Nawiewniki wyporowe dla przemysłu

Stosowanie wyporowego przepływu powietrza jest wskazane wszędzie tam, gdzie w czasie procesu produkcyjnego powstają lub wydzielają się zanieczyszczenia i materiały szkodliwe dla ludzi lub procesu technologicznego. Do zakładów przemysłowych tego typu zaliczane są odlewnie, drukarnie, zakłady włókiennicze, a szczególnie przędzalnie, lakiernie, zakłady pralnicze itp.

W pomieszczeniach produkcyjnych, w których powstają materiały szkodliwe o znacznym stężeniu, pożądane jest stosowanie takiego systemu nawiewu, aby strumienie powietrza nawiewanego wypierały powietrze wraz z zanieczyszczeniami ze strefy przebywania ludzi w kierunku otworów wywiewnych. Zadanie takie spełniają systemy z nawiewem wyporowym lub laminarnym – strumień powietrza o małej turbulencji ma bowiem niewielki stopień indukcji i w niewielkim stopniu miesza się z powietrzem w pomieszczeniu, a zużyte (zanieczyszczone) powietrze jest bardziej wypierane niż mieszane.
Prędkość wypływu powietrza z nawiewnika wyporowego powinna być nieduża, aby zminimalizować indukcję powietrza z pomieszczenia (normalnie przyczynia się ona do wyhamowania prędkości przepływu powietrza). Dla zapewnienia właściwej prędkości przepływu powietrza w pomieszczeniu zalecane prędkości wypływu powietrza z nawiewnika (brutto) wynoszą:
- w pomieszczeniach typowo przemysłowych (np. odlewnie, drukarnie, zakłady włókiennicze, przędzalnie, lakiernie, zakłady pralnicze): 0,4–1,0 m/s,
- w pomieszczeniach podwyższonego komfortu (pracownie biochemiczne, pomieszczenia przemysłu farmaceutycznego, prosektoria, kabiny precyzyjnego ważenia): 0,l–0,2 m/s,
- w pomieszczeniach wysokiej czystości (przemysł spożywczy, mikroelektronika, produkcja światłowodów, mechanika precyzyjna): 0,2–0,5 m/s.
Wynika z tego, że w większości przemysłowych pomieszczeń produkcyjnych powinny być stosowane nawiewniki z przepływem wyporowym i tego rodzaju urządzeniami zajmiemy się w niniejszym artykule. Przedstawione zostaną podstawowe typy nawiewników wyporowych z podaniem ich głównych parametrów technicznych i przykładów właściwego zastosowania.
Przepływ wyporowy a budowa nawiewników
Aby uzyskać wyporowy przepływ powietrza, należy spełnić trzy niezbędne warunki:
- zapewnić małą prędkość wypływu powietrza,
- ograniczyć turbulencję strumienia powietrza nawiewanego,
- wytworzyć wiązki pojedynczych strumieni powietrza nawiewanego.
Warunki te zostaną spełnione, jeżeli powierzchnia wypływu powietrza wykonana zostanie z blachy perforowanej, siatki drucianej lub siatki z tworzywa sztucznego. Strumień powietrza będzie tym mniej turbulentny, im mniejsza będzie średnica otworów dla pojedynczych strumieni i mniejsza odległość między nimi. W takiej sytuacji pojedyncze strumienie powietrza w wiązce zasysają i mieszają się z powietrzem otaczającym tylko na obrzeżach wiązki głównej, natomiast wewnątrz wiązki indukują się wzajemnie. Prędkość wypływu (przepływu) powietrza zostaje wyhamowana przez dyfuzorowe oddziaływanie strumieni, a nie przez wymianę energii z powietrzem otaczającym.

Rys. 1 Schematy nawiewanego strumienia powietrza
Blacha perforowana o średnicy otworów ok. 1,3 mm powoduje nieznaczną burzliwość strumienia powietrza (rys. lb), natomiast wiązka powietrza wypływająca z siatki o szerokości oczek ok. 60 µm ma charakter przepływu prawie laminarnego (rys. lc).
Ze względu na niebezpieczeństwo zatykania się otworów w blasze perforowanej nie można dowolnie dobierać ich wymiarów. Zalecane średnice, w zależności od przeznaczenia pomieszczenia, w którym instalowane są nawiewniki, wynoszą:
- w pomieszczeniach typowo przemysłowych: 5–10 mm,
- w pomieszczeniach podwyższonego komfortu: 2–5 mm,
- w pomieszczeniach wysokiej czystości: o w górę w przypadku chłodzenia do –35o w dół (od poziomu) w przypadku maksymalnego nagrzewania pomieszczenia. Pochylenie (przestawienie) nawiewnika można regulować ręcznie lub za pomocą siłownika.
Dopuszczalna różnica temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem w pomieszczeniu może wynosić do ±10 K. Maksymalny zasięg strumienia powietrza wynosi 10-14 m.
Nawiewniki radialne
Powietrze nawiewane przez wyporowy nawiewnik radialny może być kierowane dwiema drogami:
- przez cylinder zewnętrzny zakończony perforowaną powierzchnią wypływu, wytwarzającą mało turbulentny przepływ wyporowy (w przypadku chłodzenia),
- przez cylinder środkowy, wyposażony w dyfuzor kierujący, powodujący pożądane rozprzestrzenianie się strumienia powietrza nawiewanego pionowo w dół (w przypadku nagrzewania).
Natężenie przepływu powietrza przez cylinder środkowy można zmieniać przez jego otwieranie i zamykanie za pomocą talerza regulacyjnego, uruchamianego ręcznie lub za pomocą siłownika. Regulowana jest także średnica strumienia powietrza nawiewanego. Poza tym w nawiewnikach o średnicy nominalnej DN 630 i DN 710 zabudowana jest przysłona perforowana, zapewniająca wyrównanie natężenia przepływu powietrza w przekroju wlotowym.
Nawiewniki radialne mogą być montowane bezpośrednio na przewodzie rurowym lub na skrzynce przyłączeniowej. Przy zastosowaniu króćca okrągłego o odpowiedniej długości można montować je także bezpośrednio w dnie kanału nawiewnego.

Rys. 7 Charakterystyka nawiewu powietrza z nawiewnika radialnego
Na rys. 7 przedstawiona została charakterystyka nawiewu powietrza z nawiewnika radialnego. Powietrze nawiewane z tego nawiewnika wypływa zawsze pionowo w dół. Rozprzestrzenianie się strumienia (średnica oddziaływania strumienia) zależy od różnicy temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem w pomieszczeniu.
W przypadku chłodzenia zasięg strumienia powietrza nawiewanego jest praktycznie nieograniczony, ponieważ strumień powietrza chłodniejszego od powietrza w pomieszczeniu kieruje się (opada) zawsze w dół. Ważnym kryterium jest prędkość przepływu powietrza pod nawiewnikiem, która zależna jest od różnicy temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem w pomieszczeniu. W tym przypadku uzasadnione jest, by cylinder środkowy pozostał zamknięty.
Prędkości przepływu powietrza w odległości 5 m od nawiewnika (pod nawiewnikiem), występujące przy maksymalnym natężeniu przepływu powietrza, i przy różnicy temperatur powietrza nawiewanego i w pomieszczeniu DJ = -5 K, przypadające na nawiewnik (DN 315-DN 710), wahają się w granicach od 0,35 do 0,55 m/s. Prędkości te nie mają wpływu na komfort cieplny w strefie przebywania ludzi, ponieważ nawiewniki radialne montowane są zwykle w przejściach między strefami pracy na wysokości 5-8 m, w sytuacjach gdy nie ma możliwości instalowania innych nawiewników wyporowych ze względu na suwnice usytuowane powyżej miejsc pracy.
Dla zapewnienia odpowiedniego zasięgu działania strumienia powietrza nawiewanego w przypadku nagrzewania cylinder środkowy nawiewnika należy otworzyć, przez co powstaje skierowany pionowo w dół strumień powietrza o impulsie większym niż strumień wypływający z powierzchni perforowanej. Strumień środkowy indukuje intensywnie pozostały strumień powietrza nawiewanego, zwiększając przez to zasięg działania. Im większa różnica temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem w pomieszczeniu, tym większy musi być udział strumienia środkowego w stosunku do strumienia zewnętrznego.
Reasumując: średnica oddziaływania strumienia zależy od natężenia przepływu powietrza, różnicy temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem w pomieszczeniu oraz stopnia otwarcia (podniesienia) talerza nad cylindrem środkowym. Np. przy całkowicie otwartym cylindrze środkowym nawiewnika DN 630, maksymalnym natężeniu przepływu powietrza ok. 6500 m3/h i różnicy temperatur DJ=+8 K zasięg strumienia pionowego wynosi ok. 7 m. Przy zredukowaniu natężenia przepływu powietrza do 3200 m3/h zasięg strumienia powietrza nawiewanego skraca się do ok. 3,8 m.
Nawiewniki stożkowe
Stożkowe nawiewniki wyporowe przeznaczone są do stosowania w pomieszczeniach bardzo wysokich, a przede wszystkim w halach lakierniczych i remontowych obiektów lotniczych. Wysokość nawiewu powietrza w takich halach wynosi 20-26 m. Materiały szkodliwe, jak opary rozpuszczalników, aerozole farb i pył z materiałów szlifierskich, muszą być wyparte w dół aż do podłogi, bez mieszania się z powietrzem w pomieszczeniu, i tam odciągane. W zależności od rodzaju pracy i warunków pogodowych wymagane są różne temperatury powietrza nawiewanego. Temperatura ta może być niższa lub wyższa od temperatury w pomieszczeniu. Poziom pracy może się znajdować na różnych wysokościach w zależności od typu samolotu, a rozmieszczenie nawiewników dostosowane jest do wielkości i sylwetki samolotu.
Strumień powietrza nawiewanego o ograniczonej turbulencji musi być stabilny, a zasięg strumienia musi być regulowany. Z tego powodu idea działania nawiewnika stożkowego jest zbliżona do działania nawiewnika radialnego - nawiewnik wyposażony jest w cylinder wewnętrzny służący do regulowania zasięgu strumienia powietrza, natomiast zewnętrzny cylinder i stożkowa część obudowy wykonane są z blachy perforowanej w celu wytwarzania strumienia mało turbulentnego.
Kierunek wypływu powietrza może być równocześnie poziomy, skośny i pionowy (w dół), a procentowy udział natężenia przepływu powietrza w poszczególnych kierunkach może być zmieniany. Trzy podstawowe fazy nawiewu powietrza przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8 Nawiewniki wyporowe stożkowe umieszczone w hali montażowej samolotów
W przypadku chłodzenia cylinder środkowy jest zamknięty (rys. 8a), a powietrze nawiewane jest przeważnie poziomo i jako cięższe od powietrza znajdującego się w pomieszczeniu opada w dół aż do podłogi. W przypadku izotermicznego nawiewania powietrza lub lekkiego nagrzewania cylinder środkowy jest częściowo otwarty (rys. 8b), a w przypadku pełnego nagrzewania strumień powietrza musi zostać skierowany w dół przez całkowicie otwarty cylinder środkowy (rys. 8c), aby zapewnić wymagany zasięg strumienia aż do miejsca pracy. Pionowy gradient temperatury jest nieduży. Przy różnicy temperatur między powietrzem nawiewanym a powietrzem w pomieszczeniu równej +5 K gradient temperatury na wysokości 20 m wynosi maks. +1 K.
Nawiewniki laminarne
Nawiewniki laminarne przeznaczone są do organizacji wymiany powietrza i wypierania cząsteczek zanieczyszczeń oraz materiałów szkodliwych na pojedynczych (indywidualnych) miejscach pracy. Mogą być dodatkowo wyposażone w osłony z folii lub pleksiglasu (na obrzeżach) dla lepszej ochrony powietrza świeżego i czystego przed mieszaniem się z powietrzem zużytym i zanieczyszczonym z pomieszczenia.
Element nawiewu powietrza wykonany jest z blachy perforowanej o małej średnicy otworów lub z siatki z tworzywa sztucznego - przy odpowiedniej wielkości oczek w siatce elementu nawiewnego przepływ (wypływ) powietrza jest laminarny. Dla równomiernego rozprowadzenia powietrza nad elementem nawiewu umieszczone są blachy kierujące. W zależności od przeznaczenia nawiewnika mogą być w nim zabudowane lampy do oświetlenia miejsca pracy, a do filtracji powietrza - filtry absolutne.
Nawiewniki tego typu montowane są powyżej strefy przebywania ludzi, na wysokości 2,2-2,5 m. Kierunek wypływu powietrza jest zawsze pionowy, zwrócony w dół. W ten sposób powietrze nawiewane wypiera substancje szkodliwe bezpośrednio z obszaru pracy w kierunku otworów wywiewnych usytuowanych w ścianie lub przy podłodze (albo w podłodze). Personel lub element technologiczny ma zapewniony stały dopływ czystego powietrza. Wielkość nawiewnika (B ´ L) uzależniona jest od powierzchni roboczej miejsca pracy i może być projektowana i wykonana indywidualnie dla każdego przypadku. Temperatura powietrza nawiewanego musi być minimum o 1 K niższa od temperatury powietrza w pomieszczeniu, ale nie więcej niż 4 K. Prędkość wypływu powietrza z nawiewnika wynosi od 0,15 m/s do 0,50 m/s.
Kryteria doboru nawiewników wyporowych
Miejsce i sposób doprowadzenia powietrza do pomieszczenia wentylowanego mechanicznie ma podstawowe znaczenie dla prawidłowego działania wentylacji wyporowej. Projektant i użytkownik powinni brać pod uwagę następujące kryteria:
- obciążenie cieplne pomieszczenia,
- wahania obciążenia cieplnego,
- gęstość materiałów szkodliwych (lżejsze lub cięższe od powietrza w pomieszczeniu),
- dyspozycyjna wysokość nawiewu,
- możliwość podłączenia nawiewnika do kanału wentylacyjnego,
- wielkość powierzchni miejsca pracy, na którym zapewnione muszą być odpowiednie warunki komfortu cieplnego.
W przypadku kiedy wentylacja wyporowa ma przejąć proces ogrzewania pomieszczenia lub jego części, należy dobrać takie nawiewniki, które doprowadzą strumień ciepłego powietrza do strefy przebywania ludzi i zapewnią komfort cieplny w tej strefie. Zalecana kolejność postępowania oraz przykłady doboru nawiewników do pomieszczeń przemysłowych podane zostały w algorytmie przedstawionym poniżej.
Johann Halupczok
Krantz-TKT
Algorytm doboru nawiewników wyporowych
stosowanych w pomieszczeniach przemysłowych

[Ilustracje: archiwum Krantz-TKT
artykuł pochodzi z: BIT - Budowlanego Informatora Technicznego]