ASUPRA VENTILĂRII INCINTELOR SPECIALE AVÂND SPAŢII TEHNOLOGICE CU PERICOL DE EXPLOZIE ÎN ZONE LIMITATE SPAŢIAL

 

Dr.-Ing. Teodor TERETEAN

1.    Prezentarea problemei

Realitatea cotidiană pune în faţa inginerului de instalaţii de ventilare cazuri dintre cele mai variate.

Soluţionarea acestora depinde, atât de ştiinţa inginerului, cât şi de experienţa unei cazuistici anterioare.

În ceea ce ne priveşte, în ultima vreme, am optat pentru iniţierea unor dezbateri publice privind cazurile mai speciale de instalaţii de ventilare.

Ne propunem, în cele de faţă, a prezenta cazul ventilării unor incinte cu dimensiuni mari în interiorul cărora au loc, periodic şi în spaţiu limitat, desfăşurarea unor procese tehnologice care utilizează substanţe volatile, toxice şi explozive.

În speţă, este vorba de ventilarea generală a unui tip de incintă, denumită în continuare garaj de retuş, în care au loc corecturi ale stratului de vopsea pe porţiuni (suprafeţe) limitate, aparţinătoare unor obiecte de dimensiuni importante.

Acestea sunt obiecte care, pe lângă alte operaţiuni, suferă şi anumite mici reparaţii prin (re)vopsire, denumite retuşuri de vopsea, cu vopsele şi solvenţi pe bază de nitroderivaţi.

Retuşurile au loc pe suprafeţe mici, restrânse, ale carcasei obiectului, folosindu-se cantităţi limitate de vopsea (pigmenţi) şi de solvenţi de diluţie.

Porţiunea din suprafaţa obiectului, supusa acestei operaţiuni, se află în aşa-numita zonă de retuş, care trebuie să fie, volumetric, mai mică de 5% din volumul garajului de retuş, în conformitate cu anumite precauţii obligatorii, generate de siguranţa deplină a clădirilor, la incendii şi la explozii.

 Astfel, în Normativul de Siguranţă la foc a Construcţiilor, P118-99, art. 2.1.6. se stipulează:

„ Categoriile de pericol de incendiu se stabilesc pe zone şi încăperi, precum şi independent pentru fiecare compartiment de incendiu şi construcţie în parte, menţionându-se obligatoriu în documentaţia tehnico-economică.

Cea mai periculoasă categorie de pericol de incendiu necompartimentată, existentă într-o încăpere (spaţiu), compartiment de incendiu sau construcţie, de regulă, determină categoria de pericol a acestora, cu următoarele excepţii:

Categoriile A şi B (BE3a, b) de pericol de incendiu, al căror volum aferent este mai mic de 5% din volumul încăperii sau al compartimentului respectiv; …

… În cazurile exceptate se iau măsuri care să reducă posibilităţile formării concentraţiei locale cu pericol de explozie şi a propagării incendiului spre spaţiile învecinate din cadrul încăperii sau a compartimentului respectiv …”.

 

2.    Caracteristicile zonei de retuş

Urmare a celor de mai înainte, zona în care vor avea loc operaţiile de retuş de vopsea, va trebui să aibă un volum de maximum 5% din volumul spaţiului de amplasare a obiectului retuşat.

În acest fel, categoria de pericol de incendiu A, aferentă zonei de retuş, va putea să fie restrânsă exclusiv la aceasta zonă, fiind fără influenţă din acest punct de vedere asupra nivelului de ansamblu al incintei (garajului de retuş de vopsea).

Pe cale de consecinţă, conform normativului menţionat se poate presupune că pulverizarea de vopsea, formată din pigmenţi şi din solvenţi pe bază de nitroderivaţi (toluen, benzen, xilen etc.), este strict limitată la zona numită în continuare zonă de retuş, şi care trebuie să aibă un volum maxim de 5% din incinta mare (garajul de retuş), adică:

 

Vretuş= 5% * Vgaraj [m3]                     (2.1).

 

Pentru o înălţime a garajului de retuş, Hincintă, suprafaţa de pardoseală aferentă retuşului, pe care se proiectează zona de retuşare, va fi:

 

Sp retuş £ Vretuş / Hincintă [m2]              (2.2).

 

3.    Rapiditatea de uscare a unui solvent

Folosirea (în special) industrială a diferitelor substanţe, care se evaporă cu viteze diferite în mediul înconjurător, a condus la stabilirea unor factori de rapiditate de uscare a acestor substanţe.

Din acest punct de vedere, literatura tehnică americană recentă menţionează că, în ceea ce priveşte rapiditatea de uscare, substanţele se pot compara cu ajutorul unei scări numerice a rapidităţii de uscare, astfel:

-        DTR < 5 (foarte mare/ fast),  

-        DTR = 5-15 (medie/ medium),  

-        DTR = 15-75 (înceată/ slow), 

-        DTR > 75 (deloc/ nil).

Cunoaşterea corectă a rapidităţii de uscare a solvenţilor permite obţinerea unei imagini de ansamblu nedeformate în privinţa situaţiilor în care trebuie calculate curbele de creştere a concentraţiilor, mai ales în cazul utilizării unor amestecuri de solvenţi.

 

4.    Cuantificarea procesului de pulverizare a solventului poluant

Pentru obţinerea unor informaţii cât mai apropiate de realitate, în ceea ce priveşte felul în care solventul (poluantul toxic / exploziv) se împrăştie în aerul incintei pe care o contaminează este necesară definirea şi cuantificarea procesului de pulverizare a solventului în procesul de retuş cu vopsea.

Deoarece dispersarea vaporilor de solvenţi nitroderivaţi în aerul incintei de vopsire este rapidă, folosirea ca unitate de timp a orei pare mai puţin relevantă.

În consecinţă, definirea cantităţilor de solvent pulverizat per minut acoperă mai bine procesul de înţelegere a modului în care trebuie coroborat procesul tehnologic (de pulverizare a solventului prin intermediul vopselei) cu funcţionarea unei instalaţii de ventilare mecanică.

De aceea, în ultima vreme, cantităţile de solvent pulverizat se exprimă mult mai convenabil în ml/min sau l/min (în sistemul SI) sau în pints/min (în sistemul I-P), cu relaţia de convertire reciprocă: 1 pint = 473 ml.

 

5.    Coeficienţii de siguranţă ai instalaţiei

Debitul de aer util, Dutil, care participă efectiv la diluarea substanţelor toxice şi explozive, este mai mic decât debitul de aer total brut, Dbrut, prin afectarea acestuia cu anumiţi coeficienţi de siguranţă, aferenţi tandemului format din procesul de pulverizare a vopselei şi, respectiv, modul (principiul) de funcţionare a instalaţiei de ventilare mecanică.

Ţinând seama de cerinţele prezentate mai înainte, pentru determinarea debitului de aer util necesar diluţiei substanţelor periculoase, se utilizează relaţia de calcul:

 

Dutil = Dbrut / ( k1 * k2 * k3)                 (5.1)

în care:

k1 - coeficientul de neuniformitate spaţială a ventilării incintei (garajului de retuş); acest coeficient ţine seama de faptul că vopsirea are loc exclusiv în zona de retuş, iar ventilarea (care are un caracter general) se execută în întreg volumul incintei (garajul de retuş) şi deci k1 = Vgaraj/ Vretuş; [coeficientul k1 trebuie privit ca o caracteristică de bază a sistemului, care exprimă raportul dintre asimetria pulverizării vopselei faţă de simetria ventilării generale],

k2 - coeficientul de abatere de la tehnologia standard de pulverizare a vopselei (folosirea mai multor pistoale de pulverizare simultană, folosirea intensivă a unui singur pistol etc.), stabilit pe criterii de experienţă practică a vopsirii,

k3 - coeficientul de siguranţă a procesului tehnologic, în funcţie de tipul de calcul efectuat: pentru păstrarea concentraţiei maxime admisibile (CMA), d.p.d.v. al protecţiei muncii, sau nedepăşirea limitei inferioare de explozie (LIE).

Ţinând seama de precizările de mai înainte, pentru determinarea debitului de aer util necesar diluţiei substanţelor periculoase, relaţia (5.1) poate îmbrăca următoarele forme:

Dutil CMA = Dbrut / ( k1’ * k2’ * k3’)                   (5.1’)

sau

Dutil LIE = Dbrut / ( k1” * k2” * k3”).                  (5.1”)

Desigur, valorile coeficienţilor menţionaţi diferă în funcţie de analiza cazurilor luate în considerare.

 

6.    Curba de creştere a concentraţiei unui solvent utilizat pentru diluarea vopselei de retuş (curba de acumulare, build-up line)

6.1.         Cazul pulverizării în ritm normal (recomandat)

În cursul operaţiunilor de retuş, pe o arie restrânsă a suprafeţei obiectului vopsit, se pulverizează o anumită cantitate de vopsea într-un anumit interval de timp.

Se poate constata aici existenţa unei anumite intensităţi (viteze) de vopsire (pulverizare), un anumit ritm al vopsirii.

Dispersia solventului în aer se face, în principal, în două etape:

-          În etapa de pulverizare propriu-zisă, în care, o parte din solventul conţinut în vopseaua diluată, se împrăştie direct în aer, înainte ca jetul de vopsea, să atingă suprafaţă retuşată;

-          În etapa de uscare a vopselei, depusă deja pe carcasa obiectului retuşat.

În funcţie de rapiditatea de uscare a solventului (conform valorii sale DTR) rezultă viteza cu care, întreaga cantitate de solvent, pătrunde în aerul incintei.

În cazul solvenţilor nitroderivaţi valorile DTR sunt mici, procesul de uscare decurgând rapid (fast).

De aceea, în cazurile de retuşuri de vopsea care folosesc nitroderivaţii ca solvenţi, din motive de siguranţă a ventilării, se poate considera că, practic, în timpul procesului de pulverizare, întreaga cantitate de solvent este transferată în aerul incintei, sub formă de vapori.

Acumularea de poluant este fenomenul prin care, cu instalaţia de ventilare în funcţionare permanentă, concentraţia vaporilor de solvent creşte în timp, datorită pulverizării continue şi, mai ales, uniforme a vopselei de retuş care îl conţine.

Curba de creştere a concentraţiei unui solvent, C, exprimată în ppm, este o funcţie exponenţială care creşte cu timpul, dar nu depăşeşte CMA, rămânând asimptotic sub valoarea acesteia.

Această curbă este dată de relaţia:

C = (G / Dutil CMA) * {1 - exp [(-Dutil CMA) / Vgaraj]*Dt} * 106,                        (6.1.1)

in care G este rata de generare a vaporilor de solvent, care se formează în aer prin evaporarea lichidului pulverizat, contaminându-l.

G se exprimă în m3/min (sistemul SI) sau ft3/min (sistemul I-P).

în relaţia (6.1.1.), între acolade se află factorul de creştere a concentraţiei, Fcreştere:

Fcreştere = {1 - exp [(-Dutil CMA)/Vgaraj]*Dt}                       (6.1.2)

Factorul Fcreştere , trebuie privit ca o caracteristică intrinsecă, de interconexiune aeraulic-spaţială a sistemului de ventilare generală.

Cu titlu de exemplu, în Fig. 1 este ilustrat cazul unei incinte având Vgaraj= 22000 m3, ventilată general cu Dutil CMA= 4000 m3/h (Dbrut= 100000 m3/h).

Acest factor exprimă influenţa raportului dintre debitul de aer util injectat de instalaţia de ventilaţie şi întregul volum ventilat, evidenţiind capacitatea de întârziere a poluării spaţiului ventilat.

Din cele expuse mai înainte trebuie reţinute următoarele elemente:

-           Fiecare incintă de mari dimensiuni, pentru un anumit debit de aer furnizat de o instalaţie de ventilare mecanică generală, are o curbă de acumulare a poluantului (mai lentă sau mai rapidă), care precizează intervalul de timp în care se ajunge, de la zero la o concentraţie de poluant staţionară, a cărui valoare este dată de raportul G/ Dutil CMA;

-          De regulă, aceasta concentraţie se consideră egală cu valoarea CMA a poluantului în speţă;

-          Nedepăşirea ratei de generare a vaporilor de solvent, exprimată prin G, asigură nedepăşirea valorii CMA, luată în calcul.

 

6.2.         Cazul pulverizării în ritm intensificat (precauţii suplimentare)

În cazul strict particularizat al vopsitoriei de retuş analizate, pentru un debit brut de aer introdus permanent în incintă, Dbrut= 100000 m3/h, a rezultat că, pentru nedepăşirea valorii CMA la toluen (100 mg/m3 aer sau 26,53 ppm), trebuie să se pulverizeze, în ritm uniform, un debit de toluen recomandat ca maximal, ERtoxicitate CMA TOLUEN = 440 ml/h, care este echivalentul unei rate de generare a vaporilor acestui solvent, GTOLUEN @ 0.1 m3/h.

În cazul în care pulverizarea solventului (care conţine dizolvat pigmentul de  vopsea) are loc într-un ritm care depăşeşte valoarea recomandată a ratei de pulverizare, şi deci de evaporare a solventului, ERtoxicitate CMA, este evident că:

-          Fie valoarea concentraţiei finale de poluant, CMA’, care se va stabili în incintă, la finalul evoluţiei curbei de acumulare, va fi mai mare decât valoarea CMA propusă iniţial (CMA’ > CMA),

-          Fie valoarea concentraţiei de poluant CMA, va fi atinsă într-un interval de timp mai scurt (denumit durată maximă de pulverizare în ritm intensificat), caz în care operaţia de pulverizare trebuie obligatoriu stopată, imediat după scurgerea acestui interval de timp.

Se poate construi o curbă de corelaţie între debitul de solvent pulverizat şi durata maximă de pulverizare pentru nedepăşirea CMA a acelui solvent în aerul incintei pentru fiecare sistem de ventilare proiectat.

În cazul exemplului prezentat mai înainte aceasta curba este ilustrară în Fig. 2.

Cu ajutorul acestei diagrame, în cazul acestei vopsitorii de retuş, s-a putut determina durata maximă a operaţiunii de vopsire de retuş, pentru situaţia în care ritmul de solventul pulverizat a depăşit valoarea normată, ERtoxicitate CMA.

De reţinut că diagrama din Fig. 2 este valabilă, exclusiv pentru vopsitoria analizată, indiferent de tipul solventului folosit, acest factor depinzând exclusiv de factorii aeraulici (ai instalaţiei) şi de spatii ai incintei.

Cu alte cuvinte, corelaţia este făcută ţinându-se seama de debitul de aer util pentru diluţie până la valoarea CMA, Dutil CMA, şi de volumul garajului de retuş, Vgaraj, volum în care loc practic expansiunea vaporilor de solvent utilizat.

În acelaşi timp, în Fig. 3 se prezintă câteva curbe de creştere a concentraţiei de vapori de TOLUEN, pentru diferite ritmuri intensificate de pulverizare, diferite de regimul staţionar.

Din figură se poate observa rapiditatea cu care se instalează în incintă o concentraţie a poluantului egală cu CMA.

Astfel, simpla dublare a intensităţii de pulverizare face ca, în cazul toluenului, atingerea CMA să se producă după numai 4,15 ore (4 ore şi 9 minute), după care pulverizarea trebuie stopata.

Pe de alta parte, în cazul păstrării ritmului normal de pulverizare, cu instalaţia de ventilare în funcţiune continuă, rezultă ca vopsirea se poate face non-stop.

În cazul prezentat în Fig 2, la un ritm de pulverizare intensificat de 4 ori cantitatea maximală de toluen pur pulverizat este de cca. 3000 ml dar, după 1 oră şi 42 de minute, fiind atinsa CMA, pulverizarea trebuie oprită.

Este evident ca mărirea debitului de aer insuflat de instalaţia de ventilare generală conduce implicit la posibilitatea intensificării ritmului de pulverizare fără a se depăşi CMA aferentă poluantului; dar şi costurile de investiţie şi exploatare aferente sunt altele.

 

7.    Curba de descreştere a concentraţiei unui solvent utilizat pentru diluarea vopselei de retuş (curba de purjare)

În cazul în care operaţia de pulverizare a încetat, instalaţia de ventilare continuând să funcţioneze, în incinta ventilată începe sa scadă concentraţia existentă a vaporilor de solvent.

Se spune că a început faza de purjare a incintei de poluant.

Purjarea este operaţia prin care, după terminarea pulverizării poluantului, instalaţia de ventilare fiind lăsată în funcţiune, are loc curăţarea integrală de poluant, în timp, a incintei.

Admiţând că, la terminarea procesului de retuş de vopsea, în spaţiul garajului de retuş, era deplin stabilită în aer concentraţia finală, Cfinal vopsire = CMA (medie), se poate determina intervalul de timp în care concentraţia Cpurjare, tinde către 0, în final devenind nulă (Cfinal purjare = 0).

Este de subliniat faptul că, durata de purjare este un factor determinant în stabilirea momentului de la care:

-        poate fi oprită instalaţia de ventilare sau

-        fără a opri instalaţia de ventilare, se poate începe o nouă operaţie de pulverizare a solventului pentru retuş.

Este important de subliniat faptul că, reluarea procesului de vopsire în ritmul normal (conf. par. 6.1.), chiar dacă purjarea este incompletă, nu duce la depăşirea CMA pentru acel poluant, ci la stabilirea mai rapidă a unei concentraţii egală cu CMA, pentru spaţiul ventilat.

Curba de purjare este dată de o relaţie de tipul:

Cpurjare= CCMA * exp [(-Dutil / Vgaraj) * Dt]                (7.1)

în care:

Cpurjare= concentraţia poluantului în atmosfera incintei, unde a avut loc retuşul de vopsea, după un intervalul de timp Dt,

CCMA= concentraţia maxima admisibila a poluantului d.p.d.v. al protecţiei muncii, la care începe purjarea incintei unde a avut loc retuşul de vopsea,

Dutil – debit de aer util, dat de relaţia (5.1),

Vgaraj - volumul garajului de retuş,

Dt – intervalul de timp scurs de la terminarea pulverizării poluantului.

Relaţia de calcul (7.1), este un indicator care materializează modul în care scade, după un interval de timp Dt, concentraţia în aer a poluantului, din momentul încheierii operaţiei de retuş.

În momentul în care Cpurjare = 0, operaţiunea de purjare se consideră, teoretic, încheiată, spaţiul fiind curat; practic, purjarea se poate considera terminată când se îndeplineşte condiţia

[ (CMA - Cpurjare) * 100] / CMA < 1%.

Curba de purjare depinde, atât de valoarea concentraţiei de început a purjării, cât şi de factorul de purjare, F, care este o caracteristică intrinsecă a funcţionarii tandemului instalaţie de ventilare + volumul de ventilat.

Din relaţia (7.1) rezultă:

F= exp [(-Dutil / Vgaraj) * Dt]                (7.2)

în cazul particular al incintei din Fig. 1, relaţia (7.2) este reprezentată grafic în Fig 4.

Din Fig 4 rezultă că, scăderea raportului 100*(CMA - Cpurjare)/CMA sub 1% are loc după un interval de purjare, Dt= cca. 26 ore.

 

8.    Cazul în care diluarea pigmenţilor dintr-o vopsea de retuş se face într-o soluţie alcătuită din mai mulţi solvenţi

În cazurile în care, în cadrul unei operaţiuni de retuş de vopsea, se folosesc amestecuri de solvenţi (mixturi), este necesar a se face evaluarea efectului sinergic al acestora (acţiunea combinată a mai multor substanţe toxice asupra corpului uman).

Se consideră că au efect sinergic de tip aditiv substanţele toxice care au ca ţintă a agresivităţii lor, acelaşi organ sau sistem al organismului, ori care au acelaşi mecanism de acţiune (vezi N.G.P.M., art. 419).

Evaluarea efectului aditiv se face calculându-se expresia:

E = C1/CMA1 + C2/CMA2 + … + Cn/CMAn                         (8.1)

în care,

C1, C2, …, Cn = concentraţiile determinate în aer pentru fiecare solvent,

CMA1, CMA2, …, CMAn = concentraţiile maxime admise pentru fiecare solvent în parte.

Dacă, în cursul operaţiilor de retuş se măsoară concentraţii Cn ale diferiţilor solvenţi ai mixturii care introduse în relaţia (9), alături de concentraţiile maxim admise ale acestora CMAn, conduc la valori ale expresiei E > 1 atunci este necesar a se tine seama de efectul sinergic al solvenţilor.

În acest caz este necesar a se face calculul cantităţilor separate de solvenţi introduse în mixtură.

 

9.    Concluzii

1.            Spaţiile în care se folosesc substanţe toxice-explozive sunt considerate, în întregime, ca având categoria A sau B pericol de explozie şi sunt tratate arhitectural şi constructiv ca atare.

2.            Există situaţii în care zona de degajare a substanţelor toxice-explozive ocupă un volum sub 5% din întregul volum al unei incinte; este şi cazul zonelor de retuş de vopsea.

3.            Ideal este ca, în aceste situaţii, zona cu pericol de explozie să fie izolată (carcasată) astfel încât să fie eliminată orice posibilitate de producere a degajărilor de substanţe periculoase în restul spaţiului incintei principale.

4.            În cazurile în care nu este posibilă adoptarea unei astfel de soluţii se va recurge la un set de măsuri, expuse mai înainte şi care pot fi rezumate astfel:

-          Se va adopta un sistem de ventilare generală a incintei principale,

-          Se va realiza o distribuţie cât mai omogenă, atât a gurilor de introducere a aerului proaspăt, cât şi a celor de evacuare a aerului viciat (prevăzute cu elemente de filtrare/ reţinere a pigmenţilor de vopsea),

-          Se va limita, strict, pulverizarea de substanţe toxice-explozive în zona prestabilită,

-          Se vor calcula cantităţile maxime de substanţă toxică-explozivă care vor putea fi pulverizate şi ritmul în care poate avea loc aceasta operaţiune,

-          Indiferent de natura solventului rămân valabile următoarele caracteristici ale spaţiului ventilat de o anume instalaţie de ventilare mecanică: Diagrama de creştere a concentraţiei solventului în vopsitorie (exemplul din Fig. 1), Corelaţia dintre debitul de solvent pulverizat si durata maximă de pulverizare până la atingerea CMA a acelui solvent in aer (exemplul din Fig. 2) şi Diagrama de purjare a incintei de la CMA la zero (exemplul din Fig. 4),

-          După terminarea pulverizării se va lăsa în funcţiune instalaţia de ventilare generală atâta timp cât trebuie să se producă purjarea completă a spaţiului de noxele periculoase,

-          Se recomandă ca fiecare asemenea situaţie să fie analizată cu grijă, efectuându-se calcule stricte, care să asigure evitarea oricărui pericol de intoxicare sau de explozie.

 

BIBLIOGRAFIE

(1)                      INDUSTRIAL VENTILATION - A manual of recommended practice, 24th Edition, 2001, ACGIH worldwide (American Conference of Governmental Industrial Hygienists – USA).

(2)                      ASHRAE HANDBOOK, Fundamentals, 2005, SI Edition, Supported by ASHRAE Research, USA.

(3)                      ASHRAE HANDBOOK, Applications. Vol. 1999. New York.

(4)                      Christea, Alex., Teretean, T. - Instalaţii de ventilare şi condiţionare a Aerului., Vol 3., Reglarea la punerea în funcţiune şi în exploatare., Ed. Tehnică, 1976, Bucureşti.

(5)                      Teretean, T. - Simularea interacţiunii clădire-echipamente, O soluţie de dimensionare a instalaţiilor de aer condiţionat, Revista Instalatorul, Nr. 5/ 2000 şi 6/ 2000, Ed. Artechno, Bucureşti.

(6)                      Teretean, T. - Instalaţii  economice  de  aer condiţionat cu ventilare, Intre profesionalism si improvizaţie. Revista AMBIENT, Nr. 2/ 2000, Ed. EDITH, Bucureşti.

 Articol prezentat în Culegerea de articole, la a 41-a Conferinţă a Asociaţiei Inginerilor de Instalaţii din România, Sinaia, 2006.

  


Teodor TERETEAN - Doctor Inginer în Termo-Hidraulica Instalaţiilor, Tel: 0722 363 066. Tel/Fax: 021 232 5145. E-mail: tt@airconditioning.ro.