Rozkład strumieni powietrza w przestrzeni roboczej kabiny lakierniczej

Bardzo częstym problemem, z którym borykają się lakiernicy i czasem dostawcy kabin jest jednorodność prędkości strumieni powietrza w horyzontalnym przekroju kabiny. Problem ten dotyczy nie tylko kabin lakierniczych, ale również instalacji wentylacyjnych wszelkiego rodzaju pomieszczeń. W idealnym, oczekiwanym przypadku kierunek i prędkość powietrza są jednolite w całej przestrzeni roboczej kabinie. Rzeczywisty rozkład strumieni powietrza jest niestety inny. Monitoring jakości wymiany powietrza ma na uwadze bezpieczeństwo i jakość procesów lakierniczych a także komfort pracy lakiernika. Najbardziej niebezpieczne są zjawiska polegające na pojawianiu się strumieni powietrza o kierunku przeciwnym do oczekiwanego, które mogą powodować unoszenie mgły lakierniczej zamiast jej usuwania. Zazwyczaj w strefach przyściennych i narożnikach prędkość powietrza jest bliska zero.

Jak określić rozkład prędkości w kabinie?

W pomiarach krotności wymian powietrza przyjmuje się wartości uśrednione z pomiarów termoanemometrem, jednak oczekuje się niewielkich różnic w poszczególnych strefach kabiny. Pomiar jednorodności pola prędkości strumieni powietrza w danym przekroju pomieszczenia kabiny lakierniczej jest dość utrudniony i czasochłonny. Polega on na punktowych pomiarach, zazwyczaj z naokoło umieszczonego w środku pojazdu na ustalonej wysokości około 1 metra.  W obecnej chwili najprostszym sposobem wizualizacji rozkładu prędkości powietrza wewnątrz kabiny jest metoda wykorzystująca wytwornicę dymu. Technika ta nie powala na uzyskanie konkretnych wartości liczbowych, lecz jedynie pokazuje czy w danym rejonie kabiny odbywa się właściwy sposób wymiany powietrza oraz usuwanie mgły lakierniczej.  

Rys. 1 Badanie opływu powietrza wokół pojazdu umieszczonego w kabinie lakierniczej

Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=xMreqX4I7DE

Istnieją również inne metody wizualizacji rozkładu strumienia powietrza w przekroju poprzecznym na przykład z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. W kabinach lakierniczych zróżnicowanie prędkości przepływu powietrza jest zauważalne już w części nawiewnej. Można to wnioskować na podstawie rozkładu temperatur na filtrze nawiewnym. Lokalna wartość temperatury filtra nawiewnego jest uzależniona od intensywności strumienia powietrza przepływającego przez filtr w danym miejscu. Obraz termograficzny filtra doskonale oddaje rozkład prędkości powietrza w różnych strefach filtru.

Rys. 2 Obraz termograficzny filtra sufitowego wewnątrz kabiny lakierniczej

Kamera termowizyjna pozwala nam na zobrazowanie rozkładu temperatur na powierzchni ciał stałych. Na podstawie temperatury poszczególnych elementów można określić natężenie strumienia powietrza, które wymienia ciepło z ich powierzchnią. Konwekcyjna wymiana ciepła pomiędzy powietrzem a omywanym przez nie ciałem stałym jest związana z ciepłem właściwym powietrza i ciała stałego, ich współczynnikami przejmowania ciepła oraz różnicą temperatur. Zmiany temperatury ciała stałego oraz omywającego je powietrza uzależnione są również od prędkości strumienia wymienianego powietrza. W związku z tym temperatura obiektu znajdującego się wewnątrz kabiny lakierniczej związana jest z natężeniem strumienia powietrza omywającego ten element. Rozkład temperatur elementów konstrukcyjnych komory lakierniczej oraz umieszczonych wewnątrz niej elementów może być podstawą do wnioskowania intensywności wymiany powietrza w danych strefach kabiny. Przedstawiony przykłady obraz w podczerwieni wskazuje różnicę temperatur lakierowanych elementów. Zarówno elementy konstrukcyjne kabiny jak i ustawione po lewej stronie elementy mają wyraźnie wyższą temperaturę niż znajdujące się z prawej strony.  Niejednorodna temperatura jest wynikiem zróżnicowania natężeń strumieni ciepłego powietrza.

Rys. 3 Obraz termograficzny wnętrza kabiny lakierniczej oraz znajdujących się wewnątrz elementów

Oprogramowanie narzędziowe kamer termowizyjnych pozwala na nanoszenie obrazu termowizyjnego na zdjęcie obiektu. Na kolejnym rysunku przedstawiono zdjęcie dużej kabiny lakierniczej z naniesionymi barwami reprezentującymi lokalne wartości temperatury. Kabina ta wyposażona jest w trzy zespoły maszynowe z wentylatorami nawiewnymi i wywiewnymi. Widać wyraźnie dwie strefy rozjaśnione strefy dla wentylatorów nawiewnych, natomiast w końcowej części plenum dla ostatniego wentylatora temperatury są bardziej uśrednione.

Rys.4 Obraz termograficzny wewnątrza kabiny lakierniczej z trzema zespołami nawiewnymi

W kabinach lakierniczych interesuje nas bardziej rozkład prędkości powietrza w kierunku pionowym. Pomocna do takich pomiarów jest idea termowizyjnej wizualizacji strumienia powietrza pochodzącego z nawiewnika instalacji wentylacyjnej. Metoda ta polega na umieszczeniu arkusza w przekroju prostopadłym do powierzchni części nawiewnej. Na podstawie obrazu arkusza z kamery termowizyjnej można wnioskować rozkład prędkości powietrza pochodzącego z nawiewnika. Jak widać z przedstawionego przykładu wartości te są ze sobą silnie skojarzone.

Rys. 5 Metoda wizualizacji strumienia powietrza z wykorzystaniem kamery termowizyjnej źródło: Visualization of Air Flows with an Infrared Camera: Presentation of a Simple Technique and Examples of Data Analysis – FLIR Technical Series

Modelowanie numeryczne

Coraz powszechniej na etapie projektowania wykorzystywane jest oprogramowanie narzędziowe CFD (Computational Fluid Dynamic) do numerycznego modelowania i symulacji strumieni powietrza. Mechanika płynów pozwala na wstępne określenie rozkładu strug powietrza. Model przepływu powietrza z wykorzystaniem CFD pozwala na weryfikację rozkładu prędkości powietrza w całym obszarze kabiny lakierniczej. Taka wiedza daje możliwości dalszej optymalizacji konstrukcji kabiny lakierniczej w celu zapobiegania nieoczekiwanym zjawiskom występującym w wymianie powietrza.

Rys. 6 Rozkład strug wewnątrz kabiny lakierniczej

Zamodelowany obieg powietrza może być prezentowany na kilka sposobów: w postaci trójwymiarowego modelu strug powietrza lub w ujęciu wektorowym w danym przekroju. Kolory strug reprezentują ich prędkość w danym obszarze. Wektorowa prezentacja wyników obliczeń jest często bardziej czytelna i pozwala na łatwiejszą identyfikację lokalnych, nieoczekiwanych zjawisk. Wektory przedstawiają kierunek przemieszczania powietrza natomiast kolor tła związany jest z jego prędkością. Na przykładowych rysunkach przedstawiono zobrazowanie wymiany powietrza w przekrojach poprzecznym i wzdłużnym kabiny. Dla zbliżenia zgodności z rzeczywistymi warunkami eksploatacyjnymi wewnątrz kabiny umieszczono przykładową bryłę samochodu.

Rys. 7 Rozkład prędkości powietrza w przekroju poprzecznym

Rys.8 Rozkład prędkości przepływu powietrza w przekroju wzdłużnym kabiny

W reprezentacji wektorowej wyraźnie widać powstające lokalne wiry powietrza. Analiza CFS wspomaga badania nad optymalizacją procesów wentylacji. Stosowana jest jako pierwszy krok w pracach badawczo-rozwojowych. Na podstawie uzyskanych wyników symulacyjnych można zbudować prototyp, który następnie zostanie zweryfikowany i poddany dalszym ewentualnym modyfikacjom. Obniża to koszty pro typowania, jednak model numeryczny nie zawsze będzie zgodny z obiektem rzeczywistym.  Powodów w rozbieżnościach może być bardzo wiele. Mogą to być: zanieczyszczenia filtrów, drobne nieszczelności, ciśnienie na zewnątrz kabiny, konstrukcja i geometria kanałów wentylacyjnych a szczególnie czerpni i wyrzutni oraz warunki atmosferyczne na przykład wiatr.

Artykuł ma na celu przestawienie metod pomiarów i wizualizacji obiegu powietrza w kabinie lakierniczej. Przedstawione wyniki modeli CFD zostały opracowane wspólnie z Politechniką Koszalińską w trakcie realizacji grantu pod tytułem Rozwój urządzenia do wymiany powietrza z odzyskiem ciepła w kabinach lakierniczych realizowanego z na Wydziale Techniki Morskiej i Transportu ZUT w Szczecinie. Projekt finansowany przez Regionalne Centrum Innowacji i Transferu Technologii Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, w ramach programu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego pn. „Inkubator Innowacyjności”.

Piotr Nikończuk

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Wydział Techniki Morskiej i Transportu