OSNOVNA ANALIZA ČISTIH SOBO

Uvod

Čista soba je osnova za nadzor onesnaževanja. Brez čiste sobe ni mogoče masovno proizvajati delov, občutljivih na onesnaženje. V FED-STD-2 je čista soba opredeljena kot prostor s filtracijo zraka, distribucijo, optimizacijo, gradbenimi materiali in opremo, v katerem se uporabljajo specifični redni operativni postopki za nadzor koncentracije delcev v zraku, da se doseže ustrezna raven čistoče delcev.

Da bi dosegli dober učinek čistoče v čistih prostorih, se ni treba osredotočiti le na sprejemanje razumnih ukrepov za čiščenje klimatskih naprav, temveč tudi zahtevati ustrezne ukrepe od procesnih, gradbenih in drugih strokovnih delavcev: ne le razumno načrtovanje, temveč tudi skrbno gradnjo in namestitev v skladu s specifikacijami, pa tudi pravilno uporabo čistih prostorov ter znanstveno vzdrževanje in upravljanje. Da bi dosegli dober učinek v čistih prostorih, je bilo veliko domače in tuje literature predstavljenih z različnih vidikov. Pravzaprav je težko doseči idealno usklajevanje med različnimi strokovnimi delavci, oblikovalci pa težko razumejo kakovost gradnje in namestitve ter uporabo in upravljanje, zlasti slednje. Kar zadeva ukrepe za čiščenje čistih prostorov, mnogi oblikovalci ali celo gradbeni delavci pogosto ne posvečajo dovolj pozornosti njihovim potrebnim pogojem, kar ima za posledico nezadovoljiv učinek čistoče. Ta članek le na kratko obravnava štiri potrebne pogoje za doseganje zahtev glede čistoče pri ukrepih za čiščenje čistih prostorov.

1. Čistost dovoda zraka

Za zagotovitev, da čistoča dovodnega zraka ustreza zahtevam, je ključnega pomena delovanje in namestitev končnega filtra čistilnega sistema.

Izbira filtra

Končni filter sistema za čiščenje običajno uporablja hepa filter ali sub-hepa filter. V skladu s standardi naše države je učinkovitost hepa filtrov razdeljena na štiri stopnje: razred A je ≥99,9 %, razred B je ≥99,9 %, razred C je ≥99,999 %, razred D je (za delce ≥0,1 μm) ≥99,999 % (znani tudi kot ultra-hepa filtri); sub-hepa filtri so (za delce ≥0,5 μm) 95~99,9 %. Višja kot je učinkovitost, dražji je filter. Zato pri izbiri filtra ne smemo izpolnjevati le zahtev glede čistoče dovodnega zraka, temveč moramo upoštevati tudi ekonomsko racionalnost.

Z vidika zahtev glede čistoče je načelo uporaba nizkozmogljivih filtrov za čiste prostore z nizko stopnjo čistosti in visokozmogljivih filtrov za čiste prostore z visoko stopnjo čistosti. Na splošno velja: za stopnjo 1 milijon se lahko uporabljajo visoko- in srednjezmogljivi filtri; za stopnje pod razredom 10.000 se lahko uporabljajo sub-hepa ali hepa filtri razreda A; za stopnje od 10.000 do 100 se lahko uporabljajo filtri razreda B; za stopnje od 100 do 1 pa filtri razreda C. Zdi se, da obstajata dve vrsti filtrov, med katerimi lahko izbirate za vsako stopnjo čistoče. Izbira visokozmogljivih ali nizkozmogljivih filtrov je odvisna od konkretne situacije: kadar je onesnaženost okolja resna, ali je razmerje izpušnih plinov v zaprtih prostorih veliko, ali pa je čist prostor še posebej pomemben in zahteva večji varnostni faktor, je v teh ali enem od teh primerov treba izbrati visokozmogljiv filter; v nasprotnem primeru lahko izberemo nizkozmogljiv filter. Za čiste prostore, ki zahtevajo nadzor nad delci velikosti 0,1 μm, je treba izbrati filtre razreda D ne glede na nadzorovano koncentracijo delcev. Zgoraj navedeno je le z vidika filtra. Pravzaprav morate pri izbiri dobrega filtra v celoti upoštevati tudi značilnosti čiste sobe, filtra in sistema čiščenja.

Namestitev filtra

Za zagotovitev čistosti dovoda zraka ni dovolj imeti le usposobljene filtre, temveč je treba zagotoviti tudi: a. Da filter med transportom in namestitvijo ni poškodovan; b. Da je namestitev tesna. Za dosego prve točke mora biti gradbeno in montažno osebje dobro usposobljeno, z znanjem o namestitvi čistilnih sistemov in spretnostmi namestitve. V nasprotnem primeru bo težko zagotoviti, da filter ni poškodovan. V zvezi s tem obstajajo pomembne lekcije. Drugič, problem tesnosti namestitve je v glavnem odvisen od kakovosti montažne konstrukcije. Priročnik za načrtovanje na splošno priporoča: za en sam filter se uporablja odprta namestitev, tako da tudi v primeru puščanja ne bo puščalo v prostor; z uporabo dokončane HEPA odprtine za zrak je lažje zagotoviti tudi tesnost. Za zrak več filtrov se v zadnjih letih pogosto uporabljata gelsko tesnilo in tesnjenje z negativnim tlakom.

Gel tesnilo mora zagotavljati, da je spoj rezervoarja za tekočino tesen in da je celoten okvir v isti vodoravni ravnini. Tesnjenje negativnega tlaka je namenjeno temu, da je zunanji obod spoja med filtrom, ohišjem za statični tlak in okvirjem v stanju negativnega tlaka. Tako kot pri odprti namestitvi tudi v primeru puščanja ne bo puščalo v prostor. Pravzaprav bi moralo biti enostavno zagotoviti, da filter izpolnjuje zahteve glede tesnosti pri kateri koli vrsti namestitve, dokler je okvir za namestitev raven in je čelni del filtra v enakomernem stiku z okvirjem za namestitev.

2. Organizacija pretoka zraka

Organizacija pretoka zraka v čistem prostoru se razlikuje od organizacije v splošnem klimatiziranem prostoru. Zahteva, da se v delovni prostor najprej dovede najčistejši zrak. Njegova funkcija je omejiti in zmanjšati onesnaževanje obdelovanih predmetov. Zato je treba pri načrtovanju organizacije pretoka zraka upoštevati naslednja načela: čim bolj zmanjšati vrtinčne tokove, da se prepreči vnos onesnaženja od zunaj delovnega prostora v delovni prostor; poskušati preprečiti letenje sekundarnega prahu, da se zmanjša možnost kontaminacije obdelovanca s prahom; pretok zraka v delovnem prostoru mora biti čim bolj enakomeren, njegova hitrost pa mora ustrezati procesnim in higienskim zahtevam. Ko pretok zraka steče do izstopa za povratni zrak, je treba prah v zraku učinkovito odvesti. Izberite različne načine dovajanja in povratnega zraka glede na različne zahteve glede čistoče.

Različne organizacije za pretok zraka imajo svoje značilnosti in področja uporabe:

(1). Vertikalni enosmerni tok

Poleg skupnih prednosti enakomernega pretoka zraka navzdol, lažje razporeditve procesne opreme, močne samočistilne sposobnosti in poenostavitve običajnih objektov, kot so osebni čistilni sistemi, imajo štiri metode dovoda zraka tudi svoje prednosti in slabosti: popolnoma pokriti HEPA filtri imajo prednosti nizke upornosti in dolgega cikla zamenjave filtrov, vendar je stropna konstrukcija zapletena in stroški visoki; prednosti in slabosti stransko pokritega zgornjega dovoda HEPA filtrov in zgornjega dovoda s polno odprtino so nasprotne prednostim in slabostim popolnoma pokritega zgornjega dovoda HEPA filtrov. Med njimi se pri zgornjem dovodu s polno odprtino zlahka nabira prah na notranji površini odprtine, ko sistem ne deluje neprekinjeno, slabo vzdrževanje pa nekoliko vpliva na čistočo; gost zgornji dovod difuzorja zahteva mešalno plast, zato je primeren le za visoke čiste prostore nad 4 m, njegove značilnosti pa so podobne zgornjemu dovodu s polno odprtino; metoda povratnega zraka za ploščo z rešetkami na obeh straneh in odprtinami za povratni zrak, enakomerno razporejenimi na dnu nasprotnih sten, je primerna le za čiste prostore z neto razdaljo manj kot 6 m na obeh straneh; Odprtine za povratni zrak, nameščene na dnu enostranske stene, so primerne le za čiste prostore z majhno razdaljo med stenami (npr. ≤ < 2~3 m).

(2). Horizontalni enosmerni tok

Samo prvo delovno območje lahko doseže stopnjo čistoče 100. Ko zrak teče na drugo stran, se koncentracija prahu postopoma povečuje. Zato je primeren le za čiste prostore z različnimi zahtevami glede čistoče za isti postopek v istem prostoru. Lokalna razporeditev HEPA filtrov na steni za dovod zraka lahko zmanjša uporabo HEPA filtrov in prihrani začetno naložbo, vendar se na lokalnih območjih pojavljajo vrtinci.

(3). Turbulenten pretok zraka

Značilnosti zgornjega dovajanja odprtin in zgornjega dovajanja gostih difuzorjev so enake kot zgoraj omenjene: prednosti stranskega dovajanja so enostavna namestitev cevovodov, ni potreben tehnični vmesni sloj, nizki stroški in ugodnost za prenovo starih tovarn. Slabosti so, da je hitrost vetra v delovnem območju velika in koncentracija prahu na strani ob vetru višja kot na strani ob vetru; zgornje dovajanje izhodov HEPA filtrov ima prednosti preprostega sistema, brez cevovodov za HEPA filtrom in čistega zračnega toka, ki se dovaja neposredno v delovno območje, vendar se čist zračni tok počasi razprši in je pretok zraka v delovnem območju bolj enakomeren; če pa je več izhodov zraka enakomerno razporejenih ali se uporabljajo izhodi zraka HEPA filtrov z difuzorji, je lahko pretok zraka v delovnem območju bolj enakomeren; če pa sistem ne deluje neprekinjeno, je difuzor nagnjen k kopičenju prahu.

Zgornja razprava je v idealnem stanju in jo priporočajo ustrezne nacionalne specifikacije, standardi ali priročniki za načrtovanje. V dejanskih projektih organizacija pretoka zraka ni dobro zasnovana zaradi objektivnih pogojev ali subjektivnih razlogov načrtovalca. Pogosti so: vertikalni enosmerni tok uporablja povratni zrak iz spodnjega dela sosednjih dveh sten, lokalni razred 100 uporablja zgornji dovod in zgornji povratek (torej pod lokalnim odvodom zraka ni dodane viseče zavese), turbulentni čisti prostori pa uporabljajo zgornji dovod zraka s filtrom HEPA in zgornji povratek ali enostranski spodnji povratek (večji razmik med stenami) itd. Te metode organizacije pretoka zraka so bile izmerjene in večina njihove čistoče ne izpolnjuje zahtev načrtovanja. Zaradi trenutnih specifikacij za prazne ali statične pogoje nekatere od teh čistih prostorov komaj dosegajo načrtovano raven čistoče v praznih ali statičnih pogojih, vendar je sposobnost preprečevanja onesnaževanja zelo nizka in ko čist prostor vstopi v delovno stanje, ne izpolnjuje zahtev.

Pravilna organizacija pretoka zraka mora biti nastavljena tako, da zavese visijo do višine delovnega območja v lokalnem območju, razred 100.000 pa ne sme uporabljati zgornjega dovoda in zgornjega povratka. Poleg tega večina tovarn trenutno proizvaja visoko učinkovite prezračevalne odprtine z difuzorji, njihovi difuzorji pa so le okrasne odprtine in ne igrajo vloge razprševanja zraka. Oblikovalci in uporabniki bi morali temu posvetiti posebno pozornost.

3. Količina dovoda zraka ali hitrost zraka

Zadostna količina prezračevanja je namenjena redčenju in odstranjevanju onesnaženega zraka v zaprtih prostorih. Glede na različne zahteve glede čistoče je treba pri visoki neto višini čistega prostora ustrezno povečati pogostost prezračevanja. Med njimi se prostornina prezračevanja čistega prostora z 1 milijonom stopenj upošteva v skladu z visokoučinkovitim sistemom čiščenja, preostali pa v skladu z visokoučinkovitim sistemom čiščenja; če so hepa filtri čistega prostora razreda 100.000 skoncentrirani v strojnici ali pa se na koncu sistema uporabljajo sub-hepa filtri, se lahko pogostost prezračevanja ustrezno poveča za 10–20 %.

Za zgornje priporočene vrednosti prezračevalne prostornine avtor meni, da: je hitrost vetra skozi del prostora v čistem prostoru z enosmernim pretokom nizka, turbulentni čisti prostor pa ima priporočeno vrednost z zadostnim varnostnim faktorjem. Navpični enosmerni pretok ≥ 0,25 m/s, horizontalni enosmerni pretok ≥ 0,35 m/s. Čeprav je mogoče izpolniti zahteve glede čistoče pri testiranju v praznih ali statičnih pogojih, je sposobnost preprečevanja onesnaževanja slaba. Ko prostor vstopi v delovno stanje, čistoča morda ne bo izpolnjevala zahtev. Ta vrsta primera ni osamljen primer. Hkrati v seriji ventilatorjev v moji državi ni ventilatorjev, primernih za čistilne sisteme. Na splošno načrtovalci pogosto ne naredijo natančnih izračunov zračnega upora sistema ali ne opazijo, ali je izbrani ventilator na ugodnejši delovni točki na karakteristični krivulji, zaradi česar volumen zraka ali hitrost vetra kmalu po zagonu sistema ne dosežeta projektne vrednosti. Ameriški zvezni standard (FS209A~B) določa, da se hitrost pretoka zraka v enosmernem čistem prostoru skozi prečni prerez običajno vzdržuje pri 90 ft/min (0,45 m/s), neenakomernost hitrosti pa je znotraj ±20 %, če ni motenj v celotnem prostoru. Vsako znatno zmanjšanje hitrosti pretoka zraka poveča možnost samočiščenja in onesnaženja med delovnimi položaji (po objavi FS209C oktobra 1987 niso bili sprejeti nobeni predpisi za noben kazalnik parametrov, razen za koncentracijo prahu).

Zaradi tega avtor meni, da je primerno ustrezno povečati trenutno domačo projektno vrednost enosmerne hitrosti pretoka. Naša enota je to storila v dejanskih projektih in učinek je relativno dober. Turbulentni čisti prostori imajo priporočeno vrednost z relativno zadostnim varnostnim faktorjem, vendar mnogi načrtovalci še vedno niso prepričani. Pri izdelavi specifičnih načrtov povečajo prezračevalni volumen čistih prostorov razreda 100.000 na 20–25-krat/h, čistih prostorov razreda 10.000 na 30–40-krat/h in čistih prostorov razreda 1000 na 60–70-krat/h. To ne le poveča zmogljivost opreme in začetno naložbo, temveč tudi poveča prihodnje stroške vzdrževanja in upravljanja. Pravzaprav za to ni potrebe. Pri sestavljanju tehničnih ukrepov za čiščenje zraka v moji državi je bilo na Kitajskem raziskanih in izmerjenih več kot čistih prostorov razreda 100. Številni čisti prostori so bili preizkušeni v dinamičnih pogojih. Rezultati so pokazali, da lahko prezračevalni volumni čistih prostorov razreda 100.000 ≥10-krat/h, čistih prostorov razreda 10.000 ≥20-krat/h in čistih prostorov razreda 1000 ≥50-krat/h izpolnjujejo zahteve. Ameriški zvezni standard (FS2O9A~B) določa: za neenosmerne čiste prostore (razred 100.000, razred 10.000) z višino prostora 8~12 čevljev (2,44~3,66 m) se običajno upošteva, da se celoten prostor prezračuje vsaj enkrat na 3 minute (tj. 20-krat/h). Zato je bil v specifikaciji zasnove upoštevan velik koeficient presežka, zato lahko načrtovalec varno izbere glede na priporočeno vrednost prezračevalnega volumna.

4. Statična tlačna razlika

Vzdrževanje določenega pozitivnega tlaka v čistem prostoru je eden bistvenih pogojev za zagotovitev, da čisti prostor ni onesnažen ali da je manj onesnažen, da se ohrani načrtovana raven čistoče. Tudi čisti prostori z negativnim tlakom morajo imeti sosednje sobe ali apartmaje s stopnjo čistoče, ki ni nižja od njihove ravni, da se ohrani določen pozitivni tlak, da se ohrani čistoča čistega prostora z negativnim tlakom.

Vrednost pozitivnega tlaka v čistem prostoru se nanaša na vrednost, pri kateri je notranji statični tlak večji od zunanjega statičnega tlaka, ko so vsa vrata in okna zaprta. To se doseže tako, da je prostornina dovoda zraka čistilnega sistema večja od prostornine povratnega in izpušnega zraka. Da bi zagotovili vrednost pozitivnega tlaka v čistem prostoru, so dovodni, povratni in izpušni ventilatorji po možnosti medsebojno povezani. Ko je sistem vklopljen, se najprej zažene dovodni ventilator, nato pa povratni in izpušni ventilatorji; ko je sistem izklopljen, se najprej izklopi izpušni ventilator, nato pa povratni in izpušni ventilatorji, da se prepreči kontaminacija čistega prostora med vklopom in izklopom sistema.

Količina zraka, potrebna za vzdrževanje pozitivnega tlaka v čistem prostoru, je v glavnem odvisna od zrakotesnosti vzdrževalne konstrukcije. V zgodnjih dneh gradnje čistih prostorov v moji državi je bilo zaradi slabe zrakotesnosti zaprte konstrukcije potrebno 2 do 6-kratno dovajanje zraka na uro, da se je vzdrževal pozitivni tlak ≥ 5 Pa; trenutno se je zrakotesnost vzdrževalne konstrukcije močno izboljšala in za vzdrževanje enakega pozitivnega tlaka je potrebno le 1 do 2-kratno dovajanje zraka na uro; za vzdrževanje ≥ 10 Pa pa le 2 do 3-kratno dovajanje zraka na uro.

Projektne specifikacije moje države [6] določajo, da razlika statičnega tlaka med čistimi prostori različnih stopenj in med čistimi in nečistimi območji ne sme biti manjša od 0,5 mm H2O (~5 Pa), razlika statičnega tlaka med čistim območjem in zunanjim prostorom pa ne sme biti manjša od 1,0 mm H2O (~10 Pa). Avtor meni, da je ta vrednost prenizka iz treh razlogov:

(1) Pozitivni tlak se nanaša na sposobnost čistega prostora, da zmanjša onesnaženost zraka v zaprtih prostorih skozi reže med vrati in okni ali da zmanjša onesnaževala, ki prodrejo v prostor, ko se vrata in okna za kratek čas odprejo. Velikost pozitivnega tlaka kaže na moč sposobnosti zatiranja onesnaževanja. Seveda, večji kot je pozitivni tlak, tem bolje (o čemer bomo razpravljali kasneje).

(2) Prostornina zraka, potrebna za pozitivni tlak, je omejena. Prostornina zraka, potrebna za pozitivni tlak 5 Pa in pozitivni tlak 10 Pa, se razlikuje le za približno 1-krat na uro. Zakaj tega ne bi storili? Očitno je bolje, da je spodnja meja pozitivnega tlaka 10 Pa.

(3) Ameriški zvezni standard (FS209A~B) določa, da je minimalna razlika pozitivnega tlaka med čistim prostorom in sosednjim območjem z nizko stopnjo čistoče 0,05 palca vodnega stolpca (12,5 Pa), ko so vsi vhodi in izhodi zaprti. To vrednost so sprejele številne države. Vendar pa vrednost pozitivnega tlaka v čistem prostoru ni višja, boljša. Glede na dejanske inženirske teste naše enote, ki trajajo več kot 30 let, je pri vrednosti pozitivnega tlaka ≥ 30 Pa težko odpreti vrata. Če vrata zaprete neprevidno, bo to pok! To bo ljudi prestrašilo. Ko je vrednost pozitivnega tlaka ≥ 50~70 Pa, bodo vrzeli med vrati in okni žvižgale, šibki ali tisti z neprimernimi simptomi pa se bodo počutili neprijetno. Vendar ustrezne specifikacije ali standardi mnogih držav doma in v tujini ne določajo zgornje meje pozitivnega tlaka. Posledično si številne enote prizadevajo izpolniti le zahteve spodnje meje, ne glede na to, kolikšna je zgornja meja. V dejanskem čistem prostoru, s katerim se je avtor srečal, je vrednost pozitivnega tlaka dosegla 100 Pa ali več, kar je povzročilo zelo negativne učinke. Pravzaprav prilagajanje pozitivnega tlaka ni težko. Povsem mogoče ga je nadzorovati znotraj določenega območja. Obstaja dokument, ki navaja, da neka država v vzhodni Evropi določa vrednost pozitivnega tlaka na 1–3 mm H20 (približno 10–30 Pa). Avtor meni, da je to območje ustreznejše.