Měření průtoku ke zlepšení systémů monitorování čistých prostor

Snímač (Zdroj obrázku: Schmidt Technology)

Obrázek 1: Typický průběh tlakové kaskády (zdroj obrázku: Schmidt Technology).

Tabulka 1

Obrázek 2: Pouze z spotřeby energie ventilátorů vzniká přibližně 57 % nákladů na energii. (Zdroj obrázku: Schmidt Technology)

Obrázek 3: Měřící princip přizpůsobení množství vzduchu (obrázkový zdroj: Schmidt Technology)

Obrázek 4: Senzor s držákem na stěnu: Přibližně 50 mm průměru stačí k velmi přesnému měření takzvaného přetokového objemu. (Zdroj obrázku: Schmidt Technology)

Obrázek 5: S dvousměrným proudovým senzorem lze spolehlivě určit směr proudění. (Zdroj obrázku: Schmidt Technology)

Produkt-, procesní a zaměstnanecká bezpečnost v čistých místnostech a podobných prostředích je obvykle zajištěna udržováním definovaných, kaskádovitých přetlakových prostorů. To vytváří proudění vzduchu z oblastí s vyšší čistotou do oblastí s nižší čistotou (výjimkou jsou prostory s podtlakem a protichůdnými požadavky). Pokud je pro tento účel doplňována měření tlaku měřením proudění vzduchu a směru proudění, lze zvýšit provozní bezpečnost a často také ušetřit náklady na energii.

Úvod

Pro zajištění ochrany určitých produktů před kontaminací způsobenou lidmi nebo okolními podmínkami, nebo naopak, například při biologických nebezpečných látkách, k ochraně lidí a životního prostředí, probíhají různé procesy v čistých místnostech. Typicky se setkáváme s těmito v medicíně a farmaceutickém průmyslu, v polovodičovém sektoru nebo v potravinářství. V jiných průmyslových odvětvích také roste počet procesů, které je třeba v čistých místnostech provádět. Klasifikace takových prostor a jak je od sebe odlišit jako čisté a méně čisté oblasti, je popsána v normě EN ISO 14644. Doporučuje se vytvářet takzvané nepropustné oblasti, což je však v praxi velmi složité realizovat. Nakonec musí lidé a materiál do a z těchto prostorů volně vstupovat. Další možností je chránit čisté oblasti před kontaminací z méně čistých oblastí pomocí vytlačného proudění vzduchu. K tomu se obvykle používá koncept rozdílového tlaku s řízeným přetlakem. Senzory tlaku jsou připojeny k monitorovacímu systému ověřenému podle GaiVlP a naměřené tlaky jsou průběžně dokumentovány.

Požadované přetlakové zvýšení podle normy je v rozmezí 5 až 20 Pascalů, což je dáno schopností přesně měřit rozdílové tlaky pomocí dostupných tlakových senzorů na trhu. Důvodem je rozlišení těchto senzorů. Z bezpečnostních důvodů se v praxi obvykle používají střední až vyšší hodnoty tlaku v místnosti. Například v farmaceutických čistých místnostech jsou tyto hodnoty často mezi 15 a 30 Pascalů. Přitom se stanoví referenční tlak, na který se postupně zvyšují dílčí tlaky v čistých zónách. Celé řízení přívodu vzduchu pro celou vzduchotechnickou soustavu se odvíjí od tohoto referenčního tlaku. Pokud dojde ke kolísání tlaku senzoru referenčního tlaku, ovlivní to celý systém vzduchotechniky v čisté místnosti. V určitých situacích však měření tlaku neposkytuje vždy dostatek dat k objektivnímu posouzení rizika kontaminace prostředí produktu. Například při otevírání dveří komory se tlak sníží natolik, že je to měřitelné. Vzduch však proudí z čisté do méně čisté zóny, což však nelze měřit přímo. Výsledkem je, že v takových situacích není možné úplně prokázat bezpečnost produktu.

0,2 m/s proudění je dostačující

Výše zmíněné rozdíly v tlaku mezi čistými oblastmi pod 5 Pa však nejsou nutné k udržení čistoty vzduchu v jednotlivých zónách. Norma EN ISO 14644-4 stanovuje minimální rychlost proudění 0,2 m/s, aby bylo možné odlišit čisté zóny, což odpovídá rozdílovému tlaku pod 0,1 Pa. Na trhu jsou již dostupné proudové senzory, které jsou schopny přesně a spolehlivě měřit od rychlosti vzduchu (WN) 0,05 m/s. To je výrazně pod rozdílovým tlakem 0,01 Pa. Z toho lze odvodit, že s pomocí dodatečné techniky měření proudění, která má požadovanou přesnost, je možné spolehlivě detekovat přesuny vzduchu z jedné čisté zóny do druhé při rychlostech proudění 0,2 m/s. To znamená, že lze spolehlivě určit ochrannou funkci nebo případné vzduchem přenášené kontaminace i při nízkých rychlostech proudění, které již nejsou zachytitelné běžným měřením tlaku.

Snadná instalace

Pro instalaci takových proudových senzorů postačí malé stěnové otvory o průměru cca 50 mm, které umožní velmi přesně měřit tzv. přetékání, tedy proudění vzduchu z čisté místnosti do okolí na základě přítomného přetlaku. Pro posouzení vlivu tlaku místnosti na rychlost proudění lze využít výtokové zákony Torricelliho. Při teplotě vzduchu 20°C a standardním tlaku 1013,5 hPa jsou patrné následující souvislosti (Tab. 1). Proto i při velmi malém rozdílovém tlaku je proudový senzor umístěný v průduchu ve stěně čisté místnosti schopen spolehlivě detekovat přetékání. Klíčové je však směr proudění vzduchu. Pokud proudí z čisté do méně čisté zóny, je funkce čisté místnosti zachována a bezpečnost produktu zajištěna. S takovými spolehlivými hodnotami lze i při alarmu senzoru uvolnit například již vyrobenou šarži. Aby byla zajištěna tato bezpečnost, tedy detekce tzv. zpětného proudění, lze dnes použít proudové senzory schopné měřit směr proudění oboustranně. Jejich základem je termočlánkový (thermosnímač) senzor, který pomocí vyhřívaného polovodičového prvku detekuje ochlazení způsobené prouděním vzduchu. O tomto jevu se hovoří jako o termické anemometrii, podrobnosti jsou na http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakty/stromung-mesung-durch-erzwungene-konvektion-2/. Paralelním zapojením dvou takových polovodičových prvků a určením, který z nich je teplejší, lze spolehlivě určit směr proudění. Oboustranné proudové senzory tak poskytují i při poklesu tlaku objektivní měřicí data, která kvantitativně určují riziko kontaminace vzduchem. Pokud je takový senzor připojen k monitorovacímu systému, jsou k dispozici úplná, spolehlivá měřicí data. Oboustranné proudové senzory odpovídající současnému stavu techniky lze jednoduše integrovat například přes rozhraní 4-20 mA do stávajících monitorovacích systémů. Integrace měření směrů proudění významně rozšiřuje informativní hodnotu monitorovacích dat. Kalibrace, které odpovídají i zvýšeným požadavkům farmaceutického průmyslu, jsou dnes běžně dostupné.

Úspora energie jako další přínos

Vysoký počet výměn vzduchu neznamená jen velmi vysoké náklady na klimatizaci přiváděného vzduchu, ale i značné náklady na pohon ventilátorů vzduchotechnického systému.

Z praxe je známo, že přibližně 57 % energetických nákladů představuje spotřeba ventilátorů. Z toho plyne, že úprava množství vzduchu podle potřeby má velký potenciál pro úsporu energie. Snížením dodávaného množství vzduchu o 50 % se tlakové zvýšení v systému sníží na 25 % (o 75 % méně než při 100% množství vzduchu), což odpovídá výraznému snížení elektrického příkonu na 12,5 %. To znamená, že potřebná elektrická energie klesne exponenciálně na pouhých 1/8. Tento ideální fyzikální vztah je v čistých místnostech sice jen částečně využitelný, přesto vede k výrazným úsporám energie. To například vyžaduje co nejvíce snížit přetlak místnosti na minimální požadavky normy a udržovat jej co nejméně pomocí co nejnižšího množství přiváděného vzduchu, tedy ventilátorového výkonu RLT systému, s jemným řízením a stabilitou. K tomu jsou vhodné například noční nebo víkendové období s nižším zatížením. Bezpečnost funkce čisté místnosti, tedy udržení stabilního stavu a požadovaného laminárního proudění, však musí být zachována. Tento postup musí odpovídat normám a musí být k dispozici jednoznačná měřicí data a jejich dokumentace. Pouze s pomocí rozdílových tlakových senzorů je však dnes tento cíl obtížně dosažitelný. Instalace proudových senzorů však přináší dostatečné rezervy.

Závěr

Dokládání proudění vzduchu pomocí oboustranně měřících proudových senzorů přináší do čistých prostor další úroveň bezpečnosti. Snadná instalace a jednoduchá integrace do monitorovacích systémů umožňuje rychlou dodatečnou implementaci i do stávajících čistých místností nebo podobných prostředí. Jak ukazuje energetická analýza provozních nákladů čistých místností, snížením počtu výměn vzduchu na minimum, které je bezpečné podle normy, lze často dosáhnout značných úspor energie.