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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.
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Während bei
den konventionellen Auslässen die
Luft in annähernd
parallelen Stromlinien ausströmt,
wird bei den Drallauslässen
eine Drallströmung
erzeugt (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.
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In
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, im Folgenden als Recknagel et al. bezeichnet,
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." Aus der
US 4 297 900 und der
US 3 349 619 sind Lamellengitter-Konstruktionen
mit vielen nebeneinander angeordneten Strömungskanälen bekannt.
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Im
Folgenden wird bei der Diskussion des Standes der Technik auf 1 und 2 Bezug
genommen.
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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.
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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
nach Recknagel et al. über
den Radius stark unterschiedlich ausfällt.
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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.
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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 ak zeptablen Messgenauigkeit
bislang nicht möglich.
Dieser Umstand ist auch in Fachkreisen bekannt.
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Somit
muss bislang an Drallauslässen
ein wesentlich höherer
Aufwand betrieben werden, um die Volumenströme zu bestimmen.
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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.
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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.
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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 entsprechenden
Verfahren, das eine einfache, schnelle und genaue Messung des Zuluftvolumenstromes
an Drallauslässen
zulässt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit zu verbessern.
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Die
Grundidee der Erfindung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 bis 17 beschrieben
wird, 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 zusätzlichen
Druckverlust erreichen. Diese so umgewandelte Strömung kann
dann mit den Volumenstromhauben 1 bzw. mit konventionellen
Messtrichtern /1/, mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
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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. Abhängig
vom Ausblaswinkel α 12 zwischen
Luftstrahl und Einbauebene wird schon ab einer Gitterlamellenhöhe h (5), bezogen
auf den Abstand der Gitterlamellen in Ausströmungsrichtung at (6),
von h/at ≥ 0,5·tan α, die Drallströmung bei
minimalem zusätzlichen
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.
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Bei
den in der Praxis angewendeten Drallauslässen lassen sich mit Drall-Turbulenz-Wandlern mit
einem Verhältnis
von h/at ≤ 2,
vorzugsweise h/at ≤ 1 sehr gute Ergebnisse (hohe
Messgenauigkeit bei Anwendung von Volumenstrommesshauben bei geringem
Druckverlust) erzielen.
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Relative
Lamellengitterhöhen
von h/at ≥ 2 bringen
messtechnisch keine Verbesserung, erhöhen jedoch den Druckverlust
unnötig.
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Die
Querschnittsfläche
der zwischen den Lamellengittern 13 ausgebildeten Strömungskanäle 14 kann
in unterschiedlichen Formen ausgeführt sein (Dreieck, Rechteck,
Quadrat, Viereck, Sechseck, Raute, Trapez, 7–17).
Auch können
in einer Lamellengitterkonstruktion unterschiedliche Querschnittsformen
und -größen zur
Anwendung kommen. Zur Minimierung des Druckverlustes muss die Gitterlamellendicke
s (5), bezogen auf den hydraulischen Durchmesser
dh des Strömungskanals (dh =
4·Querschnittsfläche/Umfang),
möglichst
klein gewählt
werden, gleichzeitig muss das Lamellengitter jedoch ausreichende
Stabilität
aufweisen. Bei einer relativen Gitterlamellendicke von s/dh ≤ 5/100 werden
beste Ergebnisse erzielt.
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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:
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7:
radial – kreissymmetrische
Ausführung
mit Rechteckrahmen
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8:
radial – kreissymmetrische
Ausführung
mit rundem Rahmen
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9:
spiralförmig – kreissymmetrische Ausführung mit
rundem Rahmen
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10:
tangential – kreissymmetrische
Ausführung
mit Rechteckrahmen
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11:
tangential – kreissymmetrische
Ausführung
mit rundem Rahmen
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Universell
einsetzbar sind achssymmetrische Ausführungen unterschiedlicher Lamellenausrichtungen,
wie dargestellt in:
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12:
achssymmetrische Ausführung
mit Rechteckwabe im Rechteckrahmen
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13:
achssymmetrische Ausführung
mit Rechteckwabe im runden Rahmen
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14:
achssymmetrische Ausführung
mit Dreieckwabe im Rechteckrahmen
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15:
achssymmetrische Ausführung
mit Dreieckwabe im runden Rahmen
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16:
achssymmetrische Ausführung
mit Sechseckwabe im Rechteckrahmen
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17:
achssymmetrische Ausführung
mit Sechseckwabe im runden Rahmen
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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 Drallauslässe angepasst.
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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.
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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 1000m3/h hat die Volumenstromhaube nach Herstellerangaben
einen Druckverlust von 4 Pa.
- 2. Bei Anwendung der Volumenstromhaube an dem untersuchten Drallauslaß beträgt der Druckabfall
bei 1000m3/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 %.
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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.
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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.
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Der
Zeitaufwand für
die Messung der 30 Auslässe
nach der bisherigen Vorgehensweise beträgt ca. 7 Stunden (15 Minuten
je Auslass).
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In
vielen Fällen
sind die Drallverteiler gegen die Decke mit Dichtmasse verfugt,
um den Anforderungen an gute Reinigbarkeit der Raumoberflächen gerecht
zu werden. Hier kann sich der Zeitaufwand leicht verdoppeln.
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Im
Vergleich dazu beträgt
der Zeitaufwand für
eine Messung mit dem neuen Messsystem je Auslass für das Anhaften
des Drall-Turbulenz-Wandlers mit Mag neten 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.
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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.
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- 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
- at
- Abstand
der Gitterlamellen in Ausströmungsrichtung
der Luft aus den Luft-leitelementen