Untersuchung der Staubausbreitung – Geologisches Laboratorium

EOLIOS‘ Erfahrung mit CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) ermöglichte eine genaue Analyse der Partikelstreuung in einem Geologielabor. Mit Hilfe eines realistischen 3D-Modells und eines rigorosen wissenschaftlichen Ansatzes wurden Risikobereiche identifiziert und die Wirksamkeit der vorhandenen Erfassungsgeräte bewertet.
Dieser Ansatz hat dazu beigetragen, die Sicherheit der Arbeiter zu optimieren und die Luftqualität in einem anspruchsvollen Arbeitsumfeld nachhaltig zu verbessern.

EOLIOS ist ein führender Anbieter von CFD-Simulationen für komplexe Innenräume und verfügt über umfangreiche Erfahrungen aus Messkampagnen und zahlreichen Studien an realen Standorten.

Gesundheitsschutz im Labor: eine entscheidende Herausforderung

Luft als Risikoträger in geschlossenen Räumen

In paläontologischen Präparationslabors spielt die Qualität der Umgebungsluft eine wesentliche Rolle für die Gesundheit der Mitarbeiter. Hinter den sorgfältigen wissenschaftlichen Manipulationen, die oft mit mechanischen oder pneumatischen Werkzeugen durchgeführt werden, verbirgt sich ein weit weniger sichtbares, aber potenziell gefährliches Phänomen: die Verbreitung von Feinstaub aus Fossilien oder Gesteinsmatrizen.

Wie in Krankenhäusern oder pharmazeutischen Umgebungen sind auch in geologischen Aufbereitungsräumen Filteranforderungen zu erfüllen. Der Staub, der bei der Freisetzung von Fossilien entsteht, kann je nach Zusammensetzung abrasiv, reizend oder sogar giftig sein. Die Kontrolle der Staubverteilung ist daher ein Muss, nicht nur um den Arbeitskomfort zu gewährleisten, sondern auch um Gesundheitsrisiken durch chronische Exposition zu vermeiden.

Schlagbolzen, Staub und Ausbreitung: ein Trio, das es zu überwachen gilt

Im Mittelpunkt des Prozesses der Fossilienfreistellung stehen die Werkzeuge, die als starke Träger für die Aufwirbelung der Partikel dienen. Dies gilt insbesondere für die pneumatischen Schlagstifte, die verwendet werden, um das Gestein um die Proben herum sanft zu zerkleinern. Diese Werkzeuge erzeugen einen Luftstrom von ca. 1 m/s am Ausgang, der den Staub mechanisch in die unmittelbare Umgebung befördert.

Wenn es keine wirksame Erfassung an der Quelle gibt, können sich diese Emissionen frei im Raumvolumen verteilen, den Arbeitsbereich durchqueren und die Atemwege der Nutzer erreichen. Diese Problematik wird noch verstärkt, wenn mehrere Arbeitsplätze gleichzeitig in Betrieb sind und die Geometrie des Raumes eingeschränkt ist.

In dieser Situation erweisen sich die klassischen Systeme derWandabsaugung oder der allgemeinen Lufterneuerung oft als unzureichend. In diesem Fall ist ein gezielter und lokaler Ansatz erforderlich.

Eine CFD-Studie zur Objektivierung der Leistung und als Leitfaden für technische Entscheidungen

In diesem Zusammenhang ist die von EOLIOS durchgeführte Studie zu sehen. Sie basiert auf der Verwendung der numerischen Simulation der Strömungsmechanik (CFD) zur Analyse, Quantifizierung und Visualisierung von Partikelverteilungsphänomenen im Geologielabor.

Mit dieser Modellierung werden zwei Ziele verfolgt:

Validierung der Abscheideleistung des vorhandenen Abzugs, indem überprüft wird, ob die Frontgeschwindigkeit den gesetzlichen Anforderungen(Norm EN 14175) entspricht und ob der Einschluss der Schadstoffe kontrolliert wird.
Bewertung der vergleichenden Effektivität verschiedener Konfigurationen zur Kontrolle der Staubentwicklung an Arbeitsplätzen: keine mobile Erfassung, zusätzliche Absaugarme und Frontschutz.

Durch die Modellierung dieser verschiedenen Szenarien und die Visualisierung der Flugbahnen der emittierten Partikel ermöglicht die Studie die Identifizierung von Risikogebieten, die Quantifizierung des durch Staub belasteten Volumens und die Orientierung der technischen Entscheidungen an bewährten, pragmatischen und wirtschaftlich tragfähigen Lösungen.

Verstehen, um besser zu schützen: Warum CFD-Modellierung?

Simulieren, um das Unsichtbare zu visualisieren

Die numerische Simulation der Strömungsmechanik (CFD) ist heute ein unverzichtbares Werkzeug für die Beherrschung komplexer Innenumgebungen. In einem geschlossenen Raum wie einem geologischen Labor, in dem Luftströme, physikalische Hindernisse und Partikelemissionen ständig interagieren, kann nur eine präzise dreidimensionale Modellierung die tatsächliche Luft- und Staubdynamik verstehen.

> Mehr zum Thema: Was ist eine CFD-Simulation?

Der von EOLIOS entwickelte Ansatz basiert auf einer detaillierten Modellierung des paläontologischen Präparationslabors, die die Geometrien des Mobiliars, die technischen Eigenschaften der lufttechnischen Ausrüstung und die Quellen der Partikelemissionen umfasst. Auf dieser Grundlage wurden repräsentative Szenarien unter stationären Bedingungen simuliert, um dasStrömungs- und Ausbreitungsverhalten unter realen Bedingungen numerisch zu reproduzieren.

Detaillierte Berücksichtigung von Systemen zur Aufrechterhaltung der Luftqualität - Sorbonne

Ein objektiver Vergleich von Aufzeichnungslösungen

Eines der Hauptziele dieser Studie war es, die verschiedenen Szenarien zu visualisieren und die Einhaltung der geltenden Normen zu überprüfen:

Der Abzug im nominalen (niedriger Durchsatz) und intensiven (maximaler Durchsatz) Betrieb, um die Einhaltung der vorgeschriebenen Frontalgeschwindigkeiten und dieWirksamkeit der Schadstoff eindämmung zu validieren.
Die Wandabsaugungen im hinteren Teil des Raumes, die auf ihre Fähigkeit geprüft wurden, Partikel aus demRaum zu entfernen.
Mobile Absaugarme, um ihre Wirksamkeit an der Quelle bei der Handhabung von Fossilien zu bewerten.
Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Frontschutzes an den Stationen, um seine Rolle bei der lokalen Eindämmung des aufgewirbelten Staubs zu beurteilen.

Die CFD-Simulation ermöglicht es, an jedem Punkt im Raum die Luftgeschwindigkeiten, die Staubkonzentrationen (über einen Diffusionsskalar) und die Emissionspfade zu identifizieren. Jede Lösung wird auf sachliche und quantifizierte Weise analysiert.

Erkennen von Risikobereichen, um Verbesserungen zu lenken

Über einfache Luftgeschwindigkeiten hinaus ermöglicht die Modellierung, kritische Bereiche zu identifizieren: Staubstaubstau, Rezirkulationsschleifen, vertikale Aufwärtsbewegungen oder Querdiffusion. Diese Phänomene, die für das bloße Auge oft unsichtbar sind, können zu sekundären Kontaminationen oder Rekontaminationen führen, wenn keine geeignete Einhausung vorhanden ist.

Mit diesem Ansatz ist es möglich,Design- oder Nutzungsfehler zu antizipieren und gezielte Verbesserungen vorzuschlagen: von der Neupositionierung der Arme über die Anpassung der Durchflussraten bis hin zu passiven Vorrichtungen wie Schutzschirmen.

Eintauchen in das Labor: eine präzise modellierte Umgebung

3D-Modellierung, die der Realität entspricht

DieGenauigkeit der CFD-Ergebnisse hängt in erster Linie von der Genauigkeit des digitalen Modells ab. Für diese Studie hat dasEOLIOS-Team das paläontologische Präparationslabor anhand der DWG-Pläne des Geländes und der technischen Datenblätter der gelieferten Ausrüstung detailliert nach gebildet. Jedes Element, das die Strömung beeinflusst, wurde integriert: Volumen, Trennwände, Möbel, Arbeitsflächen, Diffusions- und Absaugsysteme.

Die resultierende3D-Umgebung stellt eine realistische Darstellung des Labors dar, die den aktuellen Nutzungsbedingungen entspricht. Diese Genauigkeit ermöglicht es,die tatsächlichen Luftströme und die komplexen Interaktionen zwischen Emissionsquellen, physikalischen Hindernissen und Belüftungssystemen zuantizipieren.

Vollständige Integration der Aufnahmegeräte

Alle tatsächlichen Luftaufbereitungsanlagen im Raum wurden modelliert:

Der Abzug, der für riskante Manipulationen verwendet wird, wurde in zwei repräsentativen Konfigurationen simuliert: bei reduziertem Durchfluss mit heruntergelassener Scheibe und bei maximalem Durchfluss mit voller Öffnung, um seine Eindämmungsleistung zu bewerten.
Die Luftauslässe, die an der Decke installiert werden, sorgen für die Zufuhr von Frischluft. Ihr spezielles Design ermöglicht eine kontrollierte Verteilung mit minimaler Störung der lokalen Luftströme.
Zwölf Wandabsaugungen, die auf zwei Ebenen hinter den Arbeitsplätzen angebracht sind, helfen bei derEntfernung von Restpartikeln aus der Umgebung und kompensieren die Aktivierung oder Deaktivierung des Abzugs.

Zwei mobile Absaugsysteme mit Gelenkarmen wurden so nah wie möglich an den Fossilien positioniert. Sie spielen eine wesentliche Rolle bei der Erfassung an der Quelle.

Um das Emissionsszenario genau zu reproduzieren, wurde an jedem Arbeitsplatz ein Schlagstift mit einer kontinuierlichen Blasgeschwindigkeit von 1 m/s auf der Höhe der Fossilien modelliert. Diese Vorrichtung simuliert die Staubentwicklung bei der mechanischen Bearbeitung der Stücke.

Strenge CFD-Simulationsmethodik

Passive Skalare wurden verwendet, um die Konzentration von Partikeln in der Luft zu simulieren, wobei Isoflächen und Schnittebenen verwendet wurden, um die Dissipation oder Akkumulation je nach Konfiguration zu visualisieren.

Die Ergebnisse der CFD-Simulationen ermöglichen einen genauen Einblick in das Phänomen der Partikelstreuung innerhalb des Labors. Mit Hilfe einer Kreuzvisualisierung (Geschwindigkeitsebenen, Skalarschnitte, Isoflächen und Stromspuren) wurde jede Konfiguration genau analysiert. Das Ziel: Identifizierung von Risikogebieten, Quantifizierung der Effizienz von Auffangvorrichtungen und Ausrichtung der technischen Entscheidungen auf die leistungsfähigsten Lösungen.

Was die Simulation zeigt: Flugbahnen, Geschwindigkeiten, Konzentrationen

Ungeschützter Referenzzustand: unkontrollierte Streuung von Partikeln

In einer ersten Konfiguration ist das Labor ohne mobile Absauganlage dargestellt, nur mit Wandabzugsgittern ausgestattet. Diese Situation entspricht demursprünglichen Zustand vor der Hinzufügung der gezielten Aufnahmevorrichtungen.

Die Ergebnisse zeigen eine schnelle und unkontrollierte Auflösung des Staubs, sobald er freigesetzt wird. Die Partikel, die an den Fossilien entstehen (modelliert durch einen passiven Skalar), breiten sich weit im Raum aus und erreichen schnell die seitlichen und oberen Bereiche, insbesondere die Gesichter der Bediener (Ebenen in 1,70 m Höhe).

Im zentralen Bereich des Labors kommt es zu Rezirkulationen, die durch dieInteraktion zwischen den Luftströmen aus den Diffusoren und derinternen Architektur des Raumes entstehen. Diese Stagnationszonen begünstigen dieAnsammlung von Partikeln und deren längeren Verbleib in der Schwebe.

Die an der Wand angebrachten Abluftgitter sind zwar in der Höhe verteilt, zeigen aber nur eine begrenzte Wirksamkeit. Sie sind nicht in der Lage, die Partikel bereits bei der Emission wirksam abzufangen. Das Ergebnis war, dass die meisten Schadstoffe in derLuft schweben und mehrere Isoflächen mit kritischen Schwellenwerten eine anhaltende Kontamination derLuft bestätigen.

Hinzufügen von mobilen Absaugarmen: eine deutliche Verbesserung

Die Einführung von zwei beweglichen Absaugarmen verändert die Luftzirkulation im Labor radikal.

Sobald sie über den Arbeitsplätzen angebracht wurden, wurde eine deutliche Verringerung der Partikelkonzentrationen in den Skalarschnitten beobachtet. Die Partikel werden bei ihrer Emission oder sehr kurz danach aufgefangen, wodurch ihre Ausbreitung im Raum begrenzt wird.

Die Stromspuren zeigen, dass die Ströme sofort zu den Fangdüsen geleitet werden. Der Weg der Partikel wird kurz und kontrolliert. In den Längs- und Querebenen fallen die Skalare drastisch ab, und die kritischen Isoflächen ziehen sich um die Emissionsbereiche zurück.

Die Wirksamkeit hängt jedoch von der richtigen Position der Arme ab, die idealerweise einige Dutzend Zentimeter vom Aufprallpunkt der Stifte entfernt sein sollten. Die Empfindlichkeit gegenüber der Positionierung ist bemerkenswert, und eine falsche Ausrichtung kann die Leistung drastisch reduzieren.

Hinzufügen eines Frontschutzes zur Zentrale: der entscheidende Faktor

Umdas Containment weiter zu optimieren, wurde ein Frontschutz am zentralen Arbeitsplatz angebracht, der als physische Barriere zusätzlich zu den Absaugsystemen fungiert.

Diekombinierte Wirkung der beweglichen Kuppel und des vorderen Schotts führt zu einer erheblichen Verbesserung der Eindämmung. Die Partikel werden nicht nur vom Arm aufgefangen, sondern auch von dem begrenzten Volumen, das durch die Trennwand definiert wird. Dieverbrauchte Luft bleibt um den Tisch herum eingeschlossen und gelangt nicht mehr in die Umgebung.

Die Skalarebenen bei 1,70 m zeigen, dass es in den Atemzonen praktisch keine Partikel gibt. Die Konzentrationen fallen in den meisten Teilen des Raumes unter die Nachweisgrenze. Es gibt kaum noch Iso-Oberflächen, und die Stromspuren verlaufen ausschließlich in Richtung der Abbaugebiete.

Diese Einrichtung zeigt eine starke Synergie zwischen der mechanischen Erfassung und der physischen Strukturierung des Raumes. Die Hinzufügung des Schutzes verwandelt den Absaugarm in ein lokal begrenztes System, dessenEffizienz der eines gekapselten Arbeitsplatzes nahe kommt.

Kreuzanalyse von Schnitten, Isoflächen und Stromspuren

Die Analyse basiert auf einer Kombination von grafischen Darstellungen, die sowohl das Verhalten der Flüsse als auch das der Schwebstoffe beschreiben:

Die Geschwindigkeitsschnitte zeigen die Dynamik der Strömungen, die von den Diffusoren, den Aufnahmesystemen und den Öffnungen erzeugt werden.
Die Skalarschnitte in vertikaler und horizontaler Projektion visualisieren die räumliche Verteilung der Partikelkonzentrationen.
Iso-Oberflächen identifizieren problematische Volumen, wo das Risiko einer Kontamination am höchsten ist.
Die Stromspuren, die am Punkt der Partikelemission beginnen, zeigen den Weg, den die Partikel nehmen. Sie zeigen Stagnationszonen, mögliche Rückflüsse, aber auch dieAuffangeffizienz bei Vorhandensein von Armen oder Schutz.

Dieser integrierte Ansatz bietet eine umfassende und visuelle Diagnose derArbeitsumgebung. Sie ermöglicht nicht nur die Validierung bestehender Systeme, sondern gibt auch präzise Empfehlungen für mögliche Verbesserungen, wie z.B. die Positionierung der Geräte, die Belüftungsraten oder die Geometrie der Arbeitsplätze.

Was die Studie ermöglicht: Validierung, Anpassung, Absicherung für eine nachhaltige Kontrolle der Staubbelastung

Die EKD im Dienste der Gesundheit der Betreiber

DieCFD-Studie, die von EOLIOS im Geologielabor durchgeführt wurde, bietet einen genauen und praktischen Einblick in die Staubentwicklung bei der Bergung von Fossilien. Durch eine realistische Modellierung derUmgebung, der Geräte und der Partikelemissionen werden die Ergebnisse genutzt, um bestehende Systeme zu validieren, Schwachstellen im System zu erkennen und konkrete Anpassungen vorzuschlagen, um die Sicherheit der Bediener zu erhöhen.

Diese Studie veranschaulicht den Mehrwert der numerischen Simulation für das Verständnis von Risikoumgebungen. Mit Hilfe eines rigorosen Ansatzes und fortschrittlicher Berechnungswerkzeuge ist es möglich, unsichtbare Phänomene wie Partikelausbreitung, Luftströmungen oder Stagnationszonen zu visualisieren und gezielt zu handeln.

Die CFD ist hier eine echte Entscheidungshilfe. Sie ermöglicht nicht nur die Validierung von Geräten, sondern auch dasVoraussehen von Fehlern bei der Aufstellung, der Dimensionierung oder der Nutzung. Durch die Sichtbarmachung von Verkehrsströmen wird die Prävention zu einer konkreten Aktion.

Ein Ansatz im Dienste der Prävention und der Leistung

Über diepunktuelle Analyse hinaus ist diese Studie Teil eines umfassenderen Ansatzes: dem eines Gesundheits- und Leistungs-Engineerings. Durch die Identifizierung von Verbesserungsmöglichkeiten, das Vorschlagen einfacher Lösungen und die Objektivierung ihrer Wirksamkeit ermöglicht die Simulationdie Optimierung von Arbeitsumgebungen bei gleichzeitiger Sicherheit der Mitarbeiter.

Für wissenschaftliche, industrielle oder Krankenhauseinrichtungen wird sie zu einem strategischen Werkzeug, um die Staubbelastung an der Quelle zu reduzieren, die Arbeitsabläufe zu kontrollieren und sichere Räume zu entwerfen, die den Anforderungen von morgen gerecht werden.

Das Fachwissen von EOLIOS Ingénierie im Dienste der Luftqualität und der Sicherheit der Mitarbeiter in Laborumgebungen

Die von EOLIOS im Geologielabor durchgeführte Studie veranschaulicht den Mehrwert der CFD-Simulation bei der Beherrschung sensibler Umgebungen. Indem es unsichtbare Phänomene sichtbar machte, konnte das Team die tatsächlichen Auswirkungen der Fanglösungen demonstrieren und die technischen Entscheidungen in Richtung leistungsfähiger und pragmatischer Geräte lenken.
Dieser Ansatz, der wissenschaftliche Forschung undangewandte Technik miteinander verbindet, bestätigt die Fähigkeit von EOLIOS, ihre Partner bei der Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen zu unterstützen, die Sicherheit, Energieeffizienz und Einhaltung von Vorschriften miteinander verbinden.
Dank dieser Studie profitiert das Labor heute von einer optimierten Staubkontrolle, die eine gesündere und dauerhaftere Arbeitsumgebung für seine Mitarbeiter gewährleistet.

Weitere Informationen zu diesem Thema :

> Projekt: Staubuntersuchung in einem Laboratorium

> Projekt: Lufttechnik für einen Reinraum

Zusammenfassung der Studie

Die von EOLIOS durchgeführte CFD-Studie validierte die Leistung des bestehenden Abzugs und der Absaugsysteme des Labors und verglich verschiedene Auffangkonfigurationen – vom Verzicht auf bewegliche Arme bis hin zu einem zusätzlichen Frontschutz an den Arbeitsplätzen. Die Ergebnisse zeigten die Risikozonen für Rezirkulation und Akkumulation auf und demonstrierten die Bedeutung der genauen Positionierung der Absaugvorrichtungen, um eine effektive Erfassung an der Quelle zu gewährleisten.
Auf der Grundlage dieser Beobachtungen wurden konkrete Optimierungen vorgeschlagen, insbesondere für die Durchflussmengen und die Geometrie der Stationen, die eine deutliche Reduzierung der Staubkonzentrationen in den Atemzonen ermöglichen. Diese Studie ermöglichte es,die lufttechnische Leistung zu objektivieren, die Arbeitsumgebung dauerhaft zu sichern und die Prävention von Gesundheitsrisiken für die Arbeiter zu verbessern.