PLANUNG UND QUALIFIZIERUNG REINRAUMTECHNISCHER ANLAGEN MIT HILFE VON CFD SIMULATIONEN. Dr. Daniel Gubler

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1 PLANUNG UND QUALIFIZIERUNG REINRAUMTECHNISCHER ANLAGEN MIT HILFE VON CFD SIMULATIONEN Dr. Daniel Gubler

2 AFC Kennenlernen von AFC Know-How & Dienstleistungen Mitarbeiter Neuigkeiten bei AFC Kontaktpflege, Geselligkeit, Austausch & Networking Wissenstransfer In regelmässigen Abständen (ca. alle 2 Monate) Jeweils in Zürich und Bern Programm & Daten auf Heute: PLANUNG UND QUALIFIZIERUNG REINRAUMTECHNISCHER ANLAGEN MIT HILFE VON CFD SIMULATIONEN Apero und Diskussion 2

3 Doppelfassaden - History Was bisher geschah Teilnehmerzahl (Total) als Diagramm Entrauchungskonzepte Turbomaschinen Kosten Optimierter Brandschutz GEAK Explosionen Datacenter

4 Firmenportrait Zahlen & Fakten 1995 als Spin-Off der ETH gegründet seit 2000 als AG unter AFC Air Flow Consulting AG tätig 2010 Expertenteam mit rund 25 Mitarbeitern Technische Infrastruktur auf höchstem Niveau 4

5 Firmenportrait Sportliches Team von Experten und Ingenieuren Ressourcen- und kostensparendes Projektmanagement Technische Unterstützung auf höchstem Niveau Kreative und massgeschneiderte Lösungsansätze Schnelle und unkomplizierte Arbeitsweise 5

6 Leistungsspektrum Bereich Contaminant Control 6

7 Simulation im Planungsablauf Projektanstoss Vorstudie Hauptstudie Detailstudie Realisierung Nutzung 7

8 Simulation im Planungsablauf Projektanstoss Vorstudie Hauptstudie Detailstudie Realisierung Nutzung Folgekosten Entscheidungsfreiheit 8

9 Simulation im Planungsablauf Projektanstoss Einsatz von Simulationen Vorstudie Hauptstudie Detailstudie Realisierung Nutzung Folgekosten Entscheidungsfreiheit 9

10 Planung im Gesamtablauf (SIA 112) 10

11 Planung im Gesamtablauf (SIA 112) 11

12 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Zieldefinition Produktschutz Schutz des Produkts vor Verunreinigung (Quelle: Mensch) - Bestimmung der Schutzanforderungen für das Produkt (Normen / Richtlinien) - Analyse des Produktionsprozess, mögliche Kontaminationsquellen - Quellstärke ermitteln (z.b. Partikelquelle Mensch) - Planung Lüftungsstrategie Personenschutz / Arbeitssicherheit Schutz des Mitarbeiters vor (toxischem) Produkt - Bestimmung der Schadstoffe - Bestimmung der Quellstärke - Bestimmung der max. zulässigen Mitarbeiterbelastung - Definition der Zielgrösse für eine geplante Lüftungsstrategie - Design einer geeigneten Lüftungsanlage Diese Vorgaben sind relevante Eingabeparameter für eine verlässliche Computersimulation und für eine Beurteilung von unterschiedlichen Konzepten und Lösungsstrategien 12

13 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Standard-Lüftungsdesign (Design = Planung) Es gibt Grundideen und Regeln für die Lüftungsplanung - Lüftung, Lüftungsrate Basis für Lüftungsrate sind Quellen: Partikelbelastung, Zielwertdefinition Turbulente Mischlüftung oder Laminarflow Anlage ( gerichtete Strömung) Goldene Regel der Reinraumtechnik: Luftgeschwindigkeit >= 0.45 m/s Abnahme erfolgt mit Rauchvisualisierung, Strömungsmessung (Punktuell) Diverse Messungen / Monitoring (Langzeit) Planer erwartet, dass der Normalfall vorliegt und die Anwendung von einfachen Regeln zum Erfolg führt Wer garantiert Ihnen das in Ihrem Fall? Gibt es einfachere Lösungen? Effizienter, Energiesparender? 13

14 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Allgemeine Lüftungsprinzipien Reinraumtechnik Industrielüftung Lebensmitteltechnik Relevant in Reinraumtechnik Mischlüftung Quell-Lüftung Kolbenlüftung Lokale Absaugung Schadstoffquelle Hohe Schadstoffkonzentration 14

15 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Lüftung in Reinraumtechnik Lüftungsprinzipien relevant in Reinraumtechnik ISO ISO Varianten Mischlüftung Turbulente Mischlüftung ISO 5 Laminarflow / Turbulenzarme Verdrängungsströmung 15

16 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Separation von Qualitätsklassen im gleichen Raum Laminarflow in wichtigen Bereichen (ISO 5) Hohe Luftmenge, TEUER Normalbereich ISO 7 ISO 5 (A) ISO 7 (B) 16

17 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Welche Planungsrisiken bestehen? 17

18 Schutzziele, Methoden & Lüftungsstrategien Raumströmung als Ganzes Detailströmungen im Handlingbereich Zeichnungen nach K.Haberer 0.45m/s +/- 20%? 0.45m/s? < 0.3 m/s???? < 0.1 m/s? 18

19 Computersimulation weshalb? Warum Simulation Prototypen und Versuche können extrem aufwendig & teuer sein Prototypen können nicht möglich sein (Gebäudetechnik) Simulation hilft zur Planungssicherheit 19

20 CFD Computational Fluid Dynamics Konzept CAD-Modell Doppeldiffusor Ergebnis Berechnungsgitter Berechnung 20

21 CFD Computational Fluid Dynamics Berechnung 21

22 CFD Computational Fluid Dynamics Start Problemdefinition und Randbedingungen Erstellen und parametrisieren der Geometrie Erzeugung Rechengitter Halbautomatisch nachdem Erstellen der ersten Simulation Preprocessing (Simulationsparameter) Solver (Simulation) Postprocessing (Visualisierung und Daten-Extrahierung) Modifikation der Geometrie Sind die Resultate zufriedenstellend? Nein Ja Ende 22

23 Simulation (in unserem Fall CFD) liefert Antworten 23

24 Einsatzbereich der Simulation im Reinraum / Industrielüftung Belüftung Gerätkomponente Gebäude Gesamtreinraum Gerät Anlage 24

25 Abzubildende Einflüsse H2O2 Verteilung bei Dekontamination Bewegte Objekte Thermische Quellen Akkumulation von Partikel Luftströmung im Raum Partikel-Verteilung Luftströmung in Bauteilen Strömungstechnische Optimierung 25

26 Praxisbeispiele

27 Praxisbeispiel: Reinraum - Gesamtbetrachtung Ausgangslage Einfacher Reinraum mit LF & Schürze Geplant und realisiert ohne Simulation Auf den 1. Blick unproblematisch Aufgabe für AFC Abbildung der Ist-Situation mit Simulation Entwicklung Lösungskonzept Nachweis der Funktion mit Simulation Kritische Punkte Anlage bereits gebaut Lüftung bereits eingeregelt Modifikation führt zu Betriebsunterbruch Hohe Kosten für Anpassungen Kein Try & Error 27

28 Praxisbeispiel: Reinraum - Gesamtbetrachtung Konzeptidee Wirbelbildung durch Bodennahe Absaugung verhindern Fragen Bestimmung der Lage der Absaugstellen? Bestimmen der Luftmenge? Vorgehen 1. Abbildung Ist-Situation mit CFD (Kann CFD diesen Wirbel abbilden?) 2. Entwurf Lösung in Absprache mit Kunde (Machbarkeit) 3. Nachweis der Funktion 4. Test mit Rauchversuch 28

29 Praxisbeispiel: Reinraum - Gesamtbetrachtung Ist-Situation Berechnungsmodell CAD Detaillierte Abbildung der Ist-Situation 29

30 Praxisbeispiel: Reinraum - Gesamtbetrachtung Ist-Situation Berechnungsergebnis 30

31 Praxisbeispiel: Reinraum - Gesamtbetrachtung Modifikation Berechnungsmodell CAD 31

32 Praxisbeispiel: Reinraum - Gesamtbetrachtung Nach Modifikation Berechnungsergebnis 32

33 Praxisbeispiel: Benutzereinfluss Partikelverschleppung durch Bewegungen Türen Maschinenteile / Roboter Menschen Strömungsinduktion durch Bewegung 33

34 Praxisbeispiel: Benutzereinfluss Personenbewegung Zone B Türbewegung Zone A Partikeleinschleppung Wirbel durch Bewegung 34

35 Praxisbeispiel: Benutzereinfluss 35

36 Praxisbeispiel: crabs Restricted Access Barrier System Ausgangslage Anlage geplant und erstellt mit Mischlüftung 2 Deckeneinlässe und 3-4 Bodenabsaugungen in der Anlage Anpassung der Anforderungen nach Planung und Fertigung aber vor Inbetriebnahme der Anlage Aufgabe für AFC Abbildung der Ist-Situation mit Simulation Entwicklung Lösungskonzept möglichst laminare Downströmung Nachweis der Funktion mit Simulation Kritische Punkte Anlage bereits gebaut Kaum Einbauplatz für CG-Filter oder Strömungslenkende Bauteile Termindruck 36

37 Praxisbeispiel: crabs Restricted Access Barrier System Abbildung Ist-Situation Inlet 1 Outlet 1 Inlet 2 Inlet 3 Outlet 2 Interface EI - BI Outlet 6 Outlet 5 Outlet 3 Opening Waschmaschine Outlet 4 37

38 Konzept: Prallplatten Prallplatten Zuluft D D/2 2*D 38

39 Konzept: Lochbleche Wegen des für diese Variante benötigten sehr feinen Rechengitters wurde nur die Hälfte des Entladeisolators simuliert Einsatz von Lochblechen mit verschiedenen Verhältnissen von A frei /A total 20% frei Lochbleche 7.5% frei 50% frei 50% frei 30% frei 39

40 Konzept: Drallauslässe 40

41 Konzept: Kanallösung Die Kanäle werden vereinfacht modelliert. Ein gleichmässiger Luftaustritt wird angenommen. Kanallösung 41

42 Resultate im Vergleich: Streamlines G07: 20-facher Luftwechsel G09: 20-facher Luftwechsel G14: 20-facher Luftwechsel G19: 120-facher Luftwechsel 42

43 Resultate im Vergleich: Contourplot von v z G07: 20-facher Luftwechsel G09: 20-facher Luftwechsel G14: 20-facher Luftwechsel G19: 120-facher Luftwechsel 43

44 Resultate im Vergleich: Isosurface bei v z =0.01 m/s G07: 20-facher Luftwechsel G09: 20-facher Luftwechsel G14: 20-facher Luftwechsel G19: 120-facher Luftwechsel 44

45 Praxisbeispiel: Anlagekompnente Ausgangslage Um die Waschleistung zu verbessern muss die Geometrie einer Sprühdüse optimiert werden. Aufgabe für AFC Optimierung der Düsengeometrie Nachweis der Funktion mit Simulation Kritische Punkte 45

46 Praxisbeispiel: Anlagekomponente Austritts-Winkel Druckverlust Strömungsbild Messung bar Simulation 44 46

47 Praxisbeispiel: Anlagekomponente Resultat der Optimierung 47

48 Praxisbeispiel: Anlagekompnente Resultat der Optimierung 48

49 Praxisbeispiel: Anlagekompnente Resultat der Optimierung (Movie) 49

50 Beladestation 50

51 Beladestation Standardlösung: Laminarflow über dem gesamten Bereich 51

52 Beladestation Konzeptidee: Nur den Bereich mit offenem Produkt durch saubere Luft schützen Nachweis der Funktion am virtuellen Prototyp Abnahme durch Versuch 52

53 Kosten vs. Nutzen CFD ist die Methode die solche Analysen ermöglicht! Zielwerte durch CFD Optimierung erreicht CFD Studie führt zu: Reduktion der Installationskosten auf <30% Reduktion der Betriebskosten auf <50% Reduktion der Energiekosten auf <10% 53

54 Kosten vs. Nutzen Kosten CFD Selber machen Kosten SW & HW Kosten Mitarbeiter (Team) Kosten Erfahrung Aufbauen mit CAE Kosten bei Planung ohne CFD Risiko Fehlplanung Risiko Betriebsunterbrüche Kostenintensive Anpassungen Kosten Outsourcing Projektbezogene Abrechnung Vorteil der Erfahrung von Outsourcing Partner 54

55 Qualifizierung Laufende Dokumentation in der Planung Simulation aller Anpassungen und Modifikationen Planung von Anpassungen und deren Auswirkung auf HLK-System Qualifizierung mit Messungen / Rauchvisualisierung Simulation Planung Erstellung Betrieb Anpassung Betrieb Anpassung Periodische Assessments & Qualifizierung mit Messungen / Rauchvisualisierung 55

56 Weitere Veranstaltung Infos: 56

57 FRAGEN