Laborabzugsqualifikation.

Der Laborabzug und sein Normkontext

EOLIOS führt die Vorqualifizierungen in der Konzeption Ihrer Laborabzüge sowie die Einhausungstests durch — mittels CFD-Modellierung.

Kontext

Der Laborabzug ist ein System der lokalisierten Schutzvorrichtung, eingesetzt dort, wo gefährliche Substanzen gehandhabt werden. Seine Aufgabe ist es, die Exposition der Menschen gegenüber schädlichen Substanzen zu begrenzen, indem er die in seinem Gehäuse erzeugten toxischen Dämpfe und flüchtigen Stäube dank eines Absaugluftstroms erfasst und abführt. Um ihre Leistung im Lauf der Zeit aufrechtzuerhalten, werden die Laborabzüge regelmäßigen Kontrollen unterzogen.

Geltende französische Gesetzgebung

Die Bewertung des Betriebs der Laborabzüge unterliegt der europäischen Norm EN 14175, die die Methodik der Leistungsbewertung bei den Qualifizierungs-, Abnahme- oder Routinetests detailliert. Bei einer Kontrolle werden Tests der frontalen Luftgeschwindigkeit am Eingang des Laborabzugs per Hitzdrahtanemometrie durchgeführt; ein Einhausungstest mit Tracergas SF6 wird durchgeführt, ebenso wie eine qualitative Visualisierung der Strömung mit Rauch.

Frühere Regelung: die Norm XP X 15-203

In Frankreich mussten für die vor 2006 installierten Laborabzüge die Kontrollen der französischen Norm XP X 15-203 entsprechen, die Schwellenwerte für die frontale Luftgeschwindigkeit und Einhausungsniveaus festlegte:

• Frontale Luftgeschwindigkeit: 0,4 m/s;
• Einhausung: Tracergaskonzentration in der Öffnungsebene an jedem Punkt unter 0,1 ppm.

Die Norm EN 14175: neue Parameter der aeraulischen Tests

Die einzuhaltenden Schwellenwerte

• Frontale Luftgeschwindigkeit: kein Schwellenwert in der Norm, aber 0,4 m/s in Frankreich;
• Einhausung: kein Schwellenwert in der Norm, aber die ergänzend erarbeitete französische Norm XP X 15-206 legt 0,1 ppm für die mittlere Konzentration an Tracergas SF6 (Schwefelhexafluorid) fest;
• eine deutlich höhere Anzahl getesteter Parameter.

Die obligatorischen Kontrollen

• Abgesaugter Luftvolumenstrom: im Absaugkanal gemessen, um die aeraulischen Eigenschaften zu überprüfen und den künftigen Kontrollen als Referenz zu dienen;
• Frontale Luftgeschwindigkeit: per thermischer Anemometrie gemessen, Referenzwerte für die regelmäßigen Kontrollen.

Einhausung: die Messung per SF6-Verfolgung

Das Prinzip des Einhausungstests mit SF6-Gas läuft in drei Schritten ab:

• ein Tracergas SF6 an spezifischen Stellen im Inneren des Arbeitsvolumens erzeugen;
• die Luft an verschiedenen Stellen auf Höhe der Öffnungsebene des Laborabzugs entnehmen;
• die SF6-Konzentration messen, um das Entweichen der Substanzen zum Personal zu quantifizieren.

Für die Norm NF EN 14175 hängt die Anzahl der Messpunkte von der Breite des Laborabzugs ab; ihr Teil 3 präzisiert die Berechnung der Testpositionen. Bei den Tests ist die bewegliche Frontscheibe auf 500 mm geöffnet.

CFD-Modellierung der Labore und Reinräume

Globales Verständnis der thermo-aeraulischen Phänomene

Die Simulationen tragen zu einem besseren Verständnis der Problematiken bei, um bereits in der Konzeption relevante technische Lösungen zu entwickeln. Die Labore können in ihrer Gesamtheit simuliert werden, was die gleichzeitige Analyse der Auswirkung zahlreicher Phänomene ermöglicht. Die CFD-Studie der Laborabzugsqualifikation macht insbesondere das Vorhandensein von parasitären Luftströmen sichtbar, die den Eingang der Laborabzüge stören.

Projekt: CFD-Simulation eines mit Laborabzügen ausgestatteten Labors

Konzeption der Laborräume und Reinräume

Zu Beginn der Konzeption wird die Vervielfältigung experimenteller Prototypen schnell kostspielig und zeitaufwendig. Die CFD-Simulation ermöglicht es, eine große Anzahl von Prototypen in kurzer Zeit zu testen, um schnell Informationen für die Optimierung der Systeme und die Platzierung der Laborabzüge zu sammeln.

Die CFD: ein neues Konzeptionsprotokoll

Die Simulation gibt Zugang zu zahlreichen experimentell schwer messbaren Parametern: Sie liefert sofort Daten an jedem Punkt und nicht lokalisiert. Dies ermöglicht es, die Leckagen bei der Einhausung präzise zu identifizieren. Die CFD in seine Protokolle zu integrieren bedeutet, sich einen Expertenblick bei der Suche nach Lösungen zur Seite zu stellen: Die Qualifizierung der Laborabzüge wird dadurch gesichert und beschleunigt.

Eine CFD-Methode für die Qualifizierung der Laborabzüge

Modellierung der Luftströme

Für eine sofortige räumliche Messung der Luftgeschwindigkeit greifen wir auf die Präzisionsströmungsmechanik zurück. Die beteiligten Strömungen werden durch die partiellen Differentialgleichungen von Navier-Stokes bestimmt; analytisch unlösbar, werden sie numerisch durch die Methode der finiten Elemente gelöst, die die bestmögliche Näherungslösung liefert. Diese Auflösung erfordert es, die Ein- und Austrittsbedingungen im Voraus zu kennen — die Einblas-, Absaug- und Aspirationsvolumenströme der Laborabzüge —, die als Hypothesen präzisiert und zwingend überprüft werden müssen, damit die Schlussfolgerungen gültig sind.

Numerische Einhausungsmessung

Bei der Qualifizierung ist es zwingend, die Leckrate der Schadstoffe zu kontrollieren, um den Nutzer nicht zu kontaminieren. Um diesen Stoff zu modellieren, setzen wir verschiedene Methoden der Simulation eines Tracergases ein, um eine feine Präzision und zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten.

Numerische Validierung der Qualifizierung

Um die Konformität der Einhausung mit der Norm zu überprüfen, modellieren wir die Diffusion des Tracers im Laborabzug im stationären Regime. Eine Iso-Volumen-Methode bestätigt anschließend, dass der gesamte Tracer im regulatorischen Maßstab im Gehäuse enthalten ist: Wenn das Ergebnis überprüft ist, erfüllt der Laborabzug die Einhausungsbedingungen, die von der Gesetzgebung vorgeschrieben sind.