Skutki użycia pewnej normy

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.

POBIERZ ARTYKUŁ

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

ARTYKUŁ

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 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. 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 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

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  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 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”.

Wszelkie prawa zastrzeżone KAMIKA 2024, Projekt strony internetowej JL

+48 (22) 666 93 32
+48 (22) 666 85 68

ul. A. Kocjana 15
01-473 Warszawa