Diplomarbeit Sicherheitsbank

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Diplomarbeit Sicherheitsbank

  1. 1. Fachhochschule Trier Fachbereich Maschinenbau Diplomarbeit Thema: Strömungsstechnische Auslegung und Optimierung einer Zytostatika- Sicherheitswerkbank mit Hilfe eines Laser-Doppler-Anemometers. Verfasserin: cand. ing. (FH) Christina Schmitt Matrikelnummer: 919.587 Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ch. Simon 1
  2. 2. Erklärungen Mir ist bekannt, daß die Diplomarbeit als Prüfungsleistung in das Eigentum des Landes Rheinland-Pfalz übergeht. Hiermit erkläre ich mein Einverständnis, daß die Fachhochschule Trier diese Prüfungsleistung die Studenten und Studentinnen der Fachhochschule Trier einsehen lassen darf, und daß sie die Abschlußarbeit unter Nennung meines Namens als Urheberin veröffentlichen darf. Ich erkläre hiermit, daß ich diese Diplomarbeit selbständig verfaßt, noch nicht anderweitig für andere Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benützt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe. Trier, den 25.08.97 Danksagung Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Ch. Simon für seine ausgezeichnete Betreuung meiner Diplomarbeit und für sein großes Interesse, das er derselben entgegenbrachte. Mein Dank gilt weiterhin den Assistenten und Mitarbeitern des Fachbereichs Maschinenbau. Insbesondere Herrn R. Walter, der mich in die Laser-Doppler-Anlage eingewiesen hat und Herrn H. Hostert, der zum Gelingen des konstruktiven Teils der Arbeit beigetragen hat. Ferner bedanke ich mich bei den Mitarbeitern der Zentralwerkstatt. Besonders bedanke ich mich bei der Fa. MRD®, die dieses interessante Thema als Diplomarbeit vergeben hat. Trier, den 25.08.97
  3. 3. 1 Einleitung 1 Einleitung Eine Zytostatika-Sicherheitswerkbank ist gewiß nicht allen Maschinenbauern und Maschinenbauerinnen ein vertrautes Gerät. Deshalb soll an dieser Stelle eine kurze Einführung in die in der Labortechnik verwendeten Werkbank erfolgen. Um sich tiefer in die Materie einzuarbeiten, vor allem in medizintechnischer Hinsicht, ist die Diplom- arbeit „ Untersuchungen zu einer neuen Zytostatika-Sicherheitswerkbank mit erstem Konstruktions- entwurfquot; [1] ein gutes Nachschlagewerk. 1.1 Zytostatika Zytostatika sind Substanzen, die wegen ihrer hemmenden Wirkung auf das Wachstum und die Vermehrung besonders von rasch wachsenden Zellen in der Krebsbehandlung zur Tumorbehandlung verwendet werden. [2] 1.2 Zytostatika-Sicherheitswerkbank Zytostatika wirken nicht selektiv, d.h. nicht nur die Tumorzellen werden angegriffen, sondern auch gesundes Gewebe wird geschädigt. Zytostatika verursachen starke Nebenwirkungen wie beispielsweise Knochenmarkschäden. Fetales Gewebe, Schleimhäute, Keimzellen, Haare und Nägel sind unter anderem ebenfalls betroffen. Bei der Herstellung von applikationsfertigen Zytostatika-Zubereitungen (Pulverform, flüssige Form oder Tablettenform) in Apotheken ist das Personal der schädigenden Wirkung der Zytostatika ausgesetzt. Auch im Krankenhausbetrieb sind die Menschen, die applikationsfertige Zytostatika- Zubereitungen zur Anwendung vorbereiten (Spritzen oder Infusionsbeutel) gleichermaßen gefährdet. Zum Schutz des Personals dient neben anderen Schutzausrüstungen (Handschuhe, Stulpen, Mundschutz, etc.) eine sogenannte Zytostatika-Sicherheitswerkbank. Maßgebend für derartige Werkbänke sind die DIN 12950-10 und DIN 12980. [3], [4] Abbildung 1 zeigt eine PTA bei der Vorbereitung eines Infusionsbeutels. Das Bild entstand bei einer Besichtigung der Krankenhausapotheke des Mutterhauses der Borromäerinnen in Trier. Abbildung 1 Eine PTA bei der Arbeit 1
  4. 4. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ..................................................................................................................... 1 1.1 Zytostatika ............................................................................................................. 1 1.2 Zytostatika-Sicherheitswerkbank ...........................................................................1 1.3DIN-Normen ......................................................................................................... 2 1.4 Aufgabenstellung .................................................................................................. 2 1.4.1 Ausgangs Situation........................................................................................2 1.4.2 Aufgabe ....................................................................................................... 3 2 Vorbetrachtung ............................................................................................................. 4 2.1 Abluft.............................. : .................................................................................... 4 2.1.1 Umluftsystem .............................................................................................. 4 2.1.2 Fortluftsystem ............................................................................................. 4 2.1.3 Kombination von Umluft- und Fortluftsystem............................................. 5 2.2 Vergleich von Werkbänken verschiedener Hersteller bezüglich des Volumenstroms und des Arbeitsraumes .............................................................. 5 2.3 Festlegen des erforderlichen Volumenstroms ........................................................ 5 2.3.1 Vereinfachter Ansatz zur Auslegung des Volumenstroms ...........................6 2.4 Lufteintritt in die Werkbank ................................................................................. 7 2.5 Filterung................................................................................................................. 8 2.6 Schematische Darstellung verschiedener Luftführungen ........................................ 8 2.6.1 Schema mit zwei Ventilatoren .................................................................... 8 2.6.2 Schema mit einem Ventilator ..................................................................... 9 2.7 Ventilator .............................................................................................................. 9 2.7.1 Ventilatorabmessungen ............................................................................. 10 2.8 Filterabmessungen .............................................................................................. 10 3 Konstruktion der strömungsführenden Teile ............................................................... 11 3.1 Vorbemerkung.....................................................................................................11 3.2 Druckseite............................................................................................................11 3.2.1 Düse...........................................................................................................12 3.2.2 Hauptfilterkasten ....................................................................................... 12 3.2.3 Abluftkasten .............................................................................................. 13 3.2.4 Druckstutzen für den Ventilator ............................................................... 14 3.3 Ansaugeinheit ..................................................................................................... 15 3.3.1 Absaugung der Zuluft im Eingriffsbereich ................................................ 16
  5. 5. 4 Laser-Doppler-Anemometne ...................................................................................... 17 4.1 Das LDA der Fachhochschule Trier ................................................................... 19 4.1.1 Prinziperläuterung ..................................................................................... 23 4.1.2 Einfluß der Brechung von Laserstrahlen beim Durchtritt durch eine ebene Wand .............................................................................................. 25 5 Messungen .................................................................................................................. 28 5.1 Ermittlung des Ist-Zustandes .............................................................................. 28 5.2 Versuch mit einem Umlenkblech ....................................................................... 30 5.3 Versuch mit einem Umlenkblech und einem Abfangblech .................................. 31 5.4 Versuchsreihe mit zwei Umlenkblechen ............................................................ 31 5.5 Versuchsreihe mit zwei Umlenkblechen und Netz................................................37 5.6 Versuchsreihe ohne Umlenkbleche - Erzeugen eines Stauraumes....................... 69 5.7 Ermittlung der mittleren Lufteintrittsgeschwindigkeit durch die Arbeitsöffnung ....................................................................................88 5.8 Schlußfolgerung aus den Messungen .................................................................. 90 5.9 Voruntersuchung der Werkbank durch den TÜV-Nord ....................................... 90 6 Literaturverzeichnis .....................................................................................................95
  6. 6. 1 Einleitung 1.3 DIN-Normen • DIN 12950-10 Laboreinrichtungen Sicherheitswerkbänke für mikrobiologische und biotechnologische Arbeiten Anforderungen, Prüfen • DIN 12980 seit September 1996 speziell für Zytostatika-Sicherheitswerkbänke Laboreinrichtungen Zytostatika- Werkbänke Anforderungen, Prüfen Das wichtigste aus den beiden Normen soll kurz zusammengefaßt dargestellt werden. Genauere Anga- ben sind den entsprechenden Normen zu entnehmen. - Personenschutz durch Zytostatika-Werkbank: Das Bedienpersonal darf keinen schädigenden Einwirkungen von Zytostatika- Bestandteilen ausgesetzt werden. - Rückhaltevermögen an der Arbeitsöffnung: Es darf keine unzulässige Menge an Partikeln aus dem Arbeitsraum der Werkbank durch die Arbeitsöffnung in die Umgebung gelangen. - Produktschutz durch Zytostatika-Werkbank: Es darf keine unzulässige Menge an Partikeln aus der Umgebung in den Arbeitsraum der Werkbank gelangen. - Verschleppungsschutz durch Zytostatika-Werkbank: Es darf keine unzulässige Menge an Partikeln innerhalb des Arbeitsraumes der Werkbank übertragen werden. Die Werkbank muß außerdem eine Auffangwanne besitzen, um verschüttete Substanzen aufzunehmen. In der Gerätedokumentation sind Angaben zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit zu machen. Die dafür vorgeschriebene Meßebene befindet sich 50mm über der Eingriffsöffnung. Die in dieser Ebene ermittelten Einzelgeschwindigkeiten und der arithmetische Mittelwert aller Geschwindigkeiten dürfen von der in der Dokumentation angegebenen maximal um 20% abweichen. Darüber hinaus ist die Lufteintrittsgeschwindigkeit durch die Arbeitsöffnung in der Dokumentation festzuhalten. Sie muß mindestens so hoch sein wie die in der Werkbank herrschende mittlere Strömungsgeschwindigkeit und darf diese maximal um 20% überschreiten. 1.4 Aufgabenstellung 1.4.1 Ausgangssituation Die Arbeit beginnt mit dem Prototyp Zyto-Safe® der Firma MRD®, Trier. Bei der Zytostatika-Sicherheitswerkbank der Fa. MRD® handelt es sich um eine Innovation. Erstmals soll eine Werkbank auf den Markt kommen, die eine gekrümmte Frontscheibe besitzt und somit ergonomisch günstiger ist als die herkömmlichen Werkbänke, die kastenförmig aufgebaut sind. Strömungstechnisch gesehen stellt diese Form der Bank allerdings ein Problem dar: Die Strömung muß aus der Horizontalen in die Vertikale umgelenkt werden. 2
  7. 7. Einleitung Abbildung 2 Zytosafe® Der Prototyp besitzt noch keine strömungsführenden Teile. 1.4.2 Aufgabe Dimensionierung • des notwendigen Volumenstroms • der Strömungsführung • der Filter • des Ventilators • Optimierung der Strömung in Anlehnung an DIN 12950-10 und DIN 12980 mit Hilfe eines Laser-Doppler-Anemometers (LDA)
  8. 8. 2 Vorbetrachtung 2 Vorbetrachtung 2.1 Abluft Die Zytostatika-Sicherheitswerkbänke können nach drei verschiedenen Systemen bezüglich der Abluft arbeiten: dem Umluftsystem, dem Fortluftsystem oder einer Kombination aus beiden [5], Die Werkbank der Fa. MRD® soll zunächst nach dem Umluftsystem arbeiten und später auf das Fortluftsystem umgerüstet werden. 2.1.1 Umluftsvstem Arbeitet die Werkbank nach dem Umluftsystem, so wird der größte Teil (ca. 70-75%) des Gesamt- volumenstroms als Umluft wieder in den Arbeitsraum rückgeführt. 25 -30% werden als Zuluft über die Arbeitsöffnung angesaugt. Die Abluft gelangt gefiltert in den Umgebungsraum. Mit Umgebungsraum ist der Raum gemeint, in dem die Werkbank aufgestellt ist und in dem sich Menschen aufhalten. Luftführungsschema: Zuluft 30% Abluft 30% Umluft 70% Abbildung 3 Schema eines Umluftsystems 2.1.2 Fortluftsystem Nach dem Fortluftsystem wird keine Luftrückführung vorgenommen, d.h. weder in den Arbeitsraum der Werkbank noch in den Umgebungsraum. Die Luft gelangt über eine gesonderte Anlage nach draußen. Hierbei muß für eine ausreichende Zuluft in den Raum, in dem sich die Werkbank befindet, gesorgt werden. Luftführungsschema: 4
  9. 9. 2 Vorbetrachtung 2.1.3 Kombination von Umluft- und Fortluftsystem Hierbei werden wie bei dem Umluftsystem 70-75% des Gesamtvolumenstroms wieder in den Arbeitsraum der Werkbank zurückgeführt. Die Abluft gelangt hier nicht in den Umgebungsraum, sondern wie beim Fortluftsystem über eine gesonderte Anlage nach draußen. Die Apotheke des Mutterhauses der Borromäerinnen in Trier verfügt über eine solche Anlage. des Volumenstroms 2.2 Vergleich von Werkbänken verschiedener Hersteller bezüglich und des Arbeitsraums Die folgenden Angaben sind den jeweiligen Firmenprospekten entnommen. • Schulz Lufttechnik GmbH Sicherheitswerkbank Typ ZI00 Abluftvolumenstrom ca. 25 % vom Gesamtvolumenstrom vjesamivuiumensu Arbeitsraum Vergleichsgröße BERNER INTERNATIONAL GMBH Sicherheitswerkbank Typ ANTARES 48 Abluftvolumenstrom ca 30% vom Gesamtvolumenstrom Obwohl die aufgeführten Werkbänke nicht als repräsentativ angesehen werden können, läßt sich aus obiger Betrachtung jedoch ableiten, daß die Luft im Arbeitsraum etwa einmal pro Sekunde ausge- tauscht wird. 2.3 Festlegen des erforderlichen Volumenstroms In den entsprechenden DIN- Normen wird keine Angabe über den benötigten Volumenstrom gemacht. Aus dem vorangegangenen Vergleich kann lediglich die Größenordnung, in der sich der Volumen- strom bewegen wird, festgelegt werden. Da die neue Werkbank, strömungstechnisch betrachtet, nicht mit herkömmlichen Werkbänken ver- gleichbar ist, ist es somit auch nicht sinnvoll, den Volumenstrom über die Vergleichsgröße Vg% und den Arbeitsraum V arb zu berechnen. 5
  10. 10. 2 Vorbetrachtung 2.3.1 Vereinfachter Ansatz zur Auslegung des Volumenstroms Skizze: Abbildung 5 Vereinfachte Darstellung zur Auslegung des Volumenstroms Ansatz über die Kontinuitätsgleichung: rh = konstant In der Werkbank treten nur relativ geringe Geschwindigkeiten auf. Die maximalen Geschwindigkeiten liegen in der Düse mit etwa 3 m/s vor. Somit kann die Volumenänderung durch Druck- bzw. Temperaturänderungen vernachlässigt werden. Man kann nun von der vereinfachten Kontinuitätsgleichung ausgehen. V = A, -c, = A2 -c 2 Die Fläche A 2 , die in der Meßebene (50mm über der Eingriffsöffnung) liegt, läßt sich mit Hilfe obiger Skizze berechnen zu 6
  11. 11. 2 Vorbetrachtung Legt man für die Geschwindigkeit c 2 den Wert 0,45 m/s willkürlich fest, so erhält man einen Umluft- volumenstrom von 2.4 Lufteintritt in die Werkbank Um die Luft gleichmäßig über die gesamte Werkbankbreite einzuleiten, ist eine Düse erforderlich. Die Düsenaustrittsgeschwindigkeit c, hängt vom Düsenöffnungsquerschnitt ab. Die Breite der Öffnung ist mit der Werkbankbreite von ca. 1,2 m bereits vorgegeben. Der Öffnungs- querschnitt wird somit nur noch durch die Düsenhöhe bestimmt. Um den Arbeitsraum, insbesondere hinsichtlich der Höhe, nicht zu sehr einzuschränken und um noch genügend Raum zur vertikalen Ausrichtung der Strömung zur Meßebene hin zu haben, sollte die Düsenhöhe möglichst gering gehalten werden. Die Höhe wird mit 60 mm festgelegt. Nach der Kontinuitätsgleichung gilt
  12. 12. 2 Vorbetrachtung 2.5 Filterung Die kontaminierte Luft muß durch Filter gereinigt werden. Die Firma MRD® legt drei Filter fest: • 1 Abluftfilter der Klasse EU 14 um die Luft gereinigt in die Umgebung zu geben (Personenschutz) • 1 Umluftfilter der Klasse EU 14 um gereinigte Luft in die Werkbank zu fördern (Produktschutz) • 1 Vorfilter der Klasse EU 11 um die Lebensdauer des Abluft- und des Umluftfilters zu erhöhen; so gelangt beispielsweise der Abriß von Verpackungen, wie sie bei Spritzen verwendet werden, nicht bis zum Abluft- bzw. Umluftfilter. 2.6 Schematische Darstellung verschiedener Luftführungen 2.6.1 Schema mit zwei Ventilatoren Aufgrund des in der DIN geforderten Produktschutzes ist es notwendig, die von außen eintretende Zuluft direkt im Eingriffsbereich abzusaugen, wie es in Abbildung angedeutet ist. So gelangt keine ungefilterte Luft in den Arbeitsbereich. Umluftfilter EU 14 Ventilator 1 Abbildung 6 Schema mit Ventilator 2 Abluftfilter EU 14 zwei Ventilatoren Ventilator 1 • sorgt für die Umluft (70% vom Gesamtvolumenstrom) V, =860' saugt keine Luft direkt von außen an, sondern nur vorgefilterte Luft Ventilator 2 V2 = 360 mX • wälzt die restlichen 30% der Luft um • saugt ebenfalls nur vorgefilterte Luft an 8
  13. 13. 2 Vorbetrachtung Beide Ventilatoren haben je ein Filter auf der Saug- und auf der Druckseite. - EU 14 Ap = 2,5mbar (Filter neu) Ap = 5mbar (Filter verschmutzt) - EU 11 Ap = l,0mbar (Filter neu) Ap = 2mbar (Filter verschmutzt) Bei beiden Ventilatoren addieren sich die jeweils in Reihe geschalteten Strömungswiderstände. Das bedeutet, daß die Lüfter bei relativ geringem Volumenstrom eine verhältnismäßig hohe Druckleistung aufbringen müssen, was sich bei der Suche nach geeigneten Ventilatoren als ein Problem erweisen kann. 2.6.2 Schema mit einem Ventilator .30% = 360— 70% = h irr 100% = Abbildung 7 Schema mit einem Ventilator Diese Variante stellt sich sowohl aus Kostengründen als auch als Platzgründen als die bessere heraus. Die Auswahl des Ventilators und alle anschließenden Konstruktionen stützen sich damit auf dieses Luftführungsschema. 2.7 Ventilator Mit dem erforderlichen Volumenstrom von 1200m3/h und der Mindestdruckdifferenz von etwa 8mbar (Krümmer stellen ebenfalls Strömungswiderstände dar), liegt die Baugröße des Ventilators weitgehend fest. Aus einer Auswahl von Ventilatoren erscheint der Ventilator Silentovent® SEA 01-355-4 von der Firma Gebhardt am ehesten geeignet. Er ist sowohl der kompakteste als auch der leiseste unter den in Frage kommenden Lüftern. 9
  14. 14. 2 Vorbetrachtung 2.7.1 Ventilatorabmessungen Abbildung 8 Abmessung des zur Messung verwendeten Ventilators [10] a = 316mm d 3 = 421 mm i = 36mm w = 270mm aj = 254mm ds = 10,5 mm ki = 151mm x= 182mm a 2 = 290 mm dö = 395 mm m = 30mm y = 220mm b3 x b3 = 256mm x 146mm h 0 = 668 mm n = 30mm zxd4 = 8 x 9,5 mm b = 206mm hi = 275 mm o = 130mm Zi x t = 2 x 100mm bi = 144mm h 2 = 397mm p = 273 mm z 2 x t = 1 x 100mm b 2 = 180mm h 3 = 329 mm q = 256mm di = 10mm h 5 = 598 mm qi =414mm d 2 = 361mm h 6 = 271mm v = 206 mm 2.8 Filterabmessungen Wie bereits in Kapitel 2.5 erwähnt, hat die Firma MRD® drei Filtereinbaustellen vorgesehen. Die von ihr festgelegten Filter haben folgende Abmessungen: • Hauptfilter: EU 14 305mm x 610mm x 78mm • Abluftfilter: EU 14 457mm x 457mm x78mm • Vorfilter: EU 11 305mm x 610mm x 78mm Da über die gesamte Werkbankbreite abgesaugt bzw. eingeblasen werden soll, sind je zwei Haupt- und zwei Vorfilter notwendig. 10
  15. 15. 3 Konstruktion der strömungsführenden Teile 3 Konstruktion der strömungsführenden Teile Die vorgegebenen Abmessungen der Filter und des Ventilators bestimmen die Auslegung der für die Messungen notwendigen Teile. Teile der Druckseite: Düse Hauptfüterkasten Abluftkasten Druckstutzen für den Ventilator Teile der Saugseite: Ansaugeinheit, bestehend aus drei Einzelkomponenten 3.1 Vorbemerkung Da der Prototyp bereits geplant und gebaut war, mußten die strömungsführenden Teile der Geometrie der vorhandenen Werkbank weitestgehend angepaßt werden. Hierbei stand allerdings der Meßaufbau zur Durchführung der Strömungsmessungen im Vordergrund und nicht so sehr die Serientauglichkeit der einzelnen Komponenten. Abbildung 9 zeigt die für die Messung umgebaute Werkbank. Für die Serie sind alle Teile im Gehäuse unterzubringen. Abbildung 9 Für die Messung umgebaute Werkbank Alle in Kapitel 3 aufgeführten Teile wurden von der Firma Hase in Trier gefertigt. 3.2 Druckseite Die Komponenten der Druckseite können weitestgehend für die Serie übernommen werden. Zur Durchführung der Strömungsmessungen sind die Konstruktionen sehr einfach und damit kosten- günstig gehalten. Für die Serie sind kleine Modifikationen nötig. ll
  16. 16. 3 Konstruktion der strömungsführenden Teile 3.2.1 Düse Für den Strömungsverlauf in der Werkbank ist die Düse sehr wichtig. Sie bestimmt, wie die Strömung in den Arbeitsraum eingeleitet wird. Die Hauptanforderung an die Düse ist, die Luft über die gesamte Werkbankbreite gleichmäßig einzubringen. Außerdem soll sie die Strömung auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigen, um eine möglichst gleichmäßige Strömung innerhalb der Bank zu gewährleisten. In Kapitel 2.4 wurde die Austrittsgeschwindigkeit auf etwa 3,3 m/s theoretisch ermittelt. Aufgrund des beschränkten Einbauraumes wird die Düse von unten und mit nur einem mittig angeordneten Zulauf angeströmt. Die Aufstauwirkung des Feinfilters führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der eingeblasenen Luft über der gesamten Werkbankbreite. Die folgenden Abbildungen zeigen die Düse, wie sie für die Messungen eingesetzt wurde. Abbildung 11 Düse von hinten Abbildung 10 Düse von vorne Die beiden Hauptfilter (EU 14) werden in die Düse hineingeschoben. Gehalten werden die Filter einmal durch vier Winkel, die innen in der Düse befestigt sind, und durch Abkantungen. Abbildung 12 zeigt eine schematische Darstellung der Düse mit Filter. Abkantung Winkel Filter Abbildung 12 Schematische Darstellung der Düse mit eingeschobenem Filter 3.2.2 Hauptfilterkasten Der Hauptfilterkasten stellt über den Zulauf die Verbindung zwischen der Druckseite des Ventilators und der Düse her. Er wird direkt an die Düse angeflanscht. 12
  17. 17. 3 Konstruktion der strömungsfiihrenden Teile Der Filterkasten soll durch seine Form die Strömung bereits vor dem Filter günstig beeinflussen. Durch den nach beiden Seiten schräggestellten Boden wird gewährleistet, daß auch die Randbereiche der Düse mit Luft beaufschlagt werden. In Verbindung mit der Aufstauwirkung des Filters wurde dieses Ziel zufriedenstellend erreicht. Abbildung 13 Hauptfilterkasten 3.2.3 Abluftkasten Er hat die Aufgabe, das Abluftfilter aufzunehmen und die Luft strömungsgünstig über das Filter nach außen abzuführen. Auch hier ist der Boden der besseren Luftverteilung wegen wieder schräggestellt. Abbildung 14 Abluftkasten
  18. 18. 3 Konstruktion der Strömungsfuhrenden Teile 3.2.4 Druckstutzen für den Ventilator Der Volumenstrom soll in 70% Umluft, die wieder in den Arbeitsraum zurückgeführt wird und in 30% Abluft, die gefiltert an die Umgebung weitergeleitet wird, aufgeteilt werden. Dafür ist ein geteilter Stutzen für den Ventilator vorgesehen. Druckseitig besitzt der Ventilator einen rechteckigen Querschnitt, der sich leicht in das gewünschte Flächenverhältnis von 70:30 aufteilen läßt. Abbildung 15 Flächenaufteilung im Verhältnis 70:30 Mit den vorhandenen Abmessungen ergibt sich folgende Flächenaufteilung. Abbildung 16 Druckstutzen fiir den Ventilator Aus strömungstechnischer Sicht, aber auch aus Gründen der Verfügbarkeit von Rohren mit Kreisquerschnitt werden die beiden Rechteckquerschnitte Ai und A 2 in Rundquerschnitte überführt, was fertigungstechnisch nicht ganz unproblematisch ist. 14
  19. 19. 3 Konstruktion der Strömungsfuhrenden Teile Aus einem nichtkreisförmigen Querschnitt läßt sich ein kreisförmiger Ersatzquerschnitt berechnen, dessen Durchmesser „hydraulischer Durchmesserquot; genannt wird. Auf diesen Ersatzquerschnitt lassen sich die für Rundrohre abgeleiteten Beziehungen für Verlustenergie und Rohrreibungszahlen anwenden [6]. 3.3 Ansaugeinheit Die Ansaugeinheit ist in vorliegender Form ausschließlich zu Meßzwecken konstruiert worden. Der Sockel der Werkbank ist schmäler als der Aufsatz mit dem Arbeitsraum. Die Filter, die eine Länge von insgesamt 1,22 m aufweisen, sollen im Sockel untergebracht werden, was nur möglich ist, wenn er verbreitert wird. Die Ansaugeinheit besteht aus drei Komponenten: 3. 2. 1. Filterkasten 15 Abbildung 17 Ansaugeinheit
  20. 20. 3 Konstruktion der strömungsführenden Teile 1. Filterkasten: Hier befinden sich die Vorfilter. Der Filterkasten stellt die Verbindung mit dem Ventilator- ansaugstutzen her. Der Stutzen des Kastens ist in den Ansaugstutzen des Ventilators hineingeschoben und gegen diesen abgedichtet. 2. Zwischenstück: Das Zwischenstück kann man als Adapter bezeichnen, der die Breite des Filterkastens von 1222 mm in die Breite des Anschlußkastens von 1000 mm überführt. 3. Anschlußkasten: Der Anschlußkasten ist direkt mit dem Arbeitsraum verbunden. 3.3.1 Absaugung der Zuluft im Ein2riffsbereich Wie bereits erwähnt, darf keine verkeimte Luft in den Arbeitsbereich gelangen. Sie muß direkt im Eingriffsbereich abgesaugt werden. Dazu ist ein Trennblech erforderlich, wie es schematisch in Abbildung 18 veranschaulicht ist. Abbildung 18 Trennblech Die Höhe, in der das Trennblech angebracht werden soll, ergibt sich aus der Gleichheit der Geschwindigkeiten c, und c 2 in den Anschlußkasten hinein und dem Zuluftvolumenstrom. Die Höhe hj wird mit 35 mm festgelegt, womit sich bei einer Gesamthöhe h ges von 115 mm eine Höhe h 2 von 80mm ergibt. In diesem Bauzustand ist die Werkbank für die ersten Geschwindigkeitsmessungen gerüstet. 16
  21. 21. 4 Laser-Doppler-Anemometne 4 Laser-Doppler-Anemometrie Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Strömungsgeschwindigkeiten zu ermitteln. Im folgenden sind einige Verfahren kurz beschrieben. a) Pitotrohr und Piezometer [6] Pitotrohr Abbildung 19 Pitotrohr und Piezometer Mit dem Pitotrohr wird der Gesamtdruck p 2 gemessen, während das Piezometer den statischen Druck pi erfaßt. Aus dem Gesamtdruck und dem statischen Druck läßt sich nun der Staudruck oder der dynami- sche Druck q berechnen. q = P 2 -Pi = P - g - h 2 - p - g - h i =p-g-Ah Der Staudruck q läßt sich auch als eine Funktion der zu ermittelnden Geschwindigkeit c darstellen. q = i-p-c2 Durch Gleichsetzen der beiden Beziehungen p-g-Ah = j -p - c 2 ergibt sich für die gesuchte Geschwindigkeit c = V2-g-Ah b) PrandtPsche Staurohr [6] 17
  22. 22. 4 Laser-Doppler-Anemometrie Das Prandtl-Rohr kombiniert das Piezometer und Pitotrohr in einem Gerät, was die Handhabung erheblich vereinfacht. Die Ermittlung der Geschwindigkeit bleibt die gleiche wie unter a). Abbildung 21 zeigt ein Prandtl'sches Staurohr der Fachhochschule Trier. In Abbildung 22 sind die Bohrungen zur Messung des statischen Druckes pi zu erkennen. Abbildung 21 Prandtl 'sches Staurohr Abbildung 22 Bohrungen zur Messung des statischen Druckes (rote Markierung) c) Hitzdrahtanemometer [6] Bei diesem Geschwindigkeitsmeßgerät wird ein dünner Draht elektrisch beheizt. Je nach Geschwindigkeit des vorbeiströmenden Gases kühlt sich der Draht mehr oder weniger stark ab. Um die Temperaturabsenkung des Drahtes zu kompensieren, wird der elektrische Strom I erhöht. Damit besteht zwischen dem Strom I und der Strömungsgeschwindigkeit c ein funktionaler Zusammenhang. c = f(I) Die oben genannten Methoden haben wie alle berührenden Meßverfahren den Nachteil, daß sie in die Strömung eingebracht werden müssen. Bei hohen Geschwindigkeiten bleiben die Störungen, die die Meßgeräte verursachen, vernachlässigbar klein. Im Falle der Zytostatika-Sicherheitswerkbank, wo die Geschwindigkeiten in der Größenordnung von nur 1m/s vorliegen, kann die Störung nicht mehr ohne weiteres als vernachlässigbar angesehen werden. Aus diesem Grund und ihrer höheren Genauigkeit wegen sind die berührungslosen Meßverfahren für solche Messungen besser geeignet. 18
  23. 23. 4 Laser-Doppler-Anemometrie 4.1 Das LDA der Fachhochschule Trier Neben dem Laser-2-Fokus (L2F) stellt die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) eine weitere Möglichkeit der berührungslosen Strömungsmessung dar. Der Fachbereich Maschinenbau der FH Trier besitzt ein LDA der Firma DANTEC. Die folgende Abbildung zeigt eine solche Meßeinrichtung. Abbildung 23 Anlage zur 3-dimensionalen Strömungsge- schwindigkeitsmessung [11] Die hier dargestellte Anlage ist zur 3-dimensionalen Geschwindigkeitsmessung eingerichtet (3D Fiber Flow). Das LDA der Fachhochschule verfügt zur Zeit über die Ausführung zur 2-dimensionalen Messung (2D Fiber Flow). Die komplette Einrichtung ist auf Abbildung 24 zu sehen. Abbildung 24 LDA der Fachhochschule Trier 19
  24. 24. 4 Laser-Doppler-Anemometne Der hier verwendete Argon-Ionen-Laser besitzt eine Leistung von bis zu 300mW und ist luftgekühlt. Abbildung 25 Luftgekühlter Argon-Ionen-Laser In der sogenannten Transmitterbox wird der Laserstrahl geteilt, und zwar in zwei blaue Partialstrahlen (Wellenlänge 488 nm) und zwei grüne Partialstrahlen (Wellenlänge 514,5 nm). Abbildung 26 Transmitterbox Die Farbtrennung und Strahlaufteilung erfolgt über Farbstrahl teiler und Strahlteiler. [7] Die ebenfalls in der Transmitterbox vorhandene Braggzelle dient zur Richtungserkennung der zu messenden Strömung. Über vier Manipulatoren werden die Strahlen mit Hilfe von Glasfaserkabel zur Meßsonde geleitet. Abbildung 27 zeigt zwei dieser Manipulatoren. 20
  25. 25. 4 Laser-Doppler-Anemometrie Abbildung 27 Manipulatoren 60X24 In der Meßsonde befinden sich eine Sammellinse mit einer Brennweite von 1000 mm und eine Strahlaufweitung, die den Strahlenabstand von 38 mm auf einen Abstand von 74,1 mm erhöht. Abbildung 28 Meßsonde Die Ebenen, die von den beiden Strahlenpaaren aufgespannt werden, stehen senkrecht zueinander. Sie ermöglichen somit eine Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten in vertikaler und horizontaler Richtung, die wiederum den resultierenden Geschwindigkeitsvektor liefern. Die beiden Strahlenpaare sind in Abbildung 29 schematisch dargestellt. [7] 21
  26. 26. 4 Laser-Doppler-Anemometne Abbildung 29 Beide Strahlenpaare mit den Wellenlängen A./ bzw. X 2 [7] Durchquert ein Teilchen das Meßvolumen, so reflektiert es das Licht mehr oder weniger stark. Um nun sicherzustellen, daß möglichst viele Teilchen Licht reflektieren, wird ein Aerosol in die Strömung eingeleitet. Dieses Aerosol besteht aus sehr kleinen Tröpfchen, die sich zu nahezu 100% mit der Strömung mitbewegen. Das Aerosol wird in einem „Partikelgeneratorquot; gebildet. Abbildung 30 Partikelgenerator Das von den Aerosolteilchen reflektierte Licht wird von der Meßsonde aufgenommen und über Glasfasern zu den Photomultipliern geleitet. In den Photomultipliern werden diese optischen Signale in elektrische Signale umgewandelt und dann der Auswerteelektronik zugeführt. Abbildung 31 Auswerteelektronik 22
  27. 27. 4 Laser-Doppler-Anemometrie 4.1.1 Prinziperläuterung Wie die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird, soll in diesem Kapitel vereinfacht dargestellt werden. Das Interferenzstreifenmodell [7] ist hierzu besonders anschaulich. Am Überlagerungsort zweier Laserstrahlen entstehen Interferenzstreifen, deren Abstand Ax eine Funktion des Überlagerungswinkels cp und der Lichtwellenlänge X darstellt. Ein Teilchen, das sich mit der Strömung mitbewegt, reflektiert die Hell-Dunkel-Abschnitte im Meßvolumen mit der Frequenz Af. Der Detektor, der sich in der Meßsonde befindet, empfängt die Frequenz, die der Geschwindigkeitskomponente entspricht, die senkrecht zum Interferenzstreifen- muster steht. [7] Nach obiger Beziehung erhält man damit die Strömungsgeschwindigkeitskomponenten zu Das grüne Strahlenpaar dient der Erfassung der Horizontalkomponente, das blaue der Erfassung der Vertikalkomponente. Diese Festlegung ist jedoch willkürlich und kann durch Drehung der Meßsonde um 90° geändert werden. Die durch die relativ große Brennweite von 1000 mm bedingte Reduzierung des Strahlenwinkels cp, was eine Vergrößerung des Meßvolumens zur Folge hat, wird durch die bereits in Abschnitt 4.1 erwähnte Strahlaufweitung auf übliche Werte von 2,1° vergrößert. Im folgenden wird die Auswirkung der Strahlaufweitung deutlich: • Linse mit 398,5 mm Brennweite Abbildung 33 Schematische Darstellung ohne Strahlaufweitung 23
  28. 28. 4 Laser-Doppler-Anemometrie Abbildung 34 Schematische Darstellung ohne Strahlaufweitung • Linse mit 1000 mm Brennweite mit Strahlaurweitung (Anordnung wie sie für die Messung vorlag) Abbildung 35 Schematische Darstellung, mit Strahlaußveitung Das LDA von DANTEC verfugt über eine Richtungserkennung. Diese wird durch eine sogenannte Braggzelle erreicht. Braggzellen sind optoakustische Modulatoren, die eine Bewegung des Inter- ferenzstreifenmusters bewirken. 24
  29. 29. 4 Laser-Doppler-Anemometne Die Bewegungsrichtung der einzelnen Fluidteilchen wird dadurch bestimmt, ob sich das Teilchen in oder entgegen der Laufrichtung des Interferenzstreifenmusters bewegt. Damit ist eine direkte Erkennung der Richtungsumkehr verbunden. 4.1.2 Einfluß der Brechung von Laserstrahlen beim Durchtritt durch eine ebene Wand Die Werkbank ist mit ebenen Seitenscheiben aus Plexiglas ausgestattet, die einen bestimmten Brechungsindex n' aufweisen. n' für Plexiglas liegt bei etwa 1,49. [8] Nach dem Brechungsgesetz von Snellius gilt: sinm n' . ---- — = — = konstant sincp Abbildung 37 Brechung von Lichtstrahlen Da gemäß obiger Skizze nquot; gleich groß ist wie n', ist auch cpquot; ebenso groß wie cp'. Den Nachweis liefert wiederum das Snellius'sche Brechungsgesetz: 25
  30. 30. 4 Laser-Doppler-Anemometrie Einfluß auf den Brennpunkt Aus der Brechung der Laserstrahlen beim Durchtritt durch die Plexiglasscheibe resultiert eine Verschiebung des Brennpunktes um Af* , was in Abbildung 38 anschaulich dargestellt ist. Abbildung 38 Verlauf der Strahlen mit Brechung (rot) und ohne Brechung (schwarz)
  31. 31. 4 Laser-Doppler-Anemometne 27
  32. 32. 5 Messungen 5 Messungen An der MRD®-Werkbank sind über 100 Messungen durchgeführt worden. Kapitel 5 befaßt sich mit einer Auswahl der wichtigsten Meßergebnisse und den daraus abgeleiteten Verbesserungsmaßnahmen. Die Messungen wurden mit dem in Abschnitt 4.1 beschriebenen LDA durchgeführt. Die Meßdaten, die als ASCI-Dateien vorliegen, wurden anschließend nach DIADEM transportiert, einem Meß- und Auswerteprogramm, mit dessen Hilfe die Vektordarstellungen erzeugt worden sind. Um einen Überblick über die Gleichmäßigkeit der Strömungsverteilung über der gesamten Werkbank- breite zu erhalten, sind pro Meßreihe mindestens drei Ebenen abgescannt worden. Da die Werkbank einen ebenensymmetrischen Aufbau besitzt, ist es ausreichend, nur eine Hälfte zu betrachten. Die Linse der Meßsonde verfugt über eine Brennweite von 1000 mm, die Werkbank weist eine Breite von ca. 1200 mm auf. Somit ist es möglich, über die Mitte hinaus zu messen. Dies erlaubt eine Überprüfung der Annahme, daß die Strömungsverhältnisse der linken Werkbankhälfte denen der rechten Hälfte entsprechen. 5.1 Ermittlung des Ist-Zustandes Die ersten Messungen zeigen den Strömungszustand der Werkbank im Anfangsstadium. Die Luft tritt fast horizontal aus der Düse aus und behält die Richtung bis zur Eingriffsöffnung bei. Dort zeigt die Absaugung ihre Wirkung und die Geschwindigkeitsvektoren kehren ihr Vorzeichen um. 28
  33. 33. 5 Messungen Das Ergebnis sagt aus, daß noch einige Maßnahmen zu ergreifen sind, um die geforderte turbulenzarme Vertikalströmung im Arbeitsbereich der Werkbank zu erreichen. Positiv zu bewerten ist die Tatsache, daß die Strömung relativ gleichmäßig über die Werkbankbreite verteilt ist. Die Stauwirkung der Filter hat, in Verbindung mit den schräggestellten Bodenblechen des Filterkastens, den gewünschten Effekt gebracht, daß auch in der Randzone der Düse genügend Strömungsenergie vorhanden ist. 29
  34. 34. 5 Messungen 5.2 Versuch mit einem Umlenkblech Abbildung 41 Anordnung mit einem Umlenkblech Am Düsenaustritt wird ein Umlenkblech im Abstand von 190 mm zur Rückwand angebracht, um die Strömung in vertikaler Richtung nach unten umzulenken. Die Vektordarstellung in Abbildung 42 zeigt, daß die Strömung nun teilweise größere Vertikalkomponenten aufweist als vorher. Allerdings hat sich aufgrund der Strömungsumlenkung ein Wirbel gebildet. Die Rückströmung läßt sich damit erklären, daß die Teilchen durch das Umlenkblech in Rotation versetzt werden, die durch die Absaugung nicht kompensiert werden kann. Abbildung 42 Strömungsprofil bei Einbau eines Umlenkbleches 30
  35. 35. 5 Messungen Zur Abschwächung oder Vermeidung der Wirbelbildung sind folgende drei Möglichkeiten untersucht worden: a) ein Umlenkblech mit einem zusätzlichen Abfangblech b) zweites Umlenkblech c) Stauraum 5.3 Versuch mit einem Umlenkblech und einem Abfangblech Das zusätzliche Blech soll die Aufwärtsbewegung der Strömung an der Rückwand der Werkbank abfangen. Abbildung 43 zeigt die Versuchsanordnung. Abbildung 43 Umlenkblech und Abfangblech Versuche mit Rauchstäbchen haben gezeigt, daß sich selbst bei einem Winkel von 53° (entspricht einem Abstand von 80mm von der Rückwand) noch immer ein Wirbel ausbildet. Eine weitere Vergrößerung des Winkels macht keinen Sinn, weil der Arbeitsraum dadurch zu stark eingeschränkt wird. Das Abfangblech ist somit als Verbesserungsmaßnahme unbrauchbar. 5.4 Versuchsreihe mit zwei Umlenkblechen Insgesamt sind vier Umlenkblechvarianten erprobt worden. Umlenkblechvariante A ist für jede Änderung umgebaut worden, d.h. die Bleche wurden jedesmal abgetrennt, horizontal und/oder vertikal verschoben und neu angeschweißt. Die Blechform blieb dabei erhalten. Die Blechvarianten B bis D erhielten eine andere Form als Variante A. Diese Varianten blieben jeweils erhalten. Das heißt, für jedes Verschieben eines Bleches wurden neue Bleche gebogen und in einen eigenen Halter eingeschweißt. Abbildung 44 zeigt Umlenkblechvariation A. 31
  36. 36. 5 Messungen Abbildung 44 Umlenkblechvariante A Umlenkblechvarianten B bis D sind auf folgender Abbildung zu sehen. Abbildung 45 Umlenkblechvarianten B bis D Die Messungen von Punkt a) bis d) bauen aufeinander auf. Deshalb sind jeweils nur die Unterschiede zur vorangegangenen Anordnung in den Überschriften erwähnt. Dieselbe Vorgehensweise ist in Kapitel 5.5 a) bis n) und in Kapitel 5.6 a) bis f) zu finden. a) Umlenkblechvariante A, großes Umlenkblech 190mm, kleines Umlenkblech 70mm von der Rückwand entfernt Abbildung 46 Anordnung mit zwei Umlenkblechen 32
  37. 37. 5 Messungen In Rückwandnähe hat sich nun eine deutliche Vertikalströmung in gewünschter Richtung ausgebildet. Es ist aber noch immer ein Wirbel vorhanden. Allerdings ist er schwächer geworden und hat sich etwa in die Mitte der Ebene verlagert. -50 0 50 100 150 200 250 Abbildung 47 Messung mit zwei Umlenkblechen b) kleines Umlenkblech 90mm von der Rückwand entfernt Abbildung 48 Kleines Umlenkblech ragt weiter heraus 33 w .r
  38. 38. 5 Messungen Eine weitere Abschwächung des Wirbels wird dadurch erreicht, daß das untere Umlenkblech 20 mm weiter herausragt als zuvor. -100 0 100 200 300 [mm] Abbildung 49 675mm hinter der Seitenscheibe In der Anfangsphase werden die großen Geschwindigkeitsunterschiede noch nicht berücksichtigt. Im Vordergrund steht zunächst die vertikale Ausrichtung der Geschwindigkeitsvektoren. Auch die Arbeitsplatte bleibt bei den ersten Untersuchungen unbeachtet. Sie wird erst später mit einbezogen, wenn die Strömung sich dem geforderten Bild nähert. Im folgenden wird deutlich, daß sich die Strömung auch bei scheinbar kleinen geometrischen Änderungen der strömungsführenden Teile sehr stark ändern kann. c) kleines Umlenkblech 80mm von der Rückwand entfernt und 10mm nach unten versetzt Abbildung 50 Kleines Umlenkblech 10mm zurück- und 10mm nach unten versetzt 34
  39. 39. 5 Messungen Das kleine Umlenkblech wird 10 mm nach hinten (in die Düse hinein) und nach unten versetzt, um den Volumenstrom zwischen den beiden Blechen zu erhöhen. Damit soll dort die Strömungs- energie vergrößert werden. In Abbildung 51 wird deutlich, daß sich die Strömung in der hinteren Hälfte stark gebessert hat. Auch die Strömungsverhältnisse im vorderen Bereich sind günstiger als zuvor. Abbildung 51 575mm hinter der Seitenscheibe Lediglich im Gebiet zwischen 200-300mm (Abszisse) und 0-300mm (Ordinate) liegt noch keine gerichtete Strömung vor {kritisches Gebiet). Bei einer höheren Ventilatordrehzahl zeigt sich fast das gleiche Strömungsbild, was in Abbildung 52 deutlich wird. Der Hauptunterschied liegt in den Geschwindigkeitsbeträgen; die Richtung der einzelnen Vektoren bleibt nahezu gleich. 35
  40. 40. 5 Messungen -100 0 100 200 300 [mm] Abbildung 52 575mm hinter der Seitenscheibe d) großes Umlenkblech 210mm von der Rückwand entfernt Abbildung 53 Großes Umlenkblech ragt weiter heraus Das Herausziehen des großen Umlenkbleches bewirkt eine Verkleinerung des kritischen Bereiches aus Versuch c). Sonst hat sich das Strömungsprofil kaum geändert. Auch hier hat eine Drehzahlerhöhung des Ventilators keine gravierenden Auswirkungen. 36
  41. 41. 5 Messungen Ab dieser Messung sind „überflüssigequot; Meßpunkte aus dem Programm gelöscht, um die Meßdauer zu reduzieren. 5.5 Versuchsreihe mit zwei Umlenkblechen und Netz a) Umlenkblechvariante A, großes Umlenkblech 210mm, kleines Umlenkblech 55mm von der Rückwand entfernt; Netz Abbildung 55 Anordnung mit Netz 37
  42. 42. 5 Messungen Die bisherigen Messungen haben gezeigt, daß die Strömung sehr ungleichmäßig ist. Die Geschwindigkeit in den einzelnen Meßpunkten schwankt sehr stark. Mit den Umlenkblechen läßt sich die Strömung zwar vertikal ausrichten, eine Reduzierung der Turbulenz ist hiermit alleine jedoch nicht zu erreichen. Zum Aufreißen der Turbulenzballen wird in den folgenden Meßreihen ein Netz verwendet, und zwar ein Fliegennetz, da es besonders preiswert ist. Die Maschenweite beträgt etwa 1 mm. Das Netz wird doppellagig eingesetzt, um die Stauwirkung zu erhöhen. Das Netz wird mit Klettverschlußband an Rückwand und Frontscheibe angebracht. Das Fliegen- netz sollte möglichst an den Blechen anliegen. Abbildung 56 zeigt, daß durch diese Maßnahme hinsichtlich der vertikalen Ausrichtung der Strömung eine deutliche Verbesserung eingetreten ist. Das Strömungsprofil entspricht der Ebene, die 675 mm von der linken Seitenscheibe entfernt ist. Abbildung 57 zeigt den Strömungszustand in der Ebene, 125 mm hinter der linken Seitenscheibe. 38
  43. 43. 5 Messungen Beide Meßergebnisse verdeutlichen, daß die Strömung in der Mitte sehr stark ausgeprägt ist, im vorderen Bereich dagegen sehr schwach. Im Bereich 200mm - 300mm auf der Ordinate geht sie fast gegen Null. In Rückwandnähe ist die Strömung nicht eindeutig gerichtet. b) im vorderen Bereich ohne Netz Um den Strömungswiderstand zu verringern, wird das Netz an der Frontscheibe entfernt, wie in der nachstehender Abbildung zu sehen ist. Netz Abbildung 58 Netz an Frontscheibe entfernt 39
  44. 44. 5 Messungen In Abbildung 59 wird ersichtlich, daß die Strömungsenergie im vorderen Bereich erheblich gestiegen ist. Es existiert jedoch immer noch ein Gebiet, in dem die Strömungsgeschwindigkeit nahezu Null ist. Die Strömung im Bereich der Rückwand besitzt allerdings jetzt die gewünschte Richtung, c) Netz horizontal 30- »0 40 Abbildung 60 Netz horizontal
  45. 45. 5 Messungen In diesem Fall erstreckt sich das Netz wieder bis zur Frontscheibe. Allerdings hängt es nun hori- zontal. Da das Netz nur an Rückwand und Frontscheibe befestigt ist, hängt es etwas durch. Das Ergebnis der Maßnahme zeigt Abbildung 61. Dieses Strömungsprofil entspricht der Ebene, die 675 mm von der linken Seitenscheibe entfernt ist. Die Strömung ist insgesamt sehr viel gleichmäßiger geworden. Folgende Abbildung 62 zeigt ein ähnliches Bild. In diesem Fall liegt die Meßebene 125mm hinter der Seitenscheibe. 41
  46. 46. 5 Messungen d) Umlenkblechvariante B, kleines Umlenkblech 67mm, großes Umlenkblech 215mm von der Rück- wand entfernt; Netz mit Alu-Winkelprofilen gespannt Abbildung 63 Umlenkblechvariante B Bei den folgenden Versuchen wird das Netz mit Hilfe von Aluprofilen (90°-Schenkel) an den Umlenkblechen befestigt bzw. vorgespannt. 42
  47. 47. 5 Messungen Um die Auswirkungen eines einfachen Fliegennetzes auf den Strömungszustand zu veranschau- lichen, dienen folgende Abbildungen. Abbildung 64zeigt eine Messung ohne Netz, 675 mm hinter der Scheibe. Das Strömungsprofil in derselben Ebene, diesmal mit Netz, macht den Unterschied deutlich, Abbildung 65. 43
  48. 48. 5 Messungen Noch gravierender macht sich der Einfluß der Aufstauung in der Ebene, 125 mm hinter der Scheibe, bemerkbar. Abbildung 66 zeigt eine starke Turbulenz im hinteren Bereich. Dagegen ist sie in Abbildung 67 ganz verschwunden. Überdies ist die Strömung recht gleichmäßig. 44
  49. 49. 5 Messungen Die Meßergebnisse beider Ebenen lassen erkennen, daß die Strömungsgeschwindigkeit am Rand der Werkbank höher ist als in der Mitte. Die Ursache liegt vermutlich in der geometrischen Gestaltung des Haupfilterkastens, dessen Bodenbleche gegenüber der Horizontallage der Filter nach oben geneigt sind (s. Abschnitt 3.2.2). Durch diese Schrägstellung der Bodenbleche wird bei punktueller Zuströmung der Frischluft im allgemeinen eine symmetrische Verteilung des Strömungsmediums über der gesamten Kanalbreite erreicht, wobei die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung durch den Grad der Neigung der Bodenbleche bestimmt wird. Eine Reduzierung des Neigungswinkels würde somit zu einer Abnahme des Geschwindigkeitsniveaus in den Randbereichen der Werkbank fuhren. e) zusätzliches Netz (ebenfalls doppellagig) am Düsenaustritt zusätzliches Netz Abbildung 68 zusätzliches Netz am Düsenaustritt Mit dem zusätzlichen Netz wird der Strömung erneut ein Widerstand entgegengesetzt. Die Luft staut sich in der Düse nochmals etwas auf. Daher ist die Geschwindigkeitsverteilung über der Gesamtbreite der Werkbank gleichmäßiger geworden. Die folgenden Meßergebnisse bestätigen diese Aussage. Abbildung 69 zeigt die Strömung in der Meßebene, 575 mm hinter der Seitenscheibe. 46
  50. 50. 5 Messungen In der Ebene, 375 mm hinter der Scheibe, ergibt sich folgendes Bild (Abbildung 70). 4 7
  51. 51. 5 125 mm von der Seitenscheibe entfernt, sieht das Strömungsprofil wie folgt aus (Abbildung 71). 48
  52. 52. 5 Messungen Zwar ist die Strömung nach wie vor in der Mitte schwächer als am Rand, der Unterschied zwischen den Ebenen ist jedoch geringer geworden. mit eingesetzter Arbeitsplatte Arbeitsplatte Abbildung 72 Messung mit eingesetzter Arbeitsplatte
  53. 53. 5 Messungen Zum erstenmal erfolgt eine Messung mit Arbeitsplatte. Sie besteht aus einem Lochblech mit 8 mm Bohrungen. Folgende Abbildung 73 gibt noch einmal den Zustand in der Ebene, 125 mm hinter der Scheibe, wieder. Vergleicht man nun das Ergebnis aus Abbildung 74, in derselben Ebene gemessen, nur diesmal mit Arbeitsplatte, so stellt man fest, daß sie auf das Strömungsbild praktisch keinen Einfluß hat. 50
  54. 54. 5 Messungen Abbildung 74 ist nahezu identisch mit Abbildung 73. Dasselbe Resultat findet sich in den anderen Ebenen wieder. 51
  55. 55. 5 Messungen 5 3
  56. 56. 5 Messungen g) Arbeitsplatte, vorne und hinten je 100mm Öffnungsfläche Nach DIN ist eine Auffangwanne erforderlich, um verschüttete Substanzen aufzunehmen. Man könnte eine Wanne unter dem Lochblech unterbringen, was für die Reinigungsarbeiten unpraktisch wäre. Die andere Lösung ist die, daß die Arbeitsplatte selbst als Wanne dient. Das bedeutet, daß nicht mehr die gesamte Arbeitsplatte durchströmt werden kann, sondern nur noch im vorderen und im hinteren Bereich. Um diese Variante zu simulieren, wird die Arbeitsplatte so abgeklebt, daß nur noch je 100mm vorne und hinten als Absaugflächen vorhanden sind. Abbildung 79 Arbeitsplatte, abgeklebt Die folgenden Abbildungen stellen die Ergebnisse in den verschiedenen Ebenen dar: 54
  57. 57. 5 Messungen 55
  58. 58. 5 Messungen Aus allen drei Meßergebnissen wird sichtbar, daß die Strömung im oberen, relevanten Bereich ihre vertikale Ausrichtung beibehält. Erst kurz über der Arbeitsplatte teilt sie sich, fast genau in der Mitte, auf. Die Wanne kann also realisiert werden. h) Arbeitsplatte vorne 100mm, hinten 55mm offen; im hinteren Bereich dreilagiges Netz 20 —^ ___ y ------------------------- Netz drei 24 55mm breite 100mm breite Absaugfläche Absaugfläche Abbildung 83 Messung mit Arbeitsplatte Um die Arbeitsfläche zu vergrößern, wird im Rückwandbereich die Absaugfläche durch Abkleben auf 55 mm Breite verkleinert. Die Vektordarstellungen unter Punkt g) machen deutlich, daß die Strömung in Rückwandnähe stärker ist als die restliche Strömung. Daher wird, wie in Abbildung83 sichtbar ist, der hintere Netzbereich dreilagig ausgeführt. 56
  59. 59. 5 Messungen Abbildung 84 575mm hinter der Seitenscheibe Die Strömung wird nun in der Mitte dieser Meßebene deutlich stärker, im vorderen Bereich bleibt sie dagegen auf gleichem Niveau wie vorher. Da diese Maßnahme somit nicht den gewünschten Erfolg gebracht hat, wurden mit dieser Vorrichtung keine weiteren Messungen mehr durchgeführt. i) Trennblech höher angeordnet Um die Strömungsgeschwindigkeit im Eingriffsbereich zu erhöhen, wird das Trennblech höher angeordnet. Bisherige Messungen: hi = 35 mm h 2 = 80mm Nun ist das neue Trennblech auf h] = 70 mm nach oben verschoben worden. Damit ergibt sich ein neues h 2 von 45 mm. 57
  60. 60. 5 Messungen Trennblech Abbildung 85 Trennblech höher angeordnet In Abbildung 86, 575 mm hinter der Scheibe aufgenommen, ist sichtbar, daß sich die Geschwindig- keiten in Frontscheibennähe nun' vergrößert haben. Auch die Ebenen, 375 mm und 125mm hinter der Seitenscheibe, bestätigen die Auswirkung des neuen Trennbleches. 58
  61. 61. 5 Messungen 59
  62. 62. 5 Messungen j) Trennblech noch weiter angehoben Abbildung 89 Weitere Anhebung des Trennbleches Um noch größere Geschwindigkeiten im vorderen Bereich zu erhalten, beträgt nun hi 90mm und h 2 25 mm. Gemäß Abbildung 90 ist ein Einfluß dieser Änderung für die Ebene, 575 mm, kaum sichtbar. 60
  63. 63. 5 Messungen Das Anheben des Trennbleches macht sich lediglich dadurch bemerkbar, daß die Horizontal- komponenten stärker geworden sind. k) Umlenkblechvariante C Abbildung 91 Umlenkblechvariante C Das Trennblech noch weiter nach oben zu versetzen macht keinen Sinn, weil einerseits sonst durch die hintere Öffnung nicht mehr genügend Luft abgesaugt wird, andererseits im vorderen Absaugbereich keine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird. Die bessere Maßnahme scheint zu sein, neue Umlenkbleche herzustellen. In diesem Fall wurde das obere Umlenkblech nach unten versetzt, um den Volumendurchsatz durch den oberen Öffnungsquerschnitt zu vergrößern. Das hat eine höhere Geschwindigkeit in Frontscheibennähe zur Folge. Bestätigt wird dies durch die folgenden Abbildungen. 61
  64. 64. 5 Messungen 62
  65. 65. 5 Messungen -100 0 100 200 300 [mm| Abbildung 94 125 mm hinter der Seitenscheibe 1) Trennblech wieder gesenkt Das Trennblech wird nun wieder auf die Optimalwerte hi = 70mm und h 2 = 45 mm zurückgesetzt. Damit stellt sich an der Rückwand wieder eine höhere Strömungsgeschwindigkeit ein, was sich in Abbildung 95 in einer Zunahme der Horizontalkomponenten, kurz über der Arbeitsplatte, zeigt. 63
  66. 66. 5 Messungen Die Strömung im oberen, relevanten Bereich hat sich fast überhaupt nicht verändert. Daraus läßt sich schließen, daß die Absaugung auf eine stabile Strömung im oberen Bereich keinen Einfluß hat. Das bedeutet, daß die Strömung in diesem Bereich nur noch durch Maßnahmen der Zuströmung zu verbessern ist. Damit konzentriert sich die weitere Arbeit vorrangig auf die Meßebene (ca. 50 mm über der Unterkante der Arbeitsöffnung, parallel zur Arbeitsfläche). In den Meßprotokollen entspricht diese etwa der Horizontalen bei y = 200 mm. Dadurch, daß das obere Umlenkblech etwas tiefer angeordnet ist, ist der Öffnungsquerschnitt zwischen den beiden Blechen kleiner geworden und damit der Luftdurchsatz geringer. Aufgrund dessen sind die Geschwindigkeiten zwischen den Blechen kleiner. 64
  67. 67. 5 Messungen m) Umlenkblechvariante D 25 Abbildung 96 Umlenkblechvariante D Mit der neuen Variante soll das eben angesprochene Problem dadurch behoben werden, daß das obere Blech 5 mm nach oben gesetzt wird. Aufgrund der damit verbundenen Querschnitts- erweiterung wird mehr Volumenstrom durchgesetzt, was zu einer Zunahme der Geschwindigkeit führt. Abbildung 97 veranschaulicht den Effekt. Die Geschwindigkeiten zwischen 200mm und 250mm auf der Ordinate sind gleichmäßiger geworden.
  68. 68. 65
  69. 69. 5 Messungen Das gleiche spiegelt sich in Abbildung 98 und Abbildung 99 wider. 6 6
  70. 70. 5 Messungen n) Einbau eines Leitbleches Die Frontscheibe besteht aus einem Viertelkreis. Im geöffneten Zustand ist dieser Kreisausschnitt um 20° aus seiner Ursprungslage gedreht. Die Luft wird durch die gekrümmte Scheibe geführt und strömt dann tangential ab. Dies zieht eine leichte Auswärtsströmung nach sich. Die Absaugung kompensiert den Effekt etwas, aber ein Teil der Luft gelangt trotzdem nach draußen. Abbildung 100 Frontscheibe 67
  71. 71. 5 Messungen Um eine nach außen gerichtete Strömung zu verhindern, wird ein Leitblech, zunächst aus Pappe, geformt. Abbildung 101 Leitblech Abbildung 102 veranschaulicht die Auswirkung. Die Vertikalkomponenten bei 400 mm auf der Abszisse sind stärker ausgeprägt. Die Strömung verläuft steiler. 68
  72. 72. 5 Messungen Das Leitblech wird ohne weitere Optimierungsmaßnahme bis zur letzten Messung in dieser Form beibehalten. Die Meßreihe mit Umlenkblechen läßt erkennen, daß die Geschwindigkeitsangleichung in der relevanten Ebene auf diese Weise durchaus realisierbar ist. Die Ergebnisse bringen aber auch zum Ausdruck, daß die Strömung sehr empfindlich auf kleinste Veränderungen reagiert. Das Verschieben der Bleche um wenige Millimeter erzeugt ein völlig anderes Strömungsprofil. Ebenso verändert ein anders geformtes Blech die Geschwindigkeitsverhält- nisse. Damit stellt die Reproduzierbarkeit der Blechform und -einstellung ein gewisses Problem dar. Jede Werkbank müßte jeweils optimal eingestellt werden, was bei einer Serienfertigung aus Kostengründen schwer realisierbar ist. Daher wird nun die dritte Variante, die in Kapitel 5.2 angesprochen wurde, erprobt. 5.6 Versuchsreihe ohne Umlenkbleche - Erzeugen eines Stauraumes a) Einlagig, an Frontscheibe 5 mm Abstand Der Stauraum wird mit Hilfe eines Turbulenzsiebes erzeugt. Das Sieb besitzt eine Maschenweite von 0,5 mm. Folgende Abbildung zeigt die Anordnung: Abbildung 103 Anordnung mit Turbulenzgitter Das Turbulenzgitter ist mittels Aluwinkelprofilen an den Seitenscheiben befestigt. Infolge der Elastizität der Plexiglasscheiberi läßt sich bei dieser Art der Befestigung das Turbulenzsieb leider nicht ausreichend spannen, was, wie sich später herausstellt, jedoch unbedingt erforderlich ist.. Später soll ein selbsttragender Rahmen eingebaut werden, was auch für Reinigungsarbeiten sehr wichtig ist. Die folgenden drei Abbildungen verdeutlichen die Wirkung des Stauraumes. 69
  73. 73. 5 Messungen 70
  74. 74. 5 Messungen Es ist eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Strömungsverteilung eingetreten. Im Bereich 200mm auf der Ordinate und 200 mm bis 300 mm auf der Abszisse sind die Geschwindigkeiten noch zu hoch. Dies wird vor allem in Abbildung 106 deutlich. b) zweite Lage Gitter: 80mm breiter Streifen, 250mm von der Rückwand entfernt Abbildung 107 Zweite Lage (rot eingezeichnet) 71
  75. 75. 5 Messungen Die zweite Lage im vorderen Bereich erhöht den Widerstand, was durch die drei folgenden Meßergebnisse bestätigt wird. -100 0 100 200 300 400 [mm] 500 Abbildung 108 575 mm hinter der Seitenscheibe 72
  76. 76. 5 Messungen 73
  77. 77. 5 Messungen In dem unter Punkt a) erwähnten Bereich sind die Geschwindigkeiten nicht kleiner geworden, während sie im Bereich > 200mm auf der Ordinate und > 300mm auf der Abszisse sehr stark gesunken sind. c) Meßreihe in der Ebene, 50mm über der Arbeitsöffnung, parallel zur Arbeitsfläche; ohne zweite Lage Da die Strömung nach den vorgestellten Meßergebnissen offensichtlich homogener geworden ist, lohnt es sich nun, Messungen in der Ebene, 50mm über der Arbeitsöffnung, vorzunehmen, die vom TÜV als Meßebene zugrundegelegt wird. Der TÜV prüft nach folgendem Raster (DIN 12980-10): Die Meßpunkte liegen auf einem Meßgitter, je 5 cm vom Rand der Arbeitsfläche entfernt und dann alle 10cm. Um einen besseren Überblick über die Strömungsverhältnisse in dieser Ebene zu erhalten, sind in den folgenden Meßreihen die Punkte dichter gelegt. Die Meßebenen befinden sich parallel zur Seitenscheibe. Alle 10cm erfolgt eine Messung mit jeweils 15 Punkten von der Rückwand zur Frontscheibe, in der Ebene, 50mm über der Eingriffsöffnung, und zwar im Abstand von 25 mm. Abbildung 112 zeigt die Meßebenen. Abbildung 112 Meßebenen 74
  78. 78. 5 Messungen Da die Bank symmetrisch konstruiert ist, genügt es, von einer Seite aus zu messen. Die Forderung nach maximal 20% Abweichung vom Mittelwert ist in den vorliegenden Ergebnissen noch nicht erreicht. 75
  79. 79. 5 Messungen [iiiiii] Abbildung 115 475mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 116 375mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 117 275mm hinter der Seitenscheibe 76
  80. 80. 5 Messungen Abbildung 118 175 mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 119 75 mm hinter der Seitenscheibe d) Meßreihe in der Ebene, 50mm über der Arbeitsöffnung; Fliegennetz am Düsenaustritt durch Turbulenzsieb ersetzt Um bereits an der Düsenöffnung eine stärkere Homogenisierung der Strömung zu erzielen, wird das Fliegennetz auch hier durch ein Turbulenzsieb ausgetauscht. Die Meßergebnisse zeigen eine noch günstigere Geschwindigkeitsverteilung als vorher. 77
  81. 81. 5 78
  82. 82. 79
  83. 83. 5 Messungen Abbildung 126 75mm hinter der Seitenscheibe Die Abweichungen der Geschwindigkeiten vom Mittelwert sind allerdings auch hier immer noch größer als 20%, aber bereits wesentlich kleiner als in der Meßreihe davor. e) Meßreihe 50mm über der Arbeitsöffnung; doppeltes Turbulenzgitter; beide Lagen an der Frontscheibe anliegend Das Sieb, das in einem Abstand 340mm parallel zur Arbeitsfläche angebracht ist, wird nun mit einer zweiten Lage versehen. Der Widerstand nimmt zu und damit auch die Aufstauwirkung. Der Turbulenzgrad sinkt, die Strömung wird gleichmäßiger verteilt, was sich in den folgenden Abbildungen widerspiegelt. Abbildung 127 675mm hinter der Seitenscheibe 80
  84. 84. 5 Messungen Abbildung 128 575mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 129 475mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 130 37'5 mm hinter der Seitenscheibe
  85. 85. 5 Messungen [min] Abbildung 131 275mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 132 175mm hinter der Seitenscheibe 82 Abbildung 133 75mm hinter der Seitenscheibe
  86. 86. 5 Messungen Damit auch der gesamte Strömungszustand je Ebene erkennbar wird, zeigen die nächsten Abbildungen wieder die Ergebnisse von 94 Meßpunkten an drei verschiedenen Positionen über der Werkbankbreite. 83
  87. 87. 5 Messungen 84
  88. 88. 5 Messungen In allen drei Darstellungen kommt die Stauwirkung deutlich zum Ausdruck. Die Strömungsprofile in den verschiedenen Ebenen sind fast identisch. Damit ist das Ziel, eine turbulenzarme Strömung zu erzeugen, erreicht. Nicht erreicht ist dagegen die Forderung der Maximalabweichung der Strömungsgeschwindigkeit um ± 20% vom Mittelwert. f) Gitter in der Mitte abgestützt Die noch vorhandene ungleiche Verteilung der Geschwindigkeit läßt sich zum einen darauf zurückführen, daß das Gitter nicht optimal gespannt ist. Das Turbulenzsieb stellt keine ebene Abströmfläche dar. Die Luft strömt weitgehend normal zu dessen Oberfläche ab. Abbildung 137 Unebene Abströmfläche 85
  89. 89. 5 Messungen Ungünstig wirkt sich auch aus, daß die zweite Lage lediglich lose auf der ersten Lage aufliegt und überhaupt nicht gespannt ist. Dadurch ist die Oberfläche noch welliger und es entstehen Bereiche, in denen sich die beiden Gitter überhaupt nicht berühren. -Lage 2 „Lage 1 Abbildung 138 Zweitägiges Gitter Um nun die Spannung des Turbulenzsiebes etwas zu erhöhen, ist eine Stütze in die Mitte der Werkbank eingebaut worden. Die Fläche ist zwar damit immer noch nicht eben, aber man kann an den folgenden Ergebnissen erkennen, daß ein geringfügiges Anheben des Gitters in der Mitte eine nicht zu vernachlässigende Änderung zur Folge hat. Abbildung 139 675mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 140 575mm hinter der Seitenscheibe 86
  90. 90. 5 Messungen Abbildung 141 475mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 142 375mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 143 275mm hinter der Seitenscheibe 87
  91. 91. 5 Messungen [mm] Abbildung 144 175 mm hinter der Seitenscheibe Abbildung 145 75mm hinter der Seitenscheibe 5.7 Ermittlung der mittleren Lufteintrittsgeschwindigkeit durch die Arbeitsöffnung In der DEM 12980 ist gefordert, daß die Lufteintrittsgeschwindigkeit mindestens so hoch sein muß wie die mittlere Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Werkbank, diese aber um höchstens 20% überschreiten darf. Die Lufteintrittsgeschwindigkeit gibt einen Hinweis auf die Stabilität des Luftvorhanges im Bereich der Arbeitsöffnung. Um diese Geschwindigkeit zu ermitteln, wird die Geschwindigkeit im Abluftkanal mit Hilfe des Hitzkugelanemometers Testo 491 gemessen. Aufgrund des Massenerhaltungssatzes muß der Abluft- volumenstrom gleich dem Zuluftvolumenstrom sein. Kennt man die Geschwindigkeit und die durchströmte Fläche des Abluftkanals, läßt sich die Lufteintrittsgeschwindigkeit auf die Fläche der Arbeitsöffnung umrechnen. Im Abluftkanal sind zwei um 90° zueinander versetzte Öffnungen angebracht, um die Geschwindigkeit zu messen. TWr
  92. 92. 5 Messungen Abbildung 146 Meßraster Pro Bohrung erfolgen fünf Messungen. Das Raster sieht wie folgt aus: Die über fünf Ebenen, in vertikaler Richtung gemittelte Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich zu 9,9m/s und die Mittelung in der horizontalen Ebene zu 9,4m/s. Der sich aus diesen beiden Mittelungen ergebende Mittelwert liegt bei 9,6 m/s. Die Messungen zeigen, daß die Rohrströmung sehr stark turbulent und asymmetrisch verläuft. Daß auch theoretisch eine turbulente Rohrströmung vorliegen muß, zeigt die Ermittlung der Reynoldszahl. Die aus theoretischer Sicht bereits vorliegende Turbulenz wird durch das wellige Rohr zusätzlich noch verstärkt. Überdies ist der Druckstutzen am Ventilator für die Strömung im Abluftkanal außerordentlich ungünstig gestaltet. Aufgrund der Bedingung, alle Bauteile in der Werkbank unterzubringen, ist der Stutzen den Platzverhältnissen angepaßt. Das hat zur Folge, daß die Abluft durch einen sehr engen 90°-Krümmer nach außen abgeführt werden muß, was ein zusätzlicher Widerstand für die Strömung bedeutet. Dieser Widerstand ist größer als der in der Umluftleitung, die ohne zusätzlichen Krümmer ausgeführt ist. Aufgrund dieser unterschiedlich großen Widerstände wird sich der Volumenstrom wahrscheinlich nicht im Verhältnis 70:30 aufteilen. Die Flächenaufteilung des Druckstutzens wurde unter der Annahme gleicher Widerstände vorgenommen. Der Abluftvolumenstrom ist demnach zu gering, was sich in einer zu geringen Lufteintrittsgeschwindigkeit durch die Arbeitsöffnung äußert. Die Lufteintrittsgeschwindigkeit berechnet sich aus dem Verhältnis der Fläche des Abluftkanals zur Fläche der Arbeitsöffnung und der Geschwindigkeit im Abluftkanal. 89
  93. 93. 5 Messungen Da die mittlere Geschwindigkeit in der Werkbank bei mindestens 0,4-^ liegt, ist die Lufteintritts- Da nach der Kontinuitätsgleichung der Abluftvolumenstrom gleich dem Zuluftvolumenstrom sein muß, gilt: Daraus berechnet sich die Lufteintrittsgeschwindigkeit Cgum-itt zu geschwindigkeit zu gering. Das bedeutet für den Luftvorhang, daß er zu schwach ausgebildet ist. Um dieses Problem zu beheben, muß der Abluftkanal im Durchmesser größer ausgelegt sein. Damit vergrößert sich der Abluftvolumenstrom und mit ihm der Zuluftvolumenstrom, was zu einer höheren Lufteintrittsgeschwindigkeit führt. 5.8 Schlußfolgerung aus den Messungen Die Meßergebnisse zeigen eindeutig, daß man sowohl mit Hilfe der Umlenkbleche (plus Netz) als auch mit einem Turbulenzgitter zum Ziel kommt. Letztere Lösung ist hierbei allerdings kostengünstiger und wesentlich einfacher, weil keine Einstellarbeiten notwendig sind. Die Werkbank, die nun auf den Ergebnissen dieser Diplomarbeit aufbaut, wird mit einem Turbulenzsieb mit einer Maschenweite von wahrscheinlich 0,1mm -r 0,3 mm ausgestattet. Das Gitter wird in einem selbsttragenden Rahmen so gespannt, daß sich eine planparallele Fläche ergibt. An dieser Bank wird dann voraussichtlich auch die Endabnahme durch den TÜV erfolgen. Zur Erhöhung des Zuluftvolumenstroms wird der Druckstutzen derart verändert, daß die Abluftleitung im Durchmesser größer wird. Überdies ist zur Erhöhung der Lufteintrittsgeschwindigkeit die Arbeitsplatte neu zu gestalten. Durch Änderung der Absaugöffnung im vorderen Bereich der Arbeitsplatte kann zudem die Eintrittsgeschwindigkeit erhöht werden, was eine Stabilisierung des Luftvorhanges zur Folge hat. Im Rahmen dieser Diplomarbeit können solche Änderungen aus Zeitgründen nicht mehr vor- genommen werden. Die Hauptaufgabe bestand darin, eine möglichst turbulenzarme Strömung zu realisieren, was auch zufriedenstellend gelungen ist. >.9 Voruntersuchung der Werkbank durch den TÜV-Nord Am 25. Juli'97 erfolgte eine Vorabnahme durch den TÜV-Nord. Zunächst wurde die Geschwindigkeitsverteilung mit Hilfe eines Hitzdrahtanemometers von der Firma Schiltknecht gemessen. Die Meßebene lag dabei 50mm über der Arbeitsöffnung, wie in DIN 12980 vorgeschrieben. Die einzelnen Meßpunkte befanden sich auf einem Raster, das in Kapitel 5.6 c) aufgeführt ist. Dabei ergaben sich 36 Punkte. 90
  94. 94. 5 Messungen Abbildung 147 Hitzdrahtanemometer der Fa. Schiltknecht Der TÜV-Prüfer erhielt folgende Ergebnisse: mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 0,41m/s maximale Geschwindigkeit: 0,62m/s => Abweichung +51% minimale Geschwindigkeit: 0,33m/s => Abweichung -19,5% Unmittelbar nach dieser Messung startete Prof. Dr.-Ing. Ch. Simon ebenfalls eine Messung. Er verwendete ein Hitzkugelanemometer (Testo491). Die dabei gewonnenen Ergebnisse weichen erheblich von denen des TÜV-Prüfers ab. 91
  95. 95. 5 Messungen Abbildung 148 Hitzkugelanemometer Testo 491 Das Testo 491 - Gerät lieferte folgende Ergebnisse: mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 0,46m/s maximale Geschwindigkeit: 0,60m/s => Abweichung +30,4% minimale Geschwindigkeit: 0,38m/s => Abweichung - 17,4% Das Hitzkugelanemometer ist ein über einen weiten Bereich richtungsunabhängiges Meßgerät, wie es in der DIN-Norm gefordert ist. Das Gerät, welches der TÜV-Prüfer verwendete, ist ein richtungsabhängiges Meßgerät. Die Abweichungen der beiden Meßreihen basieren nicht allein auf der Tatsache, daß die geometrische Lage der Meßpunkte in beiden Messungen nicht völlig identisch war. Hier kommt sicher auch die Genauigkeit beider Meßverfahren zum tragen. Eine absolut korrekte Messung der Geschwindigkeit ist ohnehin nur mit Hilfe des LDA möglich. Wie auch immer diese Prüfung zu bewerten ist (51% * 30,4%), hat sich herausgestellt, daß die Werkbank in jedem Fall in der Lage sein wird, die 20%-Grenze einzuhalten. Dazu sind die Maßnahmen zu ergreifen, die in Kapitel 5.8 angesprochen wurden. 92
  96. 96. 5 Messungen Nach der Geschwindigkeitsmessung wurde der sogenannte KI-Diskus-Test durchgeführt, um die Stabilität des Luftvorhangs an der Eintrittsöffnung zu überprüfen. In England ist dieser Test bereits Standard, während es in Deutschland noch keine entsprechenden Teststandards gibt. KI steht für Kaliumiodid. Der KI-Diskus-Test ermittelt die Substanzmenge, die aus dem Inneren der Bank unter Überwindung des Luftvorhanges nach außen in Richtung auf die zubereitende Person gelangt. [9] Es folgt nun eine kurze Beschreibung des Tests, ohne auf Einzelheiten einzugehen: In der Werkbank befindet sich eine mit hoher Drehzahl rotierende Scheibe. Sie hält zur Arbeitsöffnung einen bestimmten Abstand. Während des gesamten Tests wird ein simulierter Arm in Form eines Rohres mit 62mm Außendurchmessers horizontal in die Bank gehalten. Auf die drehende Scheibe tropft Kaliumiodid-Lösung , die nach außen geschleudert wird. Vor der Werkbank befinden sich pro Meßdurchgang vier kleine Aufnahmeplättchen. Diese werden nach der Messung in eine bestimmte Lösung getaucht, die die Kaliumiodid-Partikel braun erscheinen läßt. Die als winzige Punkte sichtbaren Partikel werden ausgezählt. Sie dürfen die Anzahl von 62 pro Plättchen nicht überschreiten. Abbildung 149 zeigt die komplette Versuchsanordnung des KI-Diskus-Tests. Abbildung 149 Versuchsanordnung des KI-Diskus-Tests Die Werkbank der Firma MRD hat den Test in dieser Phase noch nicht bestanden. Es wurden mehr Partikel herausgeschleudert als erlaubt. Allerdings kann dieses Problem mit den in Kapitel 5.8 aufgeführten Verbesserungen behoben werden. Schließlich hat der TÜV-Prüfer mittels eines beeindruckenden Rauchversuchs festgestellt, daß in der Werkbank eine sehr turbulenzarme Strömung vorliegt. 93
  97. 97. 5 Messungen Abbildung 150 Rauchversuch Abbildung 151 Rauchversuch an der Eintrittsöffnung
  98. 98. 6 Literaturverzeichnis 6 Literaturverzeichnis [I] G. Keune Untersuchungen zu einer neuen Zytostatika-Sicherheits-Werkbank mit erstem Konstruktions- entwurf Diplomarbeit, Fachhochschule Gießen-Friedberg, Bereich Gießen Mai 1996 [2] Brockhaus Enzyklopädie 19. Auflage, 1994 [3] DIN 12950-10 Laboreinrichtungen Sicherheitswerkbänke für mikrobiologische und biotechnologische Arbeiten Anforderungen, Prüfen [4] DIN 12980 Laboreinrichtungen Zytostatika- Werkbänke Anforderungen, Prüfen [5] H. Vaitiekunas, L. Baumann, S. Donislawski, I. Krämer, H. Paul Krankenhauspharmazie 15. Jahrgang Nr.2, 1994 [6] Prof. Dr.-Ing. Ch. Simon Vorlesungsmanuskript „Strömungslehre Iquot; Fachhochschule Trier [7] Dr.-Ing. B. Ruck Laser-Doppler-Anemometrie Eine berührungslose optische Strömungsgeschwindigkeitsmeßtechnik AT-Fachverlag GmbH, Stuttgart, 1987 [8] E. Hering, R. Martin, M. Stohrer Physik für Ingenieure VDI-Verlag, 1992 [9] S. Konder, T. Unbehaun Deutsche Apothekerzeitung 133. Jahrgang, Nr.44, April 1993 [10] Abbildung aus Katalog Gebhardt Hochleistungs-Radialventilatoren silentovenf Ausgabe 4, 1996 [II] Abbildung aus Prospekt DANTEC Flow measurements with higher efficiency PublicationNo.: 193-107-01 95

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