DE10139542A1

DE10139542A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Umwandlung einer Drallströmung an Luftauslässen mit Drallverteilern während der Volumenstrommessung mit Messtrichtern

Info

Publication number: DE10139542A1
Application number: DE2001139542
Authority: DE
Inventors: Udo Moschberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2021-08-11
Also published as: DE10139542B4

Abstract

Verfahren sowie Vorrichtung zur Umwandlung einer Drallströmung an Luftauslässen mit Drallverteilern während der Volumenstrommessung mit Messtrichtern. DOLLAR A In der Klima- und Raumlufttechnik wird Zuluft über verschiedenartige Luftauslässe in den Raum eingeblasen. Die Messung des austretenden Luftvolumenstroms kann auf einfache Weise mit dem Messtrichterverfahren erfolgen. Dazu bietet der Markt verschiedene Volumenstrommesshauben (1), die eine Messgenauigkeit < 5% aufweisen. DOLLAR A Eine spezielle Form der Luftauslässe, die aufgrund ihrer hohen Induktionswirkung sehr oft eingesetzt wird, ist der Luftauslass (6) mit Drallverteiler (5). Die hier erzeugte Drallströmung verursacht bei der Messung mit dem Messtrichterverfahren Messfehler bis zu 30%. Korrekturfaktoren sowie Verfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit gibt es nach dem heutigen Stand der Technik nicht. DOLLAR A Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unterhalb des Drallverteilers (5) direkt an die Luftleitelemente (11) anliegend eine Lamellengitterkonstruktion (10) (Drall-Turbulenz-Wandler) für die Dauer der Messung angeordnet, die unter geringst möglichem Druckverlust die Entstehung eines Dralls verhindert. Anordnung, Höhe und Dicke der Gitterlamellen (13) müssen zu diesem Zweck in engen Grenzen gehalten werden.

Description

In der Lüftungstechnik wird aufbereitete Luft über Zuluftauslässe in den Raum eingeleitet und über Abluftdurchlässe aus dem Raum abgeführt. Solche Luftdurchlässe werden in verschiedenen Formen ausgeführt. Neben konventionellen Ausführungen wie Lochgitter-, Steggitter-, Gitterband-, Düsen- und Schlitzauslässen kommen Zuluftauslässe mit Drallverteilern (Drallauslässe) zum Einsatz.
Während bei den konventionellen Auslässen die Luft in annähernd parallelen Stromlinien ausströmt, wird bei den Drallauslässen eine Drallströmung erzeugt Fig. 2. Diese sorgt für einen schnellen Temperatur- und Geschwindigkeitsabbau durch effektive Induktionsluftbeimischung. Aus diesem Grund werden die Drallauslässe sowohl im Komfort- als auch im Industriebereich vielfach eingesetzt. In turbulent belüfteten Reinräumen (Pharmazie, Chemie, Halbleiterproduktion, Feinmechanik) werden nahezu ausschließlich Drallauslässe mit integrierten endständigen Schwebstofffiltern eingesetzt. Speziell in der Reinraumtechnik müssen diese in regelmäßigen Abständen requalifiziert werden. Dabei müssen auch die Luftvolumenströme an den einzelnen Drallauslässen gemessen werden.
In /1/ wird zur Volumenstrommessung an Luftdurchlässen das Messtrichter-Verfahren beschrieben. Wortlaut: "Auf den Luftdurchlaß wird ein Messtrichter gesetzt, eventuell mit Gleichrichter (Bild 1.6.5-18 und Bild 1.6.5-19). Die Luftgeschwindigkeit wird an der engsten Stelle gemessen. Gute Ergebnisse, wenn der Widerstand des Luftdurchlasses groß ist im Verhältnis zu dem des Trichters. Gegebenenfalls Korrektur des Messergebnisses."
Verschiedene Messgerätehersteller haben auf der Basis des Messtrichter-Verfahrens handliche Volumenstromhauben 1 entwickelt. Dabei ist im unteren engen Querschnitt ein Meßsystem zur Mittelwertsbildung 2 angeordnet durch das der Luftvolumenstrom direkt gemessen und an einem Anzeigegerät 3 dargestellt wird. Für konventionelle Luftdurchlässe die innerhalb des Standardmessbereiches der Volumenstromhaube liegen, werden Messgenauigkeiten von 3-5% vom Messwert angegeben.
Bei der Messung der Zuluftströme an Drallauslässen mit den beschriebenen Volumenstromhauben baut sich im Messtrichter eine starke Drallströmung 4 auf. Diese hat zur Folge, dass

1. der Widerstand (Druckabfall) des Trichters 1 wesentlich ansteigt (gemessen wurden Erhöhungen bis um den Faktor 3), was eine Verringerung des Luftdurchsatzes am Auslass während der Messung bewirkt, und
2. das Messsystem zur Mittelwertsbildung 2 im unteren Bereich der Haube 1 durch die Drallströmung schräg angeströmt wird, oder
3. die Luftbeaufschlagung des Gleichrichters bei der Messtrichter-Methode /1/ über den Radius stark unterschiedlich ausfällt.

Diese Effekte verursachen einen Messfehler von bis zu -30% vom Messwert. Die Messfehler können je nach Ausführung des Drallauslasses 6 unterschiedlich sein und auch von der Ausströmgeschwindigkeit bzw. vom betriebenen Luftvolumenstrom am Drallauslass abhängen.
Korrekturfaktoren sowie Verfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit werden von den Herstellern der Volumenstromhauben bislang nicht zur Verfügung gestellt und sind auch sonst nicht zu bekommen. Somit ist eine Messung der Zuluftvolumenströme an Drallauslässen mit den beschriebenen Messtrichtern mit einer akzeptablen Messgenauigkeit bislang nicht möglich. Dieser Umstand ist auch in Fachkreisen bekannt.
Somit muss bislang an Drallauslässen ein wesentlich höherer Aufwand betrieben werden um die Volumenströme zu bestimmen.
In der Praxis werden bei der regelmäßigen Requalifizierung der reinraumtechnischen Anlagen die Drallverteiler 5 vorab demontiert, bevor die Volumenstrommessung mit dem Messtrichterverfahren erfolgt. Daraus ergibt sich ein erheblicher Mehraufwand, speziell in pharmazeutischen Betrieben, in denen die Drallverteiler 5 mit Dichtmasse gegen die Einbauebene 8 (Decke, Wand) abgedichtet sind. In diesen Fällen ist eine Volumenstrommessung nur während des Produktionsstillstandes möglich, da durch die Demontage des Drallverteilers eine zusätzliche Partikelbelastung des Reinraumes nicht ausgeschlossen werden kann.
Bei der Messung mit demontierten Drallverteilern 5 fällt der Druckverlust des Drallverteilers 5 weg. Ist dessen Widerstand groß im Vergleich zum Widerstand des Luftauslasses 6 muss zusätzlich eine Korrektur des Messergebnisses vorgenommen werden.
In den meisten Fällen besteht bei demontiertem Drallverteiler 5 zwischen Auslassgehäuse 7 und Einbauebene 8 (meist abgehängte Decke) ein Luftspalt der abgedichtet werden muss, damit keine Leckluftströme entstehen, die das Messergebnis verfälschen würden. In diesem Bereich besteht also großer Bedarf an einem entsprechendem Verfahren das eine einfache, schnelle und genaue Messung des Zuluftvolumenstromes an Drallauslässen zulässt.
Die Grundidee der Erfindung besteht in dem Verfahren, die Entstehung der Drallströmung direkt am Drallverteiler 5 zu stören und eine nach unten gerichtete turbulente Abströmung 9 zu erzielen. An dieser Stelle lässt sich dies mit möglichst geringem zusätzlichem Druckverlust erreichen. Diese so umgewandelte Strömung kann dann mit den Volumenstromhauben 1 bzw. mit konventionellen Messtrichtern /1/ mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Erreicht wird dieser Effekt durch eine direkt unterhalb des Drallverteilers 5 angeordnete Lamellengitterkonstruktion 10 (Drall-Turbulenz-Wandler) bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Gitterlamellen 13 zwischen denen sich Strömungskanäle 14 ausbilden. Diese Lamellengitterkonstruktion 10 liegt direkt an den Luftleitelementen 11 (Ausblasöffnungen) des Drallverteilers 5 an. Diese Luftleitelemente 11 sind so angeordnet dass die Luft schräg zur Einbauebene 8 des Luftauslasses (Decke, Wand . . .) und annähernd tangential zum Auslassmittelpunkt ausströmt und damit eine induktionsreiche Drallströmung verursacht Fig. 2. Abhängig vom Ausblaswinkel α 12 zwischen Luftstrahl und Einbauebene Fig. 1 wird schon ab einer Gitterlamellenhöhe h Fig. 5 bezogen auf den Abstand der Gitterlamellen in Ausströmungsrichtung a_t Fig. 6 von h/a_t ≥ 0,5.tanα, die Drallströmung bei minimalem zusätzlichem Druckverlust wirksam unterdrückt. Die sich dabei an der Lamellengitterkonstruktion 10 ergebende Abströmung 9 hat über den Querschnitt unterschiedliche Geschwindigkeiten und Strömungsrichtungen und ist daher stark turbulent aber ohne Drall. Die Vergleichmäßigung erfolgt auf dem weiteren Strömungsweg innerhalb des Messtrichters 1 wie bei der Messung an konventionellen Luftauslässen die nicht mit Drallverteilern 5 ausgestattet sind Fig. 3.
Bei den in der Praxis angewendeten Drallauslässen lassen sich mit Drall-Turbulenz-Wandlern mit einem Verhältnis von h/a_t ≤ 2, vorzugsweise h/a_t ≤ 1 sehr gute Ergebnisse (hohe Messgenauigkeit bei Anwendung von Volumenstrommesshauben bei geringem Druckverlust) erzielen. Relative Lamellengitterhöhen von h/a_t ≥ 2 bringen messtechnisch keine Verbesserung, erhöhen jedoch den Druckverlust unnötig.
Die Querschnittsfläche der zwischen den Lamellengittern 13 ausgebildeten Strömungskanäle 14 kann in unterschiedlichen Formen ausgeführt sein (Dreieck, Rechteck, Quadrat, Viereck, Sechseck, Raute, Trapez, Fig. 7-17). Auch können in einer Lamellengitterkonstruktion unterschiedliche Querschnittsformen und -größen zur Anwendung kommen. Zur Minimierung des Druckverlustes muss die Gitterlamellendicke s Fig. 5 bezogen auf den hydraulischen Durchmesser d_h des Strömungskanals (d_h = 4.Querschnittsfläche/Umfang) möglichst klein gewählt werden, gleichzeitig muss das Lamellengitter jedoch ausreichende Stabilität aufweisen. Bei einer relativen Gitterlamellendicke von s/d_h ≤ 5/100 werden beste Ergebnisse erzielt.
Optimale Verhältnisse erhält man wenn die Lamellen parallel zu den Ausblasöffnungen des Drallverteilers angeordnet sind. Entsprechend der auf dem Markt befindlichen Auslassvarianten sind kreissymmetrische Anordnungen geeignet, wie dargestellt in:
Fig. 7 radial - kreissymmetrische Ausführung mit Rechteckrahmen,
Fig. 8 radial - kreissymmetrische Ausführung mit rundem Rahmen,
Fig. 9 spiralförmig - kreissymmetrische Ausführung mit rundem Rahmen,
Fig. 10 tangential - kreissymmetrische Ausführung mit Rechteckrahmen,
Fig. 11 tangential - kreissymmetrische Ausführung mit rundem Rahmen.
Universell einsetzbar sind achssymmetrische Ausführungen unterschiedlicher Lamellenausrichtungen wie dargestellt in:
Fig. 12 achssymmetrische Ausführung mit Rechteckwabe im Rechteckrahmen,
Fig. 13 achssymmetrische Ausführung mit Rechteckwabe im runden Rahmen,
Fig. 14 achssymmetrische Ausführung mit Dreieckwabe im Rechteckrahmen,
Fig. 15 achssymmetrische Ausführung mit Dreieckwabe im runden Rahmen,
Fig. 16 achssymmetrische Ausführung mit Sechseckwabe im Rechteckrahmen,
Fig. 17 achssymmetrische Ausführung mit Sechseckwabe im runden Rahmen.
Zur Stabilisierung der Konstruktion wird das Lamellengitter in eine Rahmenkonstruktion eingelassen 15. Die Form (rund, rechteckig . . .) und Außenabmessungen des Drall-Turbulenz- Wandlers 10 werden den verschiedenen Standardmaßen der auf dem Markt befindlichen Drallauslässen angepasst.
Die Anwendung des Drall-Turbulenz-Wandlers 10 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:

1. Der Drall-Turbulenz-Wandler 10 wird vorab manuell am Drallverteiler 5 des Auslasses befestigt und anschließend erfolgt die Messung mit der Volumenstromhaube 1.
- - Da die Grundplatte des Drallverteilers 5 überwiegend aus Stahlblech gefertigt ist, erfolgt die Befestigung vorteilhaft über Magnete, die an der Rahmenkonstruktion 15 so befestigt sind, dass die Gitterlamellen 13 direkt an die Luftleitelemente 11 anschließen.
- - Eine Befestigung kann auch über Klammern oder andere Befestigungselemente erfolgen.
2. Montage des Drall-Turbulenz-Wandlers 10 in der oberen Öffnung der Volumenstromhaube 1. Dabei ist drauf zu achten, dass die Volumenstromhaube 1 gegen die Einbauebene 8 (Decke, Wand) noch abdichtet während der Drall-Turbulenz-Wandler 10 direkt an den Luftleitelementen 11 anliegt. Dies wird erreicht indem der Drall-Turbulenz-Wandler 10 schwingend in den Rahmen der oberen Trichteröffnung eingehängt wird.

In einem lüftungstechnischen Labor wurden umfangreiche Untersuchungen mit einer auf dem Markt befindlichen Volumenstromhaube durchgeführt. Sie führten zu folgendem Ergebnis:

1. Bei einem Zuluftvolumenstrom von 1000 m³/h hat die Volumenstromhaube nach Herstellerangaben einen Druckverlust von 4 Pa.
2. Bei Anwendung der Volumenstromhaube an dem untersuchten Drallauslass beträgt der Druckabfall bei 1000 m³/h 12 Pa.
3. Der Druckabfall des Drall-Turbulenz-Wandlers beträgt bei gleichem Volumenstrom 2 Pa.
4. Der Druckabfall des Systems "Drall-Turbulenz-Wandler zusammen mit der Volumenstromhaube" liegt bei ca. 4 Pa.
5. Der Messfehler der Volumenstromhaube liegt bei direkter Messung am Drallauslass bei -10% bis -18%. Der Fehler der durch den zusätzlichen Druckabfall der Haube bei Drallströmung entsteht ist darin nicht enthalten.
6. Bei Messung mit vorgeschaltetem Drall-Turbulenz-Wandler reduziert sich der Messfehler auf -2 bis -4%.

Durch die Anwendung des Drall-Turbulenz-Wandlers wird der Luftwiderstand des Gesamt- Meßsystems um den Faktor 3 gesenkt, d. h. geringere Beeinflussung des Luftvolumenstromes am Drallauslass während der Messung. Weiterhin wird der Messfehler wesentlich verbessert auf einen Wert von ±4% vom Messwert.

Beispiel für die Zeitersparnis bei der Messung von 30 Drallauslässen in der Reinraumtechnik

Bisher müssen die Drallverteiler demontiert werden, so dass die Luft direkt über den Schwebstofffilter in den Raum gelangt. Als nächstes muss der Luftspalt zwischen Auslassgehäuse und Decke mit Klebeband abgedichtet werden, damit hier keine Fehlluft zum Deckenhohlraum hin entweicht. Jetzt wird die Luftmenge mit dem Messtrichter gemessen und anschließend das Klebeband wieder entfernt und der Drallverteiler montiert.
Der Zeitaufwand für die Messung der 30 Auslässe nach der bisherigen Vorgehensweise beträgt ca. 7 Stunden (15 Minuten je Auslass).
In vielen Fällen sind die Drallverteiler gegen die Decke mit Dichtmasse verfugt um den Anforderungen des GMP /2/ an gute Reinigbarkeit der Raumoberflächen gerecht zu werden. Hier kann sich der Zeitaufwand leicht verdoppeln.
Im Vergleich dazu beträgt der Zeitaufwand für eine Messung mit dem neuen Messsystem je Auslass für das Anhaften des Drall-Turbulenz-Wandlers mit Magneten am Drallauslass, ca. 20 Sekunden und für die Messung mit der Volumenstrommesshaube ca. 15 Sekunden, somit incl. Protokollierung 2-3 Minuten je Auslass. Bei 30 Auslässen sind das 1,5 Stunden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass die Messung nach der neuen Methode keinerlei Verschmutzung verursacht (Demontage- und Abdichtungsarbeiten entfallen) und somit auch bei laufender Produktion durchgeführt werden kann. Literaturverzeichnis /1/ Recknagel Sprenger Schramek; Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik; R. Oldenburg Verlag München Wien; 68. Auflage; herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Ernst- Rudolf Schramek, Universität Dortmund, 1997/98; Seite 291
/2/ Kommission der Europäischen Gemeinschaften, Generaldirektion für Binnenmarkt und Gewerbliche Wirtschaft; GMP, EG-Leitfaden einer guten Herstellungspraxis für Arzneimittel; III/2244/87. REV.3 - Januar 1989 Bezugszeichenliste 1 Volumenstromhaube (Messtrichter)
2 Meßsystem zur Mittelwertsbildung
3 Anzeigegerät
4 Drallströmung im Messtrichter
5 Drallverteiler
6 Luftauslass (Drallauslass)
7 Auslassgehäuse
8 Einbauebene des Luftauslasses
9 turbulente Abströmung
10 Drall-Turbulenz-Wandler (Lamellengitterkonstruktion)
11 Luftleitelemente des Drallverteilers
12 Ausblaswinkel α zwischen Luftstrahl und Einbauebene
13 Gitterlamellen
14 Strömungskanal
15 Rahmenkonstruktion
s Gitterlamellendicke
h Gitterlamellenhöhe
a_t Abstand der Gitterlamellen in Ausströmungsrichtung der Luft aus den Luftleitelementen

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung einer Drallströmung an Luftauslässen mit Drallverteilern 5 während der Volumenstrommessung mit Messtrichtern 1 mittels einer direkt an den Luftleitelementen 11 anliegenden Lamellengitterkonstruktion (Drall-Turbulenz-Wandler) 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Drall-Turbulenz-Wandler die Ausbildung einer Drallströmung verhindert wird, dass der dabei entstehende zusätzliche Druckverlust kleinstmöglich ausfällt um die Beeinflussung des Luftvolumenstromes zu minimieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drall-Turbulenz-Wandler in einem ersten Schritt für die Dauer der Messung am Drallverteiler befestigt wird und in einem 2 Schritt die Messung entsprechend der Messtrichtermethode erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drall-Turbulenz-Wandler freischwingend in dem oberen Öffnungsquerschnitt des Messtrichters 1 befestigt wird, so dass dieser bei der Messung direkt an den Luftleitelementen 11 anliegt und der Messtrichter 1 gegen die Einbauebene 8 des Luftauslasses 6 abdichtet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung über Haftmagnete erfolgt.

5. Drall-Turbulenz-Wandler bestehend aus vielen nebeneinander angeordneten Strömungskanälen 14 die durch Gitterlamellen 13 gebildet werden.

6. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h der Gitterlamellen 13 bezogen auf den Abstand a_t der Gitterlamellen 13 in Ausströmungsrichtung der Luft aus den Luftleitelementen 11 kleiner gleich 2 ist, vorzugsweise kleiner gleich 1 ist (h/a_t ≤ 2, vorzugsweise h/a_t ≤ 1).

7. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h der Gitterlamellen 13 bezogen auf den Abstand a_t der Gitterlamellen 13 in Ausströmungsrichtung der Luft aus den Luftleitelementen 11 in Abhängigkeit des Winkels α zwischen Luftstrahl und Einbauebene größer gleich 0,5 mal Tangens α, vorzugsweise größer gleich 0,8 mal Tangens α ist (h/a_t ≥ 0,5.tanα, vorzugsweise h/a_t ≥ 0,8.tanα).

8. Drall-Turbulenz-Wandler nach mindestens einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellendicke s bezogen auf den hydraulischen Durchmesser d_h (d_h = 4.Querschnittsfläche/Umfang) des sich zwischen den Gitterlamellen 13 sich ausbildenden Strömungskanals 14 kleiner gleich 1/10, vorzugsweise kleiner gleich 5/100 ist (s/d_h ≤ 1/10, vorzugsweise s/d_h ≤ 5/100).

9. Drall-Turbulenz-Wandler nach mindestens einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 kreissymmetrisch angeordnet sind.

10. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 radial angeordnet sind.

11. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 tangential angeordnet sind.

12. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 spiralförmig angeordnet sind.

13. Drall-Turbulenz-Wandler nach mindestens einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 achssymmetrisch angeordnet sind.

14. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 eine Rechteckwabe bilden.

15. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 eine Dreieckwabe bilden.

16. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterlamellen 13 eine Sechseckwabe bilden.

17. Drall-Turbulenz-Wandler nach mindestens einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellengitter aus einer Kombination der Ansprüche 9-16 besteht.

18. Drall-Turbulenz-Wandler nach mindestens einem der Ansprüche 5-17, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellengitter in einer Rahmenkonstruktion 15 eingefasst ist.

19. Drall-Turbulenz-Wandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenkonstruktion 15 die Form eines Rechtecks oder eines Kreises hat.