Wentylacja, chłodzenie i klimatyzacja w automatyce przemysłowej

Obudowy i szafy sterownicze stanowią podstawową ochronę urządzeń elektrycznych – ich funkcją jest izolowanie wrażliwych podzespołów od szkodliwych czynników z otoczenia, jak woda, wilgoć, pył, kurz, oleje, agresywne środki chemiczne. Z drugiej strony osłony sprzyjają kumulowaniu się ciepła wydzielanego przez komponenty elektroniczne i mechaniczne, jak również nagrzewają się od zewnętrznych źródeł ciepła (inne maszyny pracujące w sąsiedztwie, promieniowanie słoneczne jeśli urządzenie zainstalowano na zewnątrz). Powoduje to podwyższanie się temperatury w obudowie albo szafie, co w dłuższej perspektywie skraca żywotność oraz zwiększa awaryjność urządzeń przez nie chronionych. Dlatego konieczne jest odprowadzanie nadwyżki ciepła z wnętrza na zewnątrz osłony.

Mechanizmy przekazywania ciepła

Wyróżnić można trzy metody wymiany ciepła, przez: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. W uproszczeniu przewodzenie polega na przekazywaniu energii w obrębie obiektu albo pomiędzy obiektami w kontakcie, w konwekcji ciepło jest przenoszone przez ruch płynu (gazu, cieczy) z jednego miejsca w drugie, natomiast przekazywanie energii cieplnej przez promieniowanie polega na pochłanianiu lub emitowaniu fal elektromagnetycznych. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki ciepło zawsze przenosi się z obiektu albo z obszaru o wyższej temperaturze do tego zimniejszego, aż do momentu uzyskania między nimi równowagi termicznej.

Transfer energii cieplnej można szczegółowiej wyjaśnić na poziomie cząsteczkowym. W przypadku przewodzenia jest ona przenoszone przez zderzanie się cząsteczek – te cieplejsze, mające większą energię kinetyczną, dzięki której poruszają się szybciej, uderzając w te zimniejsze, a więc wolniejsze wytracają część energii na ich rzecz. W rezultacie te chłodniejsze nagrzewając się, przyspieszają, podczas gdy szybsze zwalniając, schładzają się. Z kolei w przypadku konwekcji wraz ze wzrostem temperatury płyn ulega rozrzedzeniu. W efekcie na ten cieplejszy działa siła wyporu, powodując jego unoszenie się, zaś ten chłodniejszy, gęstszy opada. W ten sposób powstają prądy konwekcyjne. W przypadku promieniowania natomiast to światło, będące falą, jest nośnikiem energii cieplnej.

Przykład dobrze ilustrujący równoczesne zachodzenie tych trzech mechanizmów przekazywania ciepła to... gotowanie wody nad ogniskiem. W procesie tym ciepło z ogniska do dna kociołka jest przenoszone przez konwekcję powietrza. Potem przez przewodzenie rozchodzi się w ściankach, nagrzewając również uchwyt garnka. Jego zawartość jest równomiernie podgrzewana dzięki temu, że w wodzie nagrzewanej przez ścianki zachodzi konwekcja. Ciepło żarzącego się ognia jest z kolei do otoczenia przekazywane przez promieniowanie.

Chłodzenie szaf i obudów

W chłodzeniu obudów i szaf sterowniczych zastosowanie mają głównie przewodzenie i konwekcja, jeżeli natomiast chodzi o promieniowanie w przypadku temperatur, do których typowo nagrzewają się osłony urządzeń elektrycznych, nie jest to efektywna metoda odprowadzania ciepła, dlatego ma ona marginalne znaczenie. To, który z tych mechanizmów odprowadzania ciepła najlepiej wybrać zależy od wielu czynników, w tym od tego, czy obudowa przepuszcza powietrze, czy jest szczelna. W pierwszej jego nadmiar można usunąć dzięki cyrkulacji powietrza przez przewodzenie. Jeżeli obudowa jest zamknięta, ciepło odprowadza się dzięki konwekcji przez ściany. Ponadto warunkuje to temperatura otoczenia na zewnątrz osłony i maksymalna temperatura wewnątrz – pewne metody chłodzenia można od razu wyeliminować porównując temperaturę otoczenia do tej wymaganej wewnątrz.

Przykładowo gdy pierwsza jest większa, nie można się opierać tylko na naturalnej konwekcji, ani wewnętrznej cyrkulacji powietrza, wyłącznie wymianie powietrza z otoczeniem, ani wymiennikach ciepła powietrze–powietrze. Gdy temperatura wewnątrz jest większa, niż temperatura otoczenia warto jest jednak te metody wziąć pod uwagę, uwzględniając także wymagany stopień IP. W przeciwnym razie lepszym rozwiązaniem będzie przykładowo zastosowanie wymiennika ciepła woda–powietrze, chłodzenia wodą albo klimatyzatora.

Ważna kwestia to również zdolność osłony do rozpraszania ciepła. Wpływa na to m.in. sposób jej zamontowania – szafa sterownicza wolno stojąca, odsłonięta z każdej strony, odprowadza je do otoczenia efektywniej niż stojąca przy ścianie, we wnęce albo obudowa zintegrowana z maszyną.

By zwiększyć efektywność odprowadzania ciepła z wewnątrz przez ściany montuje się wentylatory, których zadaniem jest wymuszenie przepływu powietrza w obudowie. To zapewnia równomierny rozkład ciepła w osłonie i przy jej ścianach. Skuteczność takiego rozwiązania przeważnie nie jest jednak duża. Alternatywą jest montaż wentylatorów z filtrem w ścianie obudowy. To ma na celu zapewnienie wymiany powietrza z wewnątrz na to z zewnątrz. Ich konstrukcja jest optymalizowana pod kątem zapewnienia równomiernego, stałego przepływu powietrza, przy minimalnej głębokości montażu, aby nie zajmowały za dużo miejsca w obudowie.

W zależności od potrzeb wentylatory mogą pracować w trybie wdmuchiwania do albo zasysania powietrza z obudowy. Generalnie zaleca się pracę w pierwszym, aby uniknąć wytworzenia się w osłonie podciśnienia. Jeżeli bowiem takie warunki by powstały, powietrze z zewnątrz dostawałoby się do wnętrza osłony w niekontrolowany sposób przez wejścia kabli i inne niehermetyczne otwory. Napływ nieprzefiltrowanego powietrza wraz z kurzem mógłby szkodzić urządzeniom w obudowie. Zaleca się też wybór zespołu wentylator–filtr o przepływie powietrza o około 20% większym, niż zapotrzebowanie w tym zakresie obliczone na podstawie ilości ciepła, które kumuluje się w osłonie. Zapewni to margines wydajności wymiany powietrza, a dzięki temu efektywność chłodzenia nie spadnie poniżej wymaganego poziomu, nawet w razie nagromadzenia się zanieczyszczeń na filtrze.

Wymienniki ciepła i klimatyzatory

Jeżeli wymagane jest zapewnienie stopnia ochrony IP gwarantującego pyło- oraz wodoszczelność, zamiast wentylacji otwartej lepiej zastosować wymienniki ciepła powietrze–powietrze. Im większa będzie różnica temperatur powietrza w otoczeniu i wewnątrz obudowy, tym skuteczniejsze będzie odprowadzanie ciepła nagromadzonego w osłonie na zewnątrz tą metodą. Zależnie od dostępnej przestrzeni oraz wymagań wymienniki ciepła powietrze–powietrze są montowane na szafie albo instalowane wewnątrz niej. Generalnie ich wydajność jest mniejsza niż wymiany powietrza z otoczeniem przez wentylatory, wymienniki ciepła powietrze–powietrze wyróżniają jednak mniejsze wymagania w zakresie konserwacji.

W wymiennikach powietrze–woda wnętrze szafy jest chłodzone przez cyrkulację jej nagrzanego powietrza w wymienniku, w którym nadmiar ciepła jest odbierany przez też w nim krążącą wodę chłodzącą, która odprowadza je następnie na zewnątrz. Wymaga to podłączenia jej źródła oraz zapewnienia jej zamkniętego obiegu. Skuteczność chłodzenia tą metodą zależy od: temperatury wewnątrz szafy sterowniczej, temperatury wody chłodzącej na wlocie i objętościowego przepływu tego czynnika. Wymienniki powietrze–woda wyróżnia kompaktora konstrukcja. Ponadto pozwalają na obniżenie temperatury w szafie poniżej temperatury otoczenia.

W klimatyzatorach natomiast wykorzystywany jest czynnik chłodniczy, który przechodząc przez wymienniki ciepła z otoczeniem i z wnętrzem szafy, sprężając się i rozprężając, czemu towarzyszy zmiana jego stanu z gazowego na płynny, odbiera nadmiar ciepła z obudowy i oddaje go do otoczenia. Klimatyzatory są popularne dzięki elastyczności. Są też w stanie zapewnić dużą różnicę między temperaturą wewnątrz szafy a otoczeniem. Ponadto poza chłodzeniem osuszają powietrze w szafie.

Wybór w zakresie metod chłodzenia obudów i szaf, jak widać, jest spory. Aby jednak zastosowane rozwiązanie było skuteczne, powinno się przestrzegać pewnych zasad, z których najważniejsze wymieniamy w ramce. W kolejnej ramce przedstawiamy też specjalne metody chłodzenia obudów na przykładzie tych stosowanych do zapobiegania przegrzewaniu się silników elektrycznych.

Wentylacja i klimatyzacja w przemyśle

Wentylacja to system urządzeń i instalacji, którego funkcją jest usuwanie z pomieszczeń powietrza zanieczyszczonego i dostarczanie w jego miejsce tego świeżego. W zakładach przemysłowych ma to na celu nie tylko poprawę komfortu osób w nich przebywających, ale również zapewnienie im bezpieczeństwa przez odprowadzenie z ich otoczenia dymów, pyłów oraz oparów, które są dla nich szkodliwe bezpośrednio albo zwiększają ryzyko pożaru lub eksplozji. W połączeniu z systemem klimatyzacji wentylacja utrzymuje również temperaturę i wilgotność pomieszczeń na odpowiednim poziomie.

System wentylacji składa się z dwóch części: układu doprowadzania świeżego powietrza i układu wywiewu. Pierwszym jest system ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (Heating, Ventilation, Air-Conditioning, HVAC), w którego skład typowo wchodzą wlot powietrza, sprzęt do jego filtrowania (patrz ramka), urządzenia grzewcze/chłodzące (agregaty chłodnicze, patrz ramka), wentylatory, kanały, kratki wentylacyjne. Wywiew zbudowany jest z w części analogicznych elementów (kratek, kanałów, wentylatorów, filtrów), którymi powietrze zanieczyszczone jest wyprowadzane na zewnątrz. Choć wszystkie systemy wentylacji wykorzystują podobne komponenty i działają na takich samych ogólnych zasadach, w szczegółach projektuje się je indywidualnie, aby dostosować ich wydajność do specyfiki wentylowanych pomieszczeń, tempa zanieczyszczania powietrza oraz rodzaju i ilości uwalnianych zanieczyszczeń.

Wentylacja rozcieńczająca a wyciągowa

Wyróżnić w związku z tym można dwa rodzaje systemów wentylacji w obiektach przemysłowych: rozcieńczającą (ogólną) oraz wyciągową (lokalną). Pierwsza zmniejsza stężenie zanieczyszczeń lub kontroluje ilość ciepła przez mieszanie (rozrzedzanie) powietrza zanieczyszczonego ze świeżym – w tym celu dostarcza oraz usuwa jego duże ilości do i z całego obszaru albo budynku, zazwyczaj przy użyciu dużych wentylatorów wyciągowych montowanych w ścianach i na dachu. Jednocześnie jednak wentylacja ogólna powoduje rozprowadzenie zanieczyszczeń po całym miejscu pracy, przez co mogą one mieć wpływ na pracowników znajdujących się daleko od ich źródła. Nie zawsze jest to zatem najlepsze rozwiązanie – w razie jej wyboru jako metody ochrony personelu ważna jest świadomość jej ograniczeń. Najważniejsze z nich to: nieusuwanie wszystkich zanieczyszczeń, brak skuteczności w eliminacji szczególnie tych uciążliwych, jak pyły, opary metali, duże ilości gazów i oparów i nieradzenie sobie z usuwaniem zanieczyszczeń pojawiających się nagle w bardzo dużych ilościach. Utrudnieniem jest również niemożność zastosowania w przypadku procesów, w których używane są silnie szkodliwe chemikalia – generalnie zastosowanie wentylacji ogólnej w kontroli zanieczyszczeń chemicznych należy ograniczyć do sytuacji, w których: ich ilość, toksyczność i intensywność emisji są małe, a pracownicy nie przebywają w bezpośrednim sąsiedztwie ich źródła.

Wentylacja rozcieńczająca wymaga poza tym ogrzania / schłodzenia dużych ilości pobieranego z zewnątrz powietrza kompensacyjnego. Zasadniczo ten typ wentylacji jest najskuteczniejszy, jeżeli wyciąg jest umieszczony blisko i przed narażonymi na wdychanie zanieczyszczeń pracownikami, a wlot świeżego powietrza znajduje się za nimi (rys. 1).

 

Rys. 1. Zalecane a) i niezalecane b) układy wentylacji rozcieńczającej

Lokalny wyciąg natomiast wychwytuje zanieczyszczenia bezpośrednio u ich źródła albo w jego sąsiedztwie. Dzięki temu ta metoda jest skuteczniejsza niż wentylacja rozcieńczająca w przypadku usuwania najszkodliwszych i wytwarzanych punktowo i w dużych ilościach pyłów oraz oparów. Wentylacja miejscowa jest zazwyczaj preferowana również, jeżeli problemem jest wzrost kosztów ogrzewania, które wynikają z konieczności wymiany powietrza w chłodne dni, zaś źródeł emisji zanieczyszczeń jest niewiele i znajdują się one w pobliżu stref oddychania pracowników. Główne komponenty lokalnych wyciągów to: kaptur (okap), który wychwytuje zanieczyszczenia u źródła, kanały do ich transportu, filtry, wentylatory, kominy wyprowadzające zanieczyszczone powietrze na zewnątrz. Przykład stanowiska, które bezwzględnie wymaga wentylacji miejscowej, to spawalnia (patrz: ramka). W tabeli 1 przedstawiamy również porównanie zalet oraz wad wentylacji lokalnej i rozcieńczającej.

Chłodzenie silników Silniki elektryczne podczas pracy nagrzewają się. Jeżeli nie są skutecznie chłodzone, przez to skraca się ich żywotność. Najbardziej narażone na przegrzanie się są łożyska oraz izolacja – przyjmuje się, że ich żywotność spada dwukrotnie w razie wzrostu temperatury o każde 10ºC w przypadku izolacji i 15ºC w przypadku smaru łożysk. Oprócz tego skuteczne chłodzenie pozwala na użycie mniejszego silnika, co zmniejsza wagę i koszty napędu. Dostępnych jest wiele opcji chłodzenia silników elektrycznych – wybór konkretnego zależy przede wszystkim od zastosowania silnika, miejsca jego montażu i warunków pracy. Zestandaryzowano je w normie PN-EN 60034-6 Maszyny elektryczne wirujące – Sposoby chłodzenia. Każdej metodzie przypisany jest kod IC, którego poszczególne litery i cyfry oznaczają typ czynnika chłodzącego oraz sposób jego cyrkulacji. Dla najczęściej spotykanych metod chłodzenia stosuje się też skróty pochodzące od odpowiadających poszczególnym kodom nazw według NEMA. Przedstawiamy je w poniższej ramce, a następnie krótko charakteryzujemy: Kod IC NEMA IC411 Totally Enclosed Fan Cooled (TEFC) IC410 Totally Enclosed Non-Ventilated (TENV) IC416 Totally Enclosed Force Ventilated (TEFV) IC418 Totally Enclosed Air Over (TEAO) IC411 / TEFC Silnik jest całkowicie zamknięty w gładkiej albo żebrowanej obudowie i chłodzony zewnętrznym wentylatorem zamontowanym na wale. Dzięki temu... sam się ochładza podczas pracy, a skuteczność chłodzenia jest bezpośrednio skorelowana z jego prędkością. Jest to najpopularniejsza metoda, powszechnie stosowana m.in. w pompach i wentylatorach. IC410 / TENV Silnik jest całkiem zamknięty w gładkiej lub żebrowanej obudowie, bez zewnętrznego wentylatora. Ta metoda chłodzenia jest odpowiednia dla wciągarek, dźwigów i innych zastosowań, które działają tylko przy stałym obciążeniu przez krótki okres. IC416 / TEFV Silnik jest całkiem zamknięty w gładkiej lub żebrowanej obudowie i chłodzony przez zamontowany na zewnątrz wentylator osiowy z napędem, dostarczany razem z silnikiem. Zapewnia to stałe chłodzenie, nawet jeżeli prędkość silnika jest regulowana i pozwala na zastosowanie mniejszego silnika. Metoda jest zalecana w przypadku napędów z przemiennikami częstotliwości, które pracują ze zmienną prędkością lub przy małej prędkości i stałym momencie obrotowym. Może być również stosowana jako alternatywa dla chłodzenia IC411/TEFC w celu zmniejszenia poziomu hałasu przy dużych prędkościach. IC418 / TEAO Silnik jest całkiem zamknięty w gładkiej lub żebrowanej obudowie, bez zewnętrznego wentylatora. W zamian silnik jest umieszczony w strumieniu powietrza generowanym przez zasilaną przez niego maszynę. Metoda jest popularna w przypadku wentylatorów, szczególnie osiowych oraz innych zastosowań HVAC, w tym wież chłodniczych. Metody niestandardowe Niektóre aplikacje wymagają rozwiązań nietypowych. Przykłady to: chłodzenie wewnętrznym wentylatorem (wyłącznie w kontrolowanych warunkach środowiskowych) i chłodzenie wodą (płaszczowe lub przez wymiennik ciepła powietrze/woda).

Przegląd komponentów wentylacji - kanały

Skuteczność wentylacji zależy od tego, czy komponenty jej systemu zostały odpowiednio dobrane, zaprojektowane oraz czy działają niezawodnie. Na przykład w przypadku kanałów do prowadzenia powietrza z i do budynku ważne jest, by przepływało ono nimi przy jak najmniejszym oporze.

Ilość powietrza przepływającego przez przewód zależy od pola jego przekroju i prędkości medium. Powietrze poruszające się zbyt wolno powoduje osadzanie się i gromadzenie zanieczyszczeń, co może prowadzić do zatkania kanału. Za szybki przepływ z kolei może zwiększać zużycie energii, stać się źródłem uciążliwego hałasu oraz powodować ścieranie materiału przewodów od wewnątrz, szczególnie w kolankach, z powodu dużego tarcia cząstek pyłów unoszonych wraz z powietrzem. Optymalna wielkość przepływu medium zależy też od dopuszczalnego stężenia zanieczyszczeń w konkretnym pomieszczeniu roboczym – prawidłowo zaprojektowana sieć kanałów pozwala uzyskać wymaganą skuteczność wentylacji przy minimalnym zużyciu energii. W tym celu przestrzega się kilku zasad. Przede wszystkim sposób rozprowadzenia przewodów maksymalnie się upraszcza, aby zminimalizować turbulencje i opór przepływu oraz preferuje się kanały okrągłe, które zapewniają mniejszy opór niż kwadratowe, podobnie jak te sztywne i gładkie w porównaniu z elastycznymi, falistymi, krótsze w porównaniu z dłuższymi i proste w zestawieniu z zakrętami. Jeżeli kolanka są niezbędne, zaleca się te zaokrąglone. Rozgałęzienia kanałów z kolei powinny się rozchodzić pod kątem 30°–45° albo mniejszym, lecz nie prostym i należy je wyprowadzać w miejscu, w którym kanał stopniowo się rozszerza. Generalnie także rury o większej średnicy zapewniają mniejszy opór przepływu niż te węższe.

Nieprawidłowości w kanałach są główną przyczyną spadku wydajności wentylacji – zdarza się, że nawet te właściwie zaprojektowane i zainstalowane po jakimś czasie stają się źródłem problemów. Dlatego konieczna jest regularna kontrola przepływu powietrza i ciśnień statycznych w przewodach wentylacyjnych. Należy także reagować na spadek efektywności wychwytywania zanieczyszczeń, widoczny kurz na urządzeniach podłączonych do systemu wentylacyjnego i uszkodzenia kanałów (dziury, wgniecenia). Nie należy również samowolnie modyfikować sieci kanałów ani przyłączać na przykład kolejnych okapów.

Wentylatory

Skuteczność wentylacji zależy też od doboru wentylatorów potrzebnych do wytworzenia przepływu powietrza o parametrach wystarczających do usunięcia zanieczyszczeń ze źródła, ich transportu kanałami, przez filtry oraz wyprowadzenia na zewnątrz. Wyróżnić można dwa typy wentylatorów wyciągowych: osiowe oraz odśrodkowe (promieniowe). Te drugie zasysają powietrze do środka, a wydmuchują je pod kątem 90° do kierunku osi obrotu łopatek. W tej grupie wprowadza się dalszy podział na odśrodkowe z łopatkami: pochylonymi do przodu, do tyłu i prostymi promieniowymi.

Również osiowe klasyfikuje się na trzy grupy, wentylatory: śmigłowe, rurowo-osiowe i łopatkowe. Pierwsze są zazwyczaj używane w wentylacji rozcieńczającej i chłodzeniu. Wyróżnia je możliwość przemieszczania dużych ilości powietrza przy niewielkim oporze, zaś ograniczeniem jest to, że nie nadają się do miejscowej wentylacji wywiewnej, ponieważ nie zapewniają wystarczającego ssania. Wentylatory rurowo-osiowe i łopatkowe to z kolei w zasadzie wentylatory śmigłowe przystosowane do montażu w kanale. Przeznaczone są głównie do przenoszenia powietrza niezanieczyszczonego i dlatego montowane, m.in. na dachach.

Wybierając wentylator pod uwagę bierze się wiele kwestii. Ważną jest wydajność – wentylator musi zapewnić przepływ powietrza, który pozwoli na wymianę powietrza z zakładaną częstością. Istotne jest też ciśnienie, które jest w stanie wytworzyć, szczególnie jeżeli przetłaczane powietrze jest bardzo zapylone. Znaczenie ma też stopień zanieczyszczenia powietrza.

Na przykład jeżeli zawiera niewielką ilością dymów lub kurzu, najlepszy będzie ten odśrodkowy z łopatkami pochylonymi do tyłu albo osiowy. Także w przypadku drobnego pyłu, oparów, wilgoci preferowany jest wentylator odśrodkowy z łopatkami pochylonymi do tyłu lub prostymi. Ten ostatni zaleca się oprócz tego do usuwania powietrza silnie zanieczyszczonego cząstkami stałymi. Niektóre zastosowania wymagają też specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych.

Wentylatory specjalne

Na przykład wentylatory do wyciągów gorącego powietrza muszą być wykonane z materiałów oraz części odpornych na działanie wysokich temperatur. Kolejny przykład to urządzenia przeznaczone do przetłaczania atmosfer wybuchowych, czyli mieszanin substancji palnych w postaci gazów, par i mgieł z powietrzem, w których po wystąpieniu zapłonu następuje spalanie rozprzestrzeniające się samorzutne na całą mieszaninę. Wymagania konstrukcyjne dotyczące wentylatorów tego typu są zawarte w normie PN-EN 14986. Wytyczne te obejmują urządzenia zaliczane do grupy II G (grup wybuchowości IIA, IIB i wodoru) kategorii 1, 2 i 3 oraz grupy II D, kategorii 2 i 3, zgodnie z klasyfikacją w dyrektywie ATEX. Podobnie jak te wysokotemperaturowe, także wentylatory, które są przeznaczone do pracy w atmosferze wybuchowej wymagają stosowania specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych w zakresie ich najważniejszych podzespołów: obudów, wirników oraz silników. Przede wszystkim wentylatory przeciwwybuchowe wykonuje się z materiałów, w przypadku których nie ma zagrożenia iskrzenia na skutek tarcia albo uderzenia – przykładem są wirniki i obudowy z blachy ocynkowanej lub z antystatycznego tworzywa sztucznego, obudowy od wewnątrz pokryte mosiężną blachą, dysze oraz kołnierze wykonane z miedzi. Silniki z kolei są zabezpieczone przed przegrzaniem, które monitoruje czujnik termistorowy. Te z wirującą obudową zwykle spełniają wymagania konstrukcji wzmocnionych "e", co oznacza brak łuku elektrycznego, iskier i gorących powierzchni albo nieiskrzących "nA", co z kolei znaczy, że w normalnych warunkach pracy urządzania nie są w stanie przyczynić się do zapłonu mieszaniny wybuchowej. Poza tym części mogące się elektryzować są uziemiane. Wentylatory w wersji przeciwwybuchowej są instalowane w wyciągach w lakierniach, malarniach, magazynach farb, halach produkcyjnych w branży chemicznej, drzewnej, spożywczej.

Kolejnym przykładem specjalnych konstrukcji wentylatorów są te chemoodporne, przystosowane konstrukcyjnie do tłoczenia powietrza zanieczyszczonego substancjami chemicznie agresywnymi. W ich przypadku wszystkie elementy potencjalnie narażone na kontakt z czynnikiem chemicznym muszą być wykonane z odpowiednio wytrzymałego materiału. Jest to zwykle stal nierdzewna albo tworzywo sztuczne – przykładowo wirniki, łopatki i obudowy wykonuje się z polipropylenu albo polichlorku winylu.

Wentylacja lokalna - wentylacja na stanowisku spawania Wentylacja pomieszczeń w przemyśle generalnie ma trzy główne cele: usunięcie zanieczyszczeń ze strefy oddychania pracowników, zapobieganie nagromadzaniu się w miejscu pracy łatwopalnych i wybuchowych substancji i niedopuszczenie do wytworzenia się na stanowisku atmosfery z niedoborem tlenu. W przypadku procesów takich jak spawanie, lutowanie i cięcie palnikiem głównym zadaniem wentylacji jest to pierwsze. Na tego typu stanowiskach usuwanie zanieczyszczeń powietrza ze strefy oddychania pracowników jest regulowane przepisami – przykładowe wymagania są zawarte w rozporządzeniu ministra gospodarki w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy pracach spawalniczych. Można w nim przeczytać, że pomieszczenia spawalni powinny być wyposażone w wentylację zapewniającą skuteczne usuwanie zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia. Stałe stanowisko spawalnicze, na którym istnieje możliwość emisji szkodliwych pyłów i gazów, pracodawca musi wyposażyć w instalację wentylacji stanowiskowej. Ponadto stosowanie w spawalni stacjonarnych urządzeń do podgrzewania przedmiotów przed albo po poddaniu ich procesom spawalniczym jest dopuszczalne pod warunkiem, że będą one wyposażone w wentylację miejscową. W tym zakresie na potrzeby spawania dostępne są rozmaite rozwiązania. Przykładem są ramiona z elastycznym, ruchomym wyciągiem, które ustawia się bezpośrednio nad łukiem spawalniczym. Wybierając je, należy zwrócić uwagę na to, by zasięg ramienia był dopasowany do wielkości stanowiska. Oprócz ramion stacjonarnych dostępne są również te w wersji mobilnej. Takie często mają więcej niż jedno ramię ssące. Korzysta się również z wentylowanych stołów spawalniczych, uchwytów spawalniczych z odciągiem i przyłbic spawalniczych z nadmuchem.

Automatyka i czujniki w HVAC

Sterowanie pracą systemu HVAC nie jest proste – optymalne nastawy jego komponentów zależą od wielu czynników. Są to, oprócz warunków w pomieszczeniach: temperatury, wilgotności i stężenia zanieczyszczeń, również parametry otoczenia, samej instalacji i procesów w niej zachodzących, na przykład spalania paliwa w kotle grzewczym. Nie wystarczy też, aby efekt grzania, chłodzenia czy wentylacji satysfakcjonował użytkowników. Powinien on być jednocześnie osiągnięty w sposób jak najefektywniejszy ekonomicznie oraz jak najmniej dokuczliwy dla środowiska. Dlatego automatyka systemów HVAC jest włączana do systemów zarządzania budynkiem BMS (Building Management System) i/albo zarządzania energią EMS (Energy Management System). Te w oparciu o odczyty z czujników, które mierzą temperaturę, wilgotność, ciśnienie, przepływ i jakość powietrza i dane o strukturze budynku dynamicznie dostosowują parametry urządzeń grzewczych, chłodzących oraz wentylatorów do aktualnych potrzeb. Przykładem są sensory różnicy ciśnień, które są kluczowe w sterowaniu segmentem VAV (Variable Air Volume) instalacji HVAC. Stanowi on zespół urządzeń, które przekierowują i rozdzielają strumienie powietrza o kontrolowanych parametrach do różnych części budynku. Głównym komponentem jest przepustnica i element nią sterujący. Jest to siłownik połączony ze sterownikiem. Reguluje on położenie przepustnicy, a dzięki temu ilość powietrza, które jest doprowadzane z centrali wentylacyjnej do danej strefy w oparciu o zaprogramowany tryb i zmienne: przepływ powietrza i temperaturę. Przykładowo w trybie chłodzenia przepustnica jest szerzej otwarta, bo wymagany jest większy przepływ powietrza, inaczej niż w trybie grzania, gdy przymyka się ją, aby jego przepływ ograniczyć. Stopień uchylenia jest regulowany na podstawie odczytów wbudowanych w segment VAV czujników temperatury i przepływu. Dodatkowy sensor w głównym kanale zasilającym mierzy ciśnienie powietrza. Jego wskazania są porównywane z nastawą tej wielkości. Na tej podstawie elementy sterujące w centrali klimatyzacyjnej zwiększają i zmniejszają obroty dmuchawy. W tym zastosowaniu wykorzystuje się czujniki piezorezystancyjne w postaci mostka pomiarowego Wheatstone’a składającego się z rezystorów wbudowanych w membrany. Na skutek ich odkształcenia, proporcjonalnie do różnicy oddziałujących na nie ciśnień, zmienia się rezystancja oporników, a w rezultacie również mierzone napięcie.

Komponenty systemu HVAC: agregaty chłodnicze Wyróżnia się dwa typy agregatów chłodniczych: chłodzone wodą i powietrzem. Na rysunku przedstawiono uproszczony schemat blokowy urządzenia pierwszego typu. Jego główne komponenty to parownik, w którym czynnik chłodniczy jest ogrzewany i wrze, sprężarka i skraplacz, w którym odparowany, sprężony czynnik chłodniczy ulega skropleniu, oddając ciepło. Jest ono następnie odprowadzane przez wodę pompowaną do wieży chłodniczej, natomiast schłodzony czynnik, po przejściu przez zawór rozprężny, wraca do parownika i cykl rozpoczyna się od nowa.   Agregat chłodniczy chłodzony wodą

HVAC do zadań specjalnych: cleanroomy

Niektóre stanowiska wymagają nietypowych systemów wentylacji i klimatyzacji. Przykładem są cleanroomy. Są to izolowane pomieszczenia, w których dzięki specjalnej konstrukcji, materiałom, organizacji przestrzeni i procedurom użytkowania kontroluje się warunki środowiskowe, ogranicza wnikanie zanieczyszczeń z zewnątrz, eliminuje ich źródła wewnątrz i zapobiega ich gromadzeniu. Zapewnia to wysoką czystość, bez widocznego brudu, drobnoustrojów chorobotwórczych i cząstek o rozmiarach rzędu mikro i nanometrów, wymaganą w produkcji półprzewodników, elementów optycznych, biotechnologii, nanotechnologii, branży medycznej i farmaceutycznej, na przykład w produkcji szczepionek.

Nakłada to specjalne wymogi na projekt systemu wentylacji i klimatyzacji w pomieszczeniach tego rodzaju. Warunki te to: dostarczanie powietrza o wystarczającej objętości i czystości, aby utrzymać wymaganą klasę czystości cleanroomu, wprowadzanie go w taki sposób, żeby zapobiec zastojom w obszarach, gdzie mogą się gromadzić cząstki, przygotowanie powietrza w celu spełnienia wymagań dotyczących temperatury i wilgotności oraz zapewnienie go w wystarczającej ilości do utrzymania określonego dodatniego ciśnienia. Przy ich spełnianiu trzeba pamiętać, że cleanroomy pod wieloma względami różnią się od zwykłego wentylowanego/klimatyzowanego pomieszczenia.

Komponenty systemu HVAC: filtry Ważnym komponentem systemów wentylacji są filtry oczyszczające powietrze. Ich typ zależy od: rodzaju i rozmiaru cząstek zanieczyszczeń, które trzeba usunąć, ich stężenia, stopnia, w jakim trzeba je usunąć, aby na przykład spełnić określone normy, temperatury i wilgotności powietrza, wymagań w zakresie bezpieczeństwa przeciwpożarowego oraz przeciwwybuchowego. Przykładem są filtry tkaninowe i elektrostatyczne. W tych drugich cząstki zanieczyszczeń najpierw zostają zjonizowane, a następnie są wychwytywane przez przeciwnie naładowaną płytkę. Filtry elektrostatyczne są bardzo wydajne w zbieraniu drobnych cząstek, ale nie mogą być używane przy silnym zapyleniu, ponieważ łatwo się zatykają. Nie powodują dużej straty ciśnienia.

Przede wszystkim wyróżniają się większymi potrzebami w zakresie cyrkulacji powietrza – typowe systemy HVAC projektuje się tak, żeby zapewniały od dwóch do czterech jego wymian w ciągu godziny, podczas gdy w cleanroomach jest to zwykle minimum dziesięć do nawet kilkuset wymian na godzinę. Jest to konieczne, by utrzymać założoną liczbę cząstek w jednostce objętości powietrza – w najbardziej sterylnych pomieszczeniach akceptowalne są jedynie 2 i 10 cząsteczek o średnicach odpowiednio 0,2 μm i 0,1 μm na metr sześcienny powietrza. Dla porównania typowy pokój w domu zawiera ponad 10 mln cząsteczek o średnicy 0,5 μm i większych. Tak częsta wymiana powietrza jest też konieczna, aby zapobiec osiadaniu tych cząstek na powierzchniach w cleanroomie. Zależnie od rozmiaru w wentylowanym pomieszczeniu zachowują się one w różny sposób. Na przykład w takim o wysokości ponad 2 metrów osiadanie cząstki o wielkości 1 μm może zająć kilkanaście godzin, podczas gdy cząstka o wielkości 50 μm opada typowo minutę. Te większe niż 5 μm mają tendencję do jeszcze szybszego osiadania, o ile nie są przedmuchiwane powietrzem.

Ponadto powietrze w cleanroomach musi być oczyszczane. Skuteczną filtrację w strefach czystych zapewniają filtry HEPA (High Efficiency Particulate Air). Umieszcza się je na wlocie powietrza do pomieszczenia. Skuteczność filtracji filtrów HEPA sięga 99%.

Między sąsiadującymi ze sobą pomieszczeniami zwykłymi a strefami czystymi należy utrzymywać różnicę ciśnień – w cleanroomie ciśnienie powinno być zawsze wyższe, żeby zapobiec przenikaniu zanieczyszczeń przez nieszczelności i podczas otwierania i zamykania drzwi. Zalecana minimalna różnica między czystym obszarem a sąsiednią nieczystą strefą powinna wynosić kilkanaście Pa. Jeżeli kilka pomieszczeń czystych o różnych poziomach czystości jest połączonych, również należy zachować hierarchię stopni czystości. Zalecana wtedy minimalna różnica ciśnień między czystymi strefami wynosi kilka Pa.

Wyróżnikiem cleanroomów jest też przepływ powietrza. Generalnie odbywa się to na jeden z trzech sposobów: jednokierunkowo (przepływ laminarny), niejednokierunkowo (przepływ turbulentny), w sposób mieszany. Przepływ jednokierunkowy zapewnia skuteczniejsze wymiatanie niepożądanych cząstek dzięki efektowi tłoka zapewnianemu przez niezmienną prędkość powietrza.

Projektowanie systemu wentylacji i klimatyzacji w cleanroomie nie jest zatem zadaniem błahym. W obliczeniach, poza powyższymi kwestiami, należy uwzględnić także: rozmiar pomieszczenia, liczbę osób pracujących w nim w tym samym czasie, które są nie tylko źródłem zanieczyszczeń i ciepła, a jednocześnie w związku ze strojem ochronnym, jaki są zobowiązane nosić, wymagają określonych warunków środowiskowych, specyfikę wyposażenia cleanroomu, które tak jak personel jest źródłem kurzu i ciepła oraz oświetlenie, które generuje ciepło.

Monika Jaworowska