Hígítás, helyi elszívás, szennyező anyagok ipari csarnokokban
2021. június 21. |
Szekeres Szabolcs, Kostyák Attila |
|
0 |
A cikk az ipari csarnokok légtechnikai tervezésének kérdését foglalja össze: a tervezés és méretezés alapját, a szennyezőanyag felszabadulást, a tervezett légtechnikai rendszer hígítási tulajdonságait számba vevő modelleket. A szerzők bemutatnak egy vizsgált esetet, ahol a munkacsarnokban létrejött lokális szennyező anyag felszabadulást helyi elszívással kezelik. Azt vizsgálják, hogy az empirikus képletek alkalmazási feltételrendszere (stacioner pontszerű szennyezőanyag kiáramlás, stacioner áramlási kép) teljesül-e oldalsó elszívási pont esetén. A mérések eredménye szerint a kezelt területen belül az áramlás csak az elszívó felület közvetlen közelében tekinthető stacionernek, így a kiszámolt zárósebesség nem elegendő a szennyezőanyag befogásához.
A tervezés és méretezés alapját a szennyezőanyag felszabadulást, a tervezett légtechnikai rendszer hígítási tulajdonságait számba vevő modellek, valamint az 5/2020. (II. 6.) „A kémiai kóroki tényezők hatásának kitett munkavállalók egészségének és biztonságának védelméről” szóló ITM rendelet képezik.
A fenti eljárás a mérnöki gyakorlatban jól használható numerikus módszert ad a tervezési feladatok elvégzésre, azonban számos olyan egyszerűsítést tartalmaz, ami adott esetben eltérést eredményezhet a szükséges szellőztető levegő meghatározásában.
Erre példa a cikkünkben megvizsgált eset, ahol a munkacsarnokon belül a lokális szennyező anyag felszabadulás, helyi elszívással kerül kezelésre. A helyi elszívás méretezése során a szakirodalmakban fellelhető empirikus képletek lehetnek segítségünkre.
Vizsgálatunk tárgya, hogy az empirikus képletek alkalmazási feltételrendszerre (stacioner pontszerű szennyezőanyag kiáramlás, stacioner áramlási kép) teljesül-e az általunk kialakított oldalsó elszívási pont esetén.
A mérési sorozatunk eredménye szerint a kezelt területen belül az áramlás csak az elszívó felület közvetlen közelében tekinthető stacionernek, attól eltávolodva az áramló közeg turbulenciája nagymértékű, a stacioner áramlásra vonatkozó feltevés már nem teljesül, így a kiszámolt zárósebesség nem elegendő a szennyezőanyag befogásához, ezért annak fokozása szükséges.
A mérési eredmények a konkrét elszívási pontra érvényesek, azonban általános következtetések is levonhatók belőlük:
Az elszívási zárósebességet meghatározó empirikus képletek alkalmazása előtt meg kell győződnünk a feltételek teljesüléséről. A vizsgálat alapján látható, hogy e feltételek nem teljesülnek minden esetben.
A fenti hatásból származó méretezési pontatlanság ellensúlyozható az elszívott légmennyiség és zárósebesség növelésével, ami a légtechnikai rendszerek méretét és az energetikai szempontokat egyaránt érinti.
Csarnokok levegőminőségét biztosító gépészeti rendszerek feladatai
A munkacsarnokok légtechnikai tervezése nagy kihívás az épületgépészek számára, mivel a szennyezőanyagok mennyisége, típusa, a munkaállásoknál történő munkavégzés jellege folyamatosan változik. E körülmények között kell egy minden esetben megfelelően működő összetett épületgépészeti rendszert alkotni.
Mint minden zárt tér esetében, célunk a tevékenység végzéséhez optimális légállapot megteremtése. A méretezés során a csarnoktérben létrejött szennyezőanyag kiáramlás kezelése okozza a legtöbb nehézséget. A technológiai folyamat során felszabaduló, a levegőben lévő szennyezőanyagok hígításáról, eltávolításáról komplex légkezelő és elszívó/szűrő rendszerek gondoskodnak.
Az elszívó rendszerek elsődleges feladata a szennyezőforrás helyén a lehető legtöbb szennyezőanyag elszívása, leválasztása, szűrése. A technológiai igények szerint az elszívó rendszert nemcsak a levegőt általában terhelő kis szemcseméretű porfrakciók kezelésére alakítják ki, de számos esetben a nagy esési sebességgel rendelkező nehéz részecskék elszállítását is e rendszerek végzik (például faipari por nagy porfrakciói).
A technológiai elszívó/szűrő rendszerrel szemben az általános légtechnikai rendszer fő feladata a tökéletlen elszívás során a csarnoktérbe jutó szennyezőanyag koncentráció egészségvédelmi szempontok alapján történő hígítása, valamint eltávolítása. Az általános légtechnikai rendszer a fentieken túl a munkavégzéshez szükséges komfortszint elérése érdekében fűtés- és hűtéstechnikai, vagy egyéb komforttechnikai célokat is megvalósít, amely funkciók jelentősen kihatnak az energiafelhasználásra.
Az általános csarnoktéri légtechnikai rendszernek nem feladata a nagy esési sebességű, nagy szemcseméretű szennyezőanyagok kezelése, amelyeket az elszívó rendszer nem tudott befogni. E szennyezők a jellegükből adódóan rövid ideig terhelik a csarnok levegőjét. Nagy esési sebességüknek köszönhetően hamar ülepednek a munkatérben. E szennyezőanyagok eltávolításáról a csarnoktér rendszeres takarításával gondoskodhatunk. Elsőre furcsának tűnhet a takarítás jelentőségének kiemelése, de annak elhagyása legalább akkora problémaforrás, mint a technológiai elszívás, vagy az általános légtechnikai rendszer elhanyagolása.
A porszennyezés hatása az emberi szervezetre munkavégzés közben
Cikkünkben a munkacsarnok légterét terhelő, szállópor jellegű szennyezések kezelésével foglalkozunk. Az egészség- és biztonságtechnikai szempontok szerinti szennyezőanyag koncentráció határértékeket az 5/2020. (II. 6.) „A kémiai kóroki tényezők hatásának kitett munkavállalók egészségének és biztonságának védelméről” szóló ITM rendelet tartalmazza [1]. A rendelet meghatározza a munkahelyeken felhasznált veszélyes anyagok (porok, gőzök, gázok) kapcsán felmerülő egészségi és biztonsági kockázatok elkerüléséhez, vagy csökkentéséhez tartozó minimális intézkedéseket.
Mivel a munkahelyi akut (nincs lappangási idő), illetve krónikus (több hónap, vagy évek után megjelenő) megbetegedések jelentős részét a porártalmak okozzák, így a porterhelés megfelelő kezelése kiemelt feladat. [2]
1. táblázat A foglalkozási megbetegedések osztályozása [2]
Megnevezés
Tünetek megjelenése
Akut
azonnali/néhány óra múlva
Szubakut
néhány hetes lappangási idő
Szubkrónikus
néhány hetes lappangási idő
Krónikus
néhány hónap, év lappangási idő
Késői toxikus
néhány év lappangási idő
A szállópor zömében kis szemcseméretű porfrakciók összessége, amelynek esési sebessége kellően kicsi ahhoz, hogy a normál munkakörülmények között kialakuló áramlási viszonyok mellett ülepedni képes legyen. A szállópor frakciók közül a respirábilis, ≤4-5 μm alatti szemcsemérettel rendelkező részecskék hatékonyan képesek bejutni a tüdőbe, ezen belül a 2,5 μm alatti szennyezőanyagok nehezen jutnak ki a tüdőből, így a porterhelés okozta problémák a terhelés megszűnése után is megmaradhatnak. [3]
1. ábra. A tüdőbe jutó szennyezőanyagok kiülepedése a szemcseméret és a fizikai aktivitás függvényében [3]
Az aerosol szennyezőanyagok tüdőben való megtapadását a munkavégzés jellege és a légzés módja szerint az 1. ábrán látható diagramok szemléltetik. Az ábra alapján látható, hogy szájlégzés esetén a kiülepedés aránya és a tüdőbe kerülő szemcseméretek egyaránt nagyobbak. A tüdőben (az acináris és bronchiális régiókban együttesen) a kiülepedés mértéke a pihenő aktivitási szint mellett a legnagyobb.
Ennek oka, hogy a felső léguti leválasztási hatásfok az áramlási sebesség csökkenésével romlik, így a részecskék nagyobb hányada jut át rajta. [3] Ezért különösen fontos, hogy a pihenőidőt ne a munkavégzés helyén töltse el a dolgozó. A fentiek alapján a pihenőterületen a levegő minőségének jobbnak kell lennie a csarnoktér átlagos (előírásoknak megfelelő) minőségénél, annak érdekében, hogy a légzésintenzitás változásának hatását kompenzáljuk.
A fentiekből további következtetésként levonható, hogy kisebb intenzitású munkavégzési területeken jobb levegőminőségre van szükség, mint nagyobb fizikai aktivitás esetén. Vagyis a szállópor frakciók mennyiségét különösen könnyű fizikai, illetve ülő munka esetén nagyobb mértékben szükséges csökkentenünk.
Általános méretezési modellek bemutatása
Új gyártóüzem tervezése során nagy kihívás azt meghatározni, hogy milyen mértékű és tulajdonságú szennyezés érheti a csarnokteret. Ez függ a technológiától, a termelődő szennyezőanyag tulajdonságaitól és az üzemeltetési szokásoktól egyaránt. Mivel lényegesen több a változó, mint egy általános légtechnikai tervezés esetén, és a bemenő adatok pontossága erősen kérdéses, a tervezőnek nehéz támpontot találni a méretezéshez.
A szennyezőanyagok kezelése szempontjából több általános modellt használunk a légtechnikai rendszer méretezéséhez. Amikor technológia elszívással a csarnok nem rendelkezik, a teljes szennyeződés feláramlás kezelésért az általános légtechnikai rendszer felel. A légcsereszám meghatározásánál a zárt térben termelődő összes szennyezőanyag mennyiségére szükséges méretezni. A 2. ábra a helyi elszívás nélkül kialakított csarnok modelljét mutatja.
2. ábra. Szennyezőanyag- felszabadulás a csarnoktéren belül, helyi elszívás nélkül
A légvezetési rendszer függvényében a helyiség teljes átöblítettsége változhat, ezt a hígítási tényezővel vehetjük figyelembe. Fenti esetre számos példa adható. Kismértékű, nem helyhez kötött, technológiai szennyezőanyag feláramlás, illetve a bent tartózkodó élőlények fiziológia folyamatai révén bekerülő szennyezőanyagok (pl.: CO2 kilélegzés, mezőgazdasági üzemben, raktárban, istállóban fejlődő bomlástermékek) kezelésének méretezésére a fenti alapmodellt gyakran használjuk.
Amennyiben a technológiai szennyezőanyag kiáramlás helye jól meghatározható, pontszerű elszívással mérsékelhető a csarnok általános terhelése. Az elszívási légmennyiség minimálisan azonos mértékű friss levegő (vagy részben, vagy egészben, a szennyezőanyagtól megszabadított, recirkuláltatott levegő) beáramlást (vagy visszaáramlást) indukál. A beáramló levegő, az elszívó rendszer által nem befogott, csarnoktérbe jutó szennyeződés terhelést bizonyos mértékig képes kezelni. A 3. ábra a helyi elszívással kialakított csarnok modelljét mutatja.
3. ábra. Szennyezőanyag-felszabadulás a csarnoktéren belül, helyi elszívással [4]
Logikus lépés először a technológiai elszívás és szűrés koncepcióját kialakítani. Általánosan igaz, hogy a szennyezőforráshoz lehető legközelebb pozícionálva az elszívó felületeket, lehet a legtöbb szennyezőanyagot befogni. Az elszívási pontok méretezésének általános modelljét és méretezési alapjait több szakirodalomban is megtalálhatjuk. Empirikus és fizikai alapokat tartalmazó képletek alapján számos gyakori munkakörnyezet kiszolgálására készült méretezési eljárás, ami segít a tervezőnek a megfelelő rendszer kialakításában, méretezésében.
Amennyiben a szennyezőanyag kiáramlás jellege hasonlít a méretezési eljárásokban általánosan modellezett, pontszerű stacioner szennyezőanyag kiáramláshoz, úgy a tervezett rendszer jó közelítéssel képes a felszabaduló szennyezőanyagok befogására. Azonban számos munkafolyamatot nem közelít megfelelő pontossággal a méretezéshez használt általános pontszerű modell (pl.: nagy kiterjedésű munkadarab hegesztése). Ebben az esetben különösen nehéz meghatározni, hogy az általunk kialakított elszívó rendszer mennyiben képes kezelni a porterhelést.
A szakirodalmakban található pontszerű elszívásra vonatkozó számítások úgy tekintik, hogy a megfelelő elszívási zárósebesség beállításával a modellezett szennyezőanyag befogásra kerül az elszívó rendszer segítségével. A valóságban azonban a modellezett feláramlás paraméterei nem egyeznek minden egyes szennyező részecskére, így az elszívás hatékonysága sem lehet tökéletes.
Az egyszerű méretezési számítások nem adnak módszert arra, hogy meghatározhassuk a csarnoktér felé elszökő szennyezőanyag mennyiségét. Szimulációs szoftverek alkalmazása, vagy empirikus kísérletek nélkül a tervezésnél csak a korábbi tapasztalatokra támaszkodhatunk, ami jelentős bizonytalanságot eredményez a méretezésnél.
A fentiekből látható, hogy a megfelelő munkakörülmények biztosítása érdekében az általános szellőztetés megfelelő kialakítása elhagyhatatlan része a csarnok légkezelési rendszerének, mivel ez az egyetlen eszköz, amellyel a közvetlenül el nem ragadott szennyezés hatását a bent tartózkodókra mérsékelni tudjuk. A légvezetési rendszer kiválasztása függ a kiáramlás tulajdonságaitól, a szennyezőanyag áramlási jellegétől.
A 4. ábra a helyi elszívással és aktív szellőztető rendszerrel kialakított csarnok modelljét mutatja.
4. ábra. Szennyezőanyag-felszabadulás a csarnoktéren belül, helyi elszívással, aktív szellőztető rendszerrel
Az eddigiekben tárgyalt általános modellek megfelelően kis lépésszámú, numerikus módszert adnak a tervezők kezébe, amelynek alkalmazása egy valós tervezés során elképzelhető, viszont számos pontatlanságot előidéző körülményt soroltunk fel, ami e modellek eredményességét erősen rontja.
Pontszerű elszívás problémafelvetés
A munkacsarnok kiszolgálására tervezett légtechnikai rendszer mérete, műszaki kialakítása nagyban függ a technológiai elszívó rendszer hatékonyságától. Hatékony elszívó rendszer alkalmazása esetén lényegesen kisebb szennyezőanyag kiáramlás terheli a csarnokteret, ezáltal az általános légtechnikai rendszer által bejutatott friss levegő mértéke csökkenthető, ami energetikai szempontból is jelentős hatást eredményez.
Az elszívás méretezése során, a szennyezőanyag mozgásának figyelembevételével kerül meghatározásra a szükséges befogási sebesség. Számos empirikus képlet segíti a tervezés során a szükséges elszívási zárósebesség meghatározását. Az 5. ábrán láthatunk erre néhány példát.
Fontos kiemelni, hogy a fenti példákban stacioner szennyezőanyag felszabadulást, és légtechnikai áramlási képet feltételezünk. Amennyiben ezek a feltételek nem teljesülnek, úgy a méretezett elragadási sebesség nem biztosítja minden esetben a megfelelő védelmét a csarnok légterének. Emiatt fontos ellenőriznünk, hogy az empirikus képletek alkalmazásához szükséges peremfeltételek teljesülnek e méretezendő elszívási pont esetén.
A továbbiakban megvizsgáljuk, hogy az emberi beavatkozást figyelmen kívül hagyva, valamint stacioner szennyezőanyag feláramlást továbbra is feltételezve, az áramlás képét tekinthetjük-e stacionernek, adott oldalsó elszívási pont esetén?
Oldalsó elszívási pont körül kialakuló áramlás turbulenciafokának meghatározása
Vizsgálatunk hátfal nélküli és hátfallal felszerelt oldalsó elszívásra terjedt ki. A hátfal nélküli és hátfallal rendelkező oldalsó elszívási pont füstképe a 6. ábrán látható. A DN100 átmérőjű elszívó felület középvonalát a munkaterület síkja felett 10 cm magasan helyeztük el. Az asztal felület fölött, az elszívási felület középvonalának magasságában a 7. ábrán látható mérési pontokat alakítottuk ki.
6. ábra. Hátfal nélküli és hátfallal rendelkező oldalsó elszívási pont füstképe (a mérések a képen látható munkadarab elhelyezése nélkül történtek)
Az elszívási csonk a 7. ábrán látható C pont függőleges tengelyében került elhelyezésre. A méréseket a csonktól 0, 5, 10, 15, 30, 45 cm-es távolságban végeztük el a munkaasztal fölött az elszívó csonk középtengely magasságában.
A méréseket TESTO 440 mérőműszerrel és a hozzá csatlakoztatott TESTO turbulencia fok mérő szondával végeztük. Vizsgálatunkban arra voltunk kíváncsiak, hogy a kialakuló áramlás mennyire mutat stabil képét, így méréseink során a tapasztalható turbulencia fok meghatározására koncentráltunk.
A turbulencia mértékét a légáram erőssége, valamint a légsebesség ingadozása befolyásolja.
[%]
ahol Sv – a légsebesség pillanatnyi értékének a szórása, v – átlagos légsebesség.
Az átlagos légsebességet 3 perces mérésből határoztuk meg.
A 8. és 9. ábrában a C tengelyben mért adatokat foglaltuk össze, 8, 9, 10 m/s, elszívó csonknál mért, zárósebesség beállítása mellett.
8. ábra. A turbulencia fok változása hátfal nélküli, oldalsó elszívócsonk alkalmazása esetén
9. ábra. A turbulencia fok változása hátfallal rendelkező oldalsó elszívócsonk alkalmazása esetén
A 8. és 9. ábrán látható diagramok alapján elmondhatjuk, hogy az elszívó csonktól való távolodással az áramlás turbulencia foka növekszik. A 8. ábrán látható, hátlap nélküli esetben az elszívó csonktól legtávolabb (45 cm) található mérési ponton tapasztalható a legnagyobb mértékű turbulencia fok 16-37%. A 9. ábrán megjelenített, hátlappal rendelkező helyi elszívási pont esetén az elszívó csonktól 30 cm távolságra lévő mérési pontban mértük a legnagyobb turbulencia értékeket, 17-24% között.
A konkrét vizsgálati esetben elmondható, hogy 10 cm-en kívüli zónában az elszívási ponthoz képest az áramlás turbulencia foka számottevő. Ez azt jelenti, hogy amennyiben a munkavégzés és a szennyezőanyag kiáramlás helye ettől távolabb esik, nem elegendő a fenti empirikus képletekkel meghatározott zárósebességek beállítása.
Az időben állandó, (stacioner) áramlás esetén a turbulencia fok 0%, vagyis a befogási sebesség nem változik az adott mérési ponton. Amennyiben a turbulencia fok értéke magas, akkor előfordulnak olyan időpillanatok, amikor a befogási sebesség a beállítani kívánt értéktől jelentősen eltér. Amikor az átlagsebességtől negatív eltérést tapasztalunk, akkor a befogási sebesség nem elegendő a szennyező anyag csarnoktérből való eltávolításához.
A fentieket figyelembe véve levonhatjuk azt a következtetést, hogy az elszívási zárósebességet megnövelve a turbulencia fok mértékével biztosíthatjuk, hogy minden időpillanatban megfelelő befogási sebesség alakuljon ki a szennyezőanyag termelődési helyén.
Ez esetünkben azt jelenti, hogy amennyiben a munkavégzés 30-45 cm-re történik az elszívási ponttól, nagyságrendileg 1,4-es, illetve 1,25-ös biztonsági szorzót kellene alkalmaznunk, annak érdekében, hogy a szennyeződés befogása biztosított legyen. Ez jelentős (40%, illetve 25%) elszívási térfogatáram növekedést jelent, az empirikus képlet alapján számított értékhez képest.
Összességében elmondható, hogy az áramlás nem stacioner a vizsgált esetben. Az eredmények általánosításához további mérések, vizsgálatok elvégzése szükséges.
Összefoglalás
Cikkünk az ipari csarnokok légtechnikai tervezésének nehézségeit foglalja össze. A tervezést könnyítő általános modellek számos ponton élnek olyan egyszerűsítéssel, amelyek a méretezés pontosságát jelentősen befolyásolhatják. Ennek szemléltetésére mérési sorozatot végeztünk a turbulencia fok hatásának számbavételére, oldalsó elszívási pont esetén.
A technológiai elszívási hatékonyság és volumen jelentős hatással van az általános légtechnikai rendszer szükséges méretére, valamint a csarnok hűtési és fűtési igényeire. Összességében kijelenthető, hogy az energetikai és egészségvédelmi szempontok alapján a csarnoktéri komplex légtechnikai rendszer méretezéshez felhasznált alap eljárásokat érdemes felülvizsgálni, javítani.
A bemutatott mérési eredmények alapján látható, hogy az elszívási zárósebességet meghatározó empirikus képletek eredményeihez képest jelentős, 1,25-1,4 biztonsági szorzó esetén valósítható meg a megfelelő elszívás a konkrét esetben.
Ez oly mértékű különbség, ami szükségessé teszi az általános számítási modellek fejlesztését. A fenti csupán egy aspektus, ami jelentősen befolyásolja a szükséges elszívási volument. A későbbiekben célunk a helyi elszívás és általános csarnok levegő minőség előállításához szükséges méretezési eljárások pontosítása, fejlesztése.
Irodalomjegyzék
5/2020. (II. 6.) „A kémiai kóroki tényezők hatásának kitett munkavállalók egészségének és biztonságának védelméről” szóló ITM rendelet (forrás: https://net.jogtar.hu; 2021.05.11)
Vezér Tünde; Foglalkozási és foglalkozással összefüggő megbetegedések előadás; SZTE ÁOK Népegészségtani Intézet (forrás: http://eta.bibl.u-szeged.hu/; 2021.05.11.)
Gábor Kudela, Imre Balásházy; Sedimentation of Aerosol in Respiratory System in Hungarian; (forrás: https://academia.edu; 2021.05.04)
Németh Balázs, Hámori Sándor, Kostyák Attila, Vígh Gellért; Különböző funkciójú épületek klímatechnikája III. – Segédlet ipari épületek lég- és klímatechnikai rendszereinek tervezéséhez; Magyar Mérnöki Kamara; 2019
Dr. Nyerges Tibor – Tóth Péter; Ipari szellőztető berendezések; Műszaki Könyvkiadó Budapest (1985)
[%]
