badania widma zasysania okapów wentylacyjnych

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
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:
3
V& = 1,4Uxwm , m /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;
wm – średnia prędkość powietrza w przestrzeni pomiędzy płaszczyzną wlotową a
źródłem emisji, m/s
Zaleca się przyjmować:
w pomieszczeniu o nieruchomym powietrzu - wm=0,2 – 0,3 m/s;
w pomieszczeniu o słabym ruchu powietrza - wm=0,3 – 0,4 m/s;
w pomieszczeniu o silnym ruchu powietrza - wm=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& = 2Uxwx ,
m3/s
gdzie wx przyjmuje się:
w pomieszczeniu o nieruchomym powietrzu - wx=0,1–0,15 m/s;
w pomieszczeniu o słabym ruchu powietrza - wx=0,15–0,3 m/s;
2
(2)
w pomieszczeniu o silnym ruchu powietrza - wx=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:
3
V& = Awa , m /s
(3)
gdzie: A - pole powierzchni wlotu do okapu, m2;
wa - prędkość przepływu powietrza w płaszczyźnie wlotowej do okapu, m/s.
Zalecane prędkości wa zależą od usytuowania okapu w pomieszczeniu.
A. przy swobodnym dopływie powietrza przez 4 krawędzie obwodu okapu
(okap swobodnie zawieszony w przestrzeni pomieszczenia)
- wa=0,9–1,2 m/s;
B. przy swobodnym dopływie powietrza przez 3 krawędzie obwodu okapu
(okap zamontowany przy ścianie)
- wa=0,8–1,1 m/s;
C. przy swobodnym dopływie powietrza przez 2 krawędzie obwodu okapu
- wa=0,7–0,9 m/s;
(okap zamontowany w narożu pomieszczenia)
D. przy swobodnym dopływie powietrza przez 1 krawędź obwodu okapu
(okap zamontowany pomiędzy trzema płaszczyznami ograniczającymi) - wa=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 h1 lub
a = 0,2 h
lub
a = 250–400 mm
3
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.
Istnieje szereg rozwiązań pozwalających wyRys. 2. Widmo zasysania okapu.
równać 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 wx=0,1–0,6 m/s, w zależności od rodzaju zaburzeń występujących w
pomieszczeniu.
4
W opracowaniu COB-RTI "INSTAL" proponuje się obliczanie niezbędnego strumienia
powietrza na podstawie zysków ciepła od urządzenia pod okapem.
0,7Q& zj
V& =
, m3/s
ρc p ∆t
(4)
gdzie: Q& zj - strumień ciepła jawnego emitowany przez urządzenie, kW;
∆t - przyrost temperatury powietrza usuwanego przez okap ∆t=tw–tn =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 h1 < 1 m nad źródłem ciepła:
V& = 0,3833 Q& A2 hz ,
m3/s
(5)
gdzie: Q& – strumień ciepła (wydajność źródła), emitowany drogą konwekcji, kW;
Jeżeli łącznie z ciepłem jawnym emitowana jest para wodna, to Q& = Q& + Q&
j
u
A – powierzchnia przekroju poprzecznego strumienia ogrzanego powietrza, m2
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.);
hz – wysokość źródła ciepła, m (dla płaszczyzn poziomych przyjmuje się krótszy
bok płaszczyzny).
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& j = α k Ac ∆t , kW
(6)
gdzie: αk –współczynnik przejmowania ciepła drogą konwekcji, W/m2K,
Ac –powierzchnia urządzenia oddająca ciepło, m2;
5
∆t=ϑ–tp –różnica temperatur powierzchni oddającej ciepło i powietrza w
pomieszczeniu (z dala od źródła ciepła), K.
Emisja ciepła utajonego może być obliczona z zależności:
Q& u = W& (r + coto ) ,
kW
(7)
gdzie: W – emisja pary wodnej, kg/s
r – ciepło parowania, kJ/kg
co – właściwa pojemność cieplna pary wodnej, kJ/kgK
to – 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.
Rys. 5. Schemat do obliczania średnicy strugi ogrzanego powietrza. Zależności
obliczeniowe ważne dla b = 0,9 - 2,4 m, h1 = 1,0 - 1,5 m
Minimalny strumień powietrza usuwanego przez okap oblicza się z zależności:
V& = 0,079 Z 1,5 ⋅ 3 Q& , m3/s
min
(8)
Wydajność wentylatora powinna być większa o strumień powietrza, który będzie zasysany przez dodatkową powierzchnię wlotu okapu Ad (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 ⋅ Ad , m3/s
(9)
6
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. 8. Okap nawiewno-wywiewny nad
automatem spawalniczym.
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.
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 po7
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 h1 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
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