Patente und Diplomarbeiten Medentic.de

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 4 Laser-Doppler-Anemometne
27

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

50. 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

51. 5 Messungen
In der Ebene, 375 mm hinter der Scheibe, ergibt sich folgendes Bild (Abbildung 70).
4
7

52. 5
125 mm von der Seitenscheibe entfernt, sieht das Strömungsprofil wie folgt aus (Abbildung 71).
48

53. 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

54. 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

55. 5 Messungen
Abbildung 74 ist nahezu identisch mit Abbildung 73. Dasselbe Resultat findet sich in den anderen
Ebenen wieder.
51

57. 5 Messungen
5
3

58. 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

59. 5 Messungen
55

60. 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

61. 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

62. 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

63. 5 Messungen
59

64. 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

65. 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

66. 5 Messungen
62

67. 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

68. 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

69. 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.

70. 65

71. 5 Messungen
Das gleiche spiegelt sich in Abbildung 98 und Abbildung 99 wider.
6
6

72. 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

73. 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

74. 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

75. 5 Messungen
70

76. 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

77. 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

78. 5 Messungen
73

79. 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

80. 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

81. 5 Messungen
[iiiiii]
Abbildung 115 475mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 116 375mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 117 275mm hinter der Seitenscheibe
76

82. 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

83. 5
78

84. 79

85. 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

86. 5 Messungen
Abbildung 128 575mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 129 475mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 130 37'5 mm hinter der Seitenscheibe

87. 5 Messungen
[min]
Abbildung 131 275mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 132 175mm hinter der Seitenscheibe
82
Abbildung 133 75mm hinter der Seitenscheibe

88. 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

89. 5 Messungen
84

90. 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

91. 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

92. 5 Messungen
Abbildung 141 475mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 142 375mm hinter der Seitenscheibe
Abbildung 143 275mm hinter der Seitenscheibe
87

93. 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

94. 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

95. 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

96. 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

97. 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

98. 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

99. 5 Messungen
Abbildung 150 Rauchversuch
Abbildung 151 Rauchversuch an der Eintrittsöffnung

100. 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