ASPIRÁCIÓS ÉRZÉKELŐ RENDSZER OPTIMÁLIS ELHELYEZÉSE NAGY BELMAGASSÁGÚ CSARNOKOKBAN Szikra Csaba egyetemi tanársegéd szikra@egt.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék 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-e az érzékelés hatásosságát növelni a tűzterhelés kockázatának, a belmagasság, illetve a környezet jellemzőinek figyelembevételével. Lehetséges-e a szívónyílás áramképének változtatásával az érzékelés hatásosságának növelése? Ezekre a tűzvédelemben nem elhanyagolható, esetleg teljes csarnokok leégését is megelőzhető kérdésekre keresem a választ az áramlástani szimuláció eszközeivel. 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. 10-0 liter levegőt szív a térből, 50-100 Pa depressziót generálva. Az érzékelő cső-hálózat végpontján találjuk a szívónyílásokat. Átmérője -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 10s); 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. Változtathatjuk a cső átmérőjét, ekkor azonban az átmérő ötödik hatványával változik az ellenállás, illetve változtathatjuk a szívónyílások átmérőjét, ekkor változik a beáramlási tényező. 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. 000m alapterületű csarnokrészt figyelhetünk 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 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 Detektor felépítése A detektor nagy érzékenységénél fogva, a keletkező tüzet már igen korai fázisban képes detektálni. 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 000m es felület és a 50 szívónyílás szám adódik.. A HAGYOMÁNYOS SZÍVÓNYÍLÁSOK KÖZELÉBEN KIALAKULÓ ÁRAMKÉP Aspirációs érzékelő hálózatok hagyományos szívónyílásait kétféle módon helyezzük a figyelt térbe. A csőhálózat végébe ragasztjuk a szívónyílást, illetve peremmel látjuk el, vagy
álmennyezeti terek esetén a mennyezet síkjában helyezzük el. Ezt áramlástani szempontból két különböző esettel modellezhetjük. (. ábra) D x D x Szabad csővég Peremes csővég. ábra A szívónyílások közelében kialakuló sebességeloszlás szabad és peremes csővégződés eseten. A szabad csővég sebességleépülése hasonlít a pontszerű forrás intenzitás leépülésének problémájára. A sebesség leépülés összefüggését Dalla Velle pontosította 195-ben. A következő összefüggést publikálta: 1 v x = v0 (1 + 10x / 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: v x 1 = = 0.078 v0 40D (1 + ) D π A szabad csővég esetében egy szívónyílás átmérőnyire a fejtől már elhanyagolható 7.%-os 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 1.5 v x = v0 ( x / D) összefüggéssel közelíthetjük, melyet Garrison publikált 1977-ben. Nézzük, hogyan alakul a sebesség átmérőnyire a szívónyílástól: v x 1.5 = ( D / D) = 1 v0 Láthatóan a peremes csővég már erősebb zavaró hatással lép fel. Közelítőleg 50D távolságig még van hatása a szívónyílásnak. Figyelembe véve, hogy az aspirációs hálózatok esetén a szívónyílás átmérője -10mm között változik (minél kiterjedtebb a rendszer annál inkább közelít a mm-hez), légzavarás szempontjából a szívónyílásoknak elhanyagolható a hatásuk. Lehetséges-e változtatni a szívónyílás sebesség zavarási autoritásán? Vagy van mód a hatékonyság növelésére. Tudunk-e javítani a szívónyílások elhelyezési szabályain? A tűz keletkezésének korai szakaszában eljut-e a füsttel terhelt levegőminta a furatokhoz? A hagyományos szívónyílás nem ad választ ezekre a problémákra. 3
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. 3. ábra A füst várható terjedése nagy belmagasságú csarnokok esetében 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. 4. ábra Az elárasztásos légvezetési rendszer szennyezőanyag koncentráció eloszlása és az elszívó-nyílás helye. 4
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. CFD MODELL A felvetett problémák vizsgálatára dimenziós CFD modellt készítettem. A vizsgált helyiség 5,7m magas és 10,1m széles. A szívónyílást a födémtől 0,5m-re helyeztem, átmérője 5mm. A szívónyílást 10cm-es terelő lemezzel láttam el. Fal Szívónyílás O100mm O5mm Másodfajú perem Másodfajú perem Másodfajú perem 5. ábra CFD modell Az alapesetben az elszívás sebessége 1m/s. A peremfeltételek: Az oldalfalon és a padlón másodfajú, a mennyezeten fal. A szimuláció eredménye a vártnak megfelelően illeszkedik Garrison összefüggésére. A térben a szívónyílásnak nincs számottevő hatása. A 6. ábrán látjuk a szimulált teret. A szimulációhoz kétdimenziós Navier-Stokes egyenleteit használtam a már széles körben elterjedt k-ε modellel kombinálva. ν t = Ck µ ε A modellben ν t a turbulens viszkozitás, k a mozgási energia egyenlete, ε a diszcipálódó energia egyenlete. Az egyenletek megoldását a Patankar féle diszkretizációs eljárással a úgynevezett SIMPLE algoritmus segítségével végeztem, mely egyenletrendszert a folytonossági tétellel korrigáltam. 5
6. ábra A szívónyílás közelében kialakuló áramkép 1m/s elszívási sebesség esetén. A 7. ábrán a függőleges irányú sebesség alakulását látjuk. Amennyiben a térben nem keletkezeik számottevő külső légmozgást indukáló erő, a levegő függőleges irányban mozdulatlannak tekinthető. 7. ábra A függőleges irányú állandó sebességű görbék A következő modellben egy speciális szívónyílást készítettem. Az 1m/s elszívás mellett egy perforált furatsoron keresztül levegőt vezetünk be tangenciális irányban. A tangenciális irányban bevezetett levegő mennyiségét úgy válasszuk, hogy az általa bevezetett tiszta levegő ne hígítsa számottevően a szívónyíláson befelé haladó levegőt. Ezért viszonylag alacsony 0.05m/s os tangenciális irányú sebességet választottam. A felépülő szabadsugár megzavarja az egyébként gyorsan leépülő sebességteret. 0.05 m/s 0.05 m/s 1 m/s 8. ábra Speciális szívónyílás elvi vázlata 6
9. ábra Speciális szívónyílás közelében kialakuló sebességeloszlás Már a sebességvektorok (9.ábra) ábráján is látszik az a számottevő változás, melyet ez a kis mennyiségű tangenciális levegő bevezetése okoz a szívónyílás körül. Még jellemzőbb képet kapunk, ha a függőleges irányú, állandó sebességhez tartozó görbéket tekintjük. Számszerűsítve az eredményt: a szívónyílástól cm-re a felfelé irányuló sebesség ismét növekedésnek indult. Jellemző hatása, tendenciája még 60 cm-nél is jelentkezik. 5. MEGÁLLAPÍTÁSOK Egy minimális tangenciális szabadsugárral megzavarható a szívónyílás közelében kialakult statikus áramkép. Hatása számottevő távolságban is jelentkezik még a szívónyílástól. Ez a jelentős távolság, egy jól beállított tangenciális légsebességgel, segíti a szívónyílás felé áramolni a mintát. Ez éppen elegendő, hogy megzavarja a nagy belmagasságú csarnokok födéme alatt keletkező meleg légpárnát, vagy az elárasztásos légvezetési rendszer miatt keletkezett, tisztább levegőréteget. A zavaró hatás 60cm-rel a szívónyílás alatt is hatással van, így gyorsítja, és biztosítja az aspirációs rendszer számára az érzékelést. A CFD szimuláció eredményein felbuzdulva jelenleg a speciális szívófej modelljének készítése folyik. Megvizsgáljuk, hogy egy valóságos aspirációs hálózat esetén valóban a jelentkezik-e a tangenciális levegő bevezetés pozitív zavaró hatása illetve, hogy ez valóban segítő hatással van-e az érzékelés idejére. Vizsgáljuk továbbá a valós modell segítségével, hogy mi az a 7
bevezethető maximális térfogatáram, mely még nem befolyásolja, a hígításon keresztül a térből vett minta értékelhetőségét. IRODALOM 1. Dalla Valle, J.M. 195. Exhaust Hoods, nd ed. Industrial Press, New York. Patankar, S., V.; Numerical Heat Transfer and Fluid Flow; Hemisphere Publishing Corporation; 3. H. B. Awbi : Ventilation of Buildings 4. Heinshon, R. J.: Industrial Ventilation; Wiley-Interscience Publication; 1991. 5. Suhas V. P. : Numerical Heat Transfer and Fluid Flow 6. Howard Goodfellow, Esko Tahti : Industrial ventilation design guide book; 001 A CIKKBEN HASZNÁLT BETŰK JELENTÉSE v x [m/s] A szívónyílás tengelyében a sebesség v 0 [m/s] A szívónyílásban a elszívás sebessége x [m] A szívónyílástól mért távolság D [m] A szívónyílás átmérője ε [W/kg] Diszcipálódó energia k [J/kg] Mozgási energia νt [m/s] Turbulens viszkozitás C µ [-] Turbulencia modell konstans 8