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Strömungstechnische Optimierung erhöht die Sicherheit im Labor

Abzüge mit Stützstrahltechnik
Strömungstechnische Optimierung erhöht die Sicherheit im Labor

Strömungstechnische Optimierung erhöht die Sicherheit im Labor
Abb. 4 Rechnerische Simulation der Schräganströmung mit und ohne Stützstrahl
Neuere Entwicklungen der Strömungstechnik zeigen, dass es möglich ist, mit integrierten Stützstrahlen im Bereich der Fensteröffnungen die Störsicherheit der Abzugsströmung zu erhöhen. Diesen Erkenntnissen wurde bei der Weiterentwicklung und Optimierung des mc6-Abzugskonzepts Rechnung getragen.

Abb. 1 Einfluss der Abluftmenge auf die Absaugverteilung

Abb. 2 Secuflow-Abzug der mc6-Baureihe
Abb. 3 Simulation der Schräganströmung im Labor
Abb. 4 Rechnerische Simulation der Schräganströmung mit und ohne Stützstrahl
Neuere Entwicklungen der Strömungstechnik zeigen, dass es möglich ist, mit integrierten Stützstrahlen im Bereich der Fensteröffnungen die Störsicherheit der Abzugsströmung zu erhöhen. Diesen Erkenntnissen wurde bei der Weiterentwicklung und Optimierung des mc6-Abzugskonzepts Rechnung getragen.
In früheren Jahren wurde die Wirksamkeit von Abzügen durch die Festlegung von Abluftvolumenströmen definiert. Mit Neuerscheinen der DIN 12924 Teil 1 im Jahr 1991 wurde statt dessen ein Grenzwert für den Ausbruch von Prüfgas festgelegt. Dadurch sollten Innovationen, insbesondere die Verringerung der Luftvolumenströme unter dem Aspekt der Energieeinsparung, ermöglicht werden, ohne das Sicherheitsniveau zu verringern.
Die Anforderungen des im September 2001 veröffentlichten europäischen Normentwurfs EN 14175 an Abzüge sind wiederum deutlich differenzierter, als die der DIN 12924. Dies betrifft sowohl den konstruktiven Aufbau, als auch die Strömungstechnik. Vor allem die völlig neue Prüfung der Robustheit des Rückhaltevermögens lässt Rückschlüsse auf das Leistungsvermögen eines Abzugs unter Praxisbedingungen zu, was die dynamische Prüfung nach DIN 12924 nur sehr bedingt ermöglicht.
Die geänderten Anforderungen der Europanorm führen zu einigen Aufgaben bei der Entwicklung neuer Laborabzüge, die an zwei Beispielen verdeutlicht werden sollen.
Die Veränderung der erforderlichen Luftmenge
Um eine gewisse Stabilität der Strömung gegen Störungen zu erhalten, werden bei einigen Abzügen höhere Einströmgeschwindigkeiten als bei der DIN-Norm benötigt. Somit vergrößert sich die erforderliche Luftmenge entsprechend. Bei einem entsprechend der DIN-Norm entwickelten Abzug, der baulich nicht verändert wurde, führt dies zu einer Änderung der Absaugverteilung und zu einer starken Erhöhung der Druckverluste. Weiterhin würden in einem DIN-Abzug in den Absaugquerschnitten die Strömungsgeschwindigkeiten so groß, dass Strömungsgeräusche auftreten können. Dies ist bei der Entwicklung eines neuen Abzuges zu berücksichtigen (Abb. 1).
Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge wird der Fall betrachtet, dass ein vorhandener Abzug mit verschiedenen Luftmengen betrieben wird. Zunächst wird die Luftmenge abgesaugt, für die der Abzug ausgelegt wurde (gelbe Symbole).
Um eine (hier vereinfachend angenommene) gleichmäßige Absaugung an der Rückwand des Abzuges zu erreichen, muss die Druckverteilung, die sich im Abströmkanal hinter der Prallwand einstellt (gelbe Kurve) durch eine entsprechende Verteilung der Absaugquerschnitte kompensiert werden (grüne Kurve). Die Kombination von Druckverteilung und Querschnitt führt zu der gewünschten Absaugverteilung (gelbe Fläche).
Wird nun die Abluftmenge deutlich gesteigert, so verändert sich die Druckverteilung im Absaugkanal wie in der roten Kurve skizziert. Dies führt bei gleicher Verteilung der Absaugquerschnitte zu einer veränderten Absaugverteilung. Die Steigerung der Absaugmenge bei unveränderter Abzugsgeometrie hat somit zwei Konsequenzen:
? Die Druckverluste nehmen erheblich zu
? der Schwerpunkt der Absaugverteilung verschiebt sich nach oben zum Anschluss der Absaugung
Eine Veränderung der Abluftmenge hat somit eine Veränderung der Absaugverteilung zur Folge.
Auswirkungen auf die Absaugverteilung
Die veränderte Luftmengenbilanz eines konventionellen DIN-Abzuges, die durch nachgerüstete Stützstrahlmodule erreicht wurde, kann sich negativ bemerkbar machen. Nachgerüstete Stützstrahlen, die in Form der Freistrahltechnik wirken, führen zu insgesamt höheren Luftmengen. Durch diese zusätzliche Luftmenge müssen zwei Konsequenzen beachtet werden:
? Die Abluftmenge muss entsprechend zusätzlich erhöht werden.
? Der Auftreffpunkt der Stützstrahlen auf die Prallwand ist von der Düsenausrichtung und der Wechselwirkung der Strahlen mit der Abzugeinströmung abhängig. Die Prallwand weist eine Verteilung der Absaugquerschnitte auf, die auf die ursprüngliche gleichmäßige Abzugströmung ausgelegt ist.
Die anschauliche Folge ist, dass örtlich eine Luftmenge im Staubereich der Stützstrahlen auftritt, die im Auftreffbereich an der Prallwand nicht abgesaugt werden kann. Dies hat die Ausbildung von Ausgleichsströmungen quer zur Hauptströmung entlang der Prallwand und der Seitenwände zur Folge. Es bilden sich Wirbel, die bei hinreichender Stärke einen Schadstofftransport bis zur Fensteröffnungsebene hervorrufen können.
mc6-Abzugskonzept
Bei der Entwicklung der mc6-Abzugsbaureihe von Waldner Laboreinrichtungen (Abb. 2) wurde diesem Verhalten der Gesamtströmung Rechnung getragen und eine Absauggeometrie entwickelt, die ohne Änderung des äußeren Erscheinungsbildes an die jeweilige Norm, bzw. an die jeweiligen Abluftmengen angepasst werden kann. Die in Abbildung 1 skizzierte Verteilung des Absaugquerschnittes wurde zusätzlich an die verfahrenstechnischen Anforderungen angepasst, die sich aus dem Betrieb eines Laborabzuges ergeben. Dies betrifft insbesondere die Absaugung von Gasen, deren Dichte erheblich von der Luftdichte abweicht.
Die Verwendung von integrierten Stützstrahlen im Bereich der Fensteröffnung hat das Ziel, die Umströmung der Seitenpfosten zu stabilisieren. Bei der Entwicklung eines solchen Systems werden verschiedene Entwicklungsmethoden verwendet, so zum Beispiel die numerische Strömungssimulation. Die komplexe Wechselwirkung zwischen Innenströmung, Stützstrahlen und erforderlicher Absaugverteilung wird zusätzlich durch Laborversuche an Strömungsmodellen und Funktionsmustern untersucht.
Stabilisierung der Luftströmung
Das Konzept der bei den mc6-Abzügen verwendeten Pfosten ermöglicht mehrere Strategien zur Stabilisierung der Strömung. Aus den bestehenden Optionen wurde die Ausblasung im vorderen Bereich des Pfostens gewählt. Im folgenden Beispiel (Abb. 3) wird die Pfostenumströmung für den Fall einer stationären Schräganströmung unter 45° horizontal von der Außenseite untersucht. Die Sichtbarmachung erfolgt durch Rauch.
Die Ausblasung erfolgt auf der Rückseite des Kontursprunges des Serienpfostens. Der Kontursprung dient einerseits der Abdeckung des Fensterspaltes, andererseits wurde er bei der Entwicklung der Pfostenkontur für etwaige Strömungsbeeinflussungen entsprechend ausgelegt.
Interessant ist die Erkenntnis, dass durch die Ablösung in der Öffnungsebene eine instationäre, durch die Wirbel zyklische Strömung entsteht. Diese zeitabhängige Strömung führt zu einem zyklischen Schadstofftransport in die Fensteröffnungsebene. Beim Vergleichsfall (Strömung mit Ausblasung) ergibt sich in der Öffnungsebene eine stationäre Strömung und der zyklische Transport von Schadstoffen unterbleibt. Dieses Verhalten der Strömung kann quantitativ durch eine Messung der Schadstoffkonzentrationen im Öffnungsquerschnitt nachgewiesen werden.
Simulation der Luftströme
Die Überprüfung der experimentellen Untersuchungen am Funktionsmuster erfolgt durch eine Strömungssimulation. Die Geschwindigkeiten der Stützstrahlen können im Simulationsmodell an die vorhandene Abzugsströmung angepasst werden. Passend zu der dann entstandenen Abzugsströmung wurde die optimale Absaugverteilung entwickelt. Nur die Kombination aus aufeinander abgestimmter Absaugverteilung und integrierter Stützstrahltechnologie ergibt die gewünschte Störsicherheit. Abbildung 4 zeigt den Vergleich einer simulierten Abzugeinströmung mit und ohne Ausblasung am Kontursprung. Die Beeinflussung der Einströmung ist offensichtlich.
Die in diesem Entwicklungsprojekt gefundene Ausblasgeometrie ist durch die Verwendung des vorhandenen Pfostens realisierbar. Einbauten im Arbeitsbereich sind nicht erforderlich. Damit bleibt der Arbeitsraum in voller Größe erhalten. Weiterhin treten keine Ecken und Hinterschneidungen auf, die hinsichtlich der Reinhaltung weitere Nutzungseinschränkungen mit sich bringen würden. Die Verwendung von integrierten Stützstrahlen hat sich als so wirkungsvoll erwiesen, dass diese Technologie auch in absehbarer Zukunft ein wesentliches Merkmal der Abzüge des Waldner-Einrichtungssystems mc6 sein wird.
Halle 6.2, Stand B36-D40
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Gärtner
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