Wentylacja sprężarkowni i maszynowni przemysłowych

Dwa zadania wentylacji: chłodzenie urządzeń i czyste powietrze

W sprężarkowni i maszynowni wentylacja ma dwa podstawowe zadania: odprowadzać ciepło oddawane przez urządzenia oraz zapewniać im dostęp do czystego powietrza. W praktyce sam dobór wentylatora nie przesądza jeszcze o skuteczności układu. O wyniku decyduje również przebieg strumieni powietrza, rozmieszczenie nawiewu i wywiewu oraz warunki panujące przy króćcach ssawnych urządzeń.

Dobrze działająca wentylacja przemysłowa nie dopuszcza do zawracania ogrzanego powietrza w okolice sprężarek, silników i napędów. Jej działanie warto potwierdzić pomiarem po uruchomieniu instalacji, zwłaszcza po zmianie wyposażenia maszynowni. W praktyce sprowadza się to do kilku kroków:

1. Ustal źródła zysków ciepła oraz miejsca, w których gorące powietrze gromadzi się przy sprężarkach, silnikach i napędach.
2. Wyznacz drogę nawiewu tak, aby urządzenia pobierały możliwie czyste powietrze. Wywiew nie powinien kierować ogrzanego strumienia z powrotem do strefy pracy maszyn.
3. Dobierz wydajność wentylacji do rzeczywistego obciążenia pomieszczenia, a następnie sprawdź ją podczas odbioru instalacji.
4. Kontroluj temperaturę, przepływ i stan elementów instalacji. Zabrudzenia oraz błędna regulacja obniżają skuteczność wymiany powietrza.

W jednej z naszych realizacji - odzysku ciepła dla dużej hali produkcyjnej, wykonanym w modelu „zaprojektuj i wybuduj" w niecałe osiem tygodni - zmierzona wydajność wentylacji wyniosła 42 000 m³/h wobec 30 000 m³/h przyjętych w projekcie, czyli o 40% więcej. To dane z pomiarów odbiorowych na instalacji, którą projektowaliśmy i wykonywaliśmy, nie wartość normatywna. Rozbieżność między wartością projektową a pomiarem - niezależnie od jej kierunku - pokazuje, że odbiór instalacji powinien obejmować pomiar rzeczywistego przepływu, a nie wyłącznie ocenę zgodności z założeniami projektowymi.

Kiedy przeprowadzić weryfikację wentylacji?

Pomiar wykonaj po uruchomieniu instalacji i po zmianie wyposażenia maszynowni. Weryfikacja jest potrzebna również wtedy, gdy rośnie temperatura urządzeń albo pojawiają się oznaki niestabilnej pracy.

Parametry decydujące o zapotrzebowaniu na wentylację sprężarkowni

Zapotrzebowanie na wentylację sprężarkowni wynika przede wszystkim z ilości ciepła oddawanego przez urządzenia. Równie istotne są ilość i jakość powietrza potrzebnego do pracy sprężarek, układ pomieszczenia oraz warunki panujące w sąsiednich strefach produkcyjnych.

Układ wystarczający do chłodzenia pomieszczenia nie zawsze zapewni właściwe powietrze dla sprężarki. Dlatego bilans cieplny, lokalizację poboru powietrza i rzeczywisty kierunek przepływu należy oceniać łącznie. W jednej z naszych realizacji pomiar odbiorowy wyraźnie odbiegał od wartości projektowej, co potwierdza potrzebę sprawdzenia instalacji w rzeczywistych warunkach pracy.

Bilans ciepła i charakter pracy urządzeń

Sprężarki, silniki elektryczne, napędy i elementy instalacji przekazują część energii do otoczenia. Temperatura w maszynowni rośnie szczególnie wtedy, gdy kilka urządzeń pracuje równocześnie albo gdy gorące powietrze zatrzymuje się pod stropem i nie trafia do wywiewu.

Bilans cieplny powinien uwzględniać pracę urządzeń podstawowych i pomocniczych, ich rozmieszczenie, zmienne obciążenie oraz temperaturę powietrza nawiewanego. Warto objąć analizą także przewody, zbiorniki i układy chłodzenia. Liczy się nie tylko ilość wymienianego powietrza, lecz również jego droga od nawiewu do wywiewu.

Powietrze dla urządzeń i warunki pomieszczenia

Sprężarka potrzebuje powietrza o odpowiedniej temperaturze, czystości i dostępności przy króćcu ssawnym. Pobór powietrza z obszaru narażonego na pył, mgłę olejową, spaliny lub gazy procesowe może pogorszyć warunki pracy urządzenia i zwiększyć obciążenie filtrów.

Na przepływ wpływają także kubatura maszynowni, położenie otworów nawiewnych i wywiewnych oraz przeszkody w pomieszczeniu. Szczelne zabudowy, niekorzystne ustawienie maszyn i przypadkowe otwieranie bram mogą zmieniać kierunek strumieni, ale nie zastępują kontrolowanej wymiany powietrza. Parametry instalacji należy potwierdzić podczas pracy urządzeń przy obciążeniu zbliżonym do rzeczywistego.

Znaczenie wentylacji przemysłowej dla sprężarek i maszyn

Wentylacja przemysłowa ogranicza kumulację ciepła w maszynowni i pomaga utrzymać warunki pracy urządzeń na stabilnym poziomie. Gdy ogrzane powietrze pozostaje w pomieszczeniu, wzrasta obciążenie układów chłodzenia, a urządzenia mogą zasysać powietrze o gorszych parametrach.

Problem pojawia się zwłaszcza wtedy, gdy wywiew wraca do strefy poboru powietrza przez maszyny. Podobne skutki może powodować nawiew prowadzony z obszarów zanieczyszczonych pyłem, mgłą olejową lub gazami procesowymi.

Odzysk ciepła można rozważyć, gdy z maszynowni stale usuwane jest ogrzane powietrze, a zakład ma możliwość wykorzystania odebranej energii cieplnej. Nie zastępuje on jednak właściwie zaprojektowanej wentylacji ani nie rozwiązuje problemu niekontrolowanego przepływu powietrza. Najważniejsze efekty sprawnej wymiany powietrza to:

• Odprowadzenie nadmiaru ciepła ogranicza ryzyko przegrzania napędów, silników i sprężarek.
• Doprowadzenie czystego powietrza zmniejsza ryzyko zasysania zanieczyszczeń z hali.
• Kontrolowany przepływ ogranicza powrót ogrzanego powietrza do strefy pracy maszyn.
• Stabilniejsze warunki w pomieszczeniu ułatwiają utrzymanie ciągłości procesu i planowanie pracy służb technicznych.
• Odzysk energii z usuwanego powietrza może obniżyć zapotrzebowanie zakładu na ciepło.

Otwarte bramy i przypadkowy przepływ powietrza nie zapewniają powtarzalnych warunków w maszynowni. Ich skuteczność zależy od pogody i warunków wokół budynku.

Czy sama wentylacja ogólna wystarczy w sprężarkowni?

Nie zawsze. Wentylacja ogólna może rozpraszać ciepło w pomieszczeniu, lecz nie gwarantuje dopływu czystego powietrza do urządzeń ani skutecznego usunięcia gorącego strumienia z ich bezpośredniego otoczenia.

Projektowanie skutecznego systemu wentylacji sprężarkowni

Projekt systemu powinien zapewnić dopływ czystego powietrza do urządzeń i usuwanie ciepła bez zawracania go do strefy zasysania. Punktem wyjścia jest analiza pomieszczenia oraz procesu, a nie wybór wentylatora wyłącznie na podstawie kubatury. Projekt prowadzimy zwykle w następującej kolejności:

1. Rozpoznaj rozmieszczenie sprężarek, silników, napędów, przewodów i przeszkód budowlanych. Zaznacz strefy emisji ciepła, miejsca poboru powietrza oraz obszary, w których może gromadzić się gorące powietrze.
2. Przygotuj bilans cieplny obejmujący pracę maszyn i urządzeń pomocniczych. Uwzględnij zmienne obciążenie, warunki powietrza zewnętrznego oraz możliwe zyski ciepła z sąsiednich części zakładu.
3. Dobierz nawiew tak, aby czyste powietrze docierało do stref poboru urządzeń przed połączeniem z powietrzem wywiewanym. Nie lokalizuj czerpni przy źródłach pyłu, mgły olejowej, spalin ani gazów procesowych.
4. Rozmieść wywiew w miejscach, w których gromadzi się ogrzane powietrze. Prowadź strumień przez pomieszczenie w uporządkowany sposób i ograniczaj ryzyko krótkiego obiegu między nawiewem a wywiewem.
5. Sprawdź współpracę układu z klimatyzacją przemysłową, chłodzeniem urządzeń i instalacjami odpylania. Systemy te mogą zmieniać rozkład ciśnień oraz kierunek przepływu w maszynowni.
6. Zapewnij dostęp serwisowy do wentylatorów, filtrów, przepustnic i kanałów. Brak możliwości czyszczenia lub regulacji utrudnia utrzymanie parametrów instalacji.

Po uruchomieniu instalacji sprawdź rzeczywisty kierunek przepływów oraz warunki przy urządzeniach. Układ powinien prowadzić powietrze od strefy czystej do obszaru obciążonego ciepłem, a następnie usuwać je poza pomieszczenie bez ponownego zasysania przez maszyny.

Sytuacje, które wymagają szczególnej analizy projektu

Szczegółową analizę wykonaj przy modernizacji istniejącej sprężarkowni oraz zmianie liczby lub lokalizacji urządzeń. Jest ona potrzebna także po połączeniu maszynowni z inną strefą produkcyjną oraz wtedy, gdy instalacja ma współpracować z odzyskiem ciepła albo odpylaniem.

Wentylacja naturalna czy mechaniczna w maszynowni przemysłowej

Wentylacja naturalna i mechaniczna różnią się sposobem wymuszania przepływu oraz możliwością utrzymania powtarzalnych warunków. Wybór zależy od ilości ciepła oddawanego przez urządzenia, warunków poboru powietrza i wymaganej stabilności pracy maszynowni. Poniższe zestawienie pokazuje najważniejsze różnice:

Najważniejsza różnica dotyczy kontroli przepływu powietrza. Wentylacja naturalna zależy od warunków, na które zakład nie ma bezpośredniego wpływu. Nie gwarantuje stałego odbioru zysków ciepła ani powtarzalnych warunków przy urządzeniach.

Wentylacja mechaniczna pozwala określić miejsce nawiewu i wywiewu, ograniczyć mieszanie strumieni oraz dostosować pracę instalacji do obciążenia maszynowni. Układ naturalny może ją wspierać, jeżeli konstrukcja budynku ułatwia odpływ ogrzanego powietrza.

Gdzie wentylacja naturalna ma sens

Można ją rozważyć jako uzupełnienie układu mechanicznego, gdy pomieszczenie ma warunki sprzyjające grawitacyjnemu odpływowi ciepła. Takie rozwiązanie jest właściwe, jeśli proces nie wymaga stałego i precyzyjnie kontrolowanego przepływu powietrza.

Eksploatacja, bezpieczeństwo i ograniczenia systemu wentylacji

Eksploatacja instalacji wentylacyjnej powinna koncentrować się na utrzymaniu założonego przepływu oraz szybkim wykrywaniu spadków wydajności. Nawet poprawnie zaprojektowany układ traci skuteczność, gdy filtry, wentylatory, przepustnice lub kanały nie są regularnie kontrolowane. Warto trzymać się kilku zasad eksploatacyjnych:

1. Monitoruj temperaturę w strefie urządzeń, na nawiewie i przy wywiewie. Wzrost temperatury względem normalnych warunków pracy może wskazywać na ograniczony przepływ, błędną regulację albo zmianę obciążenia maszyn.
2. Porównuj rzeczywistą wydajność instalacji z założeniami dla pomieszczenia. Spadek strumienia powietrza może wynikać z zabrudzenia filtrów i kanałów, zużycia wentylatora lub niewłaściwego położenia przepustnic.
3. Kontroluj stan filtrów, czerpni, wyrzutni, krat i przewodów. Usuwaj nagromadzony pył oraz osady olejowe, ponieważ zwiększają opory przepływu i mogą wtórnie zanieczyszczać powietrze.
4. Sprawdzaj działanie zabezpieczeń, sygnalizacji i automatyki współpracującej z urządzeniami technicznymi. Monitoring powinien wykrywać awarię wentylatora, zmianę kierunku przepływu oraz nieprawidłową pracę elementów regulacyjnych.
5. Oceń zagrożenie pyłami, gazami i parami substancji palnych. Jeżeli może powstać atmosfera wybuchowa, dobierz rozwiązania zgodne z wymaganiami ATEX (ATmosphères EXplosibles - unijne przepisy dotyczące urządzeń i stanowisk pracy w atmosferach potencjalnie wybuchowych).
6. Planuj prace serwisowe po bezpiecznym zatrzymaniu urządzeń oraz zabezpieczeniu dostępu do elementów wirujących i instalacji elektrycznej.

W obszarach pracy ludzi uwzględniaj również NDS, czyli najwyższe dopuszczalne stężenia substancji szkodliwych w środowisku pracy. Regularna kontrola temperatury, przepływu i czystości elementów pozwala wykryć pogorszenie działania, zanim przełoży się ono na przegrzewanie urządzeń lub zakłócenia procesu.

Sygnały, że instalacja wymaga przeglądu

Przegląd wykonaj po zmianie konfiguracji maszynowni, zauważalnym wzroście temperatury urządzeń lub pogorszeniu jakości powietrza. Zleć go także po awarii wentylatora oraz przed ponownym uruchomieniem instalacji po dłuższym postoju.

Warunki w maszynowni a procesy high-tech i pomieszczenia czyste

Maszynownia rzadko jest odbiorcą własnych zysków ciepła - powietrze, ciepło i drgania z niej trafiają do sąsiednich stref zakładu. Tam, gdzie obok pracują procesy o zaostrzonych wymaganiach, na przykład pomieszczenia czyste (clean room), niekontrolowany przepływ ciepłego lub zapylonego powietrza z pomieszczeń technicznych może zaburzać stabilność temperatury i wilgotności, od której zależy powtarzalność produkcji high-tech.

Dlatego maszynownię warto projektować jako element szerszego układu technologicznego, a nie odizolowane pomieszczenie. Rozdzielenie stref przepływu, właściwa lokalizacja czerpni i wyrzutni oraz kontrola nadciśnienia w strefach wrażliwych ograniczają ryzyko przenoszenia zanieczyszczeń i wahań mikroklimatu do obszarów o podwyższonych wymaganiach jakościowych.

Co mierzyliśmy na własnych instalacjach

Kilka wartości z naszych realizacji, w których odprowadzanie ciepła i praca urządzeń technicznych były głównym zadaniem instalacji:

• Odzysk ciepła, duża hala produkcyjna - zmierzona wydajność 42 000 m³/h wobec 30 000 projektowanych, moc chłodnicza 145 kW, grzewcza 125 kW, ponad 460 metrów bieżących kanałów i 130 nawiewników. Realizacja w modelu „zaprojektuj i wybuduj" w niecałe osiem tygodni.
• Odzysk ciepła z lakierni - wymiana powietrza 10 000 m³/h, powietrze odpadowe około 35°C, moc odzysku 64 kW, co pozwoliło utrzymać +16°C na sąsiedniej hali przy skrajnym mrozie.
• Hala odlewni aluminium - centrala nawiewno-wywiewna z przeciwprądowym wymiennikiem ciepła o sprawności do 92% i dwustopniową filtracją.

To dane z pomiarów odbiorowych na instalacjach, które projektowaliśmy i wykonywaliśmy. W innym pomieszczeniu, przy innym parku maszynowym i innej kubaturze wyniki będą inne.

Źródła

• Rozporządzenie Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. 2018 poz. 1286) | ISAP
• Dyrektywa 2014/34/UE (ATEX) w sprawie urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w atmosferze potencjalnie wybuchowej | EUR-Lex
• Energy Efficiency for Compressed Air | New Hampshire Department of Environmental Services (U.S. gov)
• Energy Tips – Compressed Air Tip Sheet #1 | U.S. Department of Energy (August 2004)