سیستم تخلیه هوا تقویت شده: تهویه موضعی با دامنه مکش وسیع تر

از: مهندس مسعود وثوق

مقدمه

تجهیزات تهویه موضعی می توانند به اصلاح کیفیت هوا در ناحیه تنفس کارگران کمک کنند، ولی وسائل موجود فاصله مکش محدودی دارند. در نتیجه سیستم های نصب شده، اغلب توسط کارگران به درستی مورد استفاده قرار نمی گیرند.
سیستم تخلیه تقویت شده یک اصل تهویه موضعی برای تهویه صنعتی با بازده اصلاح شده برای گرفتن آلودگی های آزاد شده در اثر کاری مانند جوشکاری میباشد. این سیستم ابتدا در سال ۱۹۶۵ توسط C.P Alberg در دانمارک پیشنهاد شد.
قابلیت ها و پتانسیل های این روش با تحقیقات و پژوهش های متعدد نشان داده شده است ( 1993/.Saunders et.al یا 1993/.Hunt et.al)؛ ولی با این وجود در مصارف صنعتی، کاربرد پیدا نکرده است. این مقاله فرایند بهینه سازی وسائل با استفاده از دینامیک سیال محاسباتی (CFD) را مورد بحث قرار میدهد. بویژه یک ارزیابی محاسباتی از وسائل مختلف تهویه محلی تشریح شده و به مطالعات قبلی نیز ارجاع داده شده است. در نهایت انتقال نتایج به یک نمونه کاری برای کارگاه نمایشی که در یک واحد ساخت و تولیدی سوئیس نصب شده، تشریح می شود.

کارگاه‌های دارای تهویه موضعی ناکافی هنوز هم در کارگاه‌های جوشکاری یا دیگر صنایع به وفور یافت می‌شود. دامنه مکش (Capture range) هودهای تخلیه رایج بسیار
محدود است. اغلب اپراتورها قسمت گیرنده آلودگی‌ها واقع در بالای سر را از قطعه کار دور می‌کنند، ولی برطرف روند کار مانع ایجاد می‌کند در نتیجه سیستم محلی نصب شده اساساً بی‌استفاده می‌شود.

REEXS – سیستم تخلیه تقویت شده

روشی که قبلاً در سال 1965 توسط C.P Alberg ابداع و آزموده شده، می‌تواند به رفع این مشکل کمک کند (1968 ,Alberg)، ولی برطرف کردن موانع برای استفاده در کاربردهای صنعتی تا امروز اتفاق نیفتاده است. یک تیم سوئیسی از تحقیقات و صنعت برای توسعه بیشتر این ایده و مناسب ساختن این روش برای کاربرد صنعتی مشغول به کار شدند.
وسیله جدید پس از یکی از مهم‌ترین مطالعات بر روی این موضوع، REEXS نامیده شد که مخفف Reinforced Exhaust System (سیستم تخلیه تقویت شده) است، اصول کارکرد یک هود تخلیه فلنج دار قدیمی (چپ) و یک REEXS با نازل شکافی (راست) را نشان می‌دهد. یک نازل شکافی که هوا را به صورت یک جت باریک در راستای شعاعی با سرعت بالا می‌دمد، دهانه تخلیه مرکزی را احاطه می‌کند. این جت مقداری هوای اضافی را با خود حمل می‌کند که جریان مکش را همانند یک مجرای مجازی، به دهانه تخلیه هدایت می‌کند و در نتیجه دامنه مکش را تا مسافت دورتری گسترش می‌دهد. یک اثر مطلوب این روش هوای تازه‌ای است که توسط جت به محل کار تغذیه می‌شود.
اصل REEXS باید برای کاربردهای غیر صنعتی از قبیل دفع دود از قسمت‌های عمومی در رستوران‌ها مجدداً طراحی شود (وسیله شکافی REEXS).
همچنین روشی مورد استفاده برای ارزیابی استراتژی‌های مختلف تهویه توسط CFD برای مسائل تهویه عمومی نیز قابل استفاده است.

تشریح روش

فرایند بهینه سازی با هندسه یک طرح قبلی (1991 ,Pedersen et al) آغاز شد و وسیله بصورت موفقیت‌آمیز با کاربرد CFD و انجام آزمایش‌های مکمل اصلاح شد. در نهایت یک نمونه کاری ایجاد شد و در یک محیط صنعتی آزمایش شد.
دو روش مدل سازی متفاوت CFD برای بهینه سازی پارامترهای طراحی و کارکرد REEXS، به کار گرفته شد.

یک مدل CFD سه بعدی قطعاتی برای بررسی اثر پارامترهایی از قبیل زاویه خروجی جت، طرح نازل جت تغذیه، یا پارامترهای کارکردی (جریان تخلیه Q و جریان جت Q) مورد استفاده قرار گرفت. در این مدل دامنه محاسباتی سه بعدی، یک قطاع است که بصورت دوره ای در راستای آزیموتی یک سیستم استوانه‌ای تکرار می‌شود.
نتایج اولیه روش بهینه‌سازی توسط تیم پروژه در سال ۲۰۰۰ ارائه گردید (2000B ,Gulber et al و 2000A ,Gulber et al). سپس، طرح بهینه سازی شده REEXS در معرض یک ارزیابی کامپیوتری قرار گرفت که در آن یک عمل تهویه محلی خاص توسط وسائل تهویه محلی متفاوت حل شد. این محاسبات بصورت کاملا سه بعدی با در نظر گرفتن تمام اثرات فیزیکی مهم از قبیل انتقال آلودگی‌ها، جریان متقاطع، شناوری و غیره انجام شد. اندازه گیری‌ها و مشاهدات انجام شده با دود در آزمایشگاه برای تأیید محاسبات مطابقت داده شد. این تأیید تطابق عالی برای مدل کامپیوتری سه بعدی قطاعی و نیز سه بعدی کامل را نشان داد.
مرئی سازی جریان محاسبه شده از یک REEXs بهینه سازی شده حاصل از فرایند بهینه سازی که در بالا توصیف شد را نشان می‌دهد.
تغذیه جت بوسیله بلوک‌های نازل که بصورت شعاعی در اطراف دهانه تخلیه آرایش داده شده است، تولید می‌شود. خطوط جریان گرفته شده توسط وسیله تخلیه و خطوط جریان حمل شده توسط جریان جت نشان داده شده اند. این طرح منجر به افزایش جریان حمل شده توسط جت شعاعی و در نتیجه افزایش کارایی در مقایسه با وسائل REEXs با نازل‌های شکاف شعاعی می‌شود. یک چیدمان نمونه برای یک فرایند ارزیابی در آزمایش و نیز در مدل کاملا سه بعدی CFD ایجاد شد. در نهایت وسیله بهینه سازی شده برای آزمایش عملی در کارگاه‌های صنعتی جهت تأیید کارایی فرستاده شد.

ارزیابی CFD

در ارزیابی CFD، راه حل‌های مختلف تهویه محلی از این جهت که تا چه حد در حل یک عمل تهویه محلی خاص کارآمد هستند، مورد آزمایش و مقایسه قرار می‌گیرند. مسئله آزمایش، گرفتن یک آلودگی مجازی آزاد شده توسط شش منبع آلودگی همدما در فاصله چهار برابر قطر مجرای تخلیه می‌باشد. آزمایش در یک کابین آزمایش که در آن جریان متقاطع ثابت با سرعت m/s ۰/۲ وجود دارد.

آماده سازی تجهیزات تست

آماده سازی تجهیزات تست در ملاحظه شود. در داخل تونل باد یک میز کار نصب می‌شود که بر روی آن یک آلوده کننده آزاد می‌شود. آلوده کننده بصورت یک اسکار اضافی که با جریان تعامل ندارد (همدما، غیرشناور) مدل می‌شود. رفتار همانند رفتار گاز رسام N2O مورد استفاده برای آزمایش‌های مربوطه می‌باشد. وسیله تخلیه در زاویه ۴۵ درجه مربوطه می‌باشد.

نسبت به مرز قرار داده می‌شود جریان متقاطع توسط یک فن خروجی تونل باد تولید می‌شود این مجموعه امکان تعیین عددی قابل تجدید بسیار مهم برای وسائل تهویه محلی که بازده مکش است را ممکن می‌سازد این بازده بصورت نسبت بین مقدار آلودگی گرفته شده توسط وسیله تخلیه و کل مقدار آلودگی آزاد شده محاسبه می‌شود چهار وسیله مختلف در این ارزیابی آزمایش می‌شوند یعنی یک تخلیه با مجرای بدون فلنج یک تخلیه با مجرای فلنج دار و دو وسیله REEXS یکی با یک نازل شکافی و دیگری با یک هود بهینه‌سازی شده REEXS.

نتایج

شکل زیر مرئی سازی جریان محاسبه شده دو مورد ارزیابی را نشان می‌دهد تصاویر واقع در سمت چپ هود تخلیه فلنج دار بدون جت را نشان می‌دهد در حالیکه شکل واقع در سمت راست طرح بهینه شده REEXS را نشان می‌دهد شکل‌های واقع در بالا ابری از آلوده کننده که از منبع آلودگی به بیرون پخش می‌شود را نشان می‌دهند آلودگی بصورت سطحی با غلظت ثابت آلودگی نشان داده می‌شود به میزان یکسان غلظت برای هر دو مورد نشان داده شده است.

به آسانی می‌توان دید که هود تخلیه قدیمی قادر به مکش آلودگی به میزان کافی نمی‌باشد کسر بزرگی از آلودگی توسط جریان متقاطع دور شده و پراکنده می‌شود با سرعت ۰/۲ m/s از سمت چپ در شکل که توسط فلش نشان داده شده است در مورد طرح بهینه شده REEXS ابر آلودگی مستقیماً به سمت دهانه تخلیه حرکت می‌کند فقط بخش کوچکی از ابر آلودگی توسط جریان حمل کننده جت‌های هوا گرفته شده و به بیرون از مجرا دمیده می‌شود شکل‌های زیر خطوط جریان ذرات بدون جرم که در منبع آلودگی و (فقط برای مورد REEXS) از نازل جت تغذیه آزاد می‌شود را نشان می‌دهند مرئی سازی جریان امکان تعیین کمی بازده مکش (گرفتن آلودگی) را ایجاد نمی‌کند یک مقایسه کمی مکش را برای وسیله‌های مورد تحقیق و بررسی نشان می‌دهد دیاگرام زیر بازده مکش را بر حسب سرعت متوسط سطحی تخلیه نشان می‌دهد خط مشخصه محاسبه شده هود تخلیه فلنج دار در هنگامی که سرعت تخلیه از ۰/۳ m/s افزایش می‌یابد ترسیم شده است این شرایط یک وسیله تهویه موضعی استاندارد را همان گونه که در عمل استفاده می‌شود ارائه می کند ارزیابی در سرعت تخلیه m/s ۱۰ انجام شد تخلیه ای که فقط دارای کانال است به بدترین بازده مکش (۱۱٪) می رسد در حالیکه راه حل های REEXS با تخلیه مقدار یکسان هوا به بازده های مکش با افزایش عمده (۵۸٪ طرح نازل-شکافی REEXS و ۶۲٪ طرح نازلی (REEXS می رسد طرح بهینه شده REEXS حتی بازده مکش بهتری در مقایسه با طرح نازل شکافی REEXS با پارامترهای کارکردی یکسان دارا می باشد محاسبات بیشتری بر روی وسیله بهینه شده REEXS برای نشان دادن وابستگی بازده مکش به سرعت تخلیه انجام شد نسبت ممنتم های جت و تخلیه در تمام موارد REEXS ثابت است.

آماده سازی تست

مرئی سازی جریان یک تخلیه نمای قدیمی و طرح بهینه شده REEXS 

بحث و دورنما

ارزیابی محاسباتی چهار وسیله تهویه موضعی نشان داده است که REEXS با طراحی مناسب مربوطه و نیز نمونه های کارایی اندازه گیری های بازده مکش و تجربیات به دست آمده از مجموعه آزمایشی در یک تز دکترا در انستیتو تکنولوژی فدرال سوئیس منتشر خواهد شد.

منبع: مجله تهویه مطبوع شماره 3

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.