Jednym z systemów wentylacji, który może znacząco poprawić komfort pracy jest system filtrowentylacji Push-Pull lub Push-Pull Pro. Opierają się one na zamkniętym obiegu powietrza, w którym jest ono oczyszczane z pyłów za pomocą różnych technologii filtracji.

W halach produkcyjnych w których realizowane są procesy spawalnicze pracownicy narażeni są na schorzenia układu oddechowego. Pylica płuc u spawaczy może rozwinąć się w przeciągu kilku lat pracy. Schorzenie to występuje znacznie częściej u spawaczy, którzy pracę wykonują w halach produkcyjnych nie wentylowanych, niż u spawaczy pracujących w otwartej przestrzeni. By poprawić komfort pracy, oraz zapobiec chorobom płuc hale produkcyjne powinny być wyposażone w wyciągi miejscowe, a w przypadku, gdy nie jest to możliwe w wydajne systemy filtrowentylacji.

System filtrowentylacji Push – Pull opiera się na zamkniętym obiegu powietrza, w którym jest ono oczyszczane z pyłów za pomocą różnych technologii filtracji, przy czym nie doprowadza się w tym wypadku powietrza świeżego do przestrzeni wentylowanej.

Rys. 1. Rozmiary cząstek pyłu spawalniczego

Należy podkreślić, że technologia ta winna być wspomagana klasyczną wentylacją grawitacyjną lub mechaniczną wyciągową szczególnie w halach w których są realizowane procesy technologiczne, gdzie powietrze zmienia swój skład chemiczny (stężenie CO, CO₂ i O₂), oraz istnieje zagrożenie wycieku substancji gazowych, agresywnych chemicznie.

Wentylacja hal produkcyjnych i montażowych, w których realizowane są procesy generujące zapylenie przekraczające parametry normatywne może być wyposażona w systemy Push-Pull pod warunkiem, że filtr jest w stanie oczyścić powietrze. W przemyśle stosuje się wiele systemów filtrowania, przy czym każdy z tych systemów jest zoptymalizowany z uwagi na granulację pyłu znajdującego się w powietrzu. W tablicy 1 przedstawiono zestawienie przykładowych technologii przemysłowych stosowanych w procesach filtracji powietrza [1].

Rozmiary cząstek pyłu spawalniczego mieszczą się w zakresie od 0,1 do 1000 mm. Pył o wymiarze cząstek poniżej 1 mm unosi się na skutek wysokiej temperatury w przestrzeni roboczej. Cząstki pyłu, których wymiary przekraczają 1mm, opadają grawitacyjnie [2].

Najbardziej szkodliwe pyły mieszczą się w przedziale od 0,1 – 5 μm (rys. 1), gdyż pozostają w płucach. Pyły poniżej 0,1 μm wdychamy i wydychamy – nie pozostają w naszym organiźmie, natomiast pyły powyżej 5 μm zatrzymują się na naszych naturalnych „filtrach” w nosie.

Filtry dymów spawalniczych powinny charakteryzować się skutecznością na poziomie >=99,9% dla cząstek >0,2 μm [3]

Pył o tych rozmiarach może być odfiltrowany np. w filtrach patronowych wyposażonych we wkłady celulozowo-poliestrowe, lub poliestrowe pokryte PTFE z systemem oczyszczania sprężonym powietrzem np. Puls Jet.

Rys. 2. System Push-Pull [4].

Wysoka temperatura unosi dymy i pyły spawalnicze średnio do wysokości 4-6 m nad posadzką, gdzie tworzą „chmurę”. Dymy unosząc się rozprężają się i wyrównują swoją temperaturę z otoczeniem dzięki czemu charakterystyczne jest zwiększanie się objętości słupa dymu ku górze. Po pewnym czasie po wyrównaniu temperatury pyły te opadają ponownie w przestrzeń roboczą. By zapobiec opadaniu pyłów wykorzystuje się cechę unoszenia się pyłów spawalniczych ponad stanowiska pracy ludzi. Systemy te montowane są tak, aby były one eliminowane na wysokości 4-6m. Odpowiednia wysokość rozmieszczenia systemów push-pull zapobiega opadaniu dymów w strefę pracy ludzi. Jednocześnie odczuwalny przepływ powietrza jest również poza strefą przebywania ludzi.

System Push Pull ma ograniczenia związane z rozpiętością hali. W przypadku dużych hal można stosować rozwiązanie alternatywne. Alternatywą do klasycznego systemu Push Pull jest Push Pull Pro, gdzie duże znaczenie ma rozmieszczenie systemów wyciągu oraz nadmuchu powietrza, gdyż to one decydują o czystości powietrza w przestrzeni roboczej hali produkcyjnej. Praca przedstawia wyniki modelowania matematycznego mającego na celu określenie pola przepływu powietrza w hali produkcyjnej w której realizowane są procesy spawalnicze.

Działanie systemu Push Pull:

Modelowanie przepływu powietrza w systemie Push Pull Pro w modernizowanej hali produkcyjnej

Zasada działania systemów Push-Pull Pro, opiera się na wypieraniu gorącego powietrza ku górze dzięki wprowadzeniu przy posadzce czystego powietrza o nieco niższej temperaturze i większej gęstości. Temperatura wytworzona dzięki procesom technologicznym unosi zanieczyszczenia, które są zbierane kanałem wentylacyjnym pod sufitem hali. Zanieczyszczone powietrze przechodzi przez filtr dymów spawalniczych a następnie obrabiane jest w centrali wentylacyjnej. Ten system oprócz filtracji zapewnia również wentylację, gdyż dla uzyskania odpowiedniej temperatury część powietrza jest mieszana z powietrzem zewnętrznym. Poniżej przedstawiono obliczenia pola prędkości w hali produkcyjnej dla przykładowego systemu Push Pull Pro.

W przedstawionych obliczeniach nie ujęto wpływu szybkiego unoszenia się dymów i pyłów spawalniczych wynikającego z wysokiej temperatury przetapianego materiału. W obliczeniach wykorzystano oprogramowanie COMSOL [5].

Rys 3. Widok modelowanej hali [4]

W obliczeniach zdefiniowano geometrię oraz siatkę dla układu wentylacji w postaci elementów triangulacyjnych automatycznie generowany z uwagi na założoną geometrię modelowanej bryły. Geometrię zbudowano w skali 1:1. W geometrii założono trzy bryły które mają symulować rozmieszczenie montowanych (spawanych) elementów w hali produkcyjnej.

Rys 4. Przykładowa siatka obliczeniowa

Do obliczeń założono objętościowe natężenie przepływu w kanale

Zaproponowano kilka konfiguracji rozmieszczenia wyciągów wentylacji typu push-pull pro. Poniżej na rys 5, 6 i 7 przedstawiono wyniki obliczeń dla tych systemów wentylacji.

Rys 5. Koncepcja z systemem dwóch wyciągów podsufitowych

Rys 6. Koncepcja z jednym wyciągiem przy przeciwległej ścianie

Rys 7. System wyciągu w centrum hali produkcyjnej nadmuch po obu stronach

Z analizy pola wektorowego przepływów powietrza można wywnioskować, że nadmuch systemu wentylacji wg konfiguracji z rysunku 7 może być najbardziej korzystny. W przypadku gdy niema możliwości umieszczenia po obu stronach hali systemu nadmuchu powietrza wydaje się że optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie konfiguracji przedstawionej na rysunku 6, gdzie wektorowe pole przepływu umożliwia dokładne wymieszanie powietrza na hali a następnie doprowadzenie go kanałami do układu filtrów.

Podsumowanie

W pracy przedstawiono wyniki obliczeń dla systemu nadmuchu oraz wyciągu powietrza. Obliczenia wykonano przy zastosowaniu kodu CFD w celu określenia obecności stref, w których może zalegać pył generowany w procesach produkcyjnych.

Modelowanie CFD pozwala na określić rozkład pola prędkości w halach produkcyjnych co może być przydatne w przypadku gdy nie dysponujemy wytycznymi branżowymi odnośnie montażu systemów wentylacji Push Pull Pro dla dużych hal produkcyjnych.

Przy realizacji artykułu wykorzystano materiały zamieszczone na stronie www.platformafiltrowentylacyjna.com.pl

Literatura:

1. Poradnik Termoenergtyka, WNT, Warszawa 1965
2. www.magazynprzemyslowy.pl/artykul_679.html
3. Grundsätze zur Prüfung von Filtern für die Verwendung in staubbeseitigenden Maschinen und Geräten, GS-BIA-M06 (.PDF)
4. www.platformafiltrowentylacyjna.com.pl
5. www.comsol.com

Opracował:
dr inż. Robert Matysko
Instytut Maszyn Przepływowych, Polska Akademia Nauk

Współpraca:
Tomasz Stapf
Platforma Filtrowentylacyjna