Publikacje / Sprzęt oświetleniowy dla pomieszczeń o niskich temperaturach

SPRZĘT OŚWIETLENIOWY DLA POMIESZCZEŃ O NISKICH TEMPERATURACH 1. Charakterystyka środowiska W ramach zagadnień związanych z techniką oświetlania w nietypowych warunkach środowiskowych najistotniejsze problemy związane są z temperaturą a szczególnie z jej skrajnymi poziomami . Temperatura otoczenia, w której pracować ma oprawa oświetleniowa jest wielokrotnie podstawowym kryterium jeżeli chodzi o sam dobór sprzętu oświetleniowego. Dotyczy to zarówno temperatur wyższych, jak i niższych od normalnej. Zagadnienie oświetlenia w niskich temperaturach jest niezwykle ciekawe, ponieważ zarówno od strony czysto teoretycznej, jak i praktyczno-eksploatacyjnej stanowi duże wyzwanie dla inżynierów i projektantów sprzętu oświetleniowego i oświetleniowców . Mówiąc o niskich temperaturach w pomieszczeniach należy mieć na myśli przede wszystkim pomieszczenia chłodnicze. Chłodnie i mroźnie przemysłowe stanowią szerokie pole zastosowań dla specjalistycznego sprzętu oświetleniowego. Są to miejsca, gdzie panująca temperatura jest stała przez cały okres eksploatacji, co znacznie ułatwia podejmowanie jakichkolwiek prób konstruowania opraw specjalistycznych. I właśnie takiemu sprzętowi zostanie poświęcony ten materiał. Warto zwrócić na to uwagę, ponieważ bardzo często spotykanym problemem jest też oświetlanie w środowisku, gdzie panujący zakres temperatur jest szeroki i zmienia się w określonym cyklu. Dotyczy to chociażby eksploatowania opraw w warunkach zewnętrznych. W takim przypadku niemożliwe jest przyporządkowanie jednej temperatury pracy dla oprawy. Jest ona zmienna w zależności od pory dnia i roku, co sprawia, że należy godzić się ze spadkiem sprawności zastosowanego rozwiązania dla temperatur mocno odbiegających od normalnej. W zastosowaniach zewnętrznych przy aktualnym poziomie techniki świetlnej  nie jest już problemem dobór oprawy, która zachowa swoje parametry na satysfakcjonującym poziomie dla szerokiego zakresu temperatur. Poważniejszy problem stanowią zagadnienia z szybkozmienną temperaturą otoczenia, gdzie dynamika regulacji oraz wysokie wymagania oświetleniowe zmuszają do stosowania kilku typów opraw jednocześnie, załączanych i wyłączanych w zależności od zadanej temperatury. Wszystkie te tematy są niezmiernie interesującymi problemami oświetleniowymi, przy czym praca w niskich temperaturach ze względu na szereg zastosowań praktycznych wysuwa się na pierwszy plan. Za normalną temperaturę pracy zarówno dla oprawy oświetleniowej jak i dla lampy przyjmuje się z reguły temperaturę +20 - +25?C. Pomieszczenia chłodnicze charakteryzują się niższą temperaturą w zależności od tego co i jak długo ma być w nich przechowywane lub ewentualnie jaki proces technologiczny tam się odbywa. Bez wnikania w zbędne oświetleniowcom szczegóły mamy 2 zasadnicze typy takich pomieszczeń - chłodnie i mroźnie. Charakteryzują się one brakiem dostępu światła dziennego oraz bardzo różnorodnymi wymiarami, co sprawia, ze można je oświetlać wieloma typami źródeł światła.. Temperatury panujące w chłodniach są na poziomie od -5 do +10?C, przy czym najczęściej jest to między -2 a +4?C. Przedział temperatur z zakresu od –18 do -5?C jest wykorzystywany dla procesów technologicznych związanych z zamrażaniem i ze względów oświetleniowych jest mało istotny. Temperatury poniżej -18?C rozpoczynają się w mroźniach i rzadko spotyka się tu niższe temperatury niż -55?C. W praktyce mroźnie mają najczęściej temperatury z zakresu od -40 do -20?C. Pomieszczenia chłodnicze charakteryzują się wysoką wilgotnością względną powietrza (80-90%)   2. Problemy techniczne w eksploatacji oświetlenia w niskich temperaturach 2.1 Spadek strumienia świetlnego lamp. Jak wspomniano wcześniej standardowo lampy (źródła światła) projektowane są do pracy w temperaturze otoczenia +25?C. Oznacza to, że przy takiej temperaturze otoczenia lampa osiąga 100% skuteczności świetlnej Zarówno przy wzroście, jak i przy obniżeniu tej wartości, skuteczność świetlna maleje. Skutkuje to, przy niezmiennych warunkach zasilania, spadkiem strumienia świetlnego lampy i pociąga za sobą wiele konsekwencji. Przede wszystkim wymogi oświetleniowe nie są spełnione, bo lampy wprowadzają zbyt mało światła do wnętrza. Obliczenia projektowe bazujące na parametrach nominalnych lampy tracą sens, bo przy znacznych wahaniach temperatury otoczenia, parametry te pogarszają się drastycznie. Na rys.1 pokazano jak zachowuje się strumień świetlny standardowej świetlówki liniowej o mocy 58W w funkcji temperatury otoczenia. Gdyby umieścić taką świetlówkę w chłodni (temperatury otoczenia od -5 do +10?C) można by uzyskać jedynie 30-80% wartości strumienia świetlnego nominalnego. Rysunek 1. Wpływ temperatury otoczenia na strumień świetlny świetlówki liniowej o mocy 58W. Jeszcze gorzej byłoby w mroźni ( od - 55 do -18?C), gdzie można by uzyskać jedynie od 2 do 10% wartości nominalnej strumienia świetlnego. Rozważania te odnoszą się do lampy bez oprawy (nieosłoniętej), pracującej w spokojnym powietrzu. Wystarczy świetlówkę umieścić w kloszu ochronnym, wtedy maksimum charakterystyki przesuwa się ku niższym temperaturom, co widać na rys.2. Umieszczono na nim 2 charakterystyki: dla świetlówki T8 o mocy 58W oraz dla świetlówki T5 o mocy 39W. Wykres dla świetlówki T8 ma maksimum dla temperatury około +5?C i strumień obniża się do 50% wartości nominalnej dopiero przy -15?C. Jest to już więc znaczący zysk w porównaniu do świetlówki bez żadnej ochrony (rys.1). Świetlówka T5 znacznie gorzej znosi niższe temperatury otoczenia i nawet w kloszu ochronnym ma bardzo duży spadek strumienia świetlnego (zaledwie 35% strumienia nominalnego przy 0?C). W świetlówkach - zarówno liniowych jak i kompaktowych - spadek strumienia świetlnego związany jest ze zbyt niską (dla temperatur otoczenia poniżej normalnej) temperaturą tzw. punktu krytycznego na jarzniku lampy. Nie przez przypadek najwięcej miejsca poświęcono świetlówkom - są one cały czas najczęściej stosowanym źródłem światła w takich obiektach. Strumień świetlny wysokoprężnych lamp wyładowczych jest znacznie mniej wrażliwy na wpływ temperatury otoczenia i nie jest to spadek tak odczuwalny jak dla świetlówek. Sprawia to, że ochrona tych lamp przed zimnem jest znacznie łatwiejsza.  Rysunek 2. Wpływ temperatury otoczenia na strumień świetlny świetlówek liniowych T8/58W oraz T5/39W umieszczonych w kloszu ochronnym.     2.2 Wychładzanie się opraw oświetleniowych Różnica temperatur między powietrzem w pomieszczeniu chłodniczym a elementami opraw oświetleniowych i lamp oraz bardzo wysoka wilgotność względna powietrza sprawiają, że mamy do czynienia z intensywnym przepływem ciepła oraz materii. Z praktyki inżynierskiej, bez najmniejszych wątpliwości, można przyjąć, że problem ogrzewania wnętrza chłodniczego przez oświetlenie jest nieistotny. Zdecydowanie ważniejsze jest oddziaływanie niskiej temperatury i dużej wilgotności na oprawy oświetleniowe. Pierwszy problem z tym związany to proces tzw. "oddychania" opraw, co skutkuje wnikaniem wilgoci do ich wnętrza. Ma to miejsce, gdy nagrzane powietrze wewnątrz oprawy, podczas jej pracy, wydostaje się na zewnątrz przez najmniejsze nawet nieszczelności. Podczas stygnięcia zaś - po wyłączeniu oprawy - następuje tą samą drogą zasysanie powietrza z najbliższego otoczenia wraz z zanieczyszczeniami. Skutkiem tego zjawiska jest pokrywanie się kloszy  opraw warstwą szronu. Dodatkowo istnieje ryzyko pojawienia się warstwy lodu na zewnętrznej części klosza, zwłaszcza w oprawach nie przystosowanych do pracy w takich warunkach, które wydzielają niewiele ciepła i nie potrafią utrzymać go wewnątrz. Ten problem praktycznie nie istnieje dla opraw z lampami metalohalogenkowymi , gdzie wydzielane ilości ciepła są znacznie większe. 2.3 Skracanie trwałości lamp Procesy przyspieszające koniec życia lampy (źródła światła) mają miejsce zwłaszcza przy rozruchu, w mniejszym stopniu w czasie normalnej pracy. W praktyce zazwyczaj trwałość rozumiana jest jako trwałość całkowita, czyli aż do momentu utraty zdolności emisji światła. Trwałość całkowita lamp żarowych sprowadza się w praktyce do trwałości żarnika, tak jak trwałość lamp wyładowczych to najczęściej trwałość elektrod. Czas rozruchu świetlówek w niskich temperaturach jest wydłużony (tzw. migotliwy zapłon), co sprawia, że występują dodatkowe ubytki emitera ze skrętek elektrodowych. Jest to proces kluczowy dla trwałości lampy. Lampy wyładowcze wysokoprężne są mniej wrażliwe pod tym względem, ponieważ w znakomitej większości nie posiadają emitera na elektrodach. Zjawisko skracania trwałości lamp pracujących w niskich temperaturach jest istotne ze względów ekonomicznych - zbyt częsta wymiana lamp to dodatkowy koszt. Stopień trudności wymiany lamp jest, na skutek panującego zimna, znacznie podwyższony. 2.4 Praca układów stabilizująco-zapłonowych lamp Nie tylko lampy są wrażliwe na niskie temperatury i dużą wilgotność względną powietrza w pomieszczeniach chłodniczych. Także stateczniki i zapłonniki pracują poprawnie tylko przy odpowiednich parametrach otoczenia. Zapłonniki tradycyjne (tlące) pracują prawidłowo nawet do -20?C, elektroniczne zaś do –30?C. Co do stateczników nie ma większych przeciwwskazań dla tradycyjnych dławików magnetycznych. Problemy pojawiają się przy statecznikach elektronicznych, które poniżej -15?oC, zwiększają awaryjność. Wszystkie te temperatury podawane są dla osprzętu lokowanego w korpusach opraw w sposób standardowy, bez żadnego dodatkowego zabezpieczenia przed zimnem. Nie konstruuje się osprzętu stabilizująco-zapłonowego specjalnie dla niskich temperatur. W oprawach przeznaczonych do takich zastosowań używa się dodatkowych zabiegów konstrukcyjnych, aby ochronić stateczniki i zapłonniki przed wpływem zimna. 3. Specjalistyczne oprawy do niskich temperatur firmy NORKA Niemiecka firma NORKA ma w swoim programie produkcji wysoce specjalistyczny sprzęt obejmujący oprawy do stosowania w niskich temperaturach. Najbardziej wyspecjalizowaną grupę stanowią oprawy na świetlówki liniowe. Sprzęt wykorzystujący wysokoprężne lampy wyładowcze oraz świetlówki kompaktowe wykonywany jest na bazie opraw z programu podstawowego jako zmienione wersje specjalne. Wszystkie oprawy wykorzystują standardowe źródła światła. Sukces osiągnięto dzięki konstrukcji oprawy, systemom ochrony źródeł światła i układów zapłonowych oraz stosowaniu doskonałej jakości materiałów. Projektując oprawy kierowano się chęcią eliminacji lub istotnego ograniczenia wszystkich czynników pogarszających ich pracę w niskich temperaturach.   3.1 Oprawy KIRUNA i TURKU na świetlówki liniowe Oprawy KIRUNA oraz TURKU są przykładem bardzo wysokiego stopnia specjalizacji. Skonstruowano je tylko i wyłącznie z myślą o pracy w niskich temperaturach. Oprócz cech wspólnych dla wszystkich opraw świetlówkowych NORKA wdrożono w nich rozwiązania bardzo zaawansowane. Pozwala to stosować oprawę TURKU w temperaturze do -25?C, a oprawę KIRUNA aż do -50?C z zachowaniem pełnego strumienia świetlnego lub jego nieznacznym ograniczeniem . Co jest warte podkreślenia sprawność i niezawodność tych opraw jest na bardzo wysokim poziomie dla deklarowanych temperatur pracy. Gwarantowane osiągi są wynikiem zarówno prac projektowych jak i tysięcy eksperymentów. Jest więc pewność, że istnieje realne przełożenie między teorią a praktyką eksploatacyjną. Zarówno oprawa TURKU, jak i KIRUNA, współpracują ze standardowymi świetlówkami z typoszeregu T8 (wersje 1x18W, 1x36W, 1x58W, 2x36W, 2x58W), a także ze świetlówką T5 typu HO w przypadku opraw TURKU. Jak większość opraw świetlówkowych NORKA, tak i te wyposażone są w system krótkich uszczelek, co pozwala na całkowite oddzielenie części optycznej oprawy od korpusu, w którym umieszczone są wszystkie niezbędne akcesoria. Od zawsze wiadomo, że najbardziej newralgicznym miejscem w oprawie hermetycznej jest uszczelka. To jej jakość decyduje o tym czy wnętrze oprawy jest wystarczająco chronione przed wnikaniem pyłu i wilgoci. Im mniejsza powierzchnia uszczelnienia tym ryzyko to jest mniejsze. Tak więc w konfrontacji z tradycyjnym rozwiązaniem, gdzie uszczelka umiejscowiona jest na całym obwodzie klosza przylegającego do obudowy jest to korzyść ogromna. Sprzyja to bardzo zastosowaniom w warunkach chłodniczych. Poprzez krótką uszczelkę wnikanie zanieczyszczeń i wilgoci do wnętrza klosza jest ograniczone w sposób doskonały, a co za tym idzie wymiana ciepła z otoczeniem tą drogą jest minimalna i lampa pracuje w korzystniejszym otoczeniu. Jakość materiałów użytych na uszczelki sprawia, że nie tracą one elastyczności na skutek starzenia i niskiej temperatury. Po otwarciu oprawy bez problemu można umieścić je na swoim miejscu bez ryzyka odkształcenia i utraty gwarantowanego stopnia szczelności. A jest to stopień IP 65 - zupełnie wystarczający dla takich zastosowań, jeżeli jest zapewniony przez cały okres eksploatacji (przynajmniej 15 lat).  Klosze opraw TURKU oraz KIRUNA wykonane są z polimetakrylanu (PMMA). Aluminiowe odbłyśniki o wysokiej sprawności są zintegrowane z kloszem i w zależności od wysokości montażu mają rozsył średni lub wąski. Aby maksymalnie poprawić szczelność opraw w korpusie nie ma żadnych otworów montażowych. Uchwyty ze stali nierdzewnej zatrzaskiwane są bez potrzeby dziurawienia obudowy. Oprawy wykonane są w II klasie ochronności elektrycznej i standardowo wyposażone w oprzewodowanie przelotowe 2x1,5mm2. Wśród cech charakterystycznych tylko dla opraw KIRUNA i TURKU wymienić należy przede wszystkim: system ochrony lamp przed zimnem specjalną ochronę stateczników oraz wspomaganie zapłonu Rysunek 4. System ochrony świetlówki przed zimnem TRIPLEX w oprawie KIRUNA System ochrony lamp przed zimnem to kluczowe rozwiązanie pozwalające pracować standardowym świetlówkom nawet w bardzo niskich temperaturach. W oprawie TURKU jest to system podwójny (DUPLEX), a w oprawie KIRUNA potrójny (TRIPLEX). Składają się na niego zarówno klosz oprawy jak i specjalne rury ochronne (1 lub 2) wykonane z odpowiedniej odmiany polimetakrylanu (PMMA). Ponieważ oprawy współpracują ze standardowymi świetlówkami muszą być skonstruowane tak, żeby sama lampa pracowała w temperaturze zbliżonej do normalnej. Rury ochronne pozwalają ograniczyć odpływ ciepła wydzielanego przez lampę do otoczenia, a tym samym zapewnić temperaturę pracy lampy na odpowiednim poziomie. Jest to istotne z tego względu, że świetlówki nie są źródłami tak dużych ilości ciepła jak lampy żarowe czy wyładowcze wysokoprężne. Przy takiej konstrukcji ruch ciepła w kierunku chłodnego bądź mroźnego powietrza jest spowolniony. Wymiana ciepła jest ograniczona i niewielka jego ilość wydzielana przez świetlówkę pozostaje wewnątrz oprawy. Wszystko to składa się na fakt zaistnienia w najbliższym otoczeniu lampy mikroklimatu pozwalającego uzyskiwać parametry nominalne. (20÷25?C), gdyż tylko wtedy świetlówka uzyska optymalne parametry świetlne i elektryczne. System ochrony lamp przed zimnem gwarantuje uzyskiwanie strumienia świetlnego oprawy na bardzo wysokim poziomie nawet w bardzo niskich temperaturach. Sprawność oprawy w ekstremalnych warunkach jest na wysokim poziomie. Dla oprawy KIRUNA ze świetlówką 58W sprawność jest największa przy -35?C i wynosi 100%. Dla temperatury -50?C sprawność oprawy wynosi 55%, co jest bardzo dobrym osiągiem. 100% strumienia świetlnego oprawy osiągają przy temperaturze poniżej -15?C (TURKU) i przy -35?C (KIRUNA).           Rysunek 5. Strumień świetlny opraw TURKU oraz KIRUNA w funkcji temperatury otoczenia. Dobór oprawy oraz obliczenia oświetleniowe muszą być korygowane w zależności od zadanej temperatury otoczenia po to, by uniknąć rozbieżności między rezultatami uzyskiwanymi podczas symulacji komputerowej a wynikami pomiarów sprawdzających po zamontowaniu opraw. Jeżeli chodzi o stosowane w tych oprawach stateczniki to ich dobór również zależy od temperatury, w jakiej pracować ma oprawa Są one gwarantem jakości uzyskania wymaganych parametrów oświetleniowych w niskich temperaturach. Dobór typu układu stabilizująco-zapłonowego jest istotny, ponieważ istnieją ograniczenia w stosowaniu układów elektronicznych. Ze względu na bardzo dużą ilość komponentów tworzących taki układ ryzyko awarii jest zwiększone. Dobrze zabezpieczony statecznik elektroniczny, tzn. odpowiednio ulokowany w oprawie i owinięty specjalną folią aluminiową może być używany nawet przy -30?C. Poniżej tej temperatury zaleca się stosowanie tradycyjnych magnetycznych stateczników, które chronione są w dwojaki sposób. Pierwszy stopień odizolowania statecznika od niskiej temperatury to specjalna folia ochronna, a drugi stopień to komora izolacyjna w korpusie oprawy, gdzie statecznik jest umieszczony. Taka ochrona sprawia, że statecznik konwencjonalny sprawdza się nawet w skrajnie niskich temperaturach. Statecznik elektroniczny - mimo tych zabiegów - znacznie gorzej znosi pracę w temperaturach poniżej –30?C i prawdopodobieństwo awarii w takich warunkach rośnie. W oprawie KIRUNA stosuje się także wspomaganie zapłonu lampy realizowane przez połączenie zacisku neutralnego z odbłyśnikiem. Na rys.6 i w tabl.1 pokazano rezultaty symulacji komputerowej, która obrazuje efekty, jakie osiągnąć można stosując oprawę KIRUNA w pomieszczeniu o następujących parametrach: długość 20m, szerokość 3m, wysokość 12m; temperatura -30 oC; współczynniki odbicia światła: sufit 30%, ściany 10%, podłoga 10%. Przedstawiono obliczenia dla opraw z odbłyśnikiem o wąskim rozsyle i 2 wariantów mocy: 1x58W oraz 2x58W.      Rysunek 6 Rozkład natężenia oświetlenia na głównej płaszczyźnie roboczej w mroźni oświetlonej oprawami KIRUNA Przykład obrazuje energooszczędność oraz wysoką sprawność energetyczną rozwiązania, co w przypadku oświetlenia przemysłowego ma szczególne znaczenie. TYP OPRAWY ILOŚĆ [SZT] E [lx] RÓWNOMIERNOŚĆ KIRUNA 1x 58W 12 101 0,67 KIRUNA 2x 58W 6 101 0,71 Tablica 1. Podstawowe rezultaty obliczeń dla przykładu z rys.6 3.2 Oprawy POLLUX i SIRIUS na lampy wyładowcze wysokoprężne Oprawy oświetleniowe na lampy wyładowcze wysokoprężne znajdują ściśle określone zastosowania w pomieszczeniach chłodniczych. Wybór tego typu źródeł światła wiąże się przede wszystkim z wysokością montażu. W pomieszczeniach wysokich stosowanie świetlówek przestaje być wydajne i żeby dotrzeć ze światłem od oprawy do płaszczyzny roboczej bezwzględnie należy stosować oprawy na lampy metalohalogenkowe wyposażone w odpowiedni układ optyczny. Ze względu na to, że wpływ temperatury otoczenia na parametry lamp metalohalogenkowych  jest znacznie mniejszy niż przy świetlówkach, oprawy do zastosowań chłodniczych na te źródła światła wykonywane są jako odpowiednio zmienione wersje opraw z programu podstawowego Oprawy POLLUX oraz SIRIUS współpracują z wysokoprężnymi lampami sodowymi oraz lampami metalohalogenkowymi. W razie potrzeby mogą być wykonane na lampy rtęciowe. Specjalna wersja tych opraw do pracy w niskich temperaturach skonstruowana jest tak, że optymalne parametry uzyskuje się przy -30?C.  Zmiany wprowadzane do wersji podstawowych dotyczą przede wszystkim 3 zagadnień: oprzewodowania, uszczelnienia oraz lokowania układu stabilizująco-zapłonowego. Po to, żeby przewody uchronić przed niską temperaturą ich żyła wykonana jest w postaci linki, a izolacja jest silikonowa. Zapewnia to giętkość nawet w niskich temperaturach. Podobnie rzecz się ma z uszczelkami, które wykonane są ze specjalnej odmiany silikonu, która pozwala zachować elastyczność i przy każdym otwarciu oprawy daje pewność, że nie nastąpi utrata gwarantowanego stopnia szczelności. Stateczniki i zapłonniki mają w tych oprawach osobne komory, które w wersjach specjalnych są dodatkowo izolowane od otoczenia w zależności od temperatury pracy oprawy. W oprawie POLLUX możliwe jest zamontowanie dodatkowego trzonka na żarówkę dla potrzeb oświetlenia awaryjnego. Bardzo bogaty wybór typu odbłyśnika sprawia, że kształtowanie bryły fotometrycznej oprawy jest niemalże dowolne. Za pomocą tych opraw można realizować zadania oświetleniowe nawet dla bardzo wysokich pomieszczeń i uzyskiwać rozwiązania o doskonałej sprawności oświetlenia.   3.3 Oprawa BERLIN-TRONDHEIM na świetlówki kompaktowe Oprawa BERLIN w wykonaniu specjalnym do pracy w niskich temperaturach nosi nazwę TRONDHEIM. Wprowadzone udoskonalenia pozwalają na uzyskiwanie optymalnej sprawności przy temperaturze -20?C. Stosowanie w takiej temperaturze wymaga jednak zamontowania w oprawie lampy L-SP firmy OSRAM, która optymalną skuteczność świetlną ma przy temperaturze otoczenia około +5?C. Oprawa BERLIN ma stopień szczelności IP 65, wykonana jest w II klasie ochronności elektrycznej i wyposażona w tradycyjny magnetyczny statecznik. Wersja TRONDHEIM współpracuje z 2 świetlówkami kompaktowymi o mocy 18W. Zabiegi konstrukcyjne pozwalające stosować ją w niskich temperaturach dotyczą, jak w oprawach z lampami wyładowczymi, oprzewodowania i uszczelnienia. Zamysł techniczny jest podobny. Oprawa BERLIN, ze względu na kompaktowe wymiary, doskonale nadaje się do montażu w miejscach trudno dostępnych, gdzie swoboda w rozmieszczaniu opraw jest ograniczona.  Bibliografia: Materiały firmy KRULEN. Katalog opraw oświetleniowych NORKA do niskich temperatur. Katalog opraw oświetleniowych NORKA. Materiały wewnętrzne laboratorium NORKA GmbH.