Wstępna analiza zagrożeń w eksploatacji kabin lakierniczych wyposażonych w rekuperatory

Transkrypt

1 Nikończuk Piotr 1 Wstępna analiza zagrożeń w eksploatacji kabin lakierniczych wyposażonych w rekuperatory WSTĘP W trakcie procesu lakierowania wewnątrz komory lakierniczej jest ciągle wymieniane powietrze. Wymiana powietrza zapewnia jakość procesu lakierowania i powłoki lakierniczej a przede wszystkim bezpieczeństwo lakiernika pracującego wewnątrz komory lakierniczej. W okresie zimowym wzrastają koszty ogrzewania powietrza. Aby ograniczyć koszty eksploatacji wprowadzono w kabinach lakierniczych rekuperatory. Najczęściej spotyka się rekuperatory krzyżowe[6]. Konstrukcja rekuperatorów krzyżowych polega na budowie lamelowej. W rekuperatorach dla kabin lakierniczych odległość pomiędzy lamelami wynosi około12mm. Zapewnia to maksymalizację powierzchni wymiany ciepła pomiędzy strumieniami powietrza czerpni oraz wyrzutni. Stosowanie rekuperatorów w kabinach lakierniczych prowadzi jednak do powstawania zagrożeń. 1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA KABINY LAKIERNICZEJ Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych kabin lakierniczych [7,8]. Kabina lakiernicza w standardowym rozwiązaniu wyposażona jest w dwa zespoły z wentylatorami: zespół nawiewny oraz zespół wywiewny. Zespól nawiewny składa się z filtra wstępnego, wentylatora nawiewnego oraz wymiennika ciepła, który ma za zadanie ogrzanie powietrza do zadanej temperatury. W podłodze znajduje się filtr typu paint stop. Zespół wywiewny stanowi wentylator wywiewny. Kabina lakiernicza pracuje w dwóch podstawowych trybach: tryb lakierowania i tryb suszenia, oraz trybie wentylacji. Tryb wentylacji następuje bezpośrednio przed rozpoczęciem oraz po zakończeniu trybów podstawowych. Rys. 1 Tryb natrysku 1 przepustnica kanału nawiewnego; 2 przepustnica recyrkulacji, 3 filtr wstępny, 4 palnik, 5 filtr sufitowy, 6 filtr typu paint stop W trybie lakierowania powietrze w kabinie jest stale wymieniane poprzez kanał nawiewny oraz wywiewny. Powietrze jest pobierane poprzez otwartą przepustnicę 1 oraz wstępnie oczyszczane za 1 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu Al. Piastów 41, Szczecin, piotr.nikonczuk@zut.edu.pl 1183

2 pomocą wstępnego filtra zgrubnego 3. Następnie w razie potrzeby jest podgrzewane przez palnik 4 zazwyczaj do temperatury C i tłoczone do komory lakierniczej za pośrednictwem filtra sufitowego 5. Zanieczyszczone mgłą lakierniczą powietrze wyciągane jest z komory kanałem wyrzutni po uprzednim oczyszczeniu za pomocą filtra typu paint stop 6 zainstalowanego w podłodze kabiny lakierniczej. W trybie wygrzewania wentylator wywiewny jest wyłączony. Powietrze w kabinie znajduje się w recyrkulacji. Recyrkulacja powietrza w kabinie lakierniczej jest realizowana poprzez zamknięcie przepustnicy 1 oraz otwarcie przepustnicy recyrkulacji 2. Przepustnica 1 nie jest zamknięta całkowicie, jej stopień niedomknięcia powinien zapewnić swobodną wymianę około 10% powietrza znajdującego się w recyrkulacji. Temperatura powietrza w trakcie trybu wygrzewania jest utrzymywana w granicach od 40 0 C do 60 0 C. Po zakończeniu trybu wygrzewania kabina jest wentylowana w celu obniżenia temperatury wewnątrz kabiny, elementów konstrukcyjnych kabiny oraz pojazdu (lub innych detali). Obieg powietrza jest taki sam jak w trybie natrysku. Różnica pomiędzy trybami wentylowania a natrysku polega na tym, że w trakcie wentylowania nawiewane powietrze nie jest ogrzewane. Kabina lakiernicza jest również wentylowana przed rozpoczęciem trybu lakierowania oraz pomiędzy trybami lakierowania i wygrzewania, w większości kabin lakierniczych czas wentylowania wynosi około 2-4 min. Zadaniem filtrów zespołu wywiewnego jest oczyszczenie powietrza, aby zapobiec emisji do atmosfery cząstek stałych mgły lakierniczej powstającej podczas procesu lakierowania. W trakcie wszystkich cykli pracy wewnątrz komory lakierniczej panuje niewielkie nadciśnienie. Zapobiega to przedostawaniu się pyłów oraz innych zanieczyszczeń w przypadku otwarcia drzwi lub przez drobne nieszczelności w konstrukcji kabiny. Rys. 2 Tryb suszenia 1- przepustnica kanału nawiewnego, 2- przepustnica recyrkulacji 2. REKUPERATORY W KABINACH LAKIERNICZYCH A POWSTAWANIE OSADÓW LAKIERÓW Jak wspomniano temperatura podczas pracy lakiernika wewnątrz kabiny utrzymywane jest na poziomie temperatury pokojowej, około 20 O C. Masa strumienia wymienianego powietrza wynosi m 3 /h lub więcej. Aby zapewnić ogrzanie takiej ilości powietrza w bardzo chłodne dni w okresie zimowym moce palników olejowych lub gazowych wahają się w przedziale kW (w przypadku kabin renowacyjnych dla samochodów osobowych) [8]. W przypadku tak dużych masach wymienianego powietrza i dużych mocach palników stosowanie rekuperatorów jest jak najbardziej uzasadnione [6,9,10]. Na rysunku 3 przedstawiono schemat poglądowy kabiny lakierniczej z rekuperatorem krzyżowym oraz zdjęcie rekuperatora. 1184

3 Rys. 3 Kabina lakiernicza z rekuperatorem schemat oraz przykładowe zdjęcie Średni stopień filtracji filtrów typu paint - stop sięga do 97%. Pomimo tego w oczyszczonym powietrzu za filtrem nadal znajdują się cząstki stałe mgły lakierniczej. Nieusunięte z powietrza cząstki stałe osiadają w znacznej części na elementach konstrukcyjnych wentylatora wywiewnego oraz na wewnętrznych częściach kanałów wyrzutni. W ciągu kilu lat intensywnej eksploatacji kabiny lakierniczej odkładają się kilkumilimetrowe warstwy osadów. Na rysunku 4 przedstawiono przepustnicę wyrzutni zanieczyszczoną osadami lakierów. Zjawisko powstawania osadów dotyczy również rekuperatorów. W kanałach ciepłego powietrza również odkładają się warstwy wspomnianych cząstek lakierów. Powstające osady powodują w rekuperatorze zmniejszenie przekrojów kanałów wyrzucanego ciepłego powietrza. Powstające osady cząstek stałych lakierów również odkładają się na łopatkach wentylatora wywiewnego. Warstwa osadu na łopatkach wentylatora powoduje zmianę geometrii łopatek a co za tym idzie zmianę charakterystyki wentylatora i obniżenie wydajności wentylatora. Rys. 4 Przepustnica wyrzutni zanieczyszczona osadami mgły lakierniczej. Prowadzone są badania na temat poprawy sprawności filtrów zatrzymujących cząstki lakierów [1, 2, 3, 13,14]. Natomiast tempo wzrostu osadu cząstek stałych lakierów w kanałach wyrzutni kabin lakierniczych nie było do tej pory badane. Na rysunku 5 przedstawiono wyniki dokonywanych pomiarów oraz linie trendu dla trzech kabinach lakierniczych OMIA SECOMAT. 1185

4 Rys. 5 Tempo wzrostu osadu cząstek stałych w kanałach wyrzutni kabin lakierniczych Z przedstawionych pomiarów wynika, że średnie tempo wzrostu osadów lakierów wynosi: d av dt mm 0, h (1) gdzie: d av średnie tempo wzrostu osadów lakieru [mm/h] dt 3. ZAGROŻENIA ZWIĄZANE Z POWSTAWANIEM OSADÓW LAKIERÓW Powstające osady stanowią przede wszystkim zagrożenie dla instalacji odzysku ciepła odpadowego. Odległość pomiędzy lamelami rekuperatora krzyżowego dla kabiny lakierniczej wynosi jak wspomniano 12 mm. W rozwiązaniach tych zazwyczaj nie przewiduje się oczyszczania rekuperatora lub jest ono bardzo utrudnione. Uwzględniając tempo wzrostu osadów lakieru opisane równaniem (1), można się spodziewać, iż po około 10 tysiącach godzin pracy kabiny lakierniczej rekuperator ulegnie całkowitemu zaklejeniu. Jednak uwzględniając najbardziej pesymistyczną postać trendu wzrostu osadów dla kabiny lakierniczej numer 3 na rysunku 5, całkowite zaklejenie się rekuperatora nastąpi po około 6 tysiącach godzin pracy kabiny. Należy uwzględnić, że przy czterdziestogodzinnym tygodniu pracy roczny wymiar godzin pracy wynosi około 2000 godzin. Z tego wynika, że przy intensywnej eksploatacji kabiny lakierniczej, żywotność rekuperatora będzie się wahała w przedziale 3-5 lat. Jest to okres czasu, kiedy kanały rekuperatora będą całkowicie zatkane. Jednak ciągłe zmniejszanie przez osady przekroju poprzecznego kanałów rekuperatora powoduje opory przepływu powietrza wyrzucanego z kabiny lakierniczej. Istnieje krytyczne zmniejszenie przekroju kanałów rekuperatora, które spowoduje utratę przez kabinę lakierniczą parametrów znamionowych. Taka sytuacja skutkuje wyłączeniem kabiny lakierniczej z eksploatacji z powodu powstającego zagrożenia. WNIOSKI Ograniczenie wymiany powietrza wewnątrz kabiny lakierniczej może prowadzić do koncentracji wewnątrz komory lakierniczej lotnych związków organicznych (LZO). Powoduje to zarówno powstawanie mieszanki wybuchowej jak i zagrożenie zatrucia lakiernika pracującego wewnątrz kabiny. Jak do tej pory dostawcy rozwiązań odzysku ciepła w kabinach lakierniczych w dokumentacji techniczno-ruchowej nie umieszczają zaleceń kontroli stanu czystości i oczyszczania rekuperatorów. Czynności takich nie obejmują również przeglądy techniczne kabin lakierniczych. Istnieje możliwość 1186

5 kontroli stanu zanieczyszczenia rekuperatora w sposób identyczny jak wskaźnik stanu czystości filtrów. Metoda ta polega na pomiarze różnicy ciśnień w kanałach przed i za filtrem. Przykładowy wskaźnik stanu czystości filtrów przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6 Wskaźnik zużycia filtrów sufitowych w kabinach lakierniczych OMIA. Stosowanie powyższych wskaźników dla rekuperatorów może znacznie podnieść bezpieczeństwo eksploatacji kabin lakierniczych. Na wydziale Techniki Morskiej i Transportu ZUT w Szczecinie opracowano technologię odzysku ciepła, która zapewnia możliwość oczyszczania wymiennika ciepła [12]. Konstrukcja wymiennika zapewnia również znaczne zmniejszenie wpływu osadów lakierów na opory przepływu powietrza oraz eliminuje możliwość całkowitego zatykania się przewodów wymiennika osadami lakierów. Prowadzone są również badania tempa wzrostu osadów lakierów oraz ich właściwości. Prowadzi się również badania modelowania numerycznego i symulacji pracy kabin lakierniczych [11]. Streszczenie Zadaniem kabiny lakierniczej jest wymiana powietrza w jej wnętrzu, co zapewnia zarówno komfort i bezpieczeństwo lakiernika jak również jakość procesu lakierowania oraz jakość nakładanych powłok lakierniczych. Coraz częściej w kabinach lakierniczych stosuje się rekuperatory krzyżowe w celu obniżenia kosztów eksploatacji, szczególnie w warunkach zimowych. Konstrukcja rekuperatorów jest podatna na zaklejanie się osadami mgły lakierniczej, co powoduje sukcesywne zmniejszanie wolumenu masy wymienianego powietrza. Sytuacja taka prowadzi do powstawania zagrożeń wybuchem oraz zatrucia. W artykule przedstawiono wstępną analizę powstawania osadów lakierów, jako przyczyny zagrożeń. Preliminary analysis of the risks in the operation of spray booths equipped with recuperators Abstract The task of the spray booth is the air exchange in its interior which provides both comfort and safety of a painter as well as the quality of the painting process and the quality of applied coatings. Increasingly, paint booths are equipped with cross recuperators. Recuperators reduce operating costs, especially in winter conditions. The design of recuperators is prone to be clogged of overspray sediments. The paper presents a preliminary analysis of the formation of varnish deposits as the cause of hazard. BIBLIOGRAFIA 1. Anad S., Howarth J. (2013), Improving filtration in the automotive paint shop, Filtration + Separation, Vol.50, issue 1, p

6 2. Chan TL, D Arcy JB, Schreck RM. (1986) High-solids paint overspray aerosols in a spray painting booth: particle size analysis and scrubber efficiency. Am Ind Hyg Assoc J; 47: Darvin C. H., Cox L. S. & Smith D., (1999), Comparative Study of Spray Booth Filter System Efficiency, Journal of the Air & Waste Management Association (1999), 49:3, p Flynn M. R. and Sills E. D., On the Use of Computational Fluid Dynamics in the Prediction and Control of Exposure to Airborne Contaminants - an Illustration Using Spray Painting, Ann. occup. Hyg., Vol. 44, No. 3, p , Jia Li, Rohan G. Uttarwar, and Yinlun Huang, CFD-Based Modeling and Design for Energy- Efficient VOC Emission Reduction in Surface Coating Systems 6. Nikończuk P.,Odzysk ciepła w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 9/2011, str Nikończuk P., Rozwiązania elementów wentylacji kabin lakierniczych, Auto Moto Serwis, nr 3/2012, str Nikończuk P.,(2012), Sposoby ogrzewania powietrza w kabinach lakierniczych, Auto Moto Serwis nr. 4/2012, str Nikończuk P., Study of Heat Recovery in Spray Booths, Metal Finishing Vol. 111 (6) p Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Stempnakowski Z., Wstępna analiza korzyści ze stosowania innowacyjnego rozwiązania odzysku ciepła w kabinach lakierniczych, Logistyka nr. 3/2014 str , 11. Nikończuk P., Królikowski T., Rypina Ł., Sugalski K., Ogólne założenia modelu symulacyjnego kabiny lakierniczej, Logistyka nr. 3/2014, str Nikończuk P., Zakrzewski B., Urządzenie do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła, zwłaszcza w komorach lakierniczych, patent PL , 13. Schweizer R. (2001) Technological Advancements in Overspray Collectors. Metal Finishing, vol. 108, Issue 4, p Wright S. R., Bond J. H., (1998) Hazardous waste Minimization of paint overspray via medialess dynamic particle filtration, Final Report 25 Apr Jan 98, INNOVATECH, INC, 1188