Pomiar przepływu w celu ulepszenia systemów monitorowania czystych pomieszczeń

Czujnik (źródło obrazu: Schmidt Technology)

Abb. 1: Typowe przedstawienie kaskady ciśnienia (źródło obrazu: Schmidt Technology).

Tabela 1

Abb. 2: Tylko na zużyciu energii przez wentylatory powstaje około 57% kosztów energii. (Źródło obrazu: Schmidt Technology)

Rys. 3: Zasada pomiaru dostosowania ilości powietrza (źródło obrazu: Schmidt Technology)

Abb. 4: Czujnik z uchwytem ściennym: około 50 mm średnicy wystarczy, aby bardzo dokładnie zmierzyć tzw. nadprzepływ. (Źródło obrazu: Schmidt Technology)

Abb. 5: Z pomocą dwukierunkowego czujnika przepływu można wiarygodnie zidentyfikować kierunek przepływu. (Źródło obrazu: Schmidt Technology)

Bezpieczeństwo produktu, procesu i pracowników w pomieszczeniach czystych i środowiskach podobnych do czystych jest zazwyczaj zapewniane poprzez utrzymanie zdefiniowanych, kaskadowych pomieszczeń nadciśnieniowych. Generuje to przepływ powietrza z obszarów o wyższej czystości do obszarów o mniejszej czystości (z wyjątkiem pomieszczeń podciśnieniowych z przeciwstawnymi wymaganiami). Jeśli pomiar ciśnienia, niezbędny do tego celu, jest uzupełniany pomiarem przepływu powietrza i kierunku przepływu, można zwiększyć bezpieczeństwo operacyjne i często także zaoszczędzić na kosztach energii.

Wstęp

Aby zapewnić ochronę określonych produktów przed zanieczyszczeniem spowodowanym przez ludzi lub warunki otoczenia, albo odwrotnie, na przykład przy biologicznych substancjach niebezpiecznych, chronić ludzi i środowisko, w pomieszczeniach czystych odbywa się wiele różnych procesów. Zazwyczaj można je znaleźć w przemyśle medycznym i farmaceutycznym, w branży półprzewodników lub spożywczej. Również w innych gałęziach przemysłu rośnie liczba procesów wykonywanych w pomieszczeniach czystych. Klasyfikacja takich pomieszczeń oraz sposób oddzielenia czystych obszarów od mniej czystych opisane są w normie EN ISO 14644. Zaleca ona tworzenie tzw. obszarów nieprzeniknionych, co jednak w praktyce jest bardzo trudne do zrealizowania. Ostatecznie ludzie i materiały muszą mieć możliwość wejścia i wyjścia. Inną możliwością jest ochrona czystych obszarów przez wypieranie zanieczyszczeń z mniej czystych obszarów za pomocą przepływu wypierającego. W tym celu najczęściej stosuje się koncepcję różnicy ciśnień z regulowanym nadciśnieniem. Czujniki ciśnienia są podłączane do systemu monitorowania zatwierdzonego przez GaiVlP, a zmierzone ciśnienia są ciągle dokumentowane.

Wymagane w normie nadciśnienia wynoszą od 5 do 20 paskali, co ostatecznie wynika z ciśnień, które można bezpiecznie zmierzyć za pomocą czujników różnicy ciśnień dostępnych na rynku. Powód tego to rozdzielczość dostępnych czujników ciśnienia. Ze względów bezpieczeństwa w praktyce zwykle stosuje się ciśnienia powietrza w pomieszczeniach od średnich do wyższych. Na przykład w farmaceutycznych pomieszczeniach czystych często wynoszą one od 15 do 30 paskali. Ustalane jest ciśnienie odniesienia, do którego stopniowo zwiększają się ciśnienia cząstkowe w obszarach czystości. Cała kontrola przepływu powietrza z tego punktu odniesienia opiera się na sterowaniu całym systemem wentylacji. W przypadku wystąpienia wahań na czujniku ciśnienia dla ciśnienia odniesienia, wpływa to na cały system wentylacji pomieszczenia czystego. W niektórych sytuacjach pomiar ciśnienia nie zawsze dostarcza wystarczających danych do obiektywnego wykazania ryzyka zanieczyszczenia środowiska produktu. Na przykład, gdy otwierane są drzwi przejściowe, ciśnienie względem sąsiedniej strefy czystości spada na tyle, że można to zmierzyć. Powietrze przepływa z obszaru czystego do nieczystego, lecz nie można tego tak łatwo zarejestrować pomiarowo. W rezultacie w takich sytuacjach bezpieczeństwo produktu nie jest w pełni możliwe do potwierdzenia.

Wystarcza prędkość przepływu 0,2 m/s

Jednak wyżej opisane różnice ciśnień między obszarami czystości, nie mniejsze niż 5 Pa, nie są konieczne do utrzymania czystości powietrza w poszczególnych strefach. Norma EN ISO 14644-4 definiuje minimalną prędkość przepływu powietrza 0,2 m/s, aby odróżnić obszary czystości, co odpowiada różnicy ciśnień poniżej 0,1 Pa. Na rynku dostępne są już czujniki przepływu powietrza, które są w stanie precyzyjnie i niezawodnie mierzyć od prędkości powietrza (WN) 0,05 m/s. To znacznie poniżej różnicy ciśnień 0,01 Pa. Wynika z tego, że przy zastosowaniu dodatkowej technologii pomiaru przepływu powietrza, posiadającej odpowiednią precyzję, można bezpiecznie wykrywać przepływy przekraczające 0,2 m/s z jednej strefy czystości do drugiej. Oznacza to, że można uzyskać informacje o funkcji ochronnej lub potencjalnym zanieczyszczeniu unoszącym się w powietrzu, nawet przy niewielkich przepływach powietrza, które przy tradycyjnym pomiarze ciśnienia nie są wykrywalne.

Łatwa instalacja

Aby zainstalować takie czujniki przepływu powietrza, wystarczy niewielkie otwory w ścianie o średnicy około 50 mm, aby bardzo dokładnie zmierzyć tak zwany przepływ nadciśnieniowy, czyli wydostające się powietrze z pomieszczenia czystego na skutek panującego w nim nadciśnienia. Aby ocenić wpływ ciśnienia w pomieszczeniu na prędkość przepływu, można zastosować prawo Torricellego. Przy powietrzu o temperaturze 20°C i standardowym ciśnieniu 1013,5 hPa, występują następujące zależności (Tab. 1). W związku z tym czujnik przepływu powietrza umieszczony w otworze nadciśnieniowym w ścianie pomieszczenia czystego nawet przy bardzo małym różnicy ciśnień zapewni bezpieczny nadprzepływ. Kluczowa jest jednak kierunek przepływu powietrza. Jeśli przepływa ono z obszaru czystego do nieczystego, funkcja pomieszczenia czystego jest zapewniona, a bezpieczeństwo produktu zagwarantowane. Przy tak wiarygodnych pomiarach można mimo alarmu czujnika ciśnienia dopuścić do użycia wyprodukowaną partię. Aby zapewnić tę pewność, czyli wykrywanie tzw. cofnięć przepływu, obecnie można stosować czujniki przepływu zdolne do pomiaru kierunku przepływu w obu kierunkach. Ich podstawą jest czujnik termoparowy (termopila), który za pomocą podgrzewanego elementu półprzewodnikowego wykrywa ochłodzenie spowodowane przepływem powietrza. Mówi się na to również termiczna anemometria, szczegóły można znaleźć na stronie http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakty/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/. Poprzez równoległe połączenie dwóch takich elementów półprzewodnikowych i analizę, który z nich jest cieplejszy, można wiarygodnie określić kierunek przepływu. Bidirectionalne czujniki przepływu dostarczają więc obiektywnych danych pomiarowych nawet w przypadku spadku ciśnienia, co pozwala kwantyfikować zagrożenia dla produktu związane z unoszącym się w powietrzu zanieczyszczeniem. Po podłączeniu takiego czujnika do systemu monitorowania, otrzymujemy pełne, niezawodne dane pomiarowe. Bidirectionalne czujniki przepływu, które spełniają aktualne standardy techniczne, można łatwo zintegrować z istniejącymi systemami monitorowania np. poprzez interfejs 4-20 mA. Włączenie pomiaru kierunku przepływu do systemu monitorowania znacząco zwiększa jego wartość informacyjną. Kalibracje, spełniające obecne wymagania przemysłu farmaceutycznego, są obecnie łatwo dostępne.

Oszczędność energii jako dodatkowy efekt

Wysoka liczba wymian powietrza generuje nie tylko bardzo wysokie koszty klimatyzacji i ogrzewania przepływu powietrza zasilającego, ale także znaczne koszty napędu wentylatorów systemu wentylacji (RLT).

Praktyka pokazuje, że około 57% kosztów energii pochodzi wyłącznie z zużycia energii na napęd wentylatorów. Z tego powodu dostosowanie ilości powietrza do potrzeb stanowi duży potencjał oszczędności energii. Zmniejszenie dostarczanej ilości powietrza o 50% powoduje zmniejszenie nadciśnienia w systemie do 25% (o 75% mniej nadciśnienia niż przy 100% ilości powietrza), co odpowiada zmniejszeniu zużycia energii elektrycznej do 12,5%. Oznacza to, że potrzebna energia elektryczna maleje wykładniczo do zaledwie 1/8. Niestety, w zastosowaniach w pomieszczeniach czystych można korzystać tylko częściowo z tego fizycznego związku, ale i tak prowadzi to do dużych oszczędności energii. Wymaga to na przykład, aby nadciśnienie w pomieszczeniu było możliwie najbliższe minimalnym wymogom normy i aby za pomocą jak najmniejszej ilości zasilanego powietrza, czyli mniejszej mocy wentylatora systemu RLT, utrzymywać je precyzyjnie i stabilnie. Szczególnie korzystne są tutaj okresy nocne lub weekendowe, kiedy można ograniczyć przepływ powietrza. Jednak bezpieczeństwo funkcjonowania pomieszczenia czystego, czyli utrzymanie stabilnej sytuacji i koniecznych przepływów laminarnych, musi zostać zapewnione. Metoda ta musi spełniać normy, a pomiary oraz ich dokumentacja muszą być jednoznaczne. Samo stosowanie czujników różnicy ciśnień, zgodnie z aktualnym stanem techniki, jest w tym zakresie problematyczne. Instalacja czujników przepływu powietrza daje jednak wystarczające rezerwy.

Podsumowanie

Potwierdzenie przepływu powietrza za pomocą bidirectionalnych czujników przepływu i ich dokumentacja zapewnia dodatkowe bezpieczeństwo w pomieszczeniach czystych. Łatwe w instalacji i proste do integracji z systemami monitorowania czujniki te można szybko zainstalować również w istniejących pomieszczeniach czystych lub podobnych środowiskach. Jak pokazują analizy kosztów operacyjnych, związane z redukcją liczby wymian powietrza do minimalnego, zgodnego z normami, często można osiągnąć ogromne oszczędności energii.