Strömungsmessung zur Verbesserung von Reinraum-Monitoringsystemen

Sensor (Bildquelle: Schmidt Technology)

Abb. 1: Typische Ausprägung einer Druckkaskade (Bildquelle: Schmidt Technology).

Tabelle 1

Abb. 2: Allein über den Stromverbrauch der Ventilatoren enstehen rund 57% der Energiekosten. (Bildquelle: Schmidt Technology)

Abb. 3: Messprinzip Luftmengenanpassung (Bildquelle: Schmidt Technology)

Abb. 4: Sensor mit Wandhalterung: Ca. 50 mm Durchmesser genügen, um die so genannte Überströmung sehr genau zu messen. (Bildquelle: Schmidt Technology)

Abb. 5: Mit einem bidirektionalen Strömungssensor lässt sich die Richtung der Strömung zuverlässig identifizieren. (Bildquelle: Schmidt Technology)

Die Produkt-, Prozess-und Mitarbeitersicherheit in Reinräumen und reinraumähnlichen Umgebungen wird üblicherweise über die Aufrechterhaltung definierter, kaskadlerter Überdruckräume gewährleistet. Dies generiert eine Luftströmung aus Bereichen mit höherer Reinheit In Bereiche mit geringerer Reinheit (Ausnahme Unterdruckräume mit gegenläufiger Anforderung). Wird die dafür notwendige Druckmessung durch Messen der Luftströmung und Strömungsrichtung ergänzt, lässt sich die Betriebssicherheit erhöhen und oft auch noch Energiekosten sparen.

Einleitung

Um den Schutz bestimmter Produkte vor Kontamination, verursacht durch Menschen oder Umgebungsbedingungen zu gewährleisten oder umgekehrt, etwa bei biologischen Gefahrenstoffen den Menschen und die Umwelt zu schützen, finden die vielfältigsten Prozesse in Reinräumen statt Typischerweise trifft man diese in der Medizin- und Pharmaindustrie, in Halbleiterbereichen oder der Lebensmittelbranche an. Auch in anderen Industriezweigen steigt die Anzahl der in Reinräumen zu absolvierenden Prozesse. Die Klassifizierung solcher Reinräume und wie nun letztlich reine Bereiche von weniger reinen Bereichen zu trennen sind, wird in der Norm EN ISO 14644 beschrieben. Sie empfiehlt so genannte undurchdringliche Bereiche zu schaffen, was allerdings in der Praxis nur sehr aufwendig realisierbar ist. Schließlich müssen Menschen und Material rein und raus können. Eine weitere Möglichkeit ist, reine Bereiche durch eine Verdrängungsströmung vor Kontamination aus weniger reinen Bereichen zu schützen. Dazu wird meist ein Druckdifferenzkonzept mit geregeltem Überdruck angewandt. Die Drucksensoren werden an ein GaiVlP validiertes Monitoringsystem angeschlossen und die gemessenen Drücke kontinuierlich dokumentiert.

Die in der Norm geforderten Drucküberhöhungen liegen im Bereich zwischen 5 bis 20 Pascal, was letztlich auf die mit Differenzdrucksensoren sicher messbaren Drücke zurückzuführen ist. Der Grund dafür ist das Auflösungsvermögen der am Markt erhältlichen Drucksensoren. Aus Sicherheitsgründen werden in der Praxis meist mittlere bis höhere Raumluftdrücke verwendet. Z. B. in pharmazeutischen Reinräumen liegen diese oft zwischen 15 und 30 Pascal. Dabei wird ein Referenzdruck ermittelt, auf den sich dann die Partialdrücke der Reinheitsbereiche stufenweise erhöhen. An diesem Referenzdruck orientiert sich die komplette Steuerung der Zuluftströme für die gesamte raumlufttechnische Anlage. Treten Schwankungen am Drucksensor für den Referenzdruck auf, wirkt sich dieser Umstand auf das komplette raumlufttechnische System des Reinraums aus. In bestimmten Situationen liefert die Druckmessung jedoch nicht immer genügend Daten, um anhand objektiver Messdaten das Kontaminationsrisiko für die Produktumgebung nachweisen zu können. Werden z. B. Schleusentüren geöffnet, sinkt der Druck gegenüber der angegliederten Reinheitszone soweit ab, dass dieser gemessen werden kann. Die Luft strömt zwar vom reinen Bereich in den unreinen Bereich, was sich jedoch messtechnisch so nicht erfassen lässt. Die Folge daraus ist, dass in solchen Situationen die Produktsicherheit nicht lückenlos nachweisbar ist.

0,2 m/s Strömungsgeschwindigkeit genügt

Die oben bereits beschriebenen Druckunterschiede zwischen Reinheitsbereichen von nicht unter 5 Pa sind jedoch zur Aufrechterhaltung der Luftreinheit in den einzelnen Zonen nicht notwendig. Die Norm EN ISO 14644-4 definiert eine minimale Strömungsgeschwindigkeit von 0,2 m/s, um Reinheitsbereiche voneinander abzugrenzen, was einem Differenzdruck von unter 0,1 Pa entspricht. Am Markt sind mittlerweile Strömungssensoren erhältlich, die in der Lage sind, ab einer Luftgeschwindigkeit (WN) von 0,05 m/s präzise und zuverlässig zu messen. Dies liegt weit unter einem Differenzdruck von 0,01 Pa. Daraus lässt sich ableiten, dass mit einer zusätzlichen Strömungsmesstechnik, die die Präzision aufweist, Strömungsgeschwindigkeiten von 0,2 m/s von einer Reinheitszone in die nächste zu messen, stattfindende Überströmungen sicher nachweisbar sind. D. h., es können Aussagen über die Schutzfunktion bzw. eine mögliche lufttragende Kontamination, auch bei geringen Luftströmungen, die mit der herkömmlichen Druckmessung nicht mehr nachweisbar sind, getroffen werden.

Leicht installiert

Zur Installation solcher Strömungssensoren genügen kleine Wandöffnungen von ca. 50 mm Durchmesser, um die so genannte Überströmung, also die aus dem Reinraum auf Grund des darin vorherrschenden Überdrucks ausströmende Luft, sehr genau zu messen. Um die Auswirkungen des Raumdrucks zur Überströmgeschwindigkeit zu bewerten, kann das Ausflussgesetz von Torricelli angewandt werden. Bei Raumluft mit 20°C und einem Standardluftdruck von 1013,5 hPas zeigen sich folgende Zusammenhänge (Tab. 1). Folglich weist ein Strömungssensor, in einer Überströmungsöffnung in der Wand eines Reinraums, sogar noch bei sehr kleinem Differenzdruck eine Überströmung sicher nach. Entscheidend ist allerdings die Fließrichtung der Reinraumluft. Fließt diese vom reinen in den unreinen Bereich, ist die Funktion des Reinraums gewährleistet und die Produktsicherheit gegeben. Mit solch zuverlässigen Messwerten lässt sich manch produzierte Charge trotz Alarmmeldung des Drucksensors freigeben. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, sprich die so genannten Rückströmungen zu detektieren, können heute Strömungssensoren verwendet werden die in der Lage sind, Strömungsrichtungen bidirektional zu messen. Deren Basis ist ein Thermopile-(Thermosäule)Sensor, der mittels beheizbarem Halbleiterelement die Abkühlung, die durch eine Luftströmung induziert wird, erkennt. Man spricht hier auch von thermischer Anemometrie, die auf http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakten/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/ näher beschrieben wird. Durch Parallelschaltung zweier solcher Halbleiterelemente und aus der Information welches der beiden das wärmere ist, lässt sich die Richtung der Strömung zuverlässig identifIzieren. Bidirektionale Strömungssensoren liefern also auch im Falle eines Druckabfalls objektive Messdaten, die Produktgefährdungen durch luftgetragene Kontamination quantitativ bestimmen. Wird ein solcher Strömungssensor an ein Monitoringsystem angebunden, liegen lückenlos zuverlässige Messdaten vor. Bidirektionale Strömungssensoren, die dem Stand der Technik entsprechen, können auf einfache Weise z.B. über eine 4-20 mA Schnittstelle in bestehende Monitoringsysteme integriert werden. Die Aussagekraft von Monitoringdaten wird durch die Integration der Messung von Strömungsrichtungen nachhaltig erweitert. Kalibrierungen, die auch den gesteigerten Anforderungen der pharmazeutischen Industrie entsprechen, sind heutzutage problemlos erhältlich.

Energieeinsparung als zusätzlicher Effekt

Hohe Luftwechselzahlen bedingen nicht nur sehr hohe Kosten für die klimatische Konditionierung der Zuluftströme, sondern generieren auch sehr hohe Kosten für den Antrieb der Ventilatoren der raumlufttechnischen (RLT) Anlage.

Erfahrungen aus der Praxis belegen, dass allein über den Stromverbrauch der Ventilatoren rund 57% der Energiekosten entstehen. Daraus abgeleitet liegt in der Anpassung der Luftmengen an den Bedarf großes Energie-Einsparpotential. Verringert man die geförderte Luftmenge um 50 %, reduziert sich die Druckerhöhung im System auf 25% (75% weniger Druckerhöhung als bei 100% Luftmenge), was einer stark reduzierten elektrischen Leistungsaufnahme von 12,5% entspricht. Das bedeutet, die benötigte elektrische Energie verringert sich exponentiell auf nur mehr 1/8. Dieser ideale physikalische Zusammenhang lässt sich in Reinraumanwendungen leider nur zum Teil nutzen, führt aber dennoch zu hohen Energieeinsparungen. Das erfordert beispielsweise, den Raumluftüberdruck möglichst nahe an die Minimalanforderungen der Norm herunter zu fahren und mit möglichst wenig Zuluft, sprich Ventilatorleistung der RLT-Anlage, fein geregelt stabil zu halten. Hier bieten sich vor allem die Ruhezeiten, etwa über Nacht oder Wochenenden an. Die Funktionssicherheit des Reinraumes, sprich die Aufrechterhaltung einer stabilen Situation, sowie die notwendigen Laminarströmungen müssen jedoch gewährleistet bleiben. Das Verfahren muss der Norm entsprechen und es müssen eindeutige Messwerte sowie eine Dokumentation dieser Werte gegeben sein. Allein mit Differenzdrucksensoren, nach heutigem Stand der Technik, ist dies jedoch problematisch. Durch die Installation von Strömungssensoren entstehen jedoch ausreichend Reserven.

Fazit

Den Nachweis von Luftströmungen über bidirektional messende Strömungssensoren zu führen bzw. zu dokumentieren, bringt zusätzliche Sicherheit in Reinräumen. Die leicht zu installierenden und in Monitoringsysteme einfach zu implementierenden Strömungssensoren sind auch in vorhandene Reinräume bzw. vergleichbare Umgebungen nachträglich schnell integriert. Wie die energetische Betrachtung der Betriebskosten von Reinräumen zeigt, entsteht zudem über die Reduzierung der Luftwechselraten, auf ein zur Einhaltung der normativen Vorgaben sicheres Minimum, oft ein enormes Einsparpotential.