируется температура

На рисунках 14, 15 и 16 показано температурное поле в металле в конце методической, сварочной и томильной зон соответственно.



Рисунок 14 - Температурное поле в металле в конце методической зоны

Рисунок 15 - Температурное поле в металле в конце сварочной зоны

Рисунок 16 - Температурное поле в металле в конце томильной зоны

На рисунке 17 показано изменение температурного поля на поверхности заготовки во времени.

Рисунок 17 - Изменение температуры на поверхности металла во времени

4. Безопасность жизнедеятельности

4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

В данном разделе производится анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов, сопутствующих работе с персональным компьютером. Анализ условий труда имеет основное значение для разработки мероприятий по защите работников от опасных и вредных производственных факторов. Проведен анализ в соответствии с классификацией по ГОСТ 12.0.003-74. Результаты приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Анализ потенциально опасных и вредных факторов

Операция	Агрегат	Время	Опасные и вредные факторы	Нормируемое значение параметра
1 Работа на ЭВМ	ПЭВМ	4 часа в день	Физические: 1 Недостаточная освещенность рабочей зоны Е=350 лк 2 Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может пройти через тело человека U=220 B; I=10 A; f=50 Гц 3 Повышенный уровень ЭМП В диапазоне частот 5 Гц-2 кГц Е=30 В/м	Ен=400 лк U=2 B; I=0,1 мA 5 Гц-2 кГц Е=25 В/м
			H=260 нТл В диапазоне частот 2 кГц-400 кГц Е=4 В/м H=28 нТл 4 Повышенный уровень ионизирующих излучений ПД=26 мЗв/год	Н=250 нТл 2 кГц-400 кГц Е=2,5 В/м Н=25 нТл ПД=20 мЗв/год

4.2 Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристики помещений лаборатории

4.2.1 Описание лаборатории

Исследовательская работа проводится в помещении, расположенном на седьмом этаже пятнадцатиэтажного здания, находящегося на юго-западе города Москвы, и имеющей следующие размеры: площадь - 13,5 м², высота - 2,2 м, длина - 4,5 м, ширина - 3 м, объем - 29,7 м³. компьютер стоит около окна. Одновременно в помещении работает один человек. Так как вредных выбросов в атмосферу не, то санитарная зона не нужна. Данное помещение относится к разряду помещений для эксплуатации персонального компьютера (ПК). Планировка помещения удовлетворяет санитарные нормам СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03, в которых предусматривается площадь помещения для эксплуатации ПК на одного работающего не менее 6 м², а объем - не менее 20 м³.

Оборудование, применяемое в лаборатории, соответствует «Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий» и его характеристики приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Оборудование, применяемое в машинном зале

Наименование	Количество	Площадь, м3
Персональный компьютер (ПК)	1	0,5
Принтер	1	1,5
Столы для установки ПК	1	2
Стулья	2	0,7
Итого	-	4,7

4.2.2 Микроклимат помещения

Работы выполняются при оптимальных условиях, сидя за столом перед экраном монитора, не связаны с переносом тяжестей, не требуют больших физических усилий. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 категория работ - 1б. Данные по климтическим условиям приведены в таблице 12.

Таблица 12 - Климатические параметры зала

Параметры	Значения
	В помещении	Нормированное
1 Температура воздуха в холодный период, °С	22	22-24
2 Температура воздуха в теплый период, °С	23	23-25
3 Влажность воздуха, %	50	40-60
4 Скорость движения воздуха, м/с	0,1	0,1-0,2

В лаборатории отсутствует избыток тепла, поддерживаются условия для создания благоприятного микроклимата. В качестве нагревательных приборов в холодный период года используются водяные радиаторы с температурой воды до 80 єС.

4.2.3 Освещение помещения. Расчет естественного искусственного освещения

Согласно СНиП 23-05-95 работа за ПЭВМ относится к I разряду. В лаборатории предусмотрено естественное и искусственное освещение. Естественное освещение осуществляется через световые проемы (окна).

Естественный солнечный свет характеризуется большой интенсивностью, равномерностью освещения, относительно невысокой средней яркостью на единицу площади, изменением освещенности в течение суток, а также в зависимости от времени года и географического расположения местности. В рассматриваемом помещении применяется боковое освещение через световые проемы в наружных стенах.

Основной величиной для расчета и нормирования естественного освещения внутри помещения принят коэффициент естественной освещенности (КЕО). В соответствии со СНиП 23-05-95 нормированное значение КЕО для работ I разряда равно 1,5. Нормы естественного освещения для данного разряда точности приведены в таблице 13.

Таблица 13 - Нормы естественного освещения

Выполняемая операция	Наименьший объект, мм	Разряд зрительной работы	КЕО для III пояса	Световой пояс	Коэффициенты	КЕО, %
					Светового климата	Солнечного климата
Считывание информации с монитора	0,5	III	5	III	1	1	5
Работа с клавиатурой	1	V	3	III	1	1	3
Распечатка на принтере	5	V	3	III	1	1	3

Для обеспечения нормального уровня естественного освещения площадь световых проемов должна быть не меньше рассчитанной по формуле:

, (81)

где - площадь световых проемов, м²;

- площадь пола;

- нормированное значение КЕО;

- коэффициент запаса;

- световая характеристика окна (зависит от глубины помещения и высоты оконного проема);

- коэффициент, учитывающий затемнение окна противостоящими зданиями;

- коэффициент, учитывающий отражение света;

- общий коэффициент светопропускания.

Общий коэффициент светопропускания рассчитывается по формуле:

, (82)

где - коэффициент светопропускания материала ( - стекло листовое двойное);

- учитывает потери света в световых проемах ( - пролеты окон стальные, открывающиеся);

-учитывает потери света из-за загрязнения стекла ( - незначительные загрязнения пылью при вертикальном расположении);

- учитывает потери света в несущих конструкциях (при боковом освещении ).

.

Минимальная площадь световых проемов по формуле (81):

.

.

Следовательно, нормальный уровень естественного освещения в лаборатории не обеспечивается.

Нормы искусственного освещения приведены в таблице 14.

Таблица 14 - Нормы искусственного освещения

Выполняемая операция	Разряд зрительной работы	Характеристика фона	Контраст объекта с фоном	Освещенность, лк
				Комбинированная	Общая
Считывание информации с монитора	III	средний	большой	400	200
Работа с клавиатурой	V	светлый	средний	400	200
Распечатка на принтере	V	светлый	средний	400	200

Искусственное освещение компьютерного класса представляет собой общее освещение люминесцентными лампами. Для расчета производственного освещения был выбран метод расчета по коэффициенту использования светового потока. Расчетная формула для люминесцентных ламп имеет вид:

, (83)

где - необходимое количество светильников в помещении, шт.;

- нормированное значение освещенности, лк;

- площадь помещения, м2;

- коэффициент запаса;

- коэффициент минимальной освещенности;

- световой поток одной лампы, лм;

- количество ламп в одном светильнике, шт.;

- коэффициент использования светового потока.

Площадь помещения S = 13,5 м; длина помещения А = 4,5 м; ширина В = 3 м; высота подвеса Н = 1,9 м.

Световой поток каждой люминесцентной лампы ЛБ 40 равен Ф_л = 3120 лм. Коэффициент запаса для данного помещения и типа ламп равен k = 1,5. Коэффициент минимальной освещенности в расчетах принимаем равным z = 1,2. Нормированное значение освещенности согласно СНиП 23-05-95 равно Е_H = 300 лк. Мощность лампы Ра = 40 Вт, длина лампы 1214 мм. Считается, что в одном источнике помещены две лампы (n = 2 шт.).

Индекс помещения определяется по формуле:

, (84)

где I - индекс помещения.

Индекс помещения по формуле (84):

.

В соответствии с рассчитанным индексом помещения, принимается коэффициентом использования светового потока з=0,62.

Общее число светильников по формуле (83):

.

Суммарная мощность равна:

, (85)

где - суммарная мощность, Вт;

- мощность одной лампы, Вт;

- количество светильников в помещении, шт.;

- количество ламп в одном светильнике, шт.

Суммарная мощность осветительной установки по формуле (85):

.

Таким образом, количество люминесцентных ламп ЛБ40 для освещения лаборатории составляет 4 штуки, устанавливаемых в 2 светильника, общей мощностью 160 Вт.

4.2.4 Безопасность при устройстве и эксплуатации коммуникаций

Основные коммуникации, имеющиеся в лаборатории: горячее и холодное водоснабжение, канализация, электроснабжение, защитное заземление и зануление.

Система водоснабжения

Системы водоснабжения и канализации отвечают требованиям СНиП 2.04.01-85, и требованиям к системам, изложенным в инструкциях и правилах: "ВСН 51-86. Профессионально технические, средние специальные и высшие учебные заведения. Нормы проектирования'', "Указания по проектированию научно-исследовательских институтов и лабораторий Академии наук СССР. ВСН-2-68/АН СССР", "Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений. СИ 495-77". Трубы водоснабжения и канализации сделаны из чугуна и частично из стали. Материалы и вещества, слив которых запрещен в канализацию, не используются в процессе исследования. Внутренние коммуникации различного назначения (кроме отопления) размещаются в каналах , расположенных внутри стен ,под полом с оборудованными специальными вводами в помещение.

Система электроснабжения

По опасности поражения электрическим током лаборатория относится к помещениям повышенной опасности, т.к. есть возможность одновременного прикосновения к двум единицам оборудования, находящихся под напряжением. По доступности персонала к электрооборудованию в помещении относится к производственным помещениям, т.к. доступ к оборудованию имеют только квалифицированный персонал.

Электроснабжение удовлетворяет требованиям, предъявляемым к данной системе.

Требования к электрооборудованию изложены в ГОСТ ССБТ 12.1.009-76, ГОСТ ССБТ 12.1.013-76, ГОСТ ССБТ 12.1.019-79 и ПУЭ-87. А также в инструкциях и правилах: «ВСН 51-86. Профессионально технические, средние специальные и высшие учебные заведения. Нормы проектирования», «Указания по проектированию научно-исследовательских институтов и лабораторий Академии наук СССР. ВСН-2-68/АН СССР», «Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений. СН 495-77».

Внутренняя электропроводка размещается в каналах ,расположенных внутри стен, потолка, под полом с оборудованными специальными вводами в помещение. Разводка коммуникаций к переносным приборам и нестационарному оборудованию производится открыто при помощи гибких проводов. Сопротивление изоляции токоведущих частей установок до первого аппарата максимальной токовой защиты не менее 0,5 Ом, а сопротивление между заземляющим болтом и каждой доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью оборудования, которая может оказаться под напряжением, - не более 0,1 Ом.

4.3 Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов

Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов представлена в таблице 15.

Таблица 15 - Меры защиты от опасных и вредных факторов

Опасный и вредный фактор	Проектируемое защитное устройство и его тип	Материал и параметры	Место установки
1	2	3	4
1 Недостаточное производственное освещение рабочего места	Местное освещение, светильник	Мощность Р=30 Вт Световой поток Ф=1400 лм	Рабочее место
2 Опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека	Защитное заземление, стержневой заземлитель трубчатый	r = 3,39 Ом L = 3 м d = 0,04 м n = 24 шт.	ПЭВМ
3 Повышенный уровень электромагнитных излучений	Защитный экран	Защитный экран фирмы “Ergon”. коэффициент пропускания света 0,38. Коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля 98,7 %. a=0,3 м b=0,17 м a•b=51 м2	Монитор
4 Повышенный уровень ионизирующих излучений в рабочей зоне	Защитный экран	Защитный экран фирмы “Ergon”. коэффициент пропускания света 0,38. Коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля 98,7 %. a=0,3 м b=0,17 м a•b=51 м2	Монитор
5 Нервно-психические перегрузки	Перерывы в работе	-	-

Длительное пребывание в одном и том же положении и повторение одних и тех же движений вызывает различные мышечные расстройства. Для профилактики возникновения мышечных расстройств при работе на ПК рекомендуется выполнение следующих требований:

- руки должны быть выпрямлены в запястьях и согнуты в локтях примерно под прямым углом;

- рабочее кресло должно" иметь подлокотники, отрегулированные соответствующим образом, которые служили бы опорой для рук как при работе с клавиатурой, так и при пользовании мышью;

- высота рабочего кресла должна быть отрегулирована так, чтобы бедра были параллельны полу, а ноги твердо стояли на полу;

- сидеть нужно прямо, или слегка подать корпус вперед, стараясь сохранить естественный изгиб тела в пояснице;

- при чувстве напряженности или спазмов в мышцах следует немедленно прекратить работу.

Соблюдение описанных выше правил поможет избежать неприятных последствий при работе на ПК.

4.3.1 Защита от поражения электрическим током. Расчет защитного заземления

ГОСТ 12.1.038-83 устанавливает предельно допустимые напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека. В данном случае при наличии переменного тока частотой 50 Гц допустимое напряжение прикосновения должно быть не более 2 В, а ток - не более 0,01 мА. Вследствие этого необходимо произвести расчет защитного заземления.

Цель расчета заземления - определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос).

Сопротивление заземления, согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), нормируется в зависимости от напряжения электроустановки. В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземления R_Н должно быть не выше 4 Ом.

Расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента рассчитывается по формуле:

, (86)

где - удельное сопротивление грунта, Ом•м;

- климатический коэффициент для стержня;

- климатический коэффициент для полосы.

;

.

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя с учетом удельного сопротивления грунта:

, (87)

где - эквивалентный диаметр стержней;

- глубина заложения.

.

Число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования находится по формуле:

. (88)

.

Заземляющее устройство выбираем контурное. Отношение расстояния между заземлителями к их длине

.

Окончательное число заземлителей:

, (89)

где - коэффициент использования вертикальных заземлителей.

.

Сопротивление без учета соединительной полосы:

. (90)

.

Сопротивление соединительной полосы:

, (91)

где - ширина полосы;

- глубина заложения полосы;

- длина соединительной полосы.

Длина соединительной полосы определяется по формуле:

. (92)

.

Сопротивление соединительной полосы по формуле (91):

.

Сопротивление соединительной полосы с учетом коэффициента использования полосы находится по формуле:

, (93)

где - коэффициент использования полосы.

.

Общее сопротивление заземляющего устройства:

. (94)

.

Полученное расчетное сопротивление заземляющего устройства R удовлетворяет требованиям ПУЭ: R < R_Н = 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 24 шт. расположены в прямоугольном контуре размером 13 х 20 м.

4.3.2 Защита от нервно-психических перегрузок

Режим труда и отдыха при работе с ПК зависят от вида и категории трудовой деятельности. Для данного случая время перерывов составляет 10 минут за каждый час работы.

4.3.3 Расчет дозы ионизирующего излучения при работе с персональным компьютером

Для выполнения дипломной работы - обработки экспериментальных данных требуется работа с персональным компьютером. Одним из опасных факторов при работе с ПК является уровень ионизирующего излучения. Для оценки эффективности защитных технических средств рассчитывают экспозиционную и эффективную дозу излучения. Для расчета используют следующие исходные данные:

- сила анодного тока I = 2,5 мА;

- напряжение на пластинах развертки электроннолучевой трубки U = 10 кВ;

- расстояние от источника излучения до рабочего места R =0,6 м;

- толщина экрана d=0,5 см.

Для мягкого излучения (в диапазоне от 10^-3до 10² МэВ) мощность экспозиционной дозы тормозного излучения р_х (Р/с), можно оценить учитывая, что коэффициент линейного поглощения материала экрана определяется по формуле:

, (95)

где - плотность материала экрана (например, стекла), .

.

Мощность экспозиционной дозы тормозного излучения:

, (96)

где - сила анодного тока, мА;

- расстояние от источника излучения до рабочего места, м;

- толщина экрана, м.

.

Для перевода мощности экспозиционной дозы в мощность поглощенной дозы , используется формула:

, (97)

где - коэффициент поглощения, .

.

Мощность эквивалентной дозы рассчитывается по формуле:

, (98)

где - мощность эквивалентной дозы в неделю, мЗв/нед;

- взвешивающий коэффициент для рентгеновского излучения, ;

= (максимальное время работы в неделю за монитором t = 36 ч).

.

Рассчитанная мощность дозы не превышает допустимую, которая равна 0,4 м^Зв/год, рассчитанную по предельно допустимой дозе, приведенной в нормах радиационной безопасности НРБ-99.

4.4 Экологическая безопасность

В настоящее время возрастает количество компьютерной техники во всех отраслях деятельности человека. В этих условиях нельзя не учитывать влияние компьютеров на окружающую среду.

4.4.1 Производство

Вопросы защиты окружающей среды в процессе производства компьютеров возникли давно и регламентируются сейчас, в частности стандартом TCO-95^[32] NUTEK, по которому контролируются выбросы токсичных веществ, условия работы и др. Согласно ТСО-95 произведенное оборудование может быть сертифицировано лишь в том случае, если не только контролируемые параметры самого оборудования соответствуют требованиям этого стандарта, но и технология производства этого оборудования отвечает требованиям стандарта.

4.4.2 Эксплуатация ПК

Воздействие компьютеров на окружающую среду при эксплуатации регламентировано рядом стандартов. Выделяют две группы стандартов и рекомендаций - по безопасности и эргономике.

Ограничения на излучения от компьютерных мониторов и промышленной техники, используемой в лаборатории, налагает стандарт MPR-II, разработанный Шведским национальным департаментом стандартов и утвержденный ЕЭС. Взаимодействие с окружающей средой регламентирует рекомендация ТСО-95 NUTEC (Швеция). Монитор, отвечающий требованиям ТСО-95, должен иметь низкий уровень электромагнитных излучений, обеспечивать автоматическое снижение энергопотребления при долгом использовании, отвечать европейским стандартам пожарной и электрической безопасности. Требования ТСО-95 являются гораздо более жесткими, чем требования MPR-II. Экологическая оценка компьютера и, в частности, ВДТ как наибольшего потребителя энергии в ПЭВМ включает требования по экономике и снижению электропотребления. Согласно стандарту ЕРА Energy Stsr VESA DPMS монитор должен поддерживать три энергосберегающих режима - ожидание, приостановку и «сон». Требования качественного стандарта к ПЭВМ и ВДТ - СанПин 2.2.2.542-96 - соответствуют MPR-II.

4.4.3 Утилизация ПК

Рост применения компьютерной техники, ее быстрое моральное старение остро ставит вопрос об утилизации элементов ЭВМ после окончания срока ее эксплуатации.

При утилизации старых компьютеров происходит их разборка на фракции: металлы, пластмассы, стекло, провода, штекеры. Из одной тонны компьютерного лома получают до 200 кг меди, 480 кг железа и нержавеющей стали, 32 кг алюминия, 3 кг серебра, 1 кг золота и 300 г палладия.

В настоящее время разработаны следующие методы переработки компьютерного лома и защиты литосферы от него:

- сортировка печатных план по доминирующим материалам;

- дробление и измельчение;

- гранулирование, в отдельных случаях сепарация;

- обжиг полученной массы для удаления сгорающих компонентов;

- расплавление полученной массы, рафинирование;

- прецизионное извлечение отдельных металлов;

- создание экологических схем переработки компьютерного лома;

- создание экологически чистых компьютеров.

В последнее время приняты радикальные меры по улучшению разделки, сортировки и использовании лома, так как более одной трети меди идет на производство проводов.

Лучшим способом разделки проводов можно считать отделение изоляции от проволоки механическим способом. С помощью грануляторов специальной конструкции удовлетворительно решена проблема отделения термоплавкой и резиновой изоляции. Установка пригодна для некоторых типов проводов, изолированных термопластом и бумагой. Установка не пригодна для некоторых типов проводов, изолированных хлопчатобумажной тканью, для кабелей со свинцовой оболочкой и для всех сортов изоляции, которая прилипает к проводу так, что не отделяется от металла даже при очень тонкой грануляции. При переработке проводов, у которых разделение изоляции и меди осуществляется удовлетворительно и почти без потерь получается термопласт, последний может служить сырьем для изготовления менее ответственных деталей.

Если между проводами, изолированными термопластом, есть изоляция из ткани, ее можно удалить из смеси кусков меди и изоляции с помощью отсасывающего устройства. Эта установка закрыта и механизирована, требует минимального обслуживания и обеспечивает производительность - 500 тонн изолированной проволоки в год. При работе установки не загрязняется атмосфера, технология экономически более выгодна, чем обжиг изоляции в печах.

Переработку промышленных отходов производят на специальных перегонах, создаваемых в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28-85 и предназначенных для централизированного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов промышленных предприятий, НИИ и учреждений.

4.5 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях

Помещение по пожароопасности классифицируется как категории «В», т.к. в лаборатории находятся негорючие вещества и материалы в холодном состоянии, а также сгораемые предметы: столы, стулья.

Определение пожарной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице 16.

Таблица 16 - Определение категории пожароопасных помещений

Наименование категории	Удельная пожарная нагрузка, МДж/м2
В1	Более 2200
В2	1401-2200
В3	181-1400
В4	1-180

Пожарная нагрузка помещения определяется по формуле:

, (100)

где - пожарная нагрузка, МДж;

- количество i-го материала пожарной нагрузки, кг;

- низшая теплота сгорания материала пожарной нагрузки, МД/кг.

Удельная пожарная нагрузка q определяется по формуле:

, (101)

где - площадь размещения пожарной нагрузки, м².

Из горючих материалов в помещении находится: древесины - 50 кг, бумаги - 7 кг. Теплота сгорания древесины - 13,8 МДж/кг, бумаги - 13,4 МДж/кг.

По формулам (97) и (98) находим:

;

.

По результатам расчета помещение относится к категории В4.

Здание имеет II степень огнестойкости. Стены и перегородки здания несгораемые, имеют предел огнестойкости 0,25-0,75 часов. Для тушения пожара в здании предусмотрены огнетушители ОП-5, для тушения электроустановок 0У-5.

Стол с компьютером стоит около окна. Ширина выхода 0,8 м. расстояние от наиболее удаленного рабочего места до выхода из помещения - 5,4 м. компьютер имеет закрытое исполнение. Это удовлетворяет требованиям СНиП-П-2-80.

Мероприятия по тушению пожаров удовлетворяют требованиям ГОСТ 12.1.010.-76 и ГОСТ 12.1.004-94.

5. Экономика и организация производства

5.1 Технико-экономическое обоснование работы

В данной дипломной работе ведется моделирование процессов, проходящих в методической нагревательной печи с шагающим подом производительность 50 т/ч на примере нагрева заготовок размерами 80х80х4000м. Моделирование осуществляется с помощью программно-вычислительного комплекса FLUENT. Это позволяет лучше изучить и понять происходящие в печи процессы теплообмена.

Компьютерное моделирование теплофизических процессов применяется на этапе строительства или реконструкции промышленных печей. При этом существенно экономится время и затраты на проведение эксперимента, что является важным фактором на современном этапе развития науки и производства. Кроме того, сэкономленное на проведение исследовательской работы и экспериментов время позволяет гораздо раньше ввести промышленный агрегат в эксплуатацию, т.е. гораздо раньше начать получать прибыль. Это означает, что существенно сокращается срок окупаемости проекта.

В данном разделе произведен расчет затрат на выполнение дипломной работы и расчет основных показателей экономической эффективности внедрения дипломной разработки. Внедрение дипломной работы осуществляется на стадии разработки реконструкции методической толкательной печи в ПГП на ОАО «НЛМК». реконструкция заключается в строительстве печи с шагающим подом с сохранением фундамента и стен толкательной печи.

5.2 Смета затрат на проведение исследовательской работы НИР

Расчёт затрат на основные материалы, используемые при разработке проекта реконструкции, представлен в таблице 17.

Таблица 17 - Затраты на основные и материалы

Наименование материала	Количество	Оптовая цена, руб/шт	Сумма, руб
Бумага	1000	0,5	500
Картридж для принтера	2	500	1000
Итого	-	-	21000

Расчёт затрат на силовую электроэнергию проводится по формуле:

, (102)

где - затраты на силовую электроэнергию, руб;

- мощность электроприбора, кВт;

- коэффициент использования мощности, %;

- время использования электрооборудования, ч;

- цена 1 кВт·ч электроэнергии, руб.

Стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, потребляемой научными лабораториями и учреждениями на сегодняшний день составляет 2,66 рубля. Результаты расчёта представлены в таблице 18:

Таблица 18 - Затраты на силовую электроэнергию

Потребитель	Мощность, кВт	Длительность использования, ч	Стоимость 1 кВт·ч, руб	Коэффициент использования мощности	Сумма, руб
ПЭВМ	1	200	2,66	0,7	372,4
Принтер	1	200	2,66	0,7	372,4
Итого	-	-	-	-	744,8

Расчёт затрат на амортизацию оборудования производится по формуле:

, (103)

где - сметная стоимость оборудования, руб;

- норма амортизации;

- процент от годовой эксплуатации, %.

Расчёт затрат на амортизацию представлен в таблице 19:

Таблица 19 - Затраты на амортизацию оборудования

Наименование оборудования	Сметная стоимость, руб	Время работы, ч	Процент от годовой эксплуатации, %	Норма амортизации, %	Амортизационные отчисления, руб
ПЭВМ	20000	200	1,2	10	24
Принтер	2500	200	1	10	2,5
Стул	1000	-	1	10	1
Стол	1500	-	1	10	1,5
Итого	-	-	-	-	29

Расчёт основной и дополнительной заработной платы исполнителей научно-исследовательской работы проводится по следующей формуле:

, (104)

где 10 - количество рабочих месяцев в году;

А - месячный оклад работника в рублях;

В - количество учебных часов, приходящихся на консультации;

1548 - средняя годовая нагрузка преподавателя, ч.

Данные расчёта представлены в таблице 20

Таблица 20 - Основная заработная плата исполнителей дипломной НИР

Должность исполнителя	Месячный оклад, руб	Время, ч	Основная заработная плата, руб	Дополнительная заработная плата, руб
Руководитель работы (профессор)	19800	25	3198	534,1
Консультант по экономике (ассистент)	5000	5	161	26,9
Консультант по БЖД и экологии (профессор)	19800	3	384	64,1
Консультант по нормам контроля (доцент)	12800	2	165	27,6
Общая сумма заработной платы	-	-	3908	652,7
ФСС, в том числе ФСС от НС	-	-	-	1550,6 9,1
Итого заработная плата с отчислениями	-	-	-	6120,4

Дополнительная заработная плата составляет 12 % от основной платы. Фонд социального страхования составляет 34% от суммы основной и дополнительной заработной платы всех исполнителей, в том числе ФСС от несчастных случаев для сотрудников института 0,2 %. Накладные расходы составляют 60% от суммы основной и дополнительной заработной платы всех исполнителей; величина норматива транспортно - заготовительных расходов составляет 10% от стоимости всех материальных затрат.

Смета затрат на проведение дипломной научно - исследовательской работы представлена в таблице 21.

Таблица 21 - Смета затрат на проведение дипломной НИР

Статья затрат	Сумма, руб
Основные материалы	21000
Силовая электроэнергия	772,8
Амортизационные отчисления	29
Основная заработная плата исполнителей	3908
Дополнительная заработная плата	652,7
ФСС, в том числе ФСС от НС	1559,7
Накладные расходы	2048,9
Транспортные расходы	2100
Лицензия на ПВК FLUENT	160000
Итого	192071,1

5.3 Определение экономической эффективности

Базовая и проектная калькуляция себестоимости 1 т проката среднеуглеродистой стали в ПГП приведены в таблице 22.

Таблица 22 - Базовая и проектная калькуляция себестоимости 1 т проката в ПГП

Статьи затрат	Цена, р.	Базовая	Проектная
		Кол-во	Сумма, р.	Кол-во	Сумма, р.
1	2	3	4	5	6
1 Сырье и основные материалы, т	-	-	-	-	-
Слитки (слябы)	13603,4	0,684	9304,73	0,684	9304,73
Итого сырья	-	0,684	9304,73	0,684	9304,73
Продолжение таблицы 22
1	2	3	4	5	6
2 Отходы (-), т	-	-	-	-	-
Обрезь технологическая	5883,10	0,018	105,9	0,018	105,9
Окалина	585	0,016	9,36	0,0155	9,07
Угар (безвозвратные потери)	-	0,021	-	0,02	-
3 Брак (-), т	2510	0,002	5,02	0,002	5,02
Итого отходов и брака	-	0,057	120,28	0,0555	119,99
Задано за вычетом отходов и брака	-	0,627	9184,45	0,49	9184,74
4 Расходы по переделу	-	-	-	-	-
4.1 Топливо Технологическое топливо	2891	0,0973	281,29	0,0937	270,89
Итого, усл. т	-	0,04865	281,29	0,0937	270,89
4.2 Энергозатраты	-	-	-	-	-
Электроэнергия, тыс. кВт·ч	2804,5	0,0806	226,04	0,0806	226,04
Пар, Гкал	560,76	0,0182	10,21	0,0175	9,81
Вода техническая, тыс. м3	1537,36	0,0356	54,73	0,03	46,12
Сжатый воздух, тыс. м3	298,96	0,0288	8,61	0,0288	8,61
Итого энергозатрат	-	-	299,59	-	290,58
4.3 Фонд оплаты труда	-	-	53,03	-	50,62
4.4 ФСС, в том числе ФСС от НС	-	-	18,67	-	17,82
4.5 Содержание основных средств	-	-	88,32	-	81,9
4.6 Ремонтный фонд	-	-	183,17	-	169,85
4.7 Амортизация	-	-	70,95	-	64,5
4.8 Прочие расходы	-	-	15,45	-	14,31
Итого расходов по переделу	-	-	1010,47	-	960,47
5 Общезаводские расходы	-	-	362,02	-	329,13
Всего расходов по переделу	-	-	1372,49	-	1289,6
6 Потери от брака	-	-	1,04	-	1,04
Производственная себестоимость	-	-	10555,9	-	10473,3
7 Коммерческие расходы	-	-	281,8	-	256,3
Полная себестоимость	-	-	10837,7	-	10729,6

В базовом варианте себестоимость единицы продукции составляет 10837,7 руб/т, в проектном варианте себестоимость единицы продукции снизилась до 10729,6 руб/т.

5.3.1 Расчёт прибыли от реализации продукции

Прибыль от реализации единицы продукции рассчитывается по следующей формуле:

, (105)

где - цена единицы продукции, руб/т;

- себестоимость единицы продукции, руб/т.

Цена единицы продукции составляет 15815,4 руб/т.

Тогда прибыль от реализации единицы продукции в базовом варианте:

,

прибыль от реализации единицы продукции в проектном варианте:

.

5.3.2 Определение рентабельности продукции

Рентабельность продукции можно определить по формуле:

, (106)

где - прибыль от реализации единицы продукции, руб/т;

- себестоимость единицы продукции, руб/т.

Рентабельность продукции для базового варианта составит

,

рентабельность продукции для проектного варианта составит

.

5.3.3 Определение рентабельности продаж

Рентабельность продаж можно определить по формуле:

, (107)

где - прибыль от реализации единицы продукции, руб/т;

- цена единицы продукции, руб/т.

Рентабельность продаж для базового варианта составит

,

рентабельность продаж для проектного варианта составит

.

5.3.4 Определение затрат на 1 рубль реализованной продукции

Затраты на 1 рубль реализованной продукции можно определить по формуле:

, (108)

где - себестоимость единицы продукции, руб/т;

- цена единицы продукции, руб/т.

Затраты на 1 рубль реализованной продукции для базового варианта составят

,

затраты на 1 рубль реализованной продукции для базового варианта составят

.

5.3.5 Точка безубыточности

Степень безубыточности рассчитывается для того, чтобы определить объём продаж, при котором будет обеспечено полное возмещение издержек предприятия на производство и реализацию продукции.

Точку безубыточности рассчитаем по формуле:

, (109)

где - точка безубыточности, т;

- постоянные затраты, руб/т;

- годовой объём производства, т;

- цена единицы продукции, руб/т;

- переменные затраты, руб/т.

В проектном варианте годовой объём производства составит 432000 тонн, цена единицы продукции 15815,4 рублей. К постоянным затратам относятся общепроизводственные и общехозяйственные расходы на сумму 1216,77 руб/т в проектном варианте калькуляции. Переменные затраты на единицу продукции рассчитаем по формуле:

, (110)

где - себестоимость единицы продукции в проектном варианте, руб/т.

Переменные затраты на единицу продукции составят

.

Точка безубыточности для проектного варианта по формуле (109):

.

Определим точку безубыточности для проектного варианта графическим способом и сравним с расчётным результатом.

Выручку от реализации продукции рассчитаем по формуле:

, (111)

где - годовой объём производства, т;

- цена единицы продукции, руб/т.

Выручка от реализации продукции составит

.

Постоянные затраты от реализации продукции рассчитаем по формуле:

. (112)

Постоянные затраты от реализации продукции составят

.

Переменные затраты от реализации продукции рассчитаем по формуле:

. (113)

Переменные затраты от реализации продукции составят

.

Суммарные затраты от реализации продукции рассчитаем по формуле:

. (114)

Суммарные затраты от реализации продукции составят:

.

График точки безубыточности представлен на рисунке 18.

Рисунок 18 - Точка безубыточности

При построении графика точки безубыточности по оси ординат откладываются суммарные затраты и выручка от реализации продукции, а по оси абсцисс - объём производства.

Пересечение линии затрат и линии выручки даёт точку безубыточности. По графику точка безубыточности ТБ = 83401,6 т. В точке безубыточности прибыль от реализации равна нулю, при меньшем объёме реализации производство будет нерентабельным. Точка безубыточности, полученная графическим способом, совпадает с аналитическим методом.

5.3.6 Срок окупаемости внедрения НИР

Срок окупаемости внедрения НИР рассчитывается по формуле:

, (115)

где - затраты на проведение дипломной НИР, руб;

- разница между чистой прибылью до и после внедрения работы, руб.

Срок окупаемости внедрения НИР составит:

.

Срок окупаемости капитальных вложений рассчитываем по формуле:

, (116)

где - необходимее на реконструкцию капитальные вложения, руб.

Срок окупаемости капитальных вложений составит:

.

5.3.7 Технико - экономические показатели

Технико - экономические показатели производства приведены в таблице 23.

Таблица 23 - Технико - экономические показатели

Показатели	Базовый вариант	Проектный вариант
Объём производства, т/год	416000	432000
Себестоимость единицы производства, руб	10837,7	10729,6
Прибыль от реализованной продукции, млн. руб	2070,7	2197,1
Себестоимость годового выпуска, млн. руб	4508,5	4635,2
Рентабельность продукции, %	46	47
Рентабельность продаж, %	31	32
Затраты на 1 рубль реализованной продукции	0,69	0,68
Капитальные вложения на реконструкцию, млн. руб	-	16
Срок окупаемости капитальных вложений, лет	-	0,3426
Затраты на НИР	-	192071,1
Срок окупаемости дипломной НИР, лет	-	0,0041
Точка безубыточности, т	-	83401,6 т

Выводы

В данной дипломной работе проведено математическое моделирование нагрева металла в печи с шагающим подом с помощью ПВК FLUENT. При этом получено распеределение температурного поля по длине и ширине печи. При традиционном расчете принимают постоянство температуры по длине сварочной и томильной зон, в методической зоне считают распределение температуры линейным. При этом пренебрегают изменением температуры по высоте.

Полученные в результате моделирования данные показывают, что максимальная температура концентрируется в факеле и достигает 2800 К. Поскольку в печи установлены горелки типа ГР конструкции «Стальпроект», обеспечивающие улучшенное смешение, факел образуется короткий. За счет расширения проходного сечения в грелочном камне факел стелется вдоль свода. Однако, из-за односторонней подачи воздуха, факел получается несимметричным.

В томильной зоне распределение температуры более равномерное, поскольку уже хорошо прогрет металл и расход газа значительно меньше.

В методической зоне, т.к. используется тепло отходящих газов, распределение температуры также равномерное.

Распределение температуры по ширине печи не равномерное. В сварочной зоне вне факела температура изменяется от 1440 до 1800 К, что обеспечивает среднюю принятую температуру 1623 К.

Распределение радиационной температуры по длине печи показывает наибольшую яркость в томильной зоне, где температура металла постоянна и достигает наибольшего значения. В методической зоне, где металл еще не нагрет, наоборот, радиационная температура и энергетическая яркость минимальны.

Решение задачи внутреннего теплообмена в металле дает неравномерное распределение температуры по сечению. Максимальная температура достигается на верхних ребрах, минимальная - в центре нижней грани. Распределение температуры параболическое.

Список использованных источников

1 Теплотехника металлургического производства. Т I, II./ В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, С.А. Крупенников и др. - М.: МИСИС, 2002.

2 В.М. Тымчак, А.Е. Лифшиц. Расчет нагревательных и термических печей: Справочник. - М.: Металлургия, 1983.

3 Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. - М.: Металлургия, 1989.

4 Глинков М.А. Основы общей теории печей. - М.: Металлургия, 1962.

5 Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. Методики расчета нагревательных и термических печей. - М.: Теплотехник, 2004.

6 Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т II. - М.: Металлургия, 1978.

7 FLUENT. User's guide. Руководство пользователя в электронном виде/

8 Пакет прикладных программ FLUENT. Краткое описание в электронном виде.

9 FLUENT. Тutorial guide. В электронном виде.

10 С. Патанкар. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

11 Калиткин Н.Н. Численные методы. - М.: Наука, 1978.

12 Самарский А.А. Введение в численные методы. - М.: Наука, 1978.

13 Сожигательные устройства нагревательных и термических печей: Справочник / В.Л. Гусовский, А.Е. Лифшиц, В.М. Тымчак. - М.: Металлургия, 1981.

14 Тайц Н.Ю., Розенгарт Ю.И..Методические нагревательные печи. - М.: Государственное научно - техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1964.

15 СН 245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 1972.

16 ГОСТ 12.1.005.-88. Общие санитарно - гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. - М.: Издательство стандартов, 1989.

17 СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования. - М.:Стройиздат, 1996.

18 ГОСТ 12.0.003-74.Оапасные и вредные производственные факторы. Классификация. - М.: Издательство стандартов, 1983.

19 ГОСТ 12.1.010-76. ССБТ. Взрывобезопасность. Общие требования. - М.: Издательство стандартов, 1979.

20 ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. - М.: Издательство стандартов, 1991.

21 Бочков Д.А. Экономические организационные вопросы в дипломном проектировании. Учебно-методическое пособие. - М.:МИСИС, 2003.- № 55

22 СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 Санитарным нормам проектирования промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 2003.

23 ВСН 51-86 Профессионально технические, средние специальные и высшие учебные заведения. Нормы проектирования.

24 ВСН-2-68/АН СССР. Указания по проектированию научно-исследовательских институтов и лабораторий Академии наук СССР. - М.: Стройиздат, 1968.

25 СИ 495-77. Инструкция по проектированию зданий научно-исследовательских учреждений. - М.: Стройиздат, 1978.

Размещено на Allbest.ru