Mieszanie i stratyfikacja powietrza na halach produkcyjnych – co musisz wiedzieć?

W halach produkcyjnych gdzie występuje wysoki poziom obciążeń, korzystne obciążenia cieplne i określone limity szkodliwych substancji można utrzymać długoterminowo tylko wtedy, gdy urządzenia wentylacyjne są dostostosowane do zachodzących procesów. Zadaniem wentylacji na hali jest rozprowadzanie nawiewanego strumienia powietrza w formie monitorowanego, możliwego do obliczenia przepływu powietrza tak, by uwalniane ciepło i substancje szkodliwe były optymalnie odbierane i usuwane wraz z powietrzem odprowadzanym. Do przepływu powietrza w halach zastosowanie mają trzy zasady:

• Wypieranie
• Mieszanie
• Stratyfikacja

Poszczególne typy przepływu powietrza w pomieszczeniu opisano poniżej pod kątem ich możliwych zastosowań w halach produkcyjnych:

W przypadku przepływu wyporowego, powietrze nawiewane przepływa w kształcie tłoka przez halę od jednej powierzchni ograniczającej (ściana, podłoga lub sufit) do powierzchni przeciwległej, bez przepływu wstecznego. Aby uniknąć zakłóceń powodowanych przepływem poprzecznym, dla tego typu przepływu należy wybierać prędkość powietrza z zakresu pomiędzy 0,2 a 0,5 m/s. Prowadzi to do przepływu powietrza nawiewanego (w odniesieniu do powierzchni) w zakresie od 720 do 1800 m³/(h∙m²). Są to wartości, które znacznie przekraczają te normalnie występujące w halach produkcyjnych. W rezultacie, model ten zarezerwowany jest dla przypadków szczególnych takich jak systemy malowania samolotów.

W wentylacji mieszanej, ciepłe powietrze w pomieszczeniu zanieczyszczone szkodliwymi substancjami mieszane jest z chłodnym, mniej zanieczyszczonym powietrzem nawiewanym w celu osiągnięcia określonych, niskich obciążeń cieplnych i obciążeń substancjami szkodliwymi w obszarze roboczym. Przy założeniu mieszania całkowitego, uzyskuje się takie same warunki temperatury i obecności substancji na przestrzeni całej objętości hali. Systemy wentylacji mieszanej mogą być realizowane w różny sposób: indywidualne strumienie powietrza skierowane w dół od sufitu hali (patrz rys. 2) lub wentylacja styczna z poziomym nawiewem powietrza pod sufitem lub nad obszarem roboczym.

Stratyfikacja wentylacji polega na wykorzystywaniu termicznych prądów wznoszących się od źródeł obciążenia w obszarze roboczym, w celu przeniesienia obciążenia do górnej, niewykorzystywanej przestrzeni hali (patrz rys.3). Wiąże się to z utworzeniem warstwy powietrza nawiewanego w miejscu źródeł obciążenia w obszarze roboczym poprzez nisko-impulsowy napływ, przy czym wysokość warstwy zależy od mocy ustanowionych termicznych prądów wznoszących się oraz mocy strumienia powietrza nawiewanego. Takie systemy wentylacji warstwowej można zrealizować z zastosowaniem trzech rodzajów prowadzenia powietrza:

W ramach tego modelu prowadzenia powietrza, stosuje się zazwyczaj otwory wentylacyjne powietrza nawiewanego o dużej powierzchni przy indywidualnych stanowiskach roboczych, aby utrzymywać zabezpieczane miejsce w stanie wolnym od substancji szkodliwych. W przypadku zastosowania na dużym metrażu, ten rodzaj przepływu przeobraziłby się ponownie w wentylację wyporową z opisanymi już ograniczeniami.

Przepływ stratyfikacji zakłada możliwie najmniejsze zakłócanie termicznych prądów wznoszących się w hali przez prąd powietrza nawiewanego. Optymalnie, powietrze nawiewane przechodzi przez duże otwory wentylacyjne tak, by nie przekroczyć prędkości powietrza 0,5 m/s na powierzchni otworu wentylacyjnego oraz 0,2 m/s w obszarze roboczym.
W tym przypadku także istnieją trzy warianty:

• Powietrze nawiewane nad obszarem roboczym:

Strumień chłodnego powietrza nawiewanego przyspiesza w miarę jak przemieszcza się w kierunku podłogi z powodu jego większej gęstości, a następnie rozchodzi się tam, ale powoduje przy tym tylko drobne zakłócenia termicznych prądów wznoszących się przy źródłach ciepła. Efekt ten można jeszcze bardziej zmniejszyć poprzez zredukowanie wysokości opadania powietrza nawiewanego.

• Powietrze nawiewane blisko podłogi w obszarze roboczym:

Najmniejsze „szkody” uzyskuje się poprzez rozmieszczenie otworów wentylacyjnych w obszarze roboczym bezpośrednio na podłodze, chociaż nadal występuje przyspieszanie chłodniejszego powietrza nawiewanego powyżej wysokości otworu wentylacyjnego.

• Powietrze nawiewane blisko podłogi w obszarze roboczym ze stabilizacją impulsową:

Ten przepływ opadający można ograniczyć poprzez zmniejszenie ruchu opadania małymi, wysoko-impulsowymi, poziomymi strumieniami powietrza nawiewanego z otworu wentylacyjnego, dzięki czemu ostatecznie termiczne prądy wznoszące się są praktycznie niezakłócane. Procedurę tą określa się mianem stabilizacji impulsowej.

Powyższe rozważania pokazują, że wymagania wentylacji dla hali produkcyjnej mogą być spełnione wyłącznie przy zastosowaniu dwóch metod: wentylacji mieszanej i za pomocą stratyfikacji wentylacji.
Ale który wariant wentylacji hali jest lepszym rozwiązaniem w zależności od procesów realizowanych na hali?

W ramach wentylacji mieszanej, osiąga się takie same warunki powietrza w całej przestrzeni hali, podczas gdy w rzeczywistości wymagane są one tylko w obszarze roboczym. Prowadzi to do wniosku, że wysokie obciążenia szybko sprowadzą tą zasadę do granic jej możliwości zastosowania. Podstawowe równanie odprowadzenia obciążenia cieplnego z hali podaje proporcję  pokazującą, że wymagany przepływ powietrza nawiewanego zwiększa się wprost proporcjonalnie do zwiększania obciążenia cieplnego. Przy bardzo wysokich obciążeniach cieplnych, skutkuje to tak wysokimi natężeniami przepływu powietrza, że w hali występowałyby niepożądane prędkości powietrza. Chociaż odwrotna proporcjonalność do różnicy temperatury wywiera efekt zmniejszający, to zapewnia ona jedynie ograniczoną pomoc, ponieważ w praktyce można zazwyczaj osiągnąć tylko wartości z zakresu od 10 K do 15 K. Sugeruje to, że zasada wentylacji mieszanej lepiej nadaje się do niższych obciążeń cieplnych. Wyższe obciążenia cieplne prowadzą do większych termicznych prądów wznoszących się przez, co można oczekiwać, że wentylacja warstwowa będzie bardziej odpowiednia dla wyższych obciążeń cieplnych.

Aby lepiej zrozumieć jej działanie, przyjmiemy źródło ciepła w zamkniętej hali. Tworzy ono termiczny prąd wznoszący się, który zabiera powietrze otoczenia i przenosi je w górę. Ze względu na ciągłość, równie duży prąd powietrza powraca od górnej do dolnej części hali, w której ponownie zostaje on wciągnięty w termiczny prąd wznoszący się. W praktyce, ten przepływ powrotny zanieczyszczonego powietrza do obszaru roboczego jest niepożądany. Warunki można poprawić stosując wentylację mechaniczną odprowadzającą część zanieczyszczonego powietrza z górnej przestrzeni hali i dostarczającą taką samą ilość chłodniejszego powietrza nawiewanego w przestrzeni dolnej. Przepływu powrotnego można pewnie i całkowicie uniknąć, jeśli objętość powietrza odprowadzanego z hali będzie tak samo duża jak objętość termicznego prądu wznoszącego się, za którym podążać będzie równie duża objętość powietrza nawiewanego. Można dojść do następującego wniosku: przepływ powietrza nawiewanego wymagany do stratyfikacji wentylacji oblicza się bezpośrednio w oparciu o wielkości termicznych prądów wznoszących się.

Na obciążenie cieplne odprowadzane przy zastosowaniu wentylacji mieszanej składa się wartość całkowita obciążeń systemów produkcyjnych, promieniowania słonecznego, oświetlenia, osób, jak również transmisji i przepływów ciepła pochłanianych i oddawanych przez elementy budynku. Wartości te muszą zostać obliczone lub zmierzone – co czasami może być trudne i skomplikowane w realizacji zwłaszcza, gdy w grę wchodzą systemy produkcyjne. Jednakże, jeśli chodzi o technologię wentylacyjną, trzeba uwzględnić jedynie proporcję obciążeń cieplnych, jakie mają zostać rozproszone przez konwekcję (którą należy dodatkowo obliczyć).
W stratyfikacji wentylacji, wielkości termicznych prądów wznoszących się nad systemami produkcyjnymi w dużej mierze zależą od ilości ciepła oddawanych przez ich powierzchnie do powietrza hali na zasadzie konwekcji swobodnej. Są to powierzchnie i przedmioty, które można przedstawić jako łącznie tworzące maszyny produkcyjne w uproszczonym widoku tzn. powierzchnie pionowe i poziome oraz cylindry (obrabiarki, wtryskarki). W przypadku powierzchni poziomych i cylindrów poziomych, do obliczeń wprowadza się bezpośrednio przepływ wydatku ciepła. Na powierzchniach pionowych nie pojawia się on wyraźnie, co oznacza, że nie musi też być obliczany. To samo dotyczy cylindrów pionowych, dla których można stosować równanie do powierzchni pionowych przy dobrym poziomie przybliżenia. Obliczenie wydatku ciepła z poziomych powierzchni i cylindrów zgodnie z wykorzystaniem konkretnych współczynników konwekcyjnej wymiany ciepła; metody obliczeniowe określono dla nich w literaturze i przepisach technicznych. W rezultacie, można obliczyć konwekcyjne obciążenia cieplne do odprowadzenia.
To obliczenie oferuje znaczną przewagę w porównaniu z wentylacją mieszaną. Proporcje obciążenia cieplnego do odprowadzenia konwekcyjnego obliczane są bezpośrednio, jako element procesu. Oznacza to, że nie muszą być obliczane z obciążenia całkowitego ani szacowane.

Dowiedz się więcej o kompletynych rozwiązaniach dla hal produkcyjnych tutaj.