TĪRĀS TELPAS PAMATANALĪZE

Ievads

Tīrtelpa ir piesārņojuma kontroles pamats. Bez tīrtelpas piesārņojumam jutīgas detaļas nevar ražot masveidā. FED-STD-2 standartā tīrtelpa ir definēta kā telpa ar gaisa filtrāciju, sadali, optimizāciju, celtniecības materiāliem un aprīkojumu, kurā tiek izmantotas īpašas regulāras darbības procedūras, lai kontrolētu gaisā esošo daļiņu koncentrāciju, lai sasniegtu atbilstošu daļiņu tīrības līmeni.

Lai sasniegtu labu tīrības efektu tīrtelpā, ir jākoncentrējas ne tikai uz saprātīgu gaisa kondicionēšanas attīrīšanas pasākumu veikšanu, bet arī jāpieprasa, lai procesa, būvniecības un citas specialitātes veiktu atbilstošus pasākumus: ne tikai saprātīgu projektēšanu, bet arī rūpīgu konstrukciju un uzstādīšanu saskaņā ar specifikācijām, kā arī pareizu tīrtelpas izmantošanu un zinātnisku apkopi un pārvaldību. Lai sasniegtu labu efektu tīrtelpā, daudzi vietējie un ārvalstu literatūras avoti ir izskaidroti no dažādiem skatupunktiem. Faktiski ir grūti panākt ideālu koordināciju starp dažādām specialitātēm, un dizaineriem ir grūti aptvert gan būvniecības un uzstādīšanas kvalitāti, gan izmantošanu un pārvaldību, īpaši pēdējo. Runājot par tīrtelpas attīrīšanas pasākumiem, daudzi dizaineri vai pat būvniecības puses bieži vien nepievērš pietiekamu uzmanību to nepieciešamajiem nosacījumiem, kā rezultātā tīrības efekts ir neapmierinošs. Šajā rakstā tikai īsumā aplūkoti četri nepieciešamie nosacījumi tīrības prasību sasniegšanai tīrtelpas attīrīšanas pasākumos.

1. Gaisa padeves tīrība

Lai nodrošinātu, ka gaisa padeves tīrība atbilst prasībām, galvenais ir attīrīšanas sistēmas gala filtra veiktspēja un uzstādīšana.

Filtra atlase

Attīrīšanas sistēmas pēdējais filtrs parasti ir HEPA filtrs vai sub-HEPA filtrs. Saskaņā ar mūsu valsts standartiem HEPA filtru efektivitāte tiek iedalīta četrās pakāpēs: A klase ir ≥99,9%, B klase ir ≥99,9%, C klase ir ≥99,999%, D klase (daļiņām ≥0,1 μm) ir ≥99,999% (pazīstama arī kā ultra-HEPA filtri); sub-HEPA filtri (daļiņām ≥0,5 μm) ir 95–99,9%. Jo augstāka efektivitāte, jo dārgāks filtrs. Tāpēc, izvēloties filtru, jāņem vērā ne tikai gaisa padeves tīrības prasības, bet arī ekonomiskā pamatotība.

No tīrības prasību viedokļa princips ir izmantot zemas veiktspējas filtrus zema līmeņa tīrtelpām un augstas veiktspējas filtrus augsta līmeņa tīrtelpām. Vispārīgi runājot: augstas un vidējas efektivitātes filtrus var izmantot 1 miljona līmenim; zem 10 000 klases var izmantot sub-HEPA vai A klases HEPA filtrus; no 10 000 līdz 100 klasei var izmantot B klases filtrus; un no 100 līdz 1 līmenim var izmantot C klases filtrus. Šķiet, ka katram tīrības līmenim ir divu veidu filtri, no kuriem izvēlēties. Tas, vai izvēlēties augstas veiktspējas vai zemas veiktspējas filtrus, ir atkarīgs no konkrētās situācijas: ja vides piesārņojums ir nopietns, vai iekštelpu izplūdes koeficients ir liels, vai tīrtelpa ir īpaši svarīga un tai nepieciešams lielāks drošības koeficients, šajos vai vienā no šiem gadījumiem jāizvēlas augstas klases filtrs; pretējā gadījumā var izvēlēties zemākas veiktspējas filtru. Tīrtelpām, kurām nepieciešama 0,1 μm daļiņu kontrole, neatkarīgi no kontrolējamās daļiņu koncentrācijas jāizvēlas D klases filtri. Iepriekš minētais ir tikai no filtra viedokļa. Patiesībā, lai izvēlētos labu filtru, pilnībā jāņem vērā arī tīrtelpas, filtra un attīrīšanas sistēmas īpašības.

Filtra uzstādīšana

Lai nodrošinātu gaisa padeves tīrību, nepietiek tikai ar kvalificētiem filtriem, bet arī jānodrošina: a. Filtrs netiek bojāts transportēšanas un uzstādīšanas laikā; b. Uzstādīšana ir hermētiska. Lai sasniegtu pirmo punktu, būvniecības un uzstādīšanas personālam jābūt labi apmācītam, ar zināšanām par attīrīšanas sistēmu uzstādīšanu un prasmēm uzstādīšanas jomā. Pretējā gadījumā būs grūti nodrošināt, lai filtrs netiktu bojāts. Šajā ziņā ir dziļas mācības. Otrkārt, uzstādīšanas hermētiskuma problēma galvenokārt ir atkarīga no uzstādīšanas konstrukcijas kvalitātes. Projektēšanas rokasgrāmatā parasti ieteikts: vienam filtram tiek izmantota atvērta tipa uzstādīšana, lai pat noplūdes gadījumā tas nenoplūstu telpā; izmantojot gatavu HEPA gaisa izvadu, hermētiskumu ir vieglāk nodrošināt. Vairāku filtru gaisam pēdējos gados bieži tiek izmantots gēla blīvējums un negatīvā spiediena blīvējums.

Gēla blīvējumam jānodrošina šķidruma tvertnes savienojuma hermētiskums un kopējā rāmja atrašanās vienā horizontālā plaknē. Negatīvā spiediena blīvējuma mērķis ir panākt, lai filtra un statiskā spiediena kārbas savienojuma ārējā perimetrs un rāmis atrastos negatīvā spiediena stāvoklī. Tāpat kā atvērtā tipa instalācijā, pat ja ir noplūde, viela nenoplūdīs telpā. Faktiski, ja instalācijas rāmis ir plakans un filtra gala virsma vienmērīgi saskaras ar instalācijas rāmi, filtram jābūt viegli atbilstošām jebkura veida instalācijas hermētiskuma prasībām.

2. Gaisa plūsmas organizācija

Tīrtelpas gaisa plūsmas organizācija atšķiras no parastās gaisa kondicionētās telpas organizācijas. Tā prasa, lai vispirms darbības zonā tiktu piegādāts tīrākais gaiss. Tās funkcija ir ierobežot un samazināt apstrādājamo objektu piesārņojumu. Šajā nolūkā, projektējot gaisa plūsmas organizāciju, jāņem vērā šādi principi: jāsamazina virpuļstrāvas, lai izvairītos no piesārņojuma iekļūšanas darba zonā no ārpuses; jācenšas novērst sekundāro putekļu lidošanu, lai samazinātu putekļu piesārņošanas iespējamību uz sagataves; gaisa plūsmai darba zonā jābūt pēc iespējas vienmērīgākai, un tās vēja ātrumam jāatbilst procesa un higiēnas prasībām. Kad gaisa plūsma plūst uz atgriešanas gaisa izvadu, gaisā esošie putekļi ir efektīvi jāaizvada. Izvēlieties dažādus gaisa padeves un atgriešanas režīmus atbilstoši dažādām tīrības prasībām.

Dažādām gaisa plūsmas organizācijām ir savas īpašības un darbības joma:

(1). Vertikāla vienvirziena plūsma

Papildus kopīgajām priekšrocībām, ko sniedz vienmērīgas lejupvērstas gaisa plūsmas iegūšana, procesa iekārtu izvietojuma atvieglošana, spēcīga pašattīrīšanās spēja un tādu kopīgu iekārtu kā personīgās attīrīšanas iekārtu vienkāršošana, četrām gaisa padeves metodēm ir arī savas priekšrocības un trūkumi: pilnībā pārklātiem HEPA filtriem ir zema pretestība un ilgs filtra nomaiņas cikls, taču griestu konstrukcija ir sarežģīta un izmaksas ir augstas; sāniski pārklāta HEPA filtra augšdaļas piegādes un pilna cauruma plāksnītes augšdaļas piegādes priekšrocības un trūkumi ir pretēji pilnībā pārklāta HEPA filtra augšdaļas piegādes priekšrocībām un trūkumiem. Starp tām pilna cauruma plāksnītes augšdaļas piegādei ir viegli uzkrāt putekļus uz atveres plāksnes iekšējās virsmas, ja sistēma nedarbojas nepārtraukti, un slikta apkope zināmā mērā ietekmē tīrību; blīva difuzora augšdaļas piegāde prasa sajaukšanas slāni, tāpēc tā ir piemērota tikai augstām tīrtelpām virs 4 m, un tās īpašības ir līdzīgas pilna cauruma plāksnītes augšdaļas piegādei; atgriezes gaisa metode plāksnei ar restēm abās pusēs un atgriezes gaisa izplūdes atverēm, kas vienmērīgi izvietotas pretējo sienu apakšā, ir piemērota tikai tīrtelpām ar neto atstarpi mazāku par 6 m abās pusēs; Vienpusējās sienas apakšā izvietotās atgaitas gaisa izplūdes atveres ir piemērotas tikai tīrām telpām ar nelielu attālumu starp sienām (piemēram, ≤<2~3m).

(2). Horizontāla vienvirziena plūsma

Tikai pirmajā darba zonā var sasniegt 100. tīrības līmeni. Kad gaiss plūst uz otru pusi, putekļu koncentrācija pakāpeniski palielinās. Tāpēc tas ir piemērots tikai tīrtelpām ar atšķirīgām tīrības prasībām vienam un tam pašam procesam vienā telpā. Hepa filtru lokāla izvietošana uz gaisa padeves sienas var samazināt hepa filtru izmantošanu un ietaupīt sākotnējos ieguldījumus, taču lokālos apgabalos var rasties virpuļi.

(3). Turbulenta gaisa plūsma

Augšējās padeves ar atverēm un blīvu difuzoru augšējās padeves raksturlielumi ir tādi paši kā iepriekš minētie: sānu padeves priekšrocības ir vienkārša cauruļvadu izvietošana, nav nepieciešams tehnisks starpslānis, zemas izmaksas un veicina vecu rūpnīcu renovāciju. Trūkumi ir tādi, ka vēja ātrums darba zonā ir liels, un putekļu koncentrācija vēja pusē ir augstāka nekā vēja pusē; HEPA filtra izeju augšējās padeves priekšrocības ir vienkārša sistēma, nav cauruļvadu aiz HEPA filtra un tīra gaisa plūsma tiek tieši piegādāta darba zonai, bet tīrā gaisa plūsma izkliedējas lēnāk un gaisa plūsma darba zonā ir vienmērīgāka; tomēr, ja vairākas gaisa izplūdes atveres ir vienmērīgi izvietotas vai tiek izmantotas HEPA filtra gaisa izplūdes atveres ar difuzoriem, gaisa plūsmu darba zonā var padarīt arī vienmērīgāku; bet, ja sistēma nedarbojas nepārtraukti, difuzors ir pakļauts putekļu uzkrāšanai.

Iepriekš minētais ir ideālā stāvoklī un ir ieteikts attiecīgajās valsts specifikācijās, standartos vai projektēšanas rokasgrāmatās. Faktiskajos projektos gaisa plūsmas organizācija nav labi izstrādāta objektīvu apstākļu vai projektētāja subjektīvu iemeslu dēļ. Bieži sastopami gadījumi ir šādi: vertikālā vienvirziena plūsma pieņem atgaitas gaisu no blakus esošo divu sienu apakšējās daļas, vietējā 100. klases gaisa padeve ir augšējā un augšējā atgaita (tas ir, zem vietējās gaisa izplūdes atveres netiek pievienots piekarināms aizkars), un turbulentās tīrtelpas izmanto HEPA filtra gaisa izvadi ar augšējo padevi un augšējo atgaitu vai vienpusēju apakšējo atgaitu (lielāks attālums starp sienām) utt. Šīs gaisa plūsmas organizācijas metodes ir izmērītas, un lielākā daļa to tīrības neatbilst projektēšanas prasībām. Pašreizējo tukšo vai statisko pieņemšanas specifikāciju dēļ dažas no šīm tīrtelpām tukšos vai statiskos apstākļos tik tikko sasniedz projektēto tīrības līmeni, taču pretpiesārņojuma traucējumu spēja ir ļoti zema, un, kad tīrtelpa nonāk darba stāvoklī, tā neatbilst prasībām.

Pareiza gaisa plūsmas organizācija jāiestata ar aizkariem, kas karājas līdz darba zonas augstumam vietējā teritorijā, un 100 000 klasei nevajadzētu izmantot augšējo padevi un augšējo atgaitu. Turklāt lielākā daļa rūpnīcu pašlaik ražo augstas efektivitātes gaisa izplūdes atveres ar difuzoriem, un to difuzori ir tikai dekoratīvas atveres un neveic gaisa plūsmas izkliedēšanu. Projektētājiem un lietotājiem tam jāpievērš īpaša uzmanība.

3. Gaisa padeves apjoms vai gaisa ātrums

Pietiekams ventilācijas apjoms ir nepieciešams, lai atšķaidītu un noņemtu piesārņoto iekštelpu gaisu. Atbilstoši dažādām tīrības prasībām, ja tīrās telpas neto augstums ir augsts, ventilācijas frekvence ir attiecīgi jāpalielina. Starp tām 1 miljona līmeņa tīrās telpas ventilācijas apjoms tiek uzskatīts par augstas efektivitātes attīrīšanas sistēmu, bet pārējās - par augstas efektivitātes attīrīšanas sistēmu; ja 100 000 klases tīrās telpas HEPA filtri ir koncentrēti mašīntelpā vai sistēmas galā tiek izmantoti sub-HEPA filtri, ventilācijas frekvenci var attiecīgi palielināt par 10–20%.

Attiecībā uz iepriekš minētajām ventilācijas tilpuma ieteicamajām vērtībām autors uzskata, ka: vēja ātrums caur vienvirziena plūsmas tīrtelpas telpas sekciju ir zems, un turbulentajai tīrtelpai ir ieteicamā vērtība ar pietiekamu drošības koeficientu. Vertikālā vienvirziena plūsma ≥ 0,25 m/s, horizontālā vienvirziena plūsma ≥ 0,35 m/s. Lai gan tīrības prasības var izpildīt, testējot tukšā vai statiskā stāvoklī, pretpiesārņojuma spēja ir slikta. Kad telpa nonāk darba stāvoklī, tīrība var neatbilst prasībām. Šāda veida piemērs nav atsevišķs gadījums. Tajā pašā laikā manas valsts ventilatoru sērijās nav ventilatoru, kas piemēroti attīrīšanas sistēmām. Parasti projektētāji bieži neveic precīzus sistēmas gaisa pretestības aprēķinus vai nepamana, vai izvēlētais ventilators atrodas labvēlīgākā darba punktā uz raksturlīknes, kā rezultātā gaisa tilpums vai vēja ātrums nesasniedz projektēto vērtību neilgi pēc sistēmas nodošanas ekspluatācijā. ASV federālais standarts (FS209A~B) noteica, ka vienvirziena tīrtelpas gaisa plūsmas ātrums caur tīrtelpas šķērsgriezumu parasti tiek uzturēts 90 pēdas/min (0,45 m/s) apmērā, un ātruma nevienmērīgums ir ±20% robežās, ja visā telpā nav traucējumu. Jebkurš būtisks gaisa plūsmas ātruma samazinājums palielinās pašattīrīšanās laika un piesārņojuma iespējamību starp darba pozīcijām (pēc FS209C publicēšanas 1987. gada oktobrī netika izstrādāti noteikumi par visiem parametru rādītājiem, izņemot putekļu koncentrāciju).

Šī iemesla dēļ autors uzskata, ka ir lietderīgi atbilstoši palielināt pašreizējo vienvirziena plūsmas ātruma projektēšanas vērtību mājās. Mūsu iekārta to ir izdarījusi reālos projektos, un efekts ir relatīvi labs. Turbulentai tīrtelpai ir ieteicamā vērtība ar relatīvi pietiekamu drošības koeficientu, taču daudzi projektētāji joprojām nav pārliecināti. Izstrādājot konkrētus projektus, viņi palielina ventilācijas apjomu 100 000. klases tīrtelpā līdz 20–25 reizēm/h, 10 000. klases tīrtelpā līdz 30–40 reizēm/h un 1000. klases tīrtelpā līdz 60–70 reizēm/h. Tas ne tikai palielina iekārtu jaudu un sākotnējās investīcijas, bet arī palielina turpmākās uzturēšanas un pārvaldības izmaksas. Patiesībā tas nav nepieciešams. Apkopojot manas valsts gaisa attīrīšanas tehniskos pasākumus, Ķīnā tika pētītas un izmērītas vairāk nekā 100. klases tīrtelpas. Daudzas tīrtelpas tika pārbaudītas dinamiskos apstākļos. Rezultāti parādīja, ka 100 000 klases tīrtelpu ventilācijas apjomi ≥10 reizes/h, 10 000 klases tīrtelpu ventilācijas apjomi ≥20 reizes/h un 1000 klases tīrtelpu ventilācijas apjomi ≥50 reizes/h var atbilst prasībām. ASV federālais standarts (FS2O9A~B) nosaka: nevienvirziena tīrtelpām (100 000. klase, 10 000. klase), telpas augstumam 8–12 pēdas (2,44–3,66 m), parasti tiek uzskatīts, ka visa telpa ir jāventilē vismaz reizi 3 minūtēs (t. i., 20 reizes/h). Tāpēc projektēšanas specifikācijā ir ņemts vērā liels pārpalikuma koeficients, un projektētājs var droši izvēlēties atbilstoši ieteicamajai ventilācijas apjoma vērtībai.

4. Statiskā spiediena starpība

Tīrtelpas noteiktā pozitīvā spiediena uzturēšana ir viens no būtiskiem nosacījumiem, lai nodrošinātu, ka tīrtelpa nav piesārņota vai ir mazāk piesārņota, lai uzturētu paredzēto tīrības līmeni. Pat negatīvā spiediena tīrtelpām blakus esošajām telpām vai kompleksiem jābūt ar tīrības līmeni, kas nav zemāks par tās līmeni, lai uzturētu noteiktu pozitīvo spiedienu, lai varētu uzturēt negatīvā spiediena tīrtelpas tīrību.

Tīrās telpas pozitīvā spiediena vērtība attiecas uz vērtību, kas rodas, kad iekštelpu statiskais spiediens ir lielāks par āra statisko spiedienu, kad visas durvis un logi ir aizvērti. To panāk ar metodi, ka attīrīšanas sistēmas gaisa padeves apjoms ir lielāks par atgriešanas gaisa apjomu un izplūdes gaisa apjomu. Lai nodrošinātu tīrās telpas pozitīvā spiediena vērtību, vēlams, lai padeves, atgriešanas un izplūdes ventilatori būtu savstarpēji savienoti. Ieslēdzot sistēmu, vispirms tiek ieslēgts padeves ventilators, un pēc tam tiek ieslēgti atgriešanas un izplūdes ventilatori; izslēdzot sistēmu, vispirms tiek izslēgts izplūdes ventilators, un pēc tam tiek izslēgti atgriešanas un padeves ventilatori, lai novērstu tīrās telpas piesārņošanu, kad sistēma tiek ieslēgta un izslēgta.

Gaisa tilpumu, kas nepieciešams, lai uzturētu tīrtelpas pozitīvo spiedienu, galvenokārt nosaka apkopes konstrukcijas hermētiskums. Manā valstī tīrtelpu būvniecības sākumposmā norobežojošās konstrukcijas sliktās hermētiskuma dēļ bija nepieciešama gaisa padeve 2–6 reizes stundā, lai uzturētu pozitīvu spiedienu ≥5 Pa; pašlaik apkopes konstrukcijas hermētiskums ir ievērojami uzlabots, un, lai uzturētu tādu pašu pozitīvo spiedienu, ir nepieciešama tikai 1–2 reizes stundā gaisa padeve; un, lai uzturētu ≥10 Pa, ir nepieciešamas tikai 2–3 reizes stundā gaisa padeve.

Manas valsts projektēšanas specifikācijas [6] nosaka, ka statiskā spiediena starpībai starp dažādu pakāpju tīrtelpām un starp tīrajām zonām un netīrajām zonām jābūt ne mazākai par 0,5 mm H2O (~5 Pa), un statiskā spiediena starpībai starp tīro zonu un ārtelpu jābūt ne mazākai par 1,0 mm H2O (~10 Pa). Autors uzskata, ka šī vērtība šķiet pārāk zema trīs iemeslu dēļ:

(1) Pozitīvais spiediens attiecas uz tīrtelpas spēju nomākt iekštelpu gaisa piesārņojumu caur spraugām starp durvīm un logiem vai samazināt piesārņotāju daudzumu, kas iekļūst telpā, kad durvis un logi tiek atvērti uz īsu brīdi. Pozitīvā spiediena lielums norāda piesārņojuma slāpēšanas spējas stiprumu. Protams, jo lielāks ir pozitīvais spiediens, jo labāk (kas tiks apspriests vēlāk).

(2) Pozitīvajam spiedienam nepieciešamais gaisa tilpums ir ierobežots. Gaisa tilpums, kas nepieciešams 5 Pa pozitīvajam spiedienam un 10 Pa pozitīvajam spiedienam, atšķiras tikai aptuveni 1 reizi stundā. Kāpēc gan to nedarīt? Acīmredzot labāk ir ņemt pozitīvā spiediena apakšējo robežu kā 10 Pa.

(3) ASV federālais standarts (FS209A~B) nosaka, ka, ja visas ieejas un izejas ir aizvērtas, minimālā pozitīvā spiediena starpība starp tīro telpu un jebkuru blakus esošo zemas tīrības zonu ir 0,05 collas ūdens staba (12,5 Pa). Šo vērtību ir pieņēmušas daudzas valstis. Tomēr tīrās telpas pozitīvā spiediena vērtība nav jo augstāka, jo labāk. Saskaņā ar mūsu iekārtas faktiskajiem inženiertehniskajiem testiem vairāk nekā 30 gadu garumā, ja pozitīvā spiediena vērtība ir ≥ 30 Pa, durvis ir grūti atvērt. Ja durvis aizverat neuzmanīgi, atskanēs blīkšķis! Tas nobiedēs cilvēkus. Ja pozitīvā spiediena vērtība ir ≥ 50~70 Pa, spraugas starp durvīm un logiem radīs svilpojošu troksni, un vājināti cilvēki vai tie, kuriem ir kādi neparasti simptomi, jutīsies neērti. Tomēr daudzu valstu attiecīgās specifikācijas vai standarti gan mājās, gan ārzemēs nenorāda pozitīvā spiediena augšējo robežu. Tā rezultātā daudzas iekārtas cenšas izpildīt tikai apakšējās robežas prasības neatkarīgi no augšējās robežas. Faktiskajā tīrtelpā, ar kuru autors ir saskāries, pozitīvais spiediens sasniedz pat 100 Pa vai vairāk, kā rezultātā rodas ļoti negatīvas sekas. Patiesībā pozitīvā spiediena regulēšana nav sarežģīta. To ir pilnīgi iespējams kontrolēt noteiktā diapazonā. Bija dokuments, kurā tika ieviests, ka kāda Austrumeiropas valsts pozitīvā spiediena vērtību nosaka kā 1–3 mm H2O (apmēram 10–30 Pa). Autors uzskata, ka šis diapazons ir piemērotāks.