KAMIKA Instruments PUBLIKACJE

KAMIKA Instruments
TYTUŁ
"Skutki użycia pewnej normy"
PUBLIKACJE
AUTORZY
Stanisław Kamiński, KAMIKA Instruments
DZIEDZINA
Ochrona środowiska
PRZYRZĄD
IPS
SŁOWA KLUCZOWE
imisja, EN 12341, pomiar zapylenia
ŹRÓDŁO
"Ekopartner"; rok: 2007; nr 8-9 (190/191); s 34-35
ABSTRAKT
W artykule "Imisja to poważny problem czy nie?" stwierdzono, że Państwowe Stacje Monitoringu
dokonują pomiaru zanieczyszczenia powietrza źle, ale za to zgodnie z normą unijną EN 12341.
Używane przyrządy, ze względu na swoją konstrukcję, zaniżają wartość koncentracji
zanieczyszczenia w powietrzu w obecności wiatru. Im większy wiatr, tym większy błąd pomiaru
koncentracji zanieczyszczeń.
KAMIKA Instruments
ul. Kocjana 15, Strawczyńska 16,
PL 01-473 Warszawa
tel/ fax +48 22 666 85 68, +48 22 666 93 32
[email protected]
www.kamika.pl
W poprzednim artykule pt. „Imisja to poważny problem, czy nie?” stwierdzono, że
pomiar zanieczyszczenia powietrza wykonywany jest źle przez Państwowe Stacje
Monitoringu, ale za to zgodnie z normą unijną EN 12341. Obecnie używane przyrządy, ze
względu na swoją konstrukcję, zaniżają wartość koncentracji zanieczyszczenia w
powietrzu w obecności wiatru. Im większy wiatr, tym większy błąd pomiaru koncentracji
zanieczyszczeń.
Dla opisania tego problemu należy dokładnie przeglądnąć normę EN 12341 i wyjaśnić, co
z niej wynika. W normie opisane są trzy typy „głowic aspiracyjnych próbników
odniesienia” dla małych, średnich i dużych wydatków zasysanego powietrza. Dla
aerodynamicznego opisania zjawisk zachodzących wokół i wewnątrz głowicy, zajmiemy
się konstrukcją próbnika LVS-PM10, czyli najmniejszej głowicy o wydatku zasysanego
powietrza 2,3 m3/h.
Ogólne wnioski otrzymane dla małej głowicy LVS-PM10, będą również dotyczyły
większych głowic typu HVS-PM10 i WRAC-PM10.
Na Rys. 1 przedstawiona jest konstrukcja głowicy LVS-PM10. Z zewnątrz wygląda jak
walcowy „słoik z przykrywką”. Słoik ma średnicę 78 mm, a pomiędzy krawędzią słoika i
przykrywka znajduje się szczelina 4 mm. Stosunek h/D określa wartość proporcji, według
której liczy się straty ciśnienia. Dla h/D = 0,05 strata ciśnienia jest znaczna i wynosi 0,8
wartości różnicy ciśnienia na zewnątrz i wewnątrz słoika.
Głowica LVS-PM10 prawidłowo zasysa powietrze, gdy nie ma wiatru. Przedstawione jest
to na Rys. 3., straty ciśnienia na szczelinie można łatwo wyrównać zwiększając pracę
sprężarki powietrznej, przez kontrolę stałości wydatku powietrza. Gdy zawieje wiatr,
sytuacja się zmienia i żeby to wyjaśnić należy rozważyć najpierw przepływ powietrza
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 1
wokół słoika na poziomie A [Rys. 1.], gdzie nie ma szczeliny. Opływ powietrza można
opisać na dwa sposoby: 1) dla opływu idealnego, gdy nie uwzględnia się lepkości
powietrza, 2) dla opływu rzeczywistego, z uwzględnieniem lepkości, to jest tarcia
powietrza o ściankę opływanego konturu.
Dla rozpatrywanego opływu (niewielkich prędkości wiatru, do kilku
m/s) różnice
pomiędzy opływem idealnym, a rzeczywistym są nieduże, dlatego rozpatrywać się
będzie rzeczywiste rozkłady prędkości i ciśnienia, a ich wartości podane zostaną jak dla
przepływu idealnego.
Opływ na poziomie A, bez szczeliny kształtuje się, jak pokazano na Rys. 4. Na wprost
kierunku wiatru następuje spiętrzenie ciśnienia proporcjonalnie do kwadratu prędkości
wiatru i w tym miejscu wiatr został zatrzymany. Następnie powietrze wokół koła zaczyna
się rozpędzać do prędkości prawie dwa razy większej niż prędkość wiatru. W tym
miejscu następuje maksymalne podciśnienie dochodzące proporcjonalnie do trzykrotnej
wartości kwadratu prędkości wiatru, Jakie będą zmiany, gdy rozważony zostanie opływ
powietrza na poziomie B, to jest w środku szczeliny ? Ze względu na znaczny opór
przepływu powietrza w szczelinie rozkłady ciśnień i zmiany prędkości opływu będą
podobne, ale mniejsze, co do wartości. Tak się dzieje dlatego, że to co nie może
wpłynąć do środka szczeliny musi opłynąć wokół szczeliny. Przedstawione to jest na Rys.
5.
Do określonego wokół szczeliny rozkładu ciśnień, przedstawionego na Rys. 5 można
dodać rozkład ciśnienia od zasysanego powietrza do wnętrza przyrządu. Wynik takiej
superpozycji (dodawania lub odejmowania ciśnień) przedstawiony jest na Rys. 6. Jest to
wynikowy rozkład ciśnienia przy wiejącym wietrze i przyrządzie zasysającym powietrze.
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 2
Dla oceny wpływu tego rozkładu na pomiar koncentracji zanieczyszczenia trzeba
przeanalizować rozkłady prędkości w szczelinie przedstawione na Rys. 2.
Gdy nie ma wiatru wszystkie cząstki zasysane przez szczelinę przepływają dalej przez
przyrząd. Wówczas, dla wydatku 2,3 m3/h prędkość pozioma w szczelinie wynosi 0,65
m/s, a prędkość pionowa w słoiku o średnicy 78 mm wynosi 0,13 m/s, co daje kąt
opadania cząstki β = 11˚. Przyrząd charakteryzuje się pewnym granicznym kątem α = 6˚,
tg α = 2h/D. Na kąt opadania cząstek wewnątrz przyrządu duży wpływ ma wiatr. Im
większy wiatr, tym mniejszy kąt opadania cząstek. Jeśli przy wietrze, kąt opadania β
będzie mniejszy od granicznego α = 6˚, to część cząstek zostanie z powrotem
wydmuchnięta przez szczelinę na zewnątrz przyrządu. Uwidacznia to rysunek 7, gdzie
przedstawiono trajektorię ruchu cząstek podczas działania wiatru. Wynikowy rozkład
ciśnień i prędkości jest całkowicie inny niż na Rys. 3 (bez wiatru). Ten rozkład prędkości
powoduje, że dla pewnych stref obwodu słoika nie tylko nie ma zasysania cząstek, ale
jeszcze jest wyrzut cząstek wpływających od strefy nawietrznej na zewnątrz. Powoduje
to zmniejszenie mierzonej koncentracji cząstek. Ten efekt widoczny jest na wszystkich
pomiarach monitoringu czystości powietrza, publikowanych w internecie * np. na stronie
„Jakość
powietrza Online”
(www.gios.gov.pl).
Dodatkowym
problemem,
w
tej
nieefektywnej z aerodynamicznego punktu widzenia konstrukcji, jest impaktorowy
podział
wielkości
cząstek.
Średnia
prędkość
wznosząca
cząstki
za
dyszami
impaktorowymi wynosi 0,94 m/s, ale tutaj jest pewien profil prędkości, który od ścianki
osiowego kanału urządzenia do zewnętrznej ścianki będzie się zmniejszał. Cząstki
wypływające z dyszy impaktora ze średnią prędkością 2,4 m/s skręcające w stronę osi
*
Autor stawia piwo pierwszej setce osób (pełnoletnich), które znajdą odwrotny wynik – tzn. przypadek, gdy
wiatr zwiększa prędkość z ustalonego kierunku, to zwiększa się zmierzona koncentracja pyłu PM10 w
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 3
będą miały większą prędkość unoszenia niż cząstki skręcające w stronę zewnętrznej
ścianki .
Prosta konstrukcja impaktora i zróżnicowany profil prędkości powodują różną separację
cząstek tego samego materiału.
A co z cząstkami o zróżnicowanym ciężarze właściwym ? Według normy EN12341
impaktory w głowicy LVS-PM10 zostały zaprojektowane dla separacji cząstek o średnicy
aerodynamicznej mniejszej niż 10 mikrometrów.
Średnica aerodynamiczna jest wielkością umowną, odnoszącą się tylko do cząstek o
wymiarach równoważnych dla ciężaru właściwego wtedy, gdy γ = 1 g/cm3.
Separacja przy pomocy impaktora polega na działaniu siły odśrodkowej, która powoduje,
że cząstki o pewnej masie i oporze aerodynamicznym mogą się znaleźć w pewnym
obszarze (otworze) lub nie. Gdy wpadną do otworu, przepływają dalej, jeśli nie, to
zostają zatrzymane.
Wzór na siłę odśrodkową cząstek kulistych jest następujący
F
gdzie:
 3
V2
* d * *
,
6
r
d - średnica cząstki
γ - masa właściwa
V - prędkość cząstki
r
- promień zakrzywienia trajektorii lotu cząstki
powietrzu (dotyczy to przyrządów zalecanych przez normę EN 12341). Zgłoszenia prosimy przesyłać na
adres [email protected]; Konkurs trwa do 31.12.2007.
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 4
dla ustalonych warunków d3 * γ = C
gdzie:
C  F*

V
2
*
6

Dla γ = 1 g/cm3 wszystko jest poprawnie, ale co zrobić, jeśli γ wynosi kilka g/cm3 lub
jak dla ołowiu 11,4 g/cm3 ? Siła odśrodkowa jest bezwzględna i odseparowane zostaną
na filtr tylko cząstki proporcjonalnie mniejsze od d  3
C

czyli zawartość ołowiu w PM
10 może być wielokrotnie zaniżona w stosunku do wartości rzeczywistej w całym PM.
Dlaczego warto zwrócić na to uwagę ? Bo zatrucie ołowiem może odbywać się nie tylko
przez płuca, ale również przez przewód pokarmowy. Wówczas należy wziąć pod uwagę
zawartość ołowiu w całym pyle zawieszonym. W przypadku oddziaływania pokarmowego
średnica aerodynamiczna nie ma żadnego znaczenia.
WNIOSEK
W załączniku D normy EN 12341 „Podstawy wyboru procedury ustalania równoważności”
jest „Porównanie badania terenowego z procedurą badania w tunelu aerodynamicznym”.
Jest tam wiele uwag opisujących pewne niekonsekwencje stosowania przyrządów
zaleconych w tej normie. Na przykład, różne wyniki otrzymane podczas badań
tunelowych i terenowych. Badania tunelowe wykonuje się zawsze z przepływem
powietrza, a badania terenowe mogą być wykonane podczas ciszy w atmosferze.
Jest to dowodem na prawdziwość zawartych w artykule rozważań na temat
aerodynamiki próbnika odniesienia LVS-PM10. Stąd wynika, że pomiary wykonane na
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 5
przyrządach zgodnych z normą EN12341 są obarczone błędem. Należy zatem ograniczyć
używanie przyrządów, które różnie mierzą w typowych warunkach atmosferycznych z
wiatrem i bez wiatru.
Z tego można wyciągnąć wniosek: „Słoiki wiatru nie lubią”.
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 6
K A M I K A Instruments
"Skutki użycia pewnej normy"
Jakość potwierdzona certyfikatem ISO 9001
Strona: 7