Obliczanie przepływu powietrza nawiewanego na halach – co należy wiedzieć?

Procedury obliczeń obciążeń cieplnych obliczają przepływ powietrza nawiewanego i wywiewanego na podstawie ładunków cieplnych do rozproszenia, biorąc pod uwagę ich wielkości. Uwzględnienie współczynników obciążeń pozwala na ocenę, który system rozprowadzania powietrza byłby najbardziej skuteczny dla danej aplikacji. Uwolnienie ciepła i substancji do hali można rozpatrywać zarówno z perspektywy stacjonarnej, jak i przejściowej. Badanie przejściowe wytwarza równania różniczkowe dla obciążeń substancji i ciepła. W przypadku obciążeń cieplnych, rozwiązanie jest „uproszczone” w takim zakresie, w jakim nie ma rozwiązania analitycznego. W przypadku obciążeń substancji, podejście równania różniczkowego wskazuje na stężenie zanieczyszczeń w funkcji czasu. W praktyce, obie reprezentacje są ograniczone, ponieważ warunki w ciągłej produkcji są stacjonarne w większości przypadków. Jeżeli przyjmiemy warunki stacjonarne, obliczenia są znacznie prostsze. Przepisy można wyprowadzić z równań bilansowych dla przepływu ciepła i substancji. Powiązania dotyczące współczynników obciążeń cieplnych i substancji, które pochodzą z analiz bilansowych, są szczególnie odpowiednie dla tego celu. Obliczenia przeprowadzane są oddzielnie dla obciążeń ciepła i substancji. Po obliczeniu wartości dla przepływu powietrza nawiewanego i wywiewanego, wyższa wartość służy jako podstawa do projektowania. W obu przypadkach, informacje na temat zebranych przepływów powietrza są wymagane – muszą być one dostępne z wyprzedzeniem w wyniku procesu projektowania przepływu powietrza. Uwzględnia to tylko urządzenia zbierające, które odprowadzają powietrze z obszaru roboczego. Prowadzi to do tworzenia równań warunkujących dla przepływu powietrza nawiewanego i/lub wywiewanego w zależności od współczynników obciążenia, których wartości można określić analitycznie lub pobrać z karty VDI 2252, biorąc pod uwagę wybrany system prowadzenia powietrza.

Podejście stosowane przy obliczeniach obciążeń różni się od podejścia stosowanego przy innych kalkulacjach. Należy więc oczekiwać, że wyniki również będą się różniły, dlatego też należy określić w jaki sposób różnice zostaną ocenione. W halach produkcyjnych, opcje systemu odprowadzania powietrza oparte są na dwóch zasadach: mieszania i stratyfikacji. Równania do obliczania obciążeń cieplnych obejmują współczynnik obciążenia cieplnego. Jeżeli wartość wentylacji mieszania jest używana dla tego czynnika – z definicji, wartość wynosi 1 – kalkulacja obciążenia cieplnego zmienia się w równanie obliczeniowe dla wentylacji mieszania, dzięki czemu wyniki będą identyczne. Zastosowanie współczynnika obciążenia cieplnego z systemu prowadzenia stratyfikacji powietrza wytwarza przepływ powietrza nawiewanego lub wywiewanego dla systemu wentylacji stratyfikacyjnej. Jednakże, wynik nie będzie równy wynikowi uzyskanemu za pośrednictwem metody określenia przepływów termicznych. Kluczowym procesem w wentylacji warstwowej jest wymiana przepływów termicznych oraz określenie odpowiedniej wysokości warstwy wskazanej w procesie. Nie uwzględnia się tego w obliczeniach obciążenia. Przepływ powietrza nawiewanego w tym przypadku nie będzie zazwyczaj odpowiadał przepływowi wymaganemu do zastąpienia przepływów termicznych dla określonej wysokości warstwy. Jeżeli jest niższy, spowoduje to niepożądaną konsekwencję w postaci powrotu powietrza do obszaru roboczego; jeżeli jest wyższy – funkcja zostanie zapewniona, ale z niepotrzebnie wysokim przepływem powietrza. Kwestia ta musi zostać sprawdzona w celu zapewnienia przejrzystości. Oznacza to, że kalkulacja wentylacji warstwowej oparta na wielkości przepływów cieplnych jest wymagana. Obliczenie to określające rozproszenie ciepła jest zawsze przeprowadzane poprzez wskazanie przepływów cieplnych, a nie za pomocą kalkulacji obciążeniowych.

Technologia wentylacji może tylko rozpraszać konwekcyjny składnik obciążeń cieplnych. Wartości obciążenia cieplnego, które mają być zastosowane, obejmują zarówno składnik konwekcyjny jak i element związany z promieniowaniem. Dlatego też, konieczne jest określenie odpowiednich elementów. Istnieje możliwość analitycznego obliczenia elementu związanego z promieniowaniem, jednakże korzystanie z ręcznej procedury obliczeniowej nie jest dobrym rozwiązaniem w tej sytuacji. Alternatywnie konwekcyjne składniki i promieniowane mogą być oszacowane przez analogię do temperatury pracy w pomieszczeniu tR zgodnie z normą DIN EN 7730, dla której ustalono następujące zależności dotyczące temperatury powietrza tL, temperatury promieniowania dla (widocznych) powierzchni tU oraz prędkości powietrza wL w obszarze roboczym:

Na podstawie współczynnika temperatury powietrza tL, można założyć, że składniki konwekcyjne wynoszą 50% lub 60%, w zależności od prędkości powietrza w obszarze roboczym. Zgodnie z oczekiwaniami, wartość ta zależy również od temperatury powierzchni źródeł ciepła i może wynosić np. nieco powyżej 60% w centrach obróbkowych o małych różnicach temperatur około 3 K pomiędzy powierzchnią i otoczeniem i nieco poniżej 50% w przypadku wyższych temperatur powierzchni. Dla porównania, procedury obliczeń dla zaprojektowania stratyfikacyjnego układu wentylacyjnego oparte na przepływach termicznych mają tę zaletę, że elementy obciążeń cieplnych, które mogą być rozproszone w sposób konwencjonalny, są częścią obliczeń i prowadzą do zapewnienia optymalnego przepływu powietrza, który jest tak niski jak to możliwe (z odpowiednimi specyfikacjami).

Wartości obciążenia cieplnego należy ustalić za pomocą obliczeń i pomiarów. W przypadku obciążeń cieplnych w zakładach produkcyjnych, może to być często trudne i czasochłonne. Korzystanie z wartości referencyjnych pochodzących z ocen połączeń elektrycznych jest z pewnością szybsze i łatwiejsze, ale pociąga za sobą znaczną niedokładność. Z tego powodu, omawiany sposób nie jest zalecany. Wartości te pochodzą ze specyficznych zastosowań z ogólnie nieznanymi warunkami, a zatem są one nieodwracalne i niezróżnicowane. 

Dane hali	Aktywność konwekcyjna	Możliwość rozproszenia w sposób konwekcyjny
W przemyśle motoryzacyjnym                 40%	50%	20%
W inżynierii mechanicznej                 25%	n/a	25%

Tabela 1. Wartości referencyjne dla obciążeń cieplnych od wartości połączeń zgodnie z przepisami.

VDI 3802 oraz VDI 2262 dostarczają danych do produkcji mechanicznej w przemyśle motoryzacyjnym (patrz Tabela 1), ale bez wskazania, czy wartość ta obejmuje bezpośrednie usuwanie wiórów i/lub chłodzenie cieczą zewnętrznego układu tnącego. Te same źródła wskazują, że przy uwzględnieniu tych środków, wartości mogą być odpowiednio o 30% i 70% niższe. Oznacza to, że przepływ powietrza nawiewanego obliczany w ten sposób może różnić się o ponad 100%. Kolejna wartość, która jest nadal powszechnie stosowana, pochodzi z wycofanej dyrektywy (DIN VDE 0100-300). Dyrektywa ta dotyczy nieokreślonych zastosowań w inżynierii mechanicznej (bez żadnych informacji na temat komponentu konwekcyjnego). Zastosowania te mogą obejmować produkcję maszynową, wtryskarki lub prasy. Wysokie wskaźniki połączeń dla pras stosowane są tylko w bardzo krótkich okresach czasu, co przejawia się w niskich poziomach wydzielania ciepła. Wynika z tego, że standardowa wartość dla wszystkich tych aplikacji zapewni odpowiednio nieprecyzyjne wyniki. Stosowane wartości referencyjnych powoduje dużą zmienność w wielkości przepływów powietrza nawiewanego, dlatego nie nadają się one do zapewnienia niezawodnego projektowania. Jednakże, w razie potrzeby można się na nich opierać pod pewnymi zastrzeżeniami – na początku projektu dla zapewnienia przybliżonego oszacowania.

Jeśli teoretycznie przyjmiemy strumień powietrza wywiewanego o wartości zero, przepływ powietrza nawiewanego jest rozpraszany wyłącznie przez urządzenia zbierające. Oznacza to, że przepływy termiczne są w całości zawracane do obszaru roboczego. Jednakże, należy unikać takiej sytuacji. Można to osiągnąć tylko wtedy, gdy wielkość strumienia powietrza wywiewanego oraz położenia otworów powietrza wylotowego (w najwyższym punkcie hali) są takie, że powietrze wciąż poprawnie przechodzi przez górny obszar hali mimo urządzeń zbierających. Podstawowa zasada brzmi: powietrze wywiewane nie może składać się wyłącznie z zebranego powietrza. W przypadku wentylacji warstwowej, strumień powietrza wywiewanego zależny jest od następującego warunku 

W podobny sposób jak przy obliczaniu obciążenia cieplnego, równania dla kalkulacji obciążeń substancji opierają się na współczynniku obciążenia substancji. Jeżeli wartość mieszania wentylacji stosowana jest dla tego współczynnika – z definicji, ponownie wartość wynosi 1 – obliczenie obciążenia substancji przekształca się w równania obliczeń dla przepływu masy zanieczyszczeń w pomieszczeniu/ w powietrzu wylotowym. Równania te zakładają równomierne rozprowadzania zanieczyszczeń w odpowiedniej strefie przepływu hali, ale działanie to jest gwarantowane ze współczynnikiem obciążenia substancji równym 1. Wybór współczynnika obciążenia substancji z systemu naprowadzania powietrza umożliwia produkcję odpowiedniej ilości powietrza nawiewanego dla systemu wentylacji stratyfikacyjnej. Podobnie jak w przypadku obciążeń cieplnych, w tym przypadku przepływ powietrza nawiewanego obliczany w zakreślony sposób niekoniecznie jest przepływem wymaganym do zastąpienia przepływów termicznych. W celu wyjaśnienia tej kwestii, warstwowy układ wentylacyjny musi zostać zaprojektowany w oparciu o natężenie przepływów termicznych. Jednakże, algorytm nie uwzględnia obciążenia zanieczyszczeniami. Jedynym wymogiem jest połączone uwalnianie zanieczyszczeń i ciepła tak, aby przepływy termiczne mogły rozpraszać substancje. Dlatego też, możliwe jest, aby niższy przepływ powietrza nawiewanego zastąpił przepływy cieplne o określonej wysokości warstwy. W tym przypadku, większa wartość obliczeniowa wykorzystywana jest do projektowania, ponieważ wielkość przepływu powietrza nawiewanego w tym przypadku zapewnia, że określone stężenie zanieczyszczeń jest przestrzegane w miejscu pracy.

Niniejszy artykuł wskazuje, że obliczenia mogą być wykorzystywane do określania przepływów powietrza nawiewanego dla różnych typów układu prowadzenia powietrza za pomocą współczynników obciążenia. W przypadku rozproszenia obciążenia cieplnego, obliczenia oparte na przepływach cieplnych wykorzystywane są dla układu kierowania powietrzem. Podczas rozpraszania zanieczyszczeń, przepływ powietrza nawiewanego (obliczany przy wykorzystaniu przepływów termicznych) musi być co najmniej dwukrotnie większy od przepływu wynikającego z obliczeń obciążenia.