Tiivistetty esitys 

6.3 Kohdeilmanvaihdon mitoitus

Pääsivu
Sisällysluettelo

6 Pölyjen kulkeutumisen hallinta

6.1 Eristäminen ja kotelointi

6.2 Kohdeilmanvaihto

6.3 Kohdeilmanvaihdon mitoitus

6.4 Käytännön esimerkkejä

6.5 Kohdepoistojärjestelmän tarkistus ja testaus

6.6 Poistoilman puhdistus

Kirjallisuus (luku 6)

Kohdepoistojen suunnittelussa valitaan epäpuhtauslähteeseen huuva ja lasketaan tarvittava poistoilmavirta. Tämän jälkeen mitoitetaan kanavisto pölyn kuljetusnopeuden perusteella ja lasketaan kanaviston painehäviö. Puhdistinlaitteen valinnan jälkeen valitaan sopiva puhallin järjestelmän poistoilmavirran ja painehäviöiden perusteella.

Kohdepoistojen mitoituksen vaikein ja kriittisin osa on imuhuuvien suunnittelu. Jos epäpuhtaudet eivät sieppaudu tehokkaasti kohdepoistoon, on järjestelmä hyödytön vaikka sen muut osat olisivatkin oikein suunniteltu ja asennettu. Toisaalta ylimitoitetut poistoilmavirrat takaavat tehokkaan toiminnan mutta lisäävät tarpeettomasti hankinta- ja käyttökustannuksia. Hyvin suunniteltu kohdepoisto poistaa epäpuhtaudet tehokkaasti mutta mahdollisimman pienellä poistoilmavirralla.

Kohdepoiston tehokkuus ilmaistaan sieppausasteella, joka on kohdepoistolla suoraan poistetun epäpuhtausmäärän suhde muodostuvan päästön määrään. Suunnittelussa pyritään mahdollisimman korkeaan sieppausasteeseen, mieluiten yli 90 %:iin, jotta kohdepoiston vaikutus olisi merkittävä.

Kohdepoiston sieppaustehokkuus voi olla korkea, mutta se ei vielä takaa että työntekijän altistuminen on riittävän alhainen. Tämän vuoksi määritellään lisäksi työhygieeninen tehokkuus, jolla tarkoitetaan kohdeilmanvaihdolla saavutettavaa parannusta työntekijän hengitysilman laadussa. Tämän ominaisuus ei ole täysin yksiselitteinen koska siihen vaikuttavat olosuhdevaihtelut ja henkilökohtaiset kohdeilmanvaihdon käyttötottumukset

Kohdepoiston suunnittelussa on huomioitava epäpuhtauslähteen ominaisuudet sekä poisto- että tuloilmavirtojen suunnat seuraavasti:

  • epäpuhtauden vapautumissuunta on käytettävä hyväksi. Esimerkiksi hiontapölyn vastaanottohuuva.

  • tuloilman jako on järjestettävä niin ettei se aiheuta kohdepoiston toimintaa heikentäviä häiriövirtauksia

  • työntekijän hengitysvyöhyke ei saa jäädä lähteen ja huuvan väliin.

6.3.1 Koteloinnit

Kotelointien otsapintanopeuden tulee olla riittävä suuri, jotta se voittaa häiriövirtaukset joita voivat aiheuttaa

  • kappaleiden vieminen ja poistaminen koteloinnista

  • työntekijöiden ja liikkuvien työkoneiden liikkeet

  • häiriövirtaukset/tilan virtaukset joita aiheuttavat yleisilmanvaihdon tuloilmasuihkut, avonaiset ovet ja ikkunat

Kotelointien poistoilmavirta Q lasketaan kaavasta

(2)

missä A on avoimen otsapinnan pinta-ala ja V otsapintanopeus. Otsapintanopeus riippuu epäpuhtauden muodostumistavasta. Tyypillisesti V on luokkaa 0,5 - 1 m/s.

Toinen kotelointien mitoitustekijä on ilman nopeus koteloinnin sisällä. Sen tulee olla riittävä kuljettamaan epäpuhtaudet pois koteloinnin sisältä haitallisen laskeuman välttämiseksi.

6.3.2 Huuvat

Huuvien mitoittaminen on huomattavasti hankalampaa kuin kotelointien. Kohdepoistojen tehokkuus riippuu ratkaisevasti ilman virtauskentästä epäpuhtauslähteen, imuaukkojen ja työntekijän läheisyydessä. Tähän puolestaan vaikuttavat imuaukon muoto, sijainti ja poistoilmavirta, häiriövirtaukset, epäpuhtauslähteen ominaisuudet, paikallisen tuloilman ja puhallussuihkujen käyttö sekä työntekijä. Hyvän lopputuloksen saavuttamiseksi tulisi merkittävimmät tekijät ottaa laskennallisesti huomioon jo kohdeilmanvaihdon suunnittelussa. Periaatteessa tämä on mahdollista ratkaisemalla ilman liikkeitä kuvaavat monimutkaiset virtausyhtälöt. Koska käytännön ongelmille ei löydy analyyttistä ratkaisua, on laskenta tehtävä numeerisesti. Tämä on tullut mahdolliseksi tietokoneiden ja virtauslaskentaohjelmien kehittymisen myötä, mutta laskenta vaatii suurta laskentatehoa ja kalliita laskentaohjelmia. Virtauslaskentaa käytetäänkin vielä toistaiseksi vain harvoin suunnittelun apuna. Tämän vuoksi kohdepoistoja on perinteisesti mitoitettu sieppausnopeuteen perustuvan yksinkertaistetun menetelmän perusteella.

Sieppausnopeus määritellään sellaiseksi imun aikaansaamaksi virtausnopeudeksi epäpuhtauslähteen läheisyydessä joka kykenee voittamaan häiriövirtaukset ja sieppaamaan epäpuhtaan ilmaan kohti imuaukkoa. Sieppausnopeuden suuruus vaihtelee tapauskohtaisesti eikä sille voi antaa yleispätevää tarkkaa arvoa. Tämän vuoksi sieppausnopeuden avulla tapahtuva mitoitus on lähinnä suuntaa-antava. Likimääräisiä sieppausnopeuksia on taulukossa 6.1.

Eräs keino määrittää sieppausnopeus todellisessa tilanteessa on tuoda imuaukko epäpuhtauslähteen läheisyyteen ja siirtää sitä kohti päästölähdettä kunnes epäpuhtaudet sieppautuvat tehokkaasti. Tämä voidaan todeta merkkisavujen, pölylampun, merkkiainemittausten tai PIMEX-menetelmän avulla. Tarvittava sieppausnopeus voidaan määrittää tämän jälkeen mittaamalla ilman virtausnopeus epäpuhtauslähteen luona esim. kuumalanka-anemo-metrillä.

Taulukko 6.1 Sieppausnopeuksien suuntaa-antavia arvoja.

Epäpuhtauden vapautumisnopeus

Sieppausnopeus m/s

Esimerkki

Alhainen

0,3 - 0,5

Jauhemaisten aineiden annostelu, haihtuminen altaista

Melko alhainen

0,5 - 1

Hitsaus; pinnoitus; hitaasti liikkuvat kuljettimet (nopeus alle 1 m/s)

Melko suuri

1 - 2,5

Ruiskumaalaus kopissa; avokuljettimien täyttö ja purkaminen

Suuri

2,5 - 10

Hionta; raepuhallus; rumpukiillotus

Tarvittavan sieppausnopeuden valitsemisen jälkeen lasketaan poistoilmavirta. Tämän selvittämiseksi on tunnettava imun aikaansaama ilman virtauskenttä sekä imun ja epäpuhtauslähteen välinen etäisyys. Tyypillisten pyöreiden tai suorakaideimuaukkojen nopeusjakauman ratkaisemiseksi on kirjallisuudessa runsaasti kokeellisia käyriä ja laskentayhtälöitä (kuva 6.12). Laipallisten imuaukkojen virtauskenttä voidaan laskea hyvällä tarkkuudella myös potentiaalivirtausmallien avulla. Poikkeuksellisten muotoisten imuaukkojen kuten koneisiin ja laitteisiin integroitujen imuaukkojen nopeusjakauman ratkaiseminen vaatii virtauslaskentaa tai kokeellisia mittauksia.

Kuva 6.12 Pyöreän a) laipattoman ja b) laipallisen imuaukon virtausnopeudet ja virtaviivat.

Yleensä epäpuhtauslähteen kuvitellaan sijaitsevan imuhuuvan keskiakselilla, jolloin tarvittava poistoilmavirta määritetään keskiakselin virtausnopeuden avulla. Tähän on kehitetty lukuisia kaavoja tyypillisille imuaukoille. Laipattoman pyöreän ja suorakulmaisen imun nopeus voidaan laskea varsin hyvin DallaVallen esittämästä kaavasta

(3)

missä V(x) on keskiakselin nopeus etäisyydellä x imuaukosta, V0 on imuaukon keskimääräinen nopeus ja A on imuaukon otsapinta-ala. Kaavan 3 avulla voidaan tarvittava poistoilmavirta Q arvioida seuraavasti:

(4)

Huuvan ja lähteen välinen etäisyys on tärkeä mitoitukseen vaikuttava tekijä. Mitä kauempana epäpuhtauslähde on, sitä suurempi sieppausnopeus ja poistoilmavirta tarvitaan. Kaavasta 4 havaitaan, että kun etäisyys kaksinkertaistuu, poistoilmavirta likimain nelinkertaistuu, kuva 6.13. Tämän vuoksi imu tulisi sijoittaa mahdollisimman lähelle epäpuhtauslähdettä. Käytännössä pelkän imun suurin vaikutusetäisyys on n. 0,5 m luokkaa.

Kuva 6.13 Poistoilmavirran riippuvuus imuaukon ja epäpuhtauslähteen välisestä etäisyydestä.

Sieppausnopeusmenetelmä soveltuu geometrialtaan yksinkertaisten huuvien mitoittamiseen joille löytyy kokemusperäisiä yhtälöitä tai kaavioita virtauskentän määrittämiseksi. Monimutkaisemmissa tapauksissa mitoitus perustuu usein käytännössä toimivaksi koettuun järjestelmään. Kohdeilmanvaihtoa tarvitaan kuiteinkin usein kohteissa, jotka ovat yksilöllisiä ja joihin ei ole olemassa esimerkkiratkaisuja. Tällöin voidaan suunnittelu tehdä täysmittakaavakokeilla joissa etsitään tehokas ratkaisu kokeellisesti. Suunnittelua voidaan helpottaa tietokonemallien avulla, jolloin optimaalista ratkaisua voidaan etsiä laskennallisesti ilman että jokaisesta vaihtoehdosta täytyy rakentaa prototyyppi ja kokeilla sen tehokkuutta (Kulmala, 1997).

6.3.3 Kanavisto

Epäpuhtauksien sieppaamisen jälkeen ne on siirrettävä kanaviston välityksellä puhdistuslaitteelle ennen ulospuhallusta tai takaisinkierrätystä. Kun kohdepoistojärjestelmällä siirretään hiukkasmaisia epäpuhtauksia, suunnitellaan ja mitoitetaan kanavisto siten etteivät hiukkaset laskeudu kanavistoon. Tämä on erityisen tärkeää silloin kun käytetään pitkiä vaakasuuntaisia kanavia, missä pölyn kertyminen voi vähentää ilmavirtausta ja heikentää kohdepoiston toimintaa. Tehon heikentämisen ja puhdistamisen vaatimien toimenpiteiden lisäksi pölykertyminen voi aiheuttaa palovaaran. Toisinaan voidaan pystysuuntaisissa kanavissa käyttää hitaita nopeuksia, jolloin isoimmat hiukkaset laskeutuvat kanaviston alaosassa olevaan pölynkeräysastiaan. Taulukossa 6.2 on annettu kuljetusnopeuksia, joilla erilaiset poistoilman epäpuhtaudet kulkeutuvat laskeutumatta kanavistoon. Suurempia nopeuksia ei kannata käyttää koska suuret nopeudet yhdessä hiukkasten kanssa kuluttavat kanavistoa ja lisäävät tarpeettomasti painehäviöitä.

Kohdepoistojen kanavistoina pyöreät kanavat ovat suositeltavia, koska niissä nopeusjakaumat ovat tasaisemmat vähentäen epäpuhtauksien laskeutumista. Pyöreät kanavat kestävät myös alipaineita paremmin kuin suorakaidekanavat. Jos suorakaidekanavia käytetään, tulisi niiden sivusuhde olla mahdollisimman lähellä yhtä. Kanavistojen asentaminen seiniin tai kattoon vaatii lisäksi kumia tai muuta tärinää vaimentavaa materiaalia melun vaimentamiseksi.

Taulukko 6.2 Suositeltavia kuljetusnopeuksia.

Pölytyyppi

Kuljetusnopeus (m/s)

Kevyehköt pölyt
(esim. kuiva puupöly, muovipöly)

15

Tavallinen teollisuuspöly
(hiontapöly, karkea kumipöly)

20

Raskas pöly
(lyijypöly, kostea pöly)

25

Kanavisto tulee valmistaa materiaalista, joka on riittävän vahvaa ja tarpeeksi tuettu kestääkseen käytöstä aiheutuvan kulumisen; tämä on erityisen tärkeää kun käsitellään kovia pölyjä. Oleellisia seikkoja ovat kuluminen, epäpuhtauden aiheuttama korroosio sekä poistoilman lämpötila. Ruostumaton teräs on suositeltava elintarvikkeiden käsittelyyn, lääketeollisuuden sovellutuksiin sekä tietyille kemikaaleille kun taas PVC- tai lasikuitukanavia käytetään usein tilanteissa joissa epäpuhtaudet ovat syövyttäviä. Useissa tapauksissa sopiva materiaali on galvanoitu teräs, jolle on esitetty taulukossa 6.3 kanavan seinämäpaksuuksia pölyn tyypistä riippuen.

Kevyen pölyn ja alhaisten lämpötilojen sovellutuksissa (t<40°C) voidaan käyttää alumiinikanavia tai muovikanavia (PVC tai polypropyleeni). Kun lämpötilat kohoavat yli 150 °C:een, on käytettävä erityisiä seosteräksiä.

Taulukko 6.3 Galvanoidun teräskanavan seinämäpaksuuksia.

Kanavan halkaisija (mm)

Paksuus (mm)

Kevyt

Keskiraskas

Raskas

< 200

0,8

0,8

1,2

200 - 450

0,8

1,0

1,2

450 - 800

1,0

1,2

1,6

800 - 1200

1,2

1,6

2,0

1200 - 1500

1,6

2,0

2,5

Kevyt: Vähän kuluttava pöly (ruiskumaalaus, puu, lääke- ja elintarviketeollisuus)
Keskiraskas: Vähän kuluttava pöly suurissa pitoisuuksissa tai kuluttava pöly
pienissä pitoisuuksissa
Raskas: Kuluttava pöly (hiekka, kivi, malmi, metallilastut)

Vahvempia kanavia käytetään tuomaan vahvuutta ja jäykkyyttä sekä käsittelemään suuria pitoisuuksia kuluttavia pölyjä kuten hiekkapuhalluksessa käytettyä kvartsipölyä, hionnassa ja kiillotuksessa käytettäviä hionta-aineita sekä murskaamoiden kivipölyä.

Puhki kuluneet kanavat aiheuttavat epätasapainoa ilman virratessa rei'istä sisään mikä heikentää kohdepoiston tehokkuutta ja kuormittaa puhallinta.

6.3.4 Puhaltimet

Puhallin on viimeisin osa kohdepoistojärjestelmässä puhdistuslaitteen jälkeen. Tämä järjestely tekee mahdolliseksi pitää koko järjestelmä alipaineisena ympäristön suhteen niin että jos vuotoja esiintyy ne ovat sisäänpäin sen sijaan että likainen poistoilma vuotaa työilmaan. Pölyistä poistoilmaa käsiteltäessä on käytettävä puhdistinta poistamaan epäpuhtaudet ilmasta ennen kun se johdetaan ulos. Tällöin ilmanpuhdistimen on sijaittava ennen puhallinta jotta se suojaisi sitä korroosiolta ja kulumiselta.

Keskipakoispuhallin on yleisin kohdepoistojen puhallintyyppi. Jos ilmavirrat ovat suhteellisen pieniä (alle 0,3 m3/s) ja tarvittava alipaine suuri (yli 15 kPa), on käytettävä korkeapainepuhaltimia. Nämä ovat useimmiten sivukammiopuhaltimia. Puhallintyyppien ominaiskäyriä on verrattu kuvassa 6.14.

Kuva 6.14 Sivukammio- ja keskipakoispuhaltimen ominaiskäyrät sekä toimintapiste eri pyörimisnopeuksilla.

Keskipakoispuhaltimen siivet voivat kaartua joko taaksepäin tai eteenpäin tai ne voivat olla säteittäisesti suorat. Suorasiipistä puhallinta käytetään kuljetuspuhaltimena (puru, hiontapöly). Se ei tukkeennu helposti, mutta sen hyötysuhde on alhainen (n. 60 %). Taaksepäin kaartuvin siivin varustettu keskipakoispuhaltimen hyötysuhde on korkea (n. 80%) ja sen ylikuormittamisvaara on vähäinen. Keskipakoispuhallin taaksepäin kaartuvin siivin onkin yleisin puhallintyyppi kohdepoistojärjestelmissä. Taaksepäin kaartuvat siivet eivät sovellu pölyiselle ilmalle, joten puhaltimen on sijaittava ilmanpuhdistimen jälkeen. Jos poistoilma sisältää syövyttäviä epäpuhtauksia, puhaltimet voidaan tehdä muovista. Räjähdys- ja palovaaran yhteydessä puhaltimen tulee olla kipinöimättömästä materiaalista.

Puhaltimen valinta perustuu ilmavirtaan ja paine-eroon, joka tarvitaan voittamaan kaikki huuvan, kanaviston ja puhdistuslaitteen aiheuttamat painehäviöt. Toimintapiste saadaan vastuskäyrän ja puhaltimen ominaiskäyrän leikkauspisteessä. Yleensä valitaan puhallin, jonka ilmavirta on 10 - 20 % suunniteltua suurempi mahdollisia tulevia lisäyksiä varten.

Kanaviston vastuskäyrä voi muuttua esim. suodattimien likaantuessa tai kun rakennetaan lisää pitempiä kanavia tai kun muutetaan kanaviston dimensioita. Mitä jyrkempi puhaltimen ominaiskäyrä toimintapisteen kohdalla on, sitä pienempi on tilavuusvirran muutos, jos kanaviston vastus jostain syystä muuttuu. Jyrkkä käyrä on toivottava usein kohdepoistojärjestelmissä joissa vähitellen likaantuvasta suodattimesta huolimatta ilmavirran tulisi pysyä vakiona.

6.3.5 Korvausilma

Vedon ja epäviihtyisyyden välttämiseksi tilaan on tuotava koneellisesti poistettua ilmavirtaa vastaava määrä lämmitettyä korvausilmaa. Lämmityskustannuksen säästämiseksi käytetään usein kiertoilmaa jolloin puhdistettu poistoilma palautetaan takaisin työtilaan. Tällöin on kierrätysilman puhdistuksen oltava tehokas ja palautusilman laatua on tarkkailtava jatkuvasti jottei jouduta vaarallisiin tilanteisiin esimerkiksi suodatinlaitteen vioittuessa.

6.3.6 Yhteenveto päätekijöistä

Tehokkaan kohdepoistojärjestelmän edellytykset ovat

  • Hyvin suunniteltu huuva, kotelointi tai muu kohdeimu joka poistaa epäpuhtaudet muodostumispaikaltaan ennen niiden leviämistä työntekijän hengitysvyöhykkeelle ja työpaikan ilmaan. Kohdepoiston tulee olla helppo ja miellyttävä käyttää eikä se saa häiritä työskentelyä. Kohdepoiston tulee hallita epäpuhtaudet kaikissa työvaiheissa.

  • Asianmukaisesti suunniteltu ja toteutettu kanavisto likaisen ilman kuljettamiseen. Kanaviston mutkien tulee olla juohevia ja siinä tulee olla mahdollisimman vähän suunnanmuutoksia.

  • Sopiva suodatin tai puhdistuslaite epäpuhtauksien poistamiseksi poistoilmasta. Puhdistimen tulee normaalisti sijaita ennen puhallinta.

  • Asianmukaisesti valittu puhallin joka kykenee tuottamaan riittävän ilmavirran. Puhaltimen täytyy aikaansaada riittävä ilmavirtaus kohti huuvaa epäpuhtauksien sieppaamiseksi sekä myös riittävän suuri kuljetusnopeus kanavistoon.

  • Asianmukaisesti suunniteltu ja rakennettu ulospuhalluskanavisto. Kanaviston tulisi olla mahdollisimman lyhyt puhaltimen jälkeen.

  • Tehokas huolto-ohjelma joka takaa tehokkaan toiminnan

  • Riittävä määrä korvausilmaa. Korvausilman lämmityskustannukset aiheuttavat suurimman osan kohdepoiston käyttökustannuksista.

Tehokkaan kohdepoistojärjestelmän suunnittelu ja asentaminen vaatii päteviä asiantuntijoita. Onnistuneen ratkaisun suunnittelussa on otettava huomioon myös käyttäjien mielipiteet.

Yhteenvetona, ilmanvaihdon tehokas toiminta tarvitsee

  • järjestelmän, joka toimii

  • järjestelmän, joka on tarkastettu että se toimii

  • toimenpiteet vikojen korjaamiseksi

  • tietämystä järjestelmän toiminnasta.

Epäonnistuminen jossakin avainalueilla voi johtaa siihen, että kallis laitteisto ei anna toivottua tehoa ja suojaa. Kohdeilmanvaihto voi torjua epäpuhtaudet erittäin tehokkaasti mutta sen suunnittelussa ja toteutuksessa on useita mahdollisuuksia epäonnistumiseen.

Tyypillisiä syitä miksi kohdepoistojärjestelmä ei toimi toivotulla tavalla on

  • alimitoitettu poistoilmavirta joka ei sieppaa epäpuhtauksia tehokkaasti

  • järjestelmä ei ota huomioon työkalujen synnyttämiä ilman virtauksia (suurella nopeudella pyörivät hiomakoneet ja vastaavat laitteet kehittävät ilmavirtauksia joita ei hevin hallita)

  • huono työskentelykohdan suunnittelu joka vaatii työntekijän työskentelemään poistojärjestelmän vaikutusalueen ulkopuolella

  • tukkeutuneet suodattimet jotka pienentävät poistoilmavirtaa ja sieppaustehokkuutta

  • vioittuneet tai huonosti kiinnitetyt suodattimet, joiden ohi epäpuhtauksia pääsee takaisin työilmaan

  • huonosti suunniteltu kanavisto

  • huonosti sijoitettu sulkupelti johtaen kanaviston epätasapainoon

  • huollon ja testauksen puute.