TZB-info / Zásady užití nízkopodtlakových odsávacích a filtračních systémů

Skladba systému a charakteristika
Typický odsávací a filtrační systém je buď v integrované (jediné zařízení) či diskrétní formě a obsahuje zpravidla výkonový ventilátor s regulací nebo bez regulace otáček, soustavu vzduchotechnických potrubí s řadou regulačních a doplňkových prvků, filtrační jednotkou nebo soustavou filtračních jednotek s příslušenstvím, odsávací rameno nebo soustavu odsávacích ramen s dýmníky. Odsávací ramena jsou umístěna v bezprostřední blízkosti zdroje znečištění, který chceme odsávat. Tyto systémy pracují s relativně vysokými hodnotami průtoku odsávaného média a s rychlostmi v rozmezí jednotek až desítek m/s (měřeno v rameni či potrubí/. Předností těchto systémů je poměrně malá závislost na konkrétním konstrukčním uspořádání zařízení, které je odsáváno (např. svařovací agregáty, ruční brusky, atd.), i když existuje řada výjimek. Příkladem integrovaného systému je zařízení Filterbox (obr.1a) nebo Filtercard (obr.2), příkladem systému v diskrétní formě je soustava z obr.3.

Obr.1a. Odsávací a filtrační jednotka Filterbox.
Zařízení obsahuje: odsávací rameno s dýmníkem, event. i klapkou, filtr s mechanismem čištění (manuální, automatické, automatické s tlakovým vzduchem, mechanické s tlakovým vzduchem - dle stupně výbavy), ventilátor, tlumič hluku. Jednotka je koncipována jako flexibilní stavebnice s příslušenstvím a může být buď stacionární (na podlaze, na stěně) nebo mobilní jednotkou. Je určena, dle stupně výbavy až po nejtěžší provozy (časté sváření, broušení atd.).

Obr.2. Odsávací a filtrační jednotka Filtercard.
Obsahuje rameno s dýmníkem, filtr, ventilátor. Je určena pro lehčí provozní podmínky (občasné použití, neobsahuje regenerativní automatické čištění filtru/

Obr.3. Typický diskrétní odsávací a filtrační systém.
Systém obsahuje soustavu ramen s dýmníky, regulační klapky, soustavu vzduchotechnických potrubí, filtrační jednotku FilterMax 3000 (max. průtok do 3500m³/hod), s předseparátorem a s unikátním automatickým sekvenčním čistícím systémem filtru PULS-JET

Polohovatelná odsávací ramena

Ideálním řešením pro odsávání přímo u zdroje s omezeným pracovním prostorem, je použití odsávacích ramen. Vlastnosti vybraných ramen si ukážeme na následujících příkladech: Nederman Original (obr.4) - rameno o délkách 1,5m, 2m, 3m, 4m, 5m, doporučený průtok 800m³/hod., pro délku 4m jsou ramena opatřena kloubem pro ještě snadnější horizontální pohyb, pro délku 5m jsou opařena 4 klouby (tzv. bodywork). Základním podkladem pro správné dimenzování celého systému je závislost poklesu tlaku v rameni na průtoku (obr.5). Jednoduchým výpočtem lze ukázat, že není ekonomické příliš zvyšovat hodnotu doporučeného průtoku v rameni, neboť budeme muset použít více výkonný ventilátor s větší spotřebou el. energie. Výhodnější je použít rameno s vyšším doporučeným průtokem a tím i menší závislostí poklesu tlaku v rameni na průtoku, eventuálně i více ramen. Dalším hlediskem při výběru ramen jsou manipulační vlastnosti, tepelná odolnost ramen, váha, hlučnost ale i použitý dýmník (umisťuje se na konec ramene). Tvar dýmníku má, vedle hodnoty průtoku, podstatný vliv na nezbytnou technologickou vzdálenost mezi dýmníkem a místem vzniku odsávaného média. Hlučnost ramene v oblasti dýmníku je 67-71 dB(A) (měřeno dle ISO 6081).

Obr.4. Polohovatelné rameno Nederman Original s dýmníkem. Doporučený průtok 800m3/hod. Rameno je dostupné v délkách 1,5m, 2m,3m,4m. Pro délku 4m jsou ramena opatřena kloubem pro ještě snadnější horizontální pohyb, pro délku 5m jsou opařena 4 klouby (tzv. bodywork)

Obr.5. Rameno Nederman Original. Závislost poklesu tlaku v rameni na průtoku. V grafu jsou vyznačeny křivky pro různé délky ramen. Pro orientaci jsou zakresleny i charakteristiky ventilátorů N16 a N24

Další doporučená ramena:

Nederman Original XL, rameno je určené pro velmi těžké provozní podmínky (např. broušení či sváření s možnost poškození horkými částicemi a pod.). Doporučený průtok 2000 m³/hod. Délky 2m, 3m, 4m. Pro délku 4m jsou ramena opatřena kloubem pro snadnější horizontální pohyb. Průměr ramene D=200mm. Nederman 5000 (obr.6a.), rameno o délkách 3m, 4m, 5m, průřez 160x180mm, doporučený průtok 1100-1200 m³/hod., ramena jsou opatřena unikátním mechanickým systémem pro velmi snadnou manipulaci. Závislost poklesu tlaku v rameni na průtoku je na obr. 6b. Nederman Telescopic, krátká ramena délky 0,87-1,57 m, doporučený průtok 800m³/hod lze v tomto případě výrazně překročit, průměr D=160mm. NEX D, NEX DX (obr.7),délky 2m, 3m, 4m, 5m. Specielní ramena určená pro hygienické prostředí a pro odsávání látek s nebezpečím výbuchu. U těchto ramen je oddělena manipulační mechanická konstrukce od transportní části. Zvláštní pozornost je věnována elektrostatickým vlastnostem ramene a dvojitému uzemnění (vyloučení možnosti iniciace výbuchu elektrickou cestou). Doporučený průtok je 1200 m³/hod. Průměr D=160mm. Certifikováno pro zónu 2 nebo 22 dle ATEX, resp. pro zónu 1 nebo21 podle ATEX.

Obr. 6a. Rameno Nederman 5000 s dýmníkem. Doporučený průtok 1100-1200 m3/hod. rameno o délkách 3m, 4m, 5m, průřez 160x180mm, ramena jsou opatřena unikátním mechanickým systémem pro velmi snadnou manipulaci.

Obr.6b. Rameno Nederman 5000, závislost poklesu tlaku v rameni na průtoku. V grafu jsou vyznačeny křivky pro různé délky ramen. Pro orientaci jsou zakresleny i charakteristiky ventilátorů N16 a N24

Obr.7. Ramena NEX D, NEX DX určená pro hygienická prostředí a pro odsávání látek s nebezpečím výbuchu. Délky ramen jsou 2m, 3m, 4m, 5m. U těchto ramen je oddělena manipulační mechanická konstrukce od transportní části. Zvláštní pozornost je věnována elektrostatickým vlastnostem ramene a dvojitému uzemnění (vyloučení možnosti iniciace výbuchu elektrickou cestou). Doporučený průtok je 1200 m3/hod. Průměr D=160mm. Certifikováno pro zónu 2 nebo 22 dle ATEX, resp. pro zónu 1 nebo21 podle ATEX

Filtry a filtrační jednotky

Příklad chování filtrační jednotky Filterbox si ukážeme dle obr.1b. Na počátku provozu je závislost poklesu tlaku na průtoku vzduchu popisována křivkou č.4. Předpokládejme např., že odsáváme kouř a zplodiny při elektrickém svařování (MIG). Po určité době, kdy dojde ve filtru k lehkému nahromadění zplodin se dostaneme na křivku č.2 a pokud není zařízení vybaveno např. automatickým čištěním zpětným tlakovým vzduchem (vybrané varianty Filterbox tuto možnost mají) nebo není jiným způsobem efektivně čištěn filtr, dostaneme se až na závislost č.1, tedy k podstatnému zhoršení celého procesu odsávání. Z uvedeného příkladu je zjevné, že závislost poklesu tlaku na průtoku není neměnnou závislostí a je nutné ji pokud možno stabilizovat. Proto preferujeme a doporučujeme používat (pro náročné provozní podmínky) filtrační systémy s automatickým čištěním. Lze ukázat, že ze střednědobého hlediska (2-4 roky) je tento přístup nejen techničtější ale i ekonomický.

Obr.1b. Závislost poklesu tlaku na průtoku u jednotky Filterbox. Ilustrativní příklady vlivu znečištění na pokles tlaku na filtrační jednotce. Křivka 1-silné nahromadění zplodin Křivka 2-lehké nahromadění zplodin při sváření Křivka 3-lehké nahromadění zplodin, prach Křivka 4-čistá filtrační vložka

Další zásady a požadavky na výběr filtrů a filtračních jednotek jsou:

• vědět co odsáváme a na základě těchto znalostí lze teprve volit správný typ filtru. V tomto případě doporučujeme kontaktovat technické pracovníky zastoupení pro upřesnění optimálního filtru. Pro řadu filtrovaných medií jsou doporučené filtry známy. Pro některé odsávané látky a částice však dochází k podstatné změně při dimenzování filtrů a např. jednotka FilterMax 3000, která umožňuje průtok až do 3500m³/hod může být používána pro určitá odsávaná média jen např.na 60% původní kapacity. Pro určení potřebné plochy filtru výrobce definuje hodnoty tzv. konstanty K, která popsuje max. přípustný průtok v m³/hod pro jednotku plochy filtru pro konkrétní aplikace.

• výběr vhodné filtrační jednotky vychází z hodnoty max. průtoku (redukovaného pro dané provozní podmínky).

• pro výpočet odsávací a filtrační soustavy je nutná znalost typické nebo mezní hodnoty poklesu tlaku při daném průtoku.

• velikost hluku (měřená dle ISO 6081) obecně roste s rostoucími parametry a výkonem filtrační soustavy, nicméně hluk lze snižovat vhodným použitím tlumičů hluku a dále ho eliminovat vhodným umístěním jednotky. Např. u popsané jednotky FilterBox je hodnota hluku pro rameno délky 3m a s ventilátorem N24 bez tlumiče 72 dB(A), s tlumičem je o 7 dB(A) nižší, tedy 65dB(A), což je obrovský rozdíl. Vybrané odsávací systémy Nederman určené do laboratoří (elektrotechnického a chemického průmyslu) mají např. hlučnost i s ventilátorem pouhých 50 dB(A)! Hlučnost zařízení FilterMax 3000 až FilterMax 9000 /obr.8) je 50dB(A)-73 dB(A), hlučnost ventilátoru N16 je např. pouhých 60dB(A). Nízká hlučnost je velkou předností výrobků společnosti Nederman a má výrazně pozitivní vliv na pracovní prostředí.

• odpovědět na otázku zda potřebujeme před-separátor či separátor. Jednotka FilterMax má např. v sobě zabudovaný před-separátor pro oddělení těžších částic.

• vhodnost umístění jednotky ve venkovním prostředí, neboť řada obřích filtračních jednotek je umisťována vně odsávaných objektů (z prostorových důvodů, z důvodů hlučnosti ventilátorů).

• v případě nutnosti je možné filtrační jednotky řadit. paralelně

• účinnost filtrace je udávána v parametrových listech jako celková hmotnostní separační účinnost a pro jednotky Nederman se pohybuje např. pro uváděný Filterbox v hodnotách od 99 % - 99,9%. Pro jednotky FilterMax 3000, 6000, 9000 se pohybuje od 99 % (filtr standard) až do 99,97 % (filtr PTFE/. Údaje platí pro částice velikosti 0,3um, dle tříd W2 resp. W3 podle ISO/DIS15012-1.

• pro odsávání látek s nebezpečím exploze společnost Nederman vyvinula a certifikovala jednotky FilterMax DX 3000, 6000, 9000. K tomu jsou, jak již bylo řečeno, používány speciální ramena a speciální ventilátory NCF DX (viz. dále). Tím je (s dalším příslušenstvím) dostupná kompletní řada odsávacích a filtračních soustav pro odsávání materiálů s nebezpečím výbuchu (tzv. DX provedení u filtrů a ramen a EX provedení u ventilátorů).
  

Obr.8. Filtermax 3000, Filtermax 6000, Filtermax 9000 (průtok až do 500-10000m3/hod). Modulové řešení stavebnicové filtrační jednotky, která zabírá zastavěnou plochu jen 1,5m2. Jednotka obsahuje před-separátor na oddělení těžších částic a dále unikátní sekvenční automatický čistící systém PULS-JET, který stabilizuje filtrační vlastnosti (pokles tlaku na filtru) a zvyšuje technickou dobu života filtrů. Plně automatizovaný systém

Ventilátory

Výkonové ventilátory jsou základními aktivními členy nízkopodtlakových odsávacích systémů. Příklad charakteristiky radiálních ventilátorů řady N (obr.9a) je na obr.9b. Výkonnostně končí řada N na 2,2 kW, z hlediska průtoku na 4000m³/hod, samozřejmě v závislosti na požadovaném tlaku. Řada N se vyznačuje jednoduchou konstrukcí nízkou úrovní hluku. Příklad charakteristik výkonnější řady NCF (obr10a.), která se používá pro průtok od 1600m³/hod do cca 12000m³/hod je na obr .10b.
Pro odsávání a filtraci velmi rozsáhlé skupiny látek s nebezpečím exploze (vybrané plasty, hliník, jeho slitiny, vybrané chemické pevné i plynné látky atd.) vyvinula společnost Nederman řadu ventilátorů NCF DX s příslušenstvím. Rozsah parametrů je podobný popsaným ventilátorům NCF (viz.obr.10a,10b).
Vedle popsaných charakteristik je důležitým parametrem hlučnost, rozměry, přípustný rozsah teplot okolí, který podmiňuje venkovní použití ventilátorů. Hluk ventilátoru lze omezit použitím tlumičů a protihlukových kabin. 
Ventilátory s výkonem cca do 5 kW zapínáme přímo na 1f nebo 3f síť, od 5 kW výše se doporučuje použít, pro omezení mechanických i elektrických rázů při zapínání, přepínač typu hvězda- trojúhelník, ještě lepší je použít frekvenční měnič, který ovšem má i jinou funkci. Frekvenční měniče slouží k regulaci výkonu a tím i spotřeby el. energie a v řadě případů snižují celkové náklady na odsávání ze střednědobého hlediska, snižují hlučnost a mají pozitivní vliv na udržovatelnost a technickou dobu života odsávacího a zejména filtračního systému.

Obr.9a. Ventilátory řady N. Rozsah výkonů 0,37-2,2 kW, z hlediska průtoku do 4000m3/hod. v závislosti na požadovaném tlaku. Ventilátory jsou konstruovány na 1f i 3f síť. Řada N se vyznačuje velmi nízkou úrovní hluku (např.u N16 je to 60dB(A))

Obr 9b. Charakteristiky ventilátorů řady N (závislost tlaku na průtoku)

Obr.10a. Řada ventilátorů NCF. Výkon od 2,2 kW do 15kW. Max. průtok 1600m3-12000m3. Výrobce věnoval otázce snížení hlučnosti max. pozornost (hlučnost od 66dB(A) do 80dB(A)). Ventilátory mohou pracovat s frekvenčními měniči (úspora el. energie, vyšší životnost filtru, nižší hlučnost, toto řešení může přinést ze střednědobého hlediska značnou úsporu nákladů).

Obr.10b. Charakteristiky ventilátorů NCF (závislost tlaku na průtoku)

Spojovací potrubí

Při dimenzování potrubí doporučujeme vycházet z následujících údajů

Při konkrétním početním odhadu ztrát v potrubí, za předpokladu dodržení dimenzování z uvedené tabulky a pokud nemáme k dispozici údaje výrobce potrubí, můžeme vycházet z těchto údajů:

• Potrubí:                        5 Pa/m 

• Koleno 90°:                 15 Pa 

• T člen:                      100 Pa 

Výše uvedené odhady lze použít pro doporučenou rychlost vzduchu 6-14m/s.

Pracovní snímek využití pracoviště

Znalost skutečného využití pracoviště je základním podkladem pro ekonomický návrh odsávacího systému. Pro tento účel definujme tzv. koeficient současnosti, stručně současnost. Koeficient současnosti nám procentuálně určuje kolik pracovišť pracuje současně z celkového počtu a tedy na jaký výkon musíme dimenzovat odsávací systém, jinými slovy jak bude výkonná a tudíž drahá celá odsávací soustava. Využití koeficientu současnosti si ukážeme na příkladu početního odhadu. Pokud zákazník nebo projektant nemůže údaje o současnosti zajistit (nová stavba), můžeme mu poskytnout kvalifikovaný odhad. Nejekonomičtějším řešením pro konečného uživatele je však experimentální určení pracovního snímku pracoviště a určení současnosti.
Při proměnném koeficientu současnosti z pohledu času, např. v první dva dny pracovního týdne je současnost jiná než ve zbytku týdne, nebo obecně při nízké současnosti doporučuji nechat si provést odhad celkových nákladů (našimi specialisty) ze střednědobého hlediska (cca 2-5 let) a pečlivě zvážit efektivnost použití frekvenčního měniče pro regulaci otáček u ventilátorů typu NCF. V řadě případů je toto řešení nejen vysoce technické (snížení hluku, zvýšení životnosti komponent) ale i ekonomické!

Příklad postupu při návrhu odsávací soustavy

Předpokládejme odsávání 6 pracovišť pro sváření ocele, koeficient současnosti je 50%, tj. 3 pracoviště pracují současně, z manipulačních a technologických důvodů volíme po dohodě se zákazníkem odsávací ramena Nederman Original 4m., přizpůsobená pro ještě snadnější horizontální pohyb, celková délka vedení i rozmístění potrubí včetně umístění pracovišť je dána, je znám počet kolen 90° a T kusů vzduchotechnického vedení.
Postup:

1. volíme tři hodnoty průtoku ramenem Nederman Original 4m blízké doporučené hodnotě 800m³/hod tj. např. 600m³/hod, 800m³/hod, 1000m³/hod a určíme velikosti poklesu tlaku v rameni pro uvedené 3 průtoky pomocí obr.5 pro křivku, která platí pro délku ramene 3-4m.
2. určíme pokles tlaku ve všech částech potrubí dle podkladů z části " Potrubí" včetně ramen
3. vybereme vhodnou filtrační jednotku, v tomto případe FilterMax 3000. Skutečné dimenzování filtru konzultujeme s výrobcem Tato jednotka má max. průtok 3500m³/hod pro odsávání zplodin při sváření ocele, pokles tlaku je 1200Pa.
4. určíme celkový pokles tlaku na cestě rameno, potrubí, filtr pro tři zvolené hodnoty průtoku
5. tyto tři body, resp. tuto křivku (lze nahradit matematicky jednoduchou např. mocninnou závislostí) vyneseme do charakteristik ventilátoru NCF na obr.10b a určíme definitivní typ ventilátoru, celkový průtok vzduchu i velikost poklesu tlaku.
6. na základě takto určené hodnoty průtoku určíme potřebné potrubí dle tabulky z části "Potrubí".

Poznámka: v případě, kdy pracujeme se současností menší než 100%, je nutno umístit mezi rameno a potrubí tzv. automatické či mechanické klapky a odsávat jen ta pracoviště, která to vyžadují.

Závěr

Hlavní oblastí užití popsaných odsávacích a filtračních systémů je zejména oblast odsávání při svařování, dělení materiálů, řezání kovů, broušení, leštění, odsávání plynných olejových substancí, odsávání umělých hmot, skelných vláken, odsávání v chemickém, farmaceutickém, potravinářském, elektrotechnickém průmyslu a v dalších oborech. Další oblastí užití je odsávání výfukových zplodin dopravních prostředků, kde tyto zplodiny nefiltrujeme. Velmi specifickou a důležitou oblastí užití, která je technicky nejnáročnější, je odsávání látek s nebezpečím výbuchu (nezaměňujme s prostředím s nebezpečím výbuchu). Pro odsávání explozních látek společnost NEDERMAN vyvinula několik řad nízkopodtlakových systémů s širokým rozsahem parametrů a bohatým příslušenstvím.

Konečnému zákazníkovi doporučuji při přípravě odsávání následující kroky:

1. poskytnout projektantovi všechny důležité prostorové i technologické informace

2. provést časový snímek využití jednotlivých pracovišť a určit tak současnost pracovišť

3. vyžádat si rozbor výše celkových nákladů spojených s realizací odsávání nejen z pohledu okamžité investice, ale i z hlediska ceny udržovatelnosti odsávacího systému, tedy ze střednědobého hlediska, kdy bude kalkulováno i s náklady na spotřebu el. energie a zváženo použití např. frekvenčních měničů

4. ve zvlášť obtížných případech nabízíme bezplatnou konzultaci problému odsávání při přímých jednáních s projektantem, dodavatelem či generálním dodavatelem.

Použitá literatura:
- "Dimensioning the exctraction system" - interní materiál společnosti Nederman
- Parametrové listy a technické materiály popisovaných výrobků