Áramlásmérés a tisztatér-monitoring rendszerek fejlesztése érdekében

Szenzor (Képforrás: Schmidt Technology)

Ábra. 1: Egy nyomáskaskád tipikus megjelenése (kép forrása: Schmidt Technology).

Táblázat 1

Ábra. 2: Csak a ventilátorok fogyasztása körülbelül 57%-át teszi ki az energia költségeknek. (Kép forrása: Schmidt Technology)

1. ábra: Légtömeg-állítás mérési elve (kép forrása: Schmidt Technology)

Ábra. 4: Szenzor falra szerelhető tartóval: Körülbelül 50 mm átmérő elegendő ahhoz, hogy az ún. túlfolyást nagyon pontosan mérjük. (Kép forrása: Schmidt Technology)

Ábra. 5: Egy kétirányú áramlásérzékelővel megbízhatóan azonosítható a légáramlás iránya. (Kép forrása: Schmidt Technology)

A tisztaság-, folyamat- és dolgozói biztonság a tisztaterekben és azokhoz hasonló környezetekben általában a meghatározott, kaszkád szerinti túlnyomásos légterek fenntartásával biztosított. Ez légáramlást generál a magasabb tisztaságú területekről az alacsonyabb tisztaságú területekre (kivétel a vákuumos helyiségek, ahol ellentétes követelmények vannak). Amennyiben ehhez szükséges nyomásmérést a légáramlás és irányának mérésével egészítjük ki, növelhető a működési biztonság, és gyakran energiaköltséget is lehet megtakarítani.

Bevezetés

Biztosítani bizonyos termékek védelmét a szennyeződéstől, amit emberek vagy környezeti feltételek okoznak, vagy fordítva, például biológiai veszélyes anyagok esetén az emberek és a környezet védelme érdekében, a legkülönfélébb folyamatok zajlanak tisztaterekben. Ezek tipikusan az orvosi- és gyógyszeriparban, félvezetőgyártásban vagy élelmiszeriparban fordulnak elő. Más iparágakban is növekszik a tisztaterekben végzett folyamatok száma. Az ilyen helyiségek osztályozását, valamint hogy végül hogyan lehet a tiszta területeket kevésbé tiszta területektől elválasztani, az EN ISO 14644 szabvány írja le. Ez javasolja, hogy olyan, áthatolhatatlan területeket hozzanak létre, ami azonban a gyakorlatban csak nagyon költségesen valósítható meg. Végül is az embereknek és az anyagnak be- és kijutniuk kell. Egy másik lehetőség, hogy a tiszta területeket kiszorító légáramlással védjük a szennyeződéstől kevésbé tiszta területekről. Ehhez általában szabályozott túlnyomásos nyomáskülönbség alapú nyomásdifferencia koncepciót alkalmaznak. A nyomásérzékelőket egy GAI/VIP által validált monitorozórendszerhez csatlakoztatják, és a mért nyomásokat folyamatosan dokumentálják.

A szabványban megadott nyomásnövekedések 5 és 20 Pascal között mozognak, ami végső soron a differencianyomás-érzékelőkkel biztonságosan mérhető nyomásokra vezethető vissza. Ennek oka a piacon elérhető nyomásérzékelők felbontóképessége. Biztonsági okokból a gyakorlatban általában közepes vagy magasabb légnyomásokat alkalmaznak. Például gyógyszeripari tisztaterekben ezek gyakran 15 és 30 Pascal között vannak. Ilyenkor egy referencia nyomást határoznak meg, amelyhez a tisztasági zónák résznyomásai fokozatosan növekednek. Ezen referencia nyomáshoz igazodik az egész légtechnikai rendszer levegőellátási irányítása. Ha a referencia nyomás érzékelőjénél ingadozások lépnek fel, ez az egész légtechnikai rendszer működését befolyásolja. Bizonyos helyzetekben azonban a nyomásmérés nem mindig ad elegendő adatot a szennyeződés kockázatának objektív bizonyításához a termék környezetében. Például, amikor a levegőjáratok nyitnak, a nyomás csökkenhet a csatlakozó tisztatér zónához képest, amennyiben ez mérhető. A levegő ugyan a tiszta területről a kevésbé tiszta felé áramlik, de ezt a mérés nem mindig tudja pontosan mérni. Ennek következtében ilyen helyzetekben a termékszavatosság nem bizonyítható teljeskörűen.

0,2 m/s áramlási sebesség elegendő

A fent már leírt nyomáskülönbségek a tisztasági zónák között nem szükségesek a levegő tisztaságának fenntartásához, ha az nem kevesebb, mint 5 Pa. Az EN ISO 14644-4 szabvány meghatároz egy minimális áramlási sebességet, 0,2 m/s-t, a tisztasági zónák egymástól való elkülönítésére, ami kevesebb, mint 0,1 Pa differencianyomásnak felel meg. A piacon már elérhetők olyan áramlásérzékelők, amelyek képesek 0,05 m/s légsebességtől pontosan és megbízhatóan mérni. Ez jóval kevesebb, mint 0,01 Pa differencianyomás. Ez alapján levonható, hogy a mérési pontossággal rendelkező további áramlásmérő technikával, amely képes 0,2 m/s légáramlási sebességet mérni egyik tisztasági zónából a másikba, biztonságosan kimutathatók az átfúvások. Vagyis megbízhatóan lehet állítani a védelmi funkcióról vagy a levegőben szálló szennyeződés lehetőségéről, még alacsony légáramlás esetén is, amit a hagyományos nyomásmérés nem tudna kimutatni.

Egyszerűen telepíthető

Az ilyen áramlásérzékelők telepítéséhez csupán kb. 50 mm átmérőjű kis falnyílások szükségesek, hogy a túlfúvást, azaz a tisztatérből a túlnyomás miatt kifelé áramló levegőt nagyon pontosan mérni lehessen. A térfogatáram hatását a Torricelli-törvény alkalmazásával lehet értékelni. 20°C-os levegő és 1013,5 hPa standard légnyomás esetén a következő összefüggések figyelhetők meg (1. táblázat). Ennek eredményeként egy áramlásérzékelő a falban elhelyezett túlfúvási nyíláson még nagyon kis differencianyomás mellett is biztosan mér túlfúvást. Fontos azonban a levegőáramlás iránya a tisztatérben. Ha a levegő a tiszta területről a kevésbé tiszta felé áramlik, a tisztatér működése biztosított, és a termékszavatosság is garantált. Megbízható mérési értékekkel sok gyártott tétel engedélyezhető még akkor is, ha a nyomásérzékelő riasztást jelez. Az ilyen biztonság fenntartásához, azaz a visszafolyások kimutatásához ma már olyan áramlásérzékelőket lehet alkalmazni, amelyek képesek a légáramlás irányát kétirányúan mérni. Ezek alapja egy termoelem (termopár) érzékelő, amely egy fűthető félvezető elemmel érzékeli a légáramlás által okozott hűlést. Ezt nevezik termikus anemometriának, amit részletesebben a http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakten/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/ oldalon írnak le. Két ilyen félvezető elem párhuzamos kapcsolásával és annak információjával, melyik a melegebb, megbízhatóan azonosítható a légáramlás iránya. A kétirányú áramlásérzékelők így még nyomásesés esetén is objektív mérési adatokat szolgáltatnak, amelyek segítségével kvantitatívan meghatározható a levegőben szálló szennyeződés kockázata. Ha egy ilyen áramlásérzékelőt monitorozórendszerhez csatlakoztatnak, akkor hiánytalanul megbízható mérési adatok állnak rendelkezésre. A kétirányú áramlásérzékelők, amelyek megfelelnek a technika mai színvonalának, egyszerűen integrálhatók például egy 4-20 mA interfészen keresztül meglévő monitorozórendszerekbe. A mérési adatok értékét a légáramlás irányának mérésével tartósan növelhetjük. A kalibrálások, amelyek megfelelnek a gyógyszeripar szigorú követelményeinek, ma már könnyen beszerezhetők.

Energiamegtakarítás további előnyként

A magas légcsere-szám nemcsak a légkondicionálási költségeket növeli, hanem a légtechnikai (RLT) berendezések ventilátorainak működtetési költségeit is jelentősen emeli.

A gyakorlatból származó tapasztalatok szerint a ventilátorok elektromos energiafelhasználásából származó költségek körülbelül 57%-át teszik ki az összes energaköltségnek. Ezért az optimális levegőmennyiség igény szerinti szabályozásában jelentős energiamegtakarítási potenciál rejlik. Ha a szállított levegő mennyiségét 50%-kal csökkentjük, a rendszerben a nyomásnövekedés 25%-ra csökken (75%-kal kevesebb nyomásnövekedés, mint a 100%-os levegőmennyiség esetén), ami a villamos energiafogyasztás 12,5%-os csökkenését eredményezi. Ez azt jelenti, hogy a szükséges elektromos energia exponenciálisan csökken, és csak nyolcadára csökken a korábbi értéknek. Ez az ideális fizikai összefüggés sajnos csak részben alkalmazható tisztatér alkalmazásokban, de így is jelentős energiamegtakarítást eredményez. Ennek érdekében például a légnyomás minimális szintre csökkentése javasolt, a normatív előírásoknak megfelelően, és a lehető legkevesebb légmennyiség, azaz ventilátor teljesítmény mellett finoman szabályozva tartani a rendszert. Erre különösen az éjszakai vagy hétvégi nyugalmi időszakok alkalmasak. A tisztatér működési biztonsága, azaz a stabil helyzet fenntartása, valamint a laminaris áramlások biztosítása azonban továbbra is elengedhetetlen. A módszernek meg kell felelnie a szabvány követelményeinek, és rendelkezésre kell állniuk egyértelmű mérési adatoknak és azok dokumentálásának. Csak differencianyomás-érzékelőkkel, a mai technikai színvonal szerint, ez problémás lehet. Az áramlásérzékelők telepítésével azonban elegendő tartalék nyerhető ki.

Összegzés

A légáramlások kétirányú mérésével vagy dokumentálásával további biztonságot nyerünk a tisztaterekben. Az egyszerűen telepíthető és könnyen integrálható áramlásérzékelők gyorsan beépíthetők meglévő helyiségekbe vagy hasonló környezetekbe. Ahogy a tisztaterek működési költségeinek energetikai vizsgálata mutatja, az áramlási sebességek csökkentésével, a szabványos minimum szinthez közel tartva, gyakran óriási megtakarítási potenciál érhető el.