BADANIA WIDMA ZASYSANIA OKAPÓW WENTYLACYJNYCH

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Instytut Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Zespół Naukowo-Dydaktyczny Wentylacja i Klimatyzacja INSTRUKCJA LABORATORYJNA BADANIA WIDMA ZASYSANIA OKAPÓW WENTYLACYJNYCH TYLKO DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Opracował: dr inż. Aleksander Pełech Wrocław 2012

2 2 Okapy zasada działania; obliczanie strumienia powietrza W celu efektywnego ujęcia zanieczyszczeń gorących lub lżejszych od otaczającego powietrza stosuje się odciąg miejscowy, instalowany ZAWSZE NAD ŹRÓDŁEM emisji, zwany okapem. Działanie okapu jest tylko wtedy skuteczne, gdy zanieczyszczone powietrze ma tendencję do samodzielnego unoszenia się do góry. Zadaniem odciągu jest przechwycenie unoszącego się strumienia powietrza, które następnie usuwane jest z wnętrza pudła okapu przez wentylator wywiewny. Często zdarza się, że dobrze zaprojektowany okap działa wadliwie. Jest to wynikiem zaburzeń wywołanych wpływem strumieni powietrza przemieszczających się w przestrzeni pomiędzy okapem i źródłem emisji zanieczyszczeń. Istnieją metody zapobiegania tym zakłóceniom. Z różnych przyczyn nie zawsze możliwe jest stosowanie okapów. Jeżeli pracownik w trakcie obsługi stanowiska pracy musi pochylać się nad źródłem emisji, zamiast okapu należy zaprojektować odciąg boczny. Również wtedy, gdy w hali produkcyjnej istnieje wewnętrzny transport górny (dźwignice, suwnice, przenośniki i tp.) stosowanie okapów jest niewskazane lub niemożliwe. Strumień powietrza usuwanego z okapu można obliczyć wychodząc z różnych założeń. Okapy nad źródłami o małej emisji ciepła. Za źródła zanieczyszczeń o małej emisji ciepła uważa się takie stanowiska pracy, nad którymi temperatura unoszącego się powietrza nie przekracza +40 C. Wtedy zdolność unoszenia się powietrza jest ograniczona. W celu uzyskania odpowiedniej skuteczności usuwania zanieczyszczeń powinno się zapewnić dobre porywanie powietrza z powierzchni źródła poprzez wytworzenie odpowiedniego pola prędkości powietrza. Doświadczalną zależność służącą do obliczania strumienia powietrza odciąganego przez okap sformułował Dalla Valle w postaci: V& = 1, 4Uxw m, m 3 /s (1) gdzie: U obwód powierzchni wlotowej do okapu, m; x odległość płaszczyzny wlotowej do okapu od powierzchni, na której znajduje się źródło emisji, m; w m średnia prędkość powietrza w przestrzeni pomiędzy płaszczyzną wlotową a źródłem emisji, m/s Zaleca się przyjmować: w pomieszczeniu o nieruchomym powietrzu - w m =0,2 0,3 m/s; w pomieszczeniu o słabym ruchu powietrza - w m =0,3 0,4 m/s; w pomieszczeniu o silnym ruchu powietrza - w m =0,4 0,5 m/s. Strumień powietrza odciąganego przez okap można obliczyć również przyjmując, jako wartość wyjściową, prędkość na krawędzi źródła emisji. Według Recknagla: V& = 2Uxw x, m 3 /s (2) gdzie w x przyjmuje się: w pomieszczeniu o nieruchomym powietrzu - w x =0,1 0,15 m/s; w pomieszczeniu o słabym ruchu powietrza - w x =0,15 0,3 m/s;

3 w pomieszczeniu o silnym ruchu powietrza - w x =0,3 0,4 m/s. Baturin i Recknagel podają jeszcze inną zależność, przyjmującą jako kryterium odniesienia, prędkość przepływu powietrza w płaszczyźnie wlotowej do okapu: V & = Aw a, m 3 /s (3) gdzie: A - pole powierzchni wlotu do okapu, m 2 ; w a - prędkość przepływu powietrza w płaszczyźnie wlotowej do okapu, m/s. Zalecane prędkości w a zależą od usytuowania okapu w pomieszczeniu. A. przy swobodnym dopływie powietrza przez 4 krawędzie obwodu okapu (okap swobodnie zawieszony w przestrzeni pomieszczenia) - w a =0,9 1,2 m/s; B. przy swobodnym dopływie powietrza przez 3 krawędzie obwodu okapu (okap zamontowany przy ścianie) - w a =0,8 1,1 m/s; C. przy swobodnym dopływie powietrza przez 2 krawędzie obwodu okapu (okap zamontowany w narożu pomieszczenia) - w a =0,7 0,9 m/s; D. przy swobodnym dopływie powietrza przez 1 krawędź obwodu okapu (okap zamontowany pomiędzy trzema płaszczyznami ograniczającymi) - w a =0,5 0,8 m/s. Podobne zalecenia podane są w materiałach do projektowania okapów f-my Halton. A B C D Obwód wlotu okapu wynika z rozmiarów okapu, który powinien w rzucie obejmować całą powierzchnię źródła emisji. Ponieważ objętość unoszącego się strumienia zwiększa się oraz dlatego, że nigdy nie możemy być pewni, czy w pomieszczeniu nie pojawi się poprzeczny strumień powietrza, zmieniający kierunek ruchu unoszącego się strumienia, w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa ucieczki zanieczyszczonego powietrza poza obszar działania okapu, zaleca się powiększenie jego wymiarów liniowych w stosunku do wymiarów źródła w rzucie (rys. 1). Kąt rozwarcia okapu nie powinien przekraczać 60 (90 ), tylko w wyjątkowych sytuacjach może być nieco większy. Rys.1. Wyznaczanie wymiarów okapu nad źródłem o małej intensywności emisji ciepła. Wysunięcie okapu poza obrys rzutu źródła emisji ciepła można obliczyć z zależności: a = 0,4 h 1 lub a = 0,2 h lub a = mm 3

4 Okap powinien być zawieszony możliwie nisko nad źródłem emisji zanieczyszczeń, jednak na tyle wysoko, by nie przeszkadzał w pracy. Zalecana wysokość zawieszenia okapu nad podłogą wynosi ok. 1,8 do 2 m. Rozkład prędkości w płaszczyźnie wlotowej okapów, przedstawiony jest na rys. 2. Maksymalne prędkości występują w osi okapu, a najmniejsze na jego obrzeżu, gdzie wpływ zakłóceń jest największy i niebezpieczeństwo ucieczki zanieczyszczonego powietrza poza obręb okapu najbardziej prawdopodobne. Okapy o rozpiętości (większy wymiar w rzucie) powyżej 1,5 m charakteryzują się gorszą sprawnością od okapów mniejszych. Dlatego, dla rozległych powierzchni źródła zanieczyszczeń, zaleca się dzielenie dużych okapów na mniejsze konstrukcje, obsługujące wspólnie to samo źródło emisji. Rys. 2. Widmo zasysania okapu. Istnieje szereg rozwiązań pozwalających wyrównać rozkład prędkości na wlocie do okapu. Skuteczne są różnego rodzaju wkładki, których obecność powoduje podzielenie swobodnej powierzchni wlotowej na szereg otworów lub szczelin, przez które przepływa powietrze z prędkością rzędu 5 8 m/s (rys. 3). Zwiększony opór przepływu powoduje wyrównanie profilu przepływu powietrza. Wysoką skutecznością odznaczają się również okapy ze szczeliną na obwodzie (rys. 3c.), w której prędkość przepływu powietrza dochodzi do 10 m/s. Strumień przepływającego przez szczelinę powietrza powinien stanowić 60 75% strumienia powietrza odciąganego przez okap. Pozostała część powietrza usuwana jest przez okap wewnętrzny. Strumienie powietrza muszą być wyregulowane podczas rozruchu instalacji wentylacyjnej. Rys 3. Sposoby polepszenia skuteczności okapów. a) okap z przegrodami; b) okap z wkładkami wyrównującymi prędkość w płaszczyźnie wlotowej; c) okap ze szczeliną na obwodzie płaszczyzny wlotowej; d) szczegół konstrukcyjny wkładki wyrównującej. Okapy nad źródłami o dużej emisji ciepła. Strumień powietrza usuwanego przez okap, pod którym znajduje się źródło zanieczyszczeń, emitujące znaczny strumień ciepła, można obliczyć z wzoru (1), przyjmując jednak prędkości porywania w x =0,1 0,6 m/s, w zależności od rodzaju zaburzeń występujących w pomieszczeniu. 4

5 W opracowaniu COB-RTI "INSTAL" proponuje się obliczanie niezbędnego strumienia powietrza na podstawie zysków ciepła od urządzenia pod okapem. gdzie: Q& V& 0,7 zj =, m 3 /s (4) ρc t Q & zj - strumień ciepła jawnego emitowany przez urządzenie, kw; p t - przyrost temperatury powietrza usuwanego przez okap t=t w t n =12 15K; 0,7 - skuteczność okapu - pozostałe ciepło zostanie zaabsorbowane przez powietrze w pomieszczeniu - powinno być usunięte przez wentylację ogólną. Na podstawie analizy ciśnień czynnych, wywołanych różnicą gęstości powietrza ogrzanego wokół urządzenia emitującego ciepło, Malicki wyprowadził zależność ważną dla przypadku, gdy okap jest zamontowany na wysokości h 1 < 1 m nad źródłem ciepła:, V & = 0 QA & hz, m 3 /s (5) gdzie: Q & strumień ciepła (wydajność źródła), emitowany drogą konwekcji, kw; Jeżeli łącznie z ciepłem jawnym emitowana jest para wodna, to Q & = Q& j + Q& A powierzchnia przekroju poprzecznego strumienia ogrzanego powietrza, m 2 dla płaszczyzn poziomych równa powierzchni płaszczyzny oddającej ciepło ku górze, dla źródła oddającego ciepło przez pionowe ściany boczne należy uwzględnić rozszerzanie się strumienia pod kątem 4 5 (patrz rys. 4.); h z wysokość źródła ciepła, m (dla płaszczyzn poziomych przyjmuje się krótszy bok płaszczyzny). u Rys. 4. Schematy do obliczania powierzchni przekroju poprzecznego strumienia ogrzanego powietrza. A - gdy ciepło oddaje powierzchnia górna źródła ciepła; B - gdy ciepło oddaje boczna powierzchnia źródła ciepła. Emisję ciepła jawnego drogą konwekcji można obliczyć z zależności: Q & = α A t, kw (6) gdzie: α k współczynnik przejmowania ciepła drogą konwekcji, W/m 2 K, A c powierzchnia urządzenia oddająca ciepło, m 2 ; j k c 5

6 t=ϑ t p różnica temperatur powierzchni oddającej ciepło i powietrza w pomieszczeniu (z dala od źródła ciepła), K. Emisja ciepła utajonego może być obliczona z zależności: Q & = W & r + c t, kw (7) u ( ) gdzie: W emisja pary wodnej, kg/s r ciepło parowania, kj/kg c o właściwa pojemność cieplna pary wodnej, kj/kgk t o temperatura pary wodnej, C Na podstawie zależności (5) można obliczyć strumień powietrza będącego w ruchu na wysokości górnej krawędzi źródła ciepła. Strumień ten w miarę posuwania się ku górze będzie się powiększał wskutek zasysania powietrza z otoczenia. Można jednak przyjąć z dostatecznym przybliżeniem, że wyraźny wzrost da się zauważyć dopiero na wysokości większej niż 1,0 m od górnej krawędzi źródła ciepła. Jeżeli okap umieszczony zostanie na wysokości poniżej 1,0 m nad gorącym źródłem, to strumień powietrza odciąganego będzie tylko nieco większy niż to określa zależność (5). Jeżeli okap jest zawieszony powyżej 1 m nad źródłem ciepła, należy obliczyć średnicę strugi ogrzanego powietrza na poziomie wlotu do okapu. Na tej podstawie ustala się wymiary okapu. Wymiary wlotu do okapu powinny być większe od obliczonej średnicy strugi ogrzanego powietrza. Należy się kierować wskazówkami podanymi na rys. 1, 4 oraz 5. o o Rys. 5. Schemat do obliczania średnicy strugi ogrzanego powietrza. Zależności obliczeniowe ważne dla b = 0,9-2,4 m, h 1 = 1,0-1,5 m Minimalny strumień powietrza usuwanego przez okap oblicza się z zależności: V & = &, m 3 /s (8) 1,5 3 min 0, 079Z Q Wydajność wentylatora powinna być większa o strumień powietrza, który będzie zasysany przez dodatkową powierzchnię wlotu okapu A d (wynikającą z powiększenia jego wymiarów w stosunku do średnicy strugi ogrzanego powietrza). Dodatkowy strumień powietrza oblicza się przyjmując prędkość przepływu w = 0,5 0,75 m/s. V1 = w A d, m 3 /s (9) 6

7 Polepszenie skuteczności okapów, zwłaszcza w przypadku źródeł emisji o niskiej temperaturze (mały strumień ciepła) uzyskuje się w wyniku zastosowania zasłon, ograniczających wpływ zakłóceń ruchu powietrza w okolicy okapu. Zasłony mogą być wykonane z różnych materiałów i mogą być wykonane w różny sposób. Większość rozwiązań jest mało skuteczna i zazwyczaj jest odrzucana przez pracowników, ponieważ utrudnia dostęp do miejsca pracy. Rys. 6. Wpływ poprzecznych ruchów powietrza w pomieszczeniu na strumień powietrza zanieczyszczonego oraz sposoby zmniejszenia tego wpływu. a) okap bez dodatkowych zabezpieczeń, b) dwustronna zasłona powietrzna, c) jednostronna zasłona powietrzna. Rys. 7. Inne rozwiązania nawiewów, zwiększające skuteczność okapów. A. zasłona powietrzna skierowana do wnętrza okapu; B, C. wykorzystanie zjawiska ejekcji do ukierunkowania przepływu powietrza wewnątrz okapu; D. nawiew osłaniający w okapie kuchennym. Rys. 8. Okap nawiewno-wywiewny nad automatem spawalniczym. Na rys. 6, 7 i 8 pokazano kilka przykładów rozwiązań zasłon powietrznych, pozbawionych wad, charakterystycznych dla innych rozwiązań. Zasłony powietrzne, stosowane jako nawiew osłaniający przy odciągach miejscowych, mogą być wykonane w postaci strug osiowo-symetrycznych, płaskich lub pierścieniowych usytuowanych w taki sposób by nie dopuścić lub zdecydowanie ograniczyć przenoszenie zanieczyszczeń poza obszar działania odciągu. Wytworzony przez nawiew osłaniający lokalny układ ciśnień eliminuje wpływ po- 7

8 przecznych prądów powietrza w pomieszczeniu, spowodowanych działaniem ludzi i maszyn oraz skierowanie powietrza zanieczyszczonego do otworu odbiorczego odciągu miejscowego. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest określenie wpływu i zbadanie skuteczności czterostronnej zasłony powietrznej zainstalowanej na krawędzi źródła emisji. Źródłem emisji jest model kuchni elektrycznej z czterema niezależnie sterowanymi grzałkami elektrycznymi. Nad źródłem emisji na wysokości h 1 m zawieszony jest kwadratowy okap o wymiarach a b, m. W instalacji odprowadzającej powietrze zmontowana jest przepustnica odcinająca oraz kryza pomiarowa. Na krawędziach modelu kuchni zamontowano cztery przewody nawiewne o przekroju okrągłym, połączone w pierścień, zasilane powietrzem w narożach. W ściankach przewodów nawiewnych wykonano otwory nawiewne o średnicy 2,5 mm, przez które wypływa powietrze tworzące cztery płaskie strugi zasłony powietrznej. Budowa i wyposażenie stanowiska pomiarowego umożliwiają: 1. wizualizację przepływu powietrza nad źródłem zanieczyszczeń, 2. zmianę strumienia powietrza odciąganego przez okap, 3. zmianę kierunku wypływu powietrza z przewodów nawiewnych, 4. zmianę mocy grzałek elektrycznych, 5. pomiar rozkładu prędkości powietrza w całej przestrzeni pod okapem, 6. pomiar rozkładu temperatury powietrza w całej przestrzeni pod okapem. Szczegółowy program ćwiczenia dla każdej grupy poda prowadzący. Rys. 9. Schemat stanowiska laboratoryjnego do badania okapu z nawiewem osłaniającym 8

9 Każda grupa studencka przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia powinna zapoznać się z niniejszą instrukcją i przyswoić sobie podstawowe informacje dotyczące zastosowania, budowy i projektowania okapów wentylacyjnych o różnym przeznaczeniu. Wiadomości będą sprawdzane przed rozpoczęciem ćwiczenia. Dla prawidłowego przebiegu ćwiczenia niezbędne jest przyniesienie: przyborów do pisania, papieru, co najmniej jednego kalkulatora. Przydatny, ale niekonieczny jest aparat fotograficzny do wykonania dokumentacji przebiegu doświadczeń. 9