ASPIRÁCIÓS ÉRZÉKELŐ RENDSZEREK, A HAGYOMÁNYOS SZÍVÓNYÍLÁS KÖZELÉBEN KIALKULÓ ÁRAMKÉP VIZSGÁLATA Szikra Csaba
[email protected] Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék Meldetechnik Kft.
Absztrakt A tűzvédelemben új technológiaként előszeretettel alkalmazzuk a lézeres részecskeszámláláson alapuló, nagy érzékenységű aspirációs érzékelő rendszereket. A tervezői gyakorlatban az aspirációs hálózat végpontjaiban lévő szívónyílásokat hagyományos detektoroknak tekintjük. Elhelyezésükre, még nagy belmagasságú csarnokok esetén is a pontszerű érzékelők szabályait alkalmazzuk. A számítógépes áramlástani szimuláció módszerével vizsgálom az aspirációs fej környezetében kialakult áramképet. Lehetséges az érzékelés hatásosságát növelni a tűzterhelés kockázatának, a belmagasság, illetve a környezet jellemzőinek figyelembevételével. Lehetséges a szívónyílás közeli áramkép változtatásával az érzékelés hatásosságának növelése. 1. AZ ASPIRÁCIÓS ÉRZÉKELŐK MŰKÖDÉSI ELVE: Az utóbbi években egyre inkább terjednek az úgynevezett nagy érzékenységű, Laseroptika elvére épülő (HSSD), aspirációs detektor rendszerek. A csőhálózat, felépítési hasonlít az épületgépészetben megszokott rendszerekhez, hiszen az érzékelő hálózat egy egyszerű csőhálózat. A detektor felé egy ventilátor szívja a mintavevő furatokból a mintát. Ez a beépített légszivattyú kb. 10-20 liter levegőt szív a térből, 50-100 Pa depressziót generálva. Az érzékelő cső-hálózat végpontján találjuk a szívónyílásokat. Átmérője 2-10mm között változik. A hálózat méretezésének elvei sokban hasonlítanak az épületgépészetben megszokott elvekhez. A méretezés céljai a következők: a., a térből vett minta a lehető legrövidebb időn belül jusson el a detektorig (maximális mintavételezési idő a legtávolabbi furattól 120s); b., Lehetőleg minden furat közel azonos mennyiségű mintát vegyen a térből. Ebből a két tézisből következnek már a topológiai korlátok. Mozgásterünk, egy adott hosszúságú csarnokot elképzelve, korlátozott. Csökkentve a cső átmérőjét, az átmérő ötödik hatványával növekszik az ellenállás. A szívónyílás átmérőjének változtatásával, a beáramlási ellenállás változik. A felhasznált csövek mérettartománya ½ - 1” között változik. Túl nagy átmérőt nem választhatunk, mert számottevően növeli az érzékelési időt. A túl alacsony átmérőnek az előbb említett áramlási ellenállás szab határt. Ezeket figyelembe véve, egy detektorból álló csőhálózattal kb. 2000m2 alapterületű csarnokrészt figyelhetünk maximum 50 szívónyílással. A Laser-detektor érzékenységét átlátszóság csökkenésben mérjük, mely azt jelenti, hogy a tiszta levegővel összevetve, a térben keletkezett füst hány százalékos átlátszóság csökkenést okoz. A jobb képességű műszerek már képesek 0.001%/m átlátszóság csökkenés érzékelésére. Működési elve az 1. ábrából követhető. Egy Laser-Dióda segítségével az érzékelő kamrába homogén fényt generálunk. A Laser fény a diódával szemben lévő falon elnyelődik, így a vizsgáló kamrában diffúz fény-tér nem alakul ki. A
Dióda fénynyalábjára merőlegesen vezetjük a kamrába a vizsgálni kívánt levegő mintát. A levegősugár tengelyében egy vevőegységet helyezünk el, mely a füst- és por- szemekről szóródott fényt érzékeli. A vevőegységen indukálódott jelalakból következtethetünk a minta jellegére, így akár egy intelligens elektronikával, a füst jellemzőinek ismeretében, akár a téves riasztások esélyét is csökkenthetjük. A részecske számából a jelalakok jellegéből számíthatjuk az átlátszóság csökkenését.
1. ábra Laser – Detektorfej felépítése A detektor nagy érzékenységénél fogva, a keletkező tüzet már igen korai fázisban képes érzékelni. Kifejezetten alkalmas tisztaterek, nagycsarnokok és hűtőkamrákban keletkezett tüzek érzékelésére. Ha abból az ideális feltételezésből indulunk ki, hogy a tűz egy mintavevő furat alatt keletkezik, akkor könnyen belátható, hogy a rendszer érzékenysége a detektor érzékenysége és a szívónyílások számának szorzatából adódik. A fent leírt rendszerkorlátokat, illetve a hagyományos detektorok 5%/m érzékenységét figyelembe véve, a hagyományos detektorokkal egyenértékű érzékenységet már 0.1%/m detektor érzékenységgel elérhetünk. A valóságban azonban a helyzet ennél szerencsésebb, hiszen a tűz keletkezésekor a felfelé szálló füst a levegővel keveredve szétterjed, így a belmagasság növekedésével egyre több szívónyílás kezd füsttel szennyezett mintát gyűjteni. Gyakorlatilag élhetünk avval a feltételezéssel, hogy az ily módon készített rendszerek kevésbé érzékenyek a belmagasságra, mint a hagyományos pontszerű érzékelők. A fenti érzékenységi korlát eredményeként, a már a topológiai korlátok között említett 2000m2 – es felület és a 50 szívónyílás szám adódik. Az aspirációs érzékelők piacképessége leginkább a központ és az épített csőhálózat árának függvénye. Minél inkább közeledik az egy detektor által figyelt felület a maximálisan lefedhető felülethez, annál inkább csökken a hagyományos pontszerű rendszerekkel összevetett ár. Hasznos hiányt pótolt a KIDDE gyártó a legújabb HART mini márkanévre hallgató készüléke. A 200-800m2 terület lefedhetőségi tartományban kínál, a nagy testvérhez (KIDDE HART XL) hasonló szolgáltatásokat.
2
2. ábra A KIDDE gyártmányú HART MINI HSSD aspirációs detektor felépítése 2. A HAGYOMÁNYOS SZÍVÓNYÍLÁSOK KÖZELÉBEN KIALAKULÓ ÁRAMKÉP Aspirációs érzékelő hálózatok hagyományos szívónyílásait háromféle módon helyezzük a figyelt térbe. A csőhálózat végébe ragasztjuk a szívónyílást, peremmel látjuk el, vagy álmennyezeti terek esetén a mennyezet síkjában helyezzük el. A három esetet áramlástani szempontból két különböző esettel modellezhetjük. (2. ábra)
x
D
x
D
Szabad csővég
Peremes csővég
3. ábra A szívónyílások közelében kialakuló sebességeloszlás szabad és peremes csővégződés eseten. A szabad csővég sebességleépülése hasonlít a pontszerű forrás intenzitás leépülésének problémájára, melyet a következő összefüggéssel számolhatunk: 1 vx = v0 (1 + 10 x 2 / A) Az összefüggés érvényessége 30°-os térszögön illetve 1.7 A tartományon belül ad kielégítő pontosságú eredményt. Nézzük, hogyan alakul a szívótér közeli sebesség pontosan átmérőnyi távolságra a szívónyílástól:
3
1 = 0.0728 40 D 2 (1 + 2 ) Dπ A szabad csővég esetében egy szívónyílás átmérőnyire a fejtől már elhanyagolható, az indulási sebesség 7.2%-a a légsebesség. Némiképp változik a helyzet a peremes csővég esetén. Ha a perem szélessége legalább átmérőnyi, 0.5D és 1.5D között a szívónyílás közeli sebességet az vx = v0 ( x / D) −1.5 összefüggéssel közelíthetjük. Nézzük, hogyan alakul a sebesség átmérőnyire a szívónyílástól: vx = ( D / D) −1.5 = 1 v0 Láthatóan a peremes csővég már erősebb zavaró hatással lép fel. Közelítőleg 5D távolságig még van hatása a szívónyílásnak. Figyelembe véve, hogy az aspirációs hálózatok esetén a szívónyílás átmérője 2-10mm között változik (minél kiterjedtebb a rendszer annál inkább közelít a 2mm-hez), légzavarás szempontjából a szívónyílásoknak elhanyagolható a hatásuk. Gyakorlatilag légáramlás szempontjából nincs különbség a pontszerű érzékelő és az aspirációs szívónyílás között. vx = v0
3. AZ ASPIRÁCIÓS ÉRZÉKELŐK ELHELYEZKEDÉSE A VIZSGÁLT TÉRBEN
Az aspirációs rendszer szívónyílásainak elhelyezési szabályai, mivel a szívónyílásnak nincs számottevő hatása a környezetre, gyakorlatilag megegyeznek a pontszerű érzékelők elhelyezési szabályaival. Az aspirációs érzékelők érzékenységüknél fogva a tűz keletkezésének már korai fázisában igyekeznek a tüzet felfedezni, de ez csak akkor következik be, ha füsttel terhelt minta el tud jutni a szívónyílásig. Természetesen, mikor a vizsgált csarnok már telített füsttel, a minta a telítődés következtében előbb vagy utóbb bejuthat az aspirációs rendszerbe. Amennyiben a keletkezett tűz elegendő felhajtó erőt generál, hogy felhajtsa a füstszemcséket, a füst részecskék elindulnak felfelé, azonban még át kell törniük a födém alatt keletkezett meleg légpárnát, mellyel a feláramló levegő a viszkozitás különbség miatt nehezen tud keveredni. A tűz kezdetei szakaszában általában nagyobb átmérőjű (1-10µm), nehezebb füstszemcsék keletkeznek, melyek tovább lassítják a feláramló hatást.
4. ábra A füst várható terjedése nagy belmagasságú csarnokok esetében, kis hőfelszabadulás esetén télen. 4
További szempont lehet maga a légtechnikai rendszer is, hiszen a szennyező anyag eloszlása, keveredése a térben, a hőfelszabadulás által keltett felhajtó erő mellett, erősen függ a légvezetési rendszertől is. A nagy impulzusbevitelen alapuló légvezetési rendszerek segítik a füst korai keveredését, s mint már láttuk, a keveredés nem befolyásolja az aspirációs hálózat érzékenységét, hiszen az eloszló kevert füstöt egyszerre több szívónyílás kezdi érzékelni. Így ezek a légvezetési rendszerek (Tangenciális, Sugárfúvókás stb.) segítik az érzékelést. Nincs probléma a dugattyúhatáson alapuló rendszerrel, hiszen a műszer már igen kis mennyiségű füstöt is képes kimutatni.
5. ábra Az elárasztásos légvezetési rendszer szennyezőanyag koncentráció eloszlása és az elszívó-nyílás helye.
Az elárasztásos légvezetési rendszer alkalmatlan a levegőnél nehezebb szennyezőanyagok elszállítására. A normális üzemben is kialakulnak a különböző szennyezőanyag koncentrációhoz tartozó rétegződések. Könnyen belátható, hogy nem feltétlen a legszennyezettebb réteg helyezkedik el a födém alatt. Nyári állapotban a környezeti hőmérsékletnél enyhén hűvösebb levegőt vezetünk be, mely visszahűti a keletkezett füstöt. Így gyakorlatilag ennél a légvezetési rendszernél, a tűz kezdeti szakaszában teljesen bizonytalan, hogy a füst mikor jut el a mintavevő furathoz. Napjaink tervezői gyakorlata szerint igyekszünk az érzékelőt a meleg légpárna alá helyezni. Látjuk azonban, hogy igen nehéz meghatározni a legmegfelelőbb távolságot a födémtől. 4. MEGÁLLAPÍTÁSOK
A füst terjedése függ a környezet termikus viszonyaitól az alkalmazott légtechnikai rendszer légveszetési rendszerétől. A hagyományos aspirációs fej közelében kialakuló áramkép nem segíti az egyébként igen jó hatásfokú Laser-detekciós részecske-számláláson alapuló rendszereket. Az érzékelési időt kétféle módon javíthatjuk: Méréssel vagy az áramlástani modellek megoldásával szimulálva, meghatározzuk a védett tér és a hozzá tartozó légtechnikai rendszer által keletkezett áramképet. Ennek függvényében eldönthető az optimális szívónyílás helyzete. A másik módszer a hagyományos szívónyílás közelében az áramkép megváltoztatása. Amennyiben sikerül feláramlást generálni a szívónyílás közelében, az érzékelés hatásossága számottevően növelhető, függetlenné válhat a légtechnikai rendszertől, illetve „áttörhetjük” a födém alatt kialakuló légpárnát. Ennek a speciális fúvókának a fejlesztése most folyik. Az áramlástani szimuláció eredményeit a következő cikkben ismertetem.
5
IRODALOM
1. 2. 3. 4.
Dalla Valle, J.M. 1952. Exhaust Hoods, 2nd ed. Industrial Press, New York H. B. Awbi : Ventilation of Buildings Heinshon, R. J.: Industrial Ventilation; Wiley-Interscience Publication; 1991. Howard Goodfellow, Esko Tahti : Industrial ventilation design guide book; 2001
A CIKKBEN HASZNÁLT BETŰK JELENTÉSE
vx v0 x D A
[m/s] [m/s] [m] [m] [m2]
A szívónyílás tengelyében a sebesség A szívónyílásban a elszívás sebessége A szívónyílástól mért távolság A szívónyílás átmérője A szívónyílás felülete
6
