Kwalificatie van laboratoriumzuurkasten.

De laboratoriumzuurkast en haar normenkader

EOLIOS voert de prekwalificaties van uw zuurkasten in de ontwerpfase uit, alsook de insluitingsproeven, met CFD-modellering.

Context

De laboratoriumzuurkast is een systeem van plaatselijke bescherming, gebruikt waar gevaarlijke stoffen worden gehanteerd. Haar taak is de blootstelling van mensen aan schadelijke stoffen te beperken door de toxische dampen en het zwevende stof die in haar behuizing ontstaan af te vangen en af te voeren met een afzuigstroom. Om hun prestaties in de tijd te behouden ondergaan zuurkasten periodieke controles.

Geldende Franse wetgeving

De beoordeling van de werking van zuurkasten valt onder de Europese norm EN 14175, die de methodologie voor de prestatiebeoordeling bij kwalificatie-, opleverings- of routineproeven beschrijft. Bij een controle worden metingen van de frontale luchtsnelheid aan de instroomopening van de zuurkast uitgevoerd met hittedraadanemometrie; ook wordt een insluitingsproef met traceergas SF6 uitgevoerd, evenals een kwalitatieve visualisatie van de stroming met rook.

Oude regelgeving: de norm XP X 15-203

In Frankrijk moesten de controles voor zuurkasten die vóór 2006 zijn geplaatst voldoen aan de Franse norm XP X 15-203, die grenswaarden voor de frontale luchtsnelheid en insluitingsniveaus vastlegde:

• Frontale luchtsnelheid: 0,4 m/s;
• Containment: concentratie van het traceergas in het openingsvlak overal lager dan 0,1 ppm.

De norm EN 14175: nieuwe parameters voor de luchtproeven

De te respecteren grenswaarden

• Frontale luchtsnelheid: geen grenswaarde in de norm, maar 0,4 m/s in Frankrijk;
• Containment: geen grenswaarde in de norm, maar de Franse norm XP X 15-206, die ter aanvulling is opgesteld, legt 0,1 ppm vast voor de gemiddelde concentratie van het traceergas SF6 (zwavelhexafluoride);
• een veel groter aantal geteste parameters.

De verplichte controles

• Afgezogen luchtdebiet: gemeten in het afvoerkanaal om de stromingskarakteristieken te controleren en als referentie voor toekomstige controles te dienen;
• Frontale luchtsnelheid: gemeten met thermische anemometrie, referentiewaarden voor de periodieke controles.

Insluiting: de meting met SF6-tracering

De insluitingsproef met SF6-gas verloopt in drie stappen:

• genereren van traceergas SF6 op specifieke plaatsen binnen het werkvolume;
• afnemen van lucht op verschillende plaatsen, in het openingsvlak van de zuurkast;
• meten van de SF6-concentratie om het lek van de stoffen naar het personeel te kwantificeren.

Voor de norm NEN-EN 14175 hangt het aantal meetpunten af van de breedte van de zuurkast; deel 3 beschrijft de berekening van de proefposities. Tijdens de proeven is het beweegbare front 500 mm geopend.

CFD-modellering van laboratoria en cleanrooms

Globaal inzicht in de thermische en stromingsfenomenen

De simulaties dragen bij aan een beter inzicht in de vraagstukken, zodat al in de ontwerpfase relevante technische oplossingen kunnen worden ontwikkeld. Laboratoria kunnen integraal worden gesimuleerd, waardoor de invloed van talrijke fenomenen gelijktijdig kan worden geanalyseerd. Het CFD-onderzoek voor de kwalificatie van een zuurkast brengt met name parasitaire luchtstromen aan het licht die de instroomopening van de zuurkasten verstoren.

Project: CFD-simulatie van een laboratorium met zuurkasten

Ontwerp van laboratoriumruimtes en cleanrooms

Aan het begin van het ontwerp is het vermenigvuldigen van proefopstellingen snel kostbaar en tijdrovend. CFD-simulatie maakt het mogelijk een groot aantal prototypes in korte tijd te testen en zo snel informatie te verzamelen voor de optimalisatie van de systemen en de plaatsing van de zuurkasten.

CFD: een nieuw ontwerpprotocol

De simulatie geeft toegang tot talrijke parameters die experimenteel moeilijk te meten zijn: zij levert onmiddellijk gegevens in elk punt, en niet slechts plaatselijk. Zo kunnen de lekken nauwkeurig worden opgespoord tijdens de insluiting. CFD in de eigen protocollen opnemen betekent een expertblik toevoegen bij het zoeken naar oplossingen: de kwalificatie van de zuurkasten wordt daardoor beveiligd en versneld.

Een CFD-methode voor de kwalificatie van zuurkasten

Modellering van de luchtstromingen

Voor een onmiddellijke ruimtelijke meting van de luchtsnelheid maken wij gebruik van precieze stromingsleer. De betrokken stromingen worden beschreven door de partiële differentiaalvergelijkingen van Navier-Stokes; analytisch onoplosbaar, worden zij numeriek opgelost met de methode van de eindige elementen, die de best mogelijke benaderde oplossing geeft. Die berekening vereist dat de rand- en uitstroomvoorwaarden vooraf bekend zijn — de inblaas-, afzuig- en aanzuigdebieten van de zuurkasten —, vastgelegd als hypothesen en absoluut te verifiëren om geldige conclusies te kunnen trekken.

Numerieke insluitingsmeting

Bij de kwalificatie moet het lekdebiet van de verontreinigende agentia worden gecontroleerd om de gebruiker niet te besmetten. Om dat agens te modelleren gebruiken wij verschillende simulatiemethoden voor een traceergas, om een fijne precisie en betrouwbare resultaten te waarborgen.

Numerieke validatie van de kwalificatie

Om de conformiteit van de insluiting met de norm te controleren modelleren wij de verspreiding van het traceergas in de zuurkast in stationair regime. Een methode met isovolume bevestigt vervolgens dat al het traceergas op de reglementaire schaal binnen de behuizing blijft: als het resultaat wordt bevestigd, voldoet de zuurkast aan de insluitingsvoorwaarden die de wetgeving oplegt.