CFD-Analysen von Luftreinigern

Warum sind CFD-Analysen von Luftreinigungssystemen so komplex?

Artikel von Dipl.-Ing. Sven Rentschler

 

X-CYCLONE_Technology_CFD

Abb.1 – CFD der X-CYCLONE® Technologie

Abbildung 1 zeigt eine CFD-Analyse eines X-CYCLONE® Aerosolabscheiders. Was zeigt diese Darstellung? Die Strömungsbahnen der Partikel werden in unterschiedlichen Farben dargestellt, d. h. unterschiedliche Farben zeigen den Strömungsverlauf für unterschiedliche Partikelgrößen an. Dabei ist eine ganz wichtige Erkenntnis, dass sich die luftgetragenen Aerosole (Partikel) nicht immer so wie die Luftströmung verhalten. Wäre das Strömungsverhalten der Luft immer so wie das der der luftgetragenen Partikel, dann wäre der Abscheidegrad jedes Filters und jedes Abscheiders gleich Null!

Oft ist das Strömungsverhalten der Luft nicht identisch mit dem Strömungsverhalten der luftgetragenen Aerosole!

Das hört sich logisch an, aber genau auf dieser Tatsache fußen sehr viele Fehlinterpretationen im Bereich der gewerblichen Küchenlüftung und der industriellen Luftreinigung! Viel zu oft wird nämlich „nur“ das Strömungsverhalten der Luft untersucht und dann stillschweigend eins zu eins auf das der luftgetragenen Schadstoffe, wie z. B. Aerosole oder Rußpartikel, übertragen. Das ist gefährlich und in den meisten Fällen schlicht und einfach falsch. Solche undifferenzierten CFD-Analysen mögen für Hersteller von Torluftschleiern oder von Deckenzuluftsystemen ausreichend sein, denn bei derartigen Systemen geht es wirklich nur um die Luftströmung. Bei einem System zur Luftreinigung geht es aber um mehr!

So ist auch in der neuen EN 16282 ein Funktionsnachweis eine zentrale Forderung! Ist die Funktion nachgewiesen, kann nach der neuen EN 16282 sogar die Luftmenge verringert werden, was ja indirekt beim Einsatz von Induktionssystemen geschieht. Dort wird zumindest die durch den Raum transportierte Zuluftmenge reduziert!

Was aber gilt als Nachweis der Funktion eines Luftreinigers? Wann kann attestiert werden, dass die Erfassungshaube funktioniert? Die Funktion ist dann nachgewiesen, wenn die Schadstoffe vom Arbeitspersonal ferngehalten werden und der Maschinenbediener oder der Koch nicht mit Rauch, Aerosolen oder Dämpfen in Berührung kommt. Eine hundertprozentige Funktionsgarantie kann nur gegeben werden, wenn Aerosole, Dämpfe, Rußpartikel usw. nicht auf das Personal einwirken können!

Um das zu erreichen, muss analysiert und untersucht werden, wie sich die luftgetragenen Partikel verhalten. Es reicht nicht aus, nur zu untersuchen, wie die Luftströmung fließt!

Eine differenzierte Untersuchung erfordert aufwendige Messtechnik und macht eine CFD-Analyse äußerst schwierig, denn es reicht in gar keinem Fall aus, z. B. nur die Luftströmungen in einer ganzen Küche zu analysieren. Die Schlussfolgerung, dass wenn die Luftströmungen in der Küche in Ordnung sind, auch das Personal sicher ist, wäre nur richtig, wenn alle luftgetragenen Schadstoffe immer das gleiche Strömungsverhalten zeigten wie die Luftmoleküle. Dass dem aber nicht so ist, haben wir schon am Anfang dieses Berichts gesehen!

Deshalb führen wir z. B. komplexe CFD-Analysen von Erfassungshauben mit Induktionssystem durch! Vergleichen Sie hierzu die nachfolgende Abbildung aus dem aktuellen REVEN® (siehe www.reven-epaper.de) Katalog:

REVEN_Technology_CFD

Abb.2 – CFD der REVEN® Technologie

In dieser Abbildung stehen die unterschiedlichen Farben nicht für unterschiedliche Partikelgrößen, sondern für unterschiedliche Verweilzeiten. So kann es bei luftgetragenen Partikeln durchaus vorkommen, dass sie eine Verweilzeit gleich Null haben! Was bedeutet das? Ein durch die Thermik bewegter Partikel mit einer Verweilzeit von null Sekunden schwebt auf der Stelle. Eine negative Verweilzeit bedeutet, der Partikel fällt nach unten usw. Dies sind vor allem bei der CFD-Analyse von Erfassungssystemen sehr wichtige Aspekte, da oft räumliche Distanzen von bis zu drei Metern untersucht werden müssen. Deshalb muss auch hier wieder beachtet werden, dass luftgetragene Partikel nicht zwangsläufig mit der warmen Luft nach oben steigen und z. B. von der Erfassungshaube erfasst und abgesaugt werden! Der Partikel kann aufgrund von Kondensationseffekten „wachsen“, also größer und schwerer werden. Dann legt er sehr schnell ein anderes Strömungsverhalten an den Tag und folgt nicht mehr der Strömung der Luftmoleküle.

Daher muss per CFD analysiert und untersucht werden, welche Partikel der Luftströmung folgen und welche nicht und ab welcher Größe die Partikel ein anderes Strömungsverhalten zeigen? Mit diesen Erkenntnissen kann dann in der Praxis analysiert werden, welche Partikelgrößen bei welchen Prozessen unter welchen Parametern erzeugt und an den Luftstrom abgegeben werden und was mit diesen Partikeln in den betreffenden Luftreinigern und Erfassungssystemen strömungstechnisch geschieht.

Wir teilen daher nicht die Auffassung einiger Lüftungsgerätehersteller und des deutschen HKI Küchenlüftungsverbandes, dass CFD-Analysen am besten nur für ganze Räume erstellt werden sollten und nicht für das einzelne Erfassungssystem. Sicher ist es interessant zu wissen, wie sich die Luftströmungen in einem ganzen Raum entwickeln und sicher sind gute Strömungsverhältnisse ein Garant für eine gute Erfassung, aber ein Funktionsnachweis und ein Nachweis, dass die luftgetragenen Schadstoffe unter Kontrolle sind, ist eine derart vereinfachte Untersuchung der Luftströmung im Raum noch lange nicht.

Den endgültigen Funktionsnachweis kann man nur erbringen, wenn man das Augenmerk und den Schwerpunkt der Untersuchungen auf die luftgetragenen Partikel und Aerosole legt, sowohl in der Analyse, als auch in der Messtechnik.

 

Sersheim, den 26. November 2015

Rentschler Reven GmbH

Dipl.-Ing. Sven Rentschler

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