Raspršivanje nečistoća i produkata izgaranja
Uklanjanje uzdužnih nečistoća može se izvesti na izvoru zagađenja pomoću fizikalnih i kemijskih metoda. Ukoliko ne želimo ili ne možemo izvesti uklanjanje nečistoća koristi se metoda raspršivanja (disperzije) u atmosferu. Provodi se pomoću dimovodne instalacije i dimnjaka , no uz to je neophodno opsežno poznavanje metodologije , kemijske strukture i osobina atmosfere, vremenskih pojava, a posebno poznavanje mikroklime u okolišu dimnjaka.
Strujanje zrak-vjetar, vertikalno i horizontalno gibanje zračnih masa, termodinamička stabilnost atmosfere, osnovni su čimbenici za određivanje dinamike raspršivanja čestica u atmosferu, odnosno parametri za kreaciju i konstrukciju dimnjaka u određenom mikrorajonu.
Atmosferska stabilnost određuje se uspoređivanjem stvarne promjene temperatura s promjenom visine u atmosferi s adijabatskom promjenom temperature.
Nestabilno atmosfersko stanje je kada temperatura opada sa povećanjem visine za više od 1°/100m. Karakteristično je za vedre sunčane dane, kada su prisutna intenzivna uzdužna strujanja, i zračne mase se kreću naviše. Čestice i drugi produkti izgaranja, koji izlaze iz dimnjaka raspršuju se pod velikim kutom, pri čemu je moguće da na pojedinim lokacijama dolazi do njihovog dodirom sa zemljom i objektima u neposrednom okolišu dimnjaka.
Stabilno stanje atmosfere je onda kada je pad temperature sa porastom visine manji od 1°/100m. Uzdužne mase se kreću naviše sa tendencijom kretanja gore-dolje. Nečistoće i ostali produkti izgaranja nošeni do određene visine raspršuju se horizontalno. To dovodi do male koncentracije nečistoća pri zemlji i okolišu dimnjaka. Do zadržavanja nečistoća u većim koncentracijama može doći na većim udaljenostima od mjesta ukupnog raspršivanja. Stabilno vrijeme je obično u mirnim vremenskim periodima i u toku noći.
Ako su promjene temperature po visini jednake adijabatskoj promjeni (vrijeme jakih vjetrova i sa puno oblačnosti) vertikalna strujanja su zanemariva, raspršivanje čestica je ravnomjerno i u obliku konusa. U slojevima uz samu zemlju na različitim mjestima koncentracija je ujednačena.
Pojave inverzije suprotstavljaju se vertikalnom strujanju i raspršivanju čestica u vertikalnom smjeru. Stabilna atmosfera otežava, a nestabilna olakšava transport nečistoća u vertikalnom pravcu.
Gibanje i raspršivanje nečistoća u horizontalnom pravcu ovise o smjeru vjetrova, zračnim turbulencijama, te o topografskom obliku terena. Na osnovu navedenih elemenata kao i ostalih tehno-ekonomskih čimbenika, vrši se izbor lokacije energetskog bloka, a time i građevinske i aerodinamične karakteristike dimnjaka. Stupanj raspršivanja produkata izgaranja prvenstveno ovisi o brzini i smjeru vjetra, vertikalnog temperaturnog gradijenta, pretlačnoj-podtlačnoj zoni lokacije dimnjaka, turbulentne strukture vjetra, itd.
Slika: Smjer djelovanja vjetra
Na brzinu i smjer vjetra također utječu i gradovi. Grad jako povećava prizemno trenje koje vjetar mora savladati, tako da se vjetru smanjuje brzina, ali povećava mu se mahovitost, odnosno jača između visokih blokova zgrada. Strujanje zraka u gradu je dosta složeno. U središtu grada gdje su zgrade najviše, trenje je najveće pa se smanjenje brzine vjetra osjeća u najdebljem sloju zraka. Smanjenjem prosječne visine zgrada u predgrađima brzina vjetra se smanjuje trenjem u tanjem sloju zraka. U ravnoj okolici, gdje nema viših građevina, dolazi do trenja samo pod utjecajem drveća i svega ostaloga što je na podlozi pa se smanjenje brzine vjetra osjeća samo u najdonjem sloju. Neposredno uz podlogu u gradu nema vjetra ili je on vrlo slab; zatim dolazi sloj u obliku leće s većom brzinom pa opet slični viši slojevi s još većom brzinom vjetra, sve do gornje plohe gdje se brzina vjetra izjednačuje. Na bilo kojoj visini iznad grada u sloju u kojem se osjeća utjecaj trenja s podlogom brzina vjetra je manja prema središtu, a veća prema periferiji grada. Može se dogoditi da u gradu postoji toplinski otok pa je okolica hladnija od samoga grada i tada usprkos povećanom trenju u gradu zrak može strujati iz okolice i periferije prema središtu. To se najčešće događa u vedrim i tihim ljetnim noćima.
Vjetar je najvažniji klimatski element koji kontrolira zagađenost zraka u gradu te je zbog toga i osnovni parametar gradske klime. Zrak se izdiže iznad centralnog područja i na određenoj visini iznad grada prelazi u horizontalno strujanje prema periferiji gdje se spušta. Tako nastaje zatvoreni cirkulacijski sustav koji je vrlo važan jer visinski povjetarac iznad grada ne odnosi zagađivače iz gradske atmosfere, nego oni i dalje ostaju iznad samog grada. Vjetar ne utječe samo na koncentraciju i rasprostranjenost zagađivača zraka, već i na temperaturu (miješanje toplijeg i hladnijeg zraka), čestinu magle, intenzitet evaporacije i relativnu vlagu, količinu padalina i naoblaku.
Kriteriji za određivanje visine dimnjaka
Izgradnjom visokih dimnjaka se ne zaštićuje ekosustav. Jedino djelotvorno rješenje za zaštitu ekosustava je smanjenje emisije. Sasvim je svejedno da li se staklenični plinovi ispuštaju iz niskog ili visokog dimnjaka, jer neizostavno dolazi do globalnog povećanja temperature atmosfere. No međutim problem onečišćenja se može promatrati u tri razine:
- problem lokalnog onečišćenja
- problem regionalnog onečišćenja
- problem globalnog onečišćenja
Od ukupnog taloženja sumpornih spojeva u zemlji, u Hrvatskoj, 86% dolazi kao uvoz, a samo 14% je naš vlastiti doprinos.
Proračun visine dimnjaka vrši se prema EN DIN 4705. Proračun se svodi na određivanje uzgona . Uzgon mora biti dovoljan da savlada otpore kotla (kod podtlačnih kotlova) i otpore dimovodne instalacije. Preostali uzgon (efektivni uzgon) mora odvesti produkte izgaranja određenom brzinom u atmosferu.
Pri tome se razlikuju:
Statički uzgon Us je sila nastala razlikom gustoća dimnih plinova i gustoće zraka.
formula u časopisu Korak
Za dobro funkcioniranje dimovodne instalacije važan je onaj dio statičkog uzgona koji ostaje nakon odbitka otpora strujanja u samom dimnjaku, dakle efektivni uzgon U (Pa). Prema tome imamo:
formula u časopisu Korak
Za normalno funkcioniranje dimovodne instalacije efektivni uzgon kod prettlačnih kotlova mora savladati otpore u dimovodnoj cijevi, a kod pottlačnih kotlova i otpore ložišta.
Dimnjaci s prisilnom cirkulacijom
U slučaju dimnjaka s prisilnom cirkulacijom produkti izgaranja se usisavaju iz ložišta mehaničkim putem (ventilatorom) i pod tlakom izbacuju u atmosferu. Dimovodna instalacija s prisilnom cirkulacijom sastoji se od:
- usisne dimovodne cijevi- usisna dimovodna cijev pri prisilnoj cirkulaciji može biti mnogo dulja i manjeg promjera nego pri prirodnoj cirkulaciji. Promjer treba odgovarati promjeru ulaznog nastavka ventilatora. Spojevi moraju biti nepropusni. Radi regulacije podtlaka ugrađuje se kod ložišta s osiguračem strujanja prigušna (regulacijska) zaklopka neposredno iza dimovodnog nastavka. Kod ložišta bez osigurača strujanja ugrađuje se neposredno ispred ventilatora. Brzine strujanja unutar usisne cijevi treba namjestiti tako da nema šuma. Zbog toga ne treba prelaziti vrijednost od 4m/s
- Ventilator sa sigurnosnom sklopkom. Ventilator odabiremo tako da cijela količina dimnih plinova, bude sigurno odsisana. Pri tome se preporučuje primjena sporohodnih ventilatora (n<1000 okr/min) i brzine strujanja u cjevovodu do 4 m/s. Ventilator mora sigurno i trajno funkcionirati i pri najvišim temperaturama koje dimni plinovi mogu postići. Dijelovi ventilatora koji su u neposrednom dodiru s dimnim plinovima moraju biti u antikorozivnoj izvedbi. Ventilator s motorom treba radi smanjivanja prenošenja šumova postaviti na temelj koji prigušuje zvukove. Priključak s usisnom cijevi treba biti fleksibilan. Ako je potrebno, treba ispred ventilatora predvidjeti sporedni usis ili prigušnu zaklopku. Obje izvedbe moraju imati mogućnost podešavanja i fiksiranja.
Ventilator odabiremo prema količini dimnih plinova i gubitku tlaka zbog otpora cjevovoda, prema slijedećem postupku:
Slobodni presjek cjevovoda A (m2):
formula u časopisu Korak
Pad tlaka u cjevovodu sastoji se od pada u ravnom djelu, pada u koljenima ili račvama i pada na izlazu zbog vjetra:
formula u časopisu Korak
Snaga ventilatora određuje se prema formuli:
formula u časopisu Korak
Snaga motora se odabire tako da bude veća od snage ventilatora, a s obzirom na to da pri odsisavanju hladnog zraka treba utrošiti više energije, dobiva se:
formula u časopisu Korak
Izolacija u hladnom području
Kod nisko temperaturnih kotlova i kod ogrjevnih uređaja na dijelu dimnjaka koji se nalazi u hladnom području potrebno je postaviti dodatnu toplinsku izolaciju prema EN1443. U tehnici sanacije dimnjaka, ali i izgradnje novih dimnjaka teži se smanjenu debljine stjenke cijevi, zbog bržeg zagrijavanja sistema na radnu temperaturu (to je posebno važno u fazi kondenzacije, kada je materijal jače izložen utjecaju kiselina, jer što brže prođemo kroz tu fazu, manja je opasnost od korozije), pa je prema tome uloga izolacija takve tanke stjenke u hladnom području još izraženija. Dimnjaci grupe I moraju imati specifični toplinski otpor od najmanje 0,65 m2K/W, grupe II od najmanje 0,22 m2K/W i grupe III od najmanje 0,12 m2K/W .
Dimnjaci termoenergetskih postrojenja
Smisao proračuna je osigurati da efektivna visina prostiranja dimnih plinova i pri najnepovoljnijim uvjetima bude iznad krova najviših okolnih zgrada. Na području grada Zagreba dimnjaci koji imaju visinu 200 metara uglavnom prebacuju dimne plinove izvan Zagreba. Isto ispitivanje pokazalo je da najveći utjecaj na prizemne koncentracije imaju promet i kućna ložišta, te se jasno potvrđuje činjenica da čišće gorivo treba usmjeravati prema kućnim ložištima, čime ponovno dolazi do značaja ispravan dimnjak odnosno ispravno sanirani dimnjak. Topli produkti izgaranja i druge čestice izlaze iz dimnjaka i nastavljaju strujanje u vertikalnom pravcu. Efektivna visina dimnjaka određuje se prema izrazu u do određene visine gdje se dalje vrši horizontalno raspršivanje. Visinska razlika strujanja dimnih plinova od ušća dimnjaka do nivoa
Gdje je:
formula u časopisu Korak
Visina toplinskog strujanja dimnih plinova i drugih čestica u vertikalnom pravcu može se izraziti i definirati pomoću više obrazaca, danih po više autora kao npr.:
formula u časopisu Korak
Budući da su moguće atmosferske i vremenske oscilacije kod proračuna potrebno je dobivene rezultate povećati za 10 do 15% pri nestabilnom vremenu, a smanjiti 5 do 8% pri stabilnom vremenu.
Na osnovi iskustvenih pokazatelja visina dimnjaka je obično 2 do 2,5 puta veća od najvišeg susjednog objekta. Brzina odvoda dimnih plinova se kreće od 6 do 14 m/s.
mr.sc. Zdenko Meczner, dipl.ing.stroj.
