Strömungssensoren Energieeffiziente Strömungssensoren verbessern die Luftaufbereitung in Reinräumen

Die Produkt- und Prozesssicherheit in Reinräumen wird in der Regel über die Aufrechterhaltung definierter Überdrücke gewährleistet. Ergänzt man die dafür notwendige Druckmessung durch einen Strömungssensor, kann durch kontrollierte Luftmengenanpassung die Energieeffizienz zum Betrieb von Reinräumen erheblich verbessert werden.

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Aerzener Maschinenfabrik GmbH

Hirschmann Laborgeräte GmbH & Co. KG

Dec Deutschland GmbH

SCHMIDT Technology GmbH

In Reinräumen wird häufig das Druckdifferenzkonzept mit geregeltem Überdruck angewandt. Dabei werden die Durchbruchflächen gering gehalten und die notwendige Drucküberhöhung lässt sich mit weniger Volumenstrom bei großer Druckdifferenz bewerkstelligen. Die vorgeschriebenen Drucküberhöhungen liegen im Bereich zwischen 5 und 20 Pascal, was letztlich auf die mit Differenzdrucksensoren sicher messbaren Drücke zurückzuführen ist.

Aus Sicherheitsgründen werden in der Praxis meist mittlere bis höhere Raumluftdrücke verwendet. In pharmazeutischen Reinräumen liegen diese oft zwischen 15 und 30 Pascal. Die dafür benötigten Luftmengen, um den Raumdruck zu regeln, machen einen erheblichen Anteil der Energiebilanz einer raumlufttechnischen Anlage zur Versorgung von Reinräumen aus.

Wo liegt das Einsparpotenzial für elektrische Energie?

In der Anpassung der Luftmengen an den Bedarf liegt das größte Energie-Einsparpotenzial. Verringert man die geförderte Luftmenge um 50 Prozent, reduziert sich die Druckerhöhung im System um 25 Prozent (75 Prozent weniger Druckerhöhung als bei 100 Prozent Luftmenge), was einer stark reduzierten elektrischen Leistungsaufnahme von 12,5 Prozent entspricht. Das bedeutet, die benötigte elektrische Energie verringert sich exponentiell auf nur mehr 1/8. Dieser ideale physikalische Zusammenhang lässt sich in Reinraumanwendungen leider nur zum Teil nutzen, führt aber dennoch zu hohen Energieeinsparungen. Das erfordert beispielsweise, den Raumluftüberdruck möglichst nahe an die Minimalanforderungen der Norm herunter zu fahren und mit möglichst wenig Zuluft, sprich Ventilatorleistung der RLT-Anlage, fein geregelt stabil zu halten. Hier bieten sich vor allem die Ruhezeiten, etwa über Nacht oder Wochenenden an. Aber auch während Betriebszeiten sind Reduzierungen der vorherrschenden Drücke machbar. Die Funktionssicherheit des Reinraumes, sprich die Aufrechterhaltung einer stabilen Situation, sowie die notwendigen Laminarströmungen müssen jedoch gewährleistet bleiben. Das Verfahren muss der Norm entsprechen, und es müssen eindeutige Messwerte sowie eine Dokumentation dieser Werte gegeben sein. Allein mit Differenzdrucksensoren, nach heutigem Stand der Technik, ist dies jedoch problematisch.

Strömungsmessung bietet zusätzliche Sicherheit

Eine ergänzend installierte Strömungsmessung, in einer geeigneten Wandöffnung von etwa 50 Millimeter Durchmesser, bietet hier die Möglichkeit, eine so genannte Überströmung, also die aus dem Reinraum aufgrund des darin vorherrschenden Überdrucks ausströmende Luft, sehr genau zu messen. Um die Auswirkungen des Raumdrucks zur Überströmgeschwindigkeit zu bewerten, kann das Ausflussgesetz von Torricelli angewandt werden.

Der Messbereich des Strömungssensors SS 20.400 von Schmidt Technology beginnt bereits bei Strömungsgeschwindigkeiten (WN) von 0,05 m/s. Dies liegt weit unter einem Differenzdruck von 0,01 Pa und damit den Möglichkeiten eines Differenzdrucksensors. Folglich weist ein Strömungssensor, in einer Überströmungsöffnung in der Wand eines Reinraums, sogar noch bei sehr kleinem Differenzdruck eine Überströmung sicher nach. So entstehen ausreichend Reserven, die Differenzdrücke in Reinräumen nahe den Minimalanforderungen der Norm zu halten und damit die Zuführung von Luft erheblich zu reduzieren.

Bidirektionale Strömungsmessung schützt vor Überströmungen

Selbst bei Druckabfällen, wie sie in Reinraumbereichen immer wieder stattfinden und bei denen über den Drucksensor keine Aussage über die Schutzfunktion und eine mögliche Luft tragende Kontamination getroffen werden kann, ist nachweisbar, ob dennoch eine Überströmung stattfindet. Demzufolge liegen die Vorteile einer zusätzlich installierten Strömungsmessung nicht nur in einer erheblich verbesserten Energieeffizienz im Rahmen der Luftaufbereitung, sondern auch in zusätzlicher Sicherheit für das Produkt bzw. die Menschen. Auch wenn ein Drucksensor keinen Druck anzeigen sollte, ist die Fließrichtung der Reinraumluft entscheidend. Fließt diese vom reinen in den unreinen Bereich, ist die Funktion des Reinraums gewährleistet und die Produktsicherheit gegeben. Mit solch zuverlässigen Messwerten lässt sich manch produzierte Charge trotz Alarmmeldung des Drucksensors freigeben.

Zu dieser Sicherheit tragen maßgeblich die SS 20.400 Strömungssensoren von Schmidt Technology bei. Sie sind in der Lage, die Strömungsrichtungen bidirektional zu messen, also auch eine eventuelle Rückströmung zu bestimmen. Basis ist ein Thermopile (Thermosäule)-Sensor, der über ein beheizbares Halbleiterelement die Abkühlung, die durch eine Luftströmung induziert wird, erkennt.

Generell bieten diese Sensoren die Vorteile, dass schon minimalste Strömungsgeschwindigkeiten messbar sind, dass sie keine bewegten Teile haben und folglich keine Abnutzung entsteht, und dass sie an der Messstelle einen sehr geringen Strömungswiderstand bzw. einen geringen Druckabfall erzeugen. Darüber hinaus bieten die Strömungssensoren SS 20.400 noch den Vorteil, durch eine Parallelschaltung zweier solcher Halbleiterelemente und aus der Information, welches der beiden das wärmere ist, die Richtung der Strömung zuverlässig zu identifizieren. Zum Schutz gegen mechanische Belastung wurde das Sensorelement in eine Messkammer eingebaut, und die Auswerteelektronik ist im Fühlerrohr bereits integriert. Ein externer Messumformer ist also nicht erforderlich, was die Installation entsprechend erleichtert.

Anwender berechnet Wirtschaftlichkeit

Den Beweis für die Funktionssicherheit und die Potenziale im Hinblick auf die Energieeinsparungen lieferten Berechnungen von Al-ko Therm. Hierfür wurde eine typische Reinraumkonstallation aus Sicht der RLT-Anlage mit einer Luftmenge von 30000 m³/h, mit immerhin 20000 m³/h Umluft und einem Außenluftbedarf von lediglich 10000 m³/h betrachtet. Die Leistungsaufnahme des Zuluftventilators liegt bei 20,8 kW und die des Abluftventilators bei 15,5 kW. In diesem Fall macht der Energieverbrauch der Ventilatoren 57 Prozent des gesamten Energieverbrauchs aus.

Mehr als die Hälfte der Energie wird allein für die Luftförderung benötigt. Schon aus der Reduzierung der Luftleistung in Schwachlast-, sprich Ruhezeiten, ergeben sich enorme Summen. In der auf praktischen Erfahrungen beruhenden Berechnung von Al-ko Therm könnte allein in diesen Zeiten die erforderliche Luftmenge auf 20000 m³, mit 15000 m³ Umluft und 5000 m³ Zuluft herunter gefahren werden. Im Ergebnis läge nun die Leistungsaufnahme des Zuluftventilators bei 12,2 kW und die des Abluftventilators bei 8,2 kW.

Energiekosten nach fünf Jahren halbiert

Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung nach DIN V 18599-3 und VDI 2067-1 ergibt über einen Zeitraum von fünf Jahren nahezu eine Halbierung der Energiekosten. Nachvollziehbar ist auch, dass die Installation von Messeinrichtungen für Luftvolumenstrommessungen (Luftdurchtrittsgeschwindigkeit) einen sehr geringen Mehraufwand in der Investition nach sich zieht, jedoch durch die mögliche Reduzierung der geförderten Luftmenge erheblich Stromkosten einspart. Weitere Einsparmöglichkeiten durch Druckreduzierungen während der Betriebszeiten sind hier noch nicht berücksichtigt.

Auch bei der Betrachtung von kaskadierten Reinräumen, in denen üblicherweise deutlich größere Raumüberdrücke vorherrschen, lassen sich noch weit größere Einsparungen vermuten.

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