ANÁLISE PRINCIPAL DE SALA LIMPA

Introdução

A sala limpa é a base do controle da poluição. Sem uma sala limpa, peças sensíveis à poluição não podem ser produzidas em massa. No FED-STD-2, sala limpa é definida como uma sala com filtragem, distribuição, otimização, materiais de construção e equipamentos de ar, na qual procedimentos operacionais regulares específicos são usados ​​para controlar a concentração de partículas em suspensão no ar e atingir o nível adequado de limpeza de partículas.

Para alcançar um bom efeito de limpeza em salas limpas, é necessário não apenas focar na adoção de medidas razoáveis ​​de purificação do ar condicionado, mas também exigir que o processo, a construção e outras especialidades tomem as medidas correspondentes: não apenas um projeto razoável, mas também uma construção e instalação cuidadosas de acordo com as especificações, bem como o uso correto da sala limpa e a manutenção e gestão científica. Para alcançar um bom efeito em salas limpas, muitas literaturas nacionais e estrangeiras foram expostas de diferentes perspectivas. De fato, é difícil alcançar a coordenação ideal entre diferentes especialidades, e é difícil para os projetistas compreenderem a qualidade da construção e instalação, bem como o uso e a gestão, especialmente esta última. No que diz respeito às medidas de purificação de salas limpas, muitos projetistas, ou mesmo as partes da construção, muitas vezes não prestam atenção suficiente às suas condições necessárias, resultando em um efeito de limpeza insatisfatório. Este artigo discute apenas brevemente as quatro condições necessárias para atingir os requisitos de limpeza em medidas de purificação de salas limpas.

1. Limpeza do suprimento de ar

Para garantir que a limpeza do fornecimento de ar atenda aos requisitos, a chave é o desempenho e a instalação do filtro final do sistema de purificação.

Seleção de filtro

O filtro final do sistema de purificação geralmente adota um filtro HEPA ou um filtro sub-HEPA. De acordo com os padrões do meu país, a eficiência dos filtros HEPA é dividida em quatro graus: Classe A é ≥99,9%, Classe B é ≥99,9%, Classe C é ≥99,999%, Classe D é ≥99,999% (para partículas ≥0,1 μm) (também conhecidos como filtros ultra-HEPA); filtros sub-HEPA são 95 a 99,9% (para partículas ≥0,5 μm). Quanto maior a eficiência, mais caro o filtro. Portanto, ao escolher um filtro, não devemos apenas atender aos requisitos de limpeza do suprimento de ar, mas também considerar a racionalidade econômica.

Do ponto de vista dos requisitos de limpeza, o princípio é usar filtros de baixo desempenho para salas limpas de baixo nível e filtros de alto desempenho para salas limpas de alto nível. Em termos gerais: filtros de alta e média eficiência podem ser usados ​​para o nível de 1 milhão; filtros sub-HEPA ou HEPA Classe A podem ser usados ​​para níveis abaixo da classe 10.000; filtros Classe B podem ser usados ​​para classes de 10.000 a 100; e filtros Classe C podem ser usados ​​para níveis de 100 a 1. Parece que existem dois tipos de filtros para escolher para cada nível de limpeza. A escolha de filtros de alto desempenho ou de baixo desempenho depende da situação específica: quando a poluição ambiental é grave, ou a taxa de exaustão interna é grande, ou a sala limpa é particularmente importante e requer um fator de segurança maior, nestes ou em um desses casos, um filtro de alta classe deve ser selecionado; caso contrário, um filtro de menor desempenho pode ser selecionado. Para salas limpas que exigem controle de partículas de 0,1 μm, filtros Classe D devem ser selecionados, independentemente da concentração de partículas controlada. O exposto acima se refere apenas à perspectiva do filtro. Na verdade, para escolher um bom filtro, você também deve considerar cuidadosamente as características da sala limpa, do filtro e do sistema de purificação.

Instalação do filtro

Para garantir a limpeza do suprimento de ar, não basta ter apenas filtros qualificados, mas também garantir: a. Que o filtro não seja danificado durante o transporte e a instalação; b. Que a instalação seja estanque. Para atingir o primeiro ponto, o pessoal de construção e instalação deve ser bem treinado, com conhecimento da instalação de sistemas de purificação e habilidades de instalação qualificadas. Caso contrário, será difícil garantir que o filtro não seja danificado. Há lições profundas a esse respeito. Em segundo lugar, o problema da estanqueidade da instalação depende principalmente da qualidade da estrutura da instalação. O manual de projeto geralmente recomenda: para um único filtro, uma instalação do tipo aberto é usada, de modo que, mesmo que ocorra vazamento, ele não vaze para o ambiente; usando uma saída de ar HEPA acabada, a estanqueidade também é mais fácil de garantir. Para o ar de vários filtros, a vedação de gel e a vedação de pressão negativa são frequentemente usadas nos últimos anos.

A vedação em gel deve garantir que a junta do tanque de líquido esteja firme e que toda a estrutura esteja no mesmo plano horizontal. A vedação por pressão negativa visa manter a periferia externa da junta entre o filtro, a caixa de pressão estática e a estrutura em um estado de pressão negativa. Assim como na instalação aberta, mesmo que haja vazamento, ele não vazará para o ambiente. De fato, desde que a estrutura de instalação seja plana e a face final do filtro esteja em contato uniforme com a estrutura de instalação, deve ser fácil fazer com que o filtro atenda aos requisitos de estanqueidade em qualquer tipo de instalação.

2. Organização do fluxo de ar

A organização do fluxo de ar de uma sala limpa é diferente daquela de uma sala com ar condicionado em geral. Ela requer que o ar mais limpo seja fornecido primeiro à área de operação. Sua função é limitar e reduzir a poluição dos objetos processados. Para tanto, os seguintes princípios devem ser considerados ao projetar a organização do fluxo de ar: minimizar as correntes parasitas para evitar trazer poluição de fora da área de trabalho para a área de trabalho; tentar evitar a poeira secundária voando para reduzir a chance de poeira contaminar a peça de trabalho; o fluxo de ar na área de trabalho deve ser o mais uniforme possível e sua velocidade do vento deve atender aos requisitos do processo e de higiene. Quando o fluxo de ar flui para a saída de ar de retorno, a poeira no ar deve ser efetivamente removida. Escolha diferentes modos de fornecimento e retorno de ar de acordo com diferentes requisitos de limpeza.

Diferentes organizações de fluxo de ar têm suas próprias características e escopos:

(1). Fluxo unidirecional vertical

Além das vantagens comuns de obter um fluxo de ar descendente uniforme, facilitar a disposição dos equipamentos de processo, forte capacidade de autopurificação e simplificar instalações comuns, como instalações de purificação pessoal, os quatro métodos de fornecimento de ar também têm suas próprias vantagens e desvantagens: os filtros HEPA de cobertura total têm as vantagens de baixa resistência e longo ciclo de substituição do filtro, mas a estrutura do teto é complexa e o custo é alto; as vantagens e desvantagens da entrega superior do filtro HEPA com cobertura lateral e da entrega superior da placa de orifício completo são opostas às da entrega superior do filtro HEPA de cobertura total. Entre elas, a entrega superior da placa de orifício completo é fácil de acumular poeira na superfície interna da placa de orifício quando o sistema não está funcionando continuamente, e a manutenção deficiente tem algum impacto na limpeza; a entrega superior do difusor denso requer uma camada de mistura, por isso é adequada apenas para salas limpas altas acima de 4m, e suas características são semelhantes à entrega superior da placa de orifício completo; o método de retorno de ar para a placa com grades em ambos os lados e as saídas de retorno de ar dispostas uniformemente na parte inferior das paredes opostas é adequado apenas para salas limpas com espaçamento líquido inferior a 6 m em ambos os lados; as saídas de retorno de ar dispostas na parte inferior da parede lateral única são adequadas apenas para salas limpas com uma pequena distância entre as paredes (como ≤ <2 ~ 3 m).

(2). Fluxo unidirecional horizontal

Somente a primeira área de trabalho pode atingir o nível de limpeza de 100. Quando o ar flui para o outro lado, a concentração de poeira aumenta gradualmente. Portanto, é adequado apenas para salas limpas com diferentes requisitos de limpeza para o mesmo processo na mesma sala. A distribuição local de filtros HEPA na parede de suprimento de ar pode reduzir o uso de filtros HEPA e economizar o investimento inicial, mas existem turbilhões em áreas locais.

(3). Fluxo de ar turbulento

As características da distribuição superior de placas de orifício e da distribuição superior de difusores densos são as mesmas mencionadas acima: as vantagens da distribuição lateral são a fácil disposição das tubulações, a ausência de camada intermediária técnica, o baixo custo e a possibilidade de reformas em fábricas antigas. As desvantagens são a grande velocidade do vento na área de trabalho e a maior concentração de poeira no lado a favor do vento do que no lado contra o vento; a distribuição superior das saídas do filtro HEPA tem as vantagens de um sistema simples, sem tubulações atrás do filtro HEPA e com fluxo de ar limpo diretamente na área de trabalho, mas o fluxo de ar limpo difunde-se lentamente e o fluxo de ar na área de trabalho é mais uniforme; no entanto, quando múltiplas saídas de ar são dispostas uniformemente ou são utilizadas saídas de ar com filtro HEPA e difusores, o fluxo de ar na área de trabalho também pode ser mais uniforme; mas quando o sistema não está funcionando continuamente, o difusor está sujeito ao acúmulo de poeira.

A discussão acima está toda em um estado ideal e é recomendada por especificações, normas ou manuais de projeto nacionais relevantes. Em projetos reais, a organização do fluxo de ar não é bem projetada devido a condições objetivas ou razões subjetivas do projetista. Os mais comuns incluem: fluxo unidirecional vertical adota o retorno de ar da parte inferior das duas paredes adjacentes, a classe local 100 adota entrega superior e retorno superior (ou seja, nenhuma cortina suspensa é adicionada sob a saída de ar local) e salas limpas turbulentas adotam saída de ar com filtro HEPA entrega superior e retorno superior ou retorno inferior de um lado (maior espaçamento entre as paredes), etc. Esses métodos de organização do fluxo de ar foram medidos e a maioria de sua limpeza não atende aos requisitos de projeto. Devido às especificações atuais para aceitação vazia ou estática, algumas dessas salas limpas mal atingem o nível de limpeza projetado em condições vazias ou estáticas, mas a capacidade de interferência antipoluição é muito baixa e, uma vez que a sala limpa entra no estado de trabalho, ela não atende aos requisitos.

A organização correta do fluxo de ar deve ser feita com cortinas que pendam até a altura da área de trabalho na área local, e a classe 100.000 não deve adotar saída e retorno superiores. Além disso, a maioria das fábricas atualmente produz saídas de ar de alta eficiência com difusores, e seus difusores são apenas placas de orifício decorativas e não desempenham a função de difundir o fluxo de ar. Projetistas e usuários devem prestar atenção especial a isso.

3. Volume de suprimento de ar ou velocidade do ar

O volume de ventilação suficiente é necessário para diluir e remover o ar poluído interno. De acordo com diferentes requisitos de limpeza, quando a altura útil da sala limpa é alta, a frequência de ventilação deve ser aumentada adequadamente. Entre eles, o volume de ventilação da sala limpa de nível 1 milhão é considerado de acordo com o sistema de purificação de alta eficiência, e os demais são considerados de acordo com o sistema de purificação de alta eficiência; quando os filtros HEPA da sala limpa de nível 100.000 são concentrados na sala de máquinas ou os filtros sub-HEPA são usados ​​no final do sistema, a frequência de ventilação pode ser aumentada adequadamente em 10-20%.

Para os valores recomendados de volume de ventilação acima, o autor acredita que: a velocidade do vento através da seção da sala da sala limpa de fluxo unidirecional é baixa, e a sala limpa turbulenta tem um valor recomendado com um fator de segurança suficiente. Fluxo unidirecional vertical ≥ 0,25 m/s, fluxo unidirecional horizontal ≥ 0,35 m/s. Embora os requisitos de limpeza possam ser atendidos quando testados em condições vazias ou estáticas, a capacidade antipoluição é baixa. Uma vez que a sala entra no estado de trabalho, a limpeza pode não atender aos requisitos. Este tipo de exemplo não é um caso isolado. Ao mesmo tempo, não há ventiladores adequados para sistemas de purificação na série de ventiladores do meu país. Geralmente, os projetistas muitas vezes não fazem cálculos precisos da resistência do ar do sistema, ou não percebem se o ventilador selecionado está em um ponto de trabalho mais favorável na curva característica, resultando no volume de ar ou na velocidade do vento não atingindo o valor de projeto logo após o sistema ser colocado em operação. A norma federal americana (FS209A~B) estipula que a velocidade do fluxo de ar de uma sala limpa unidirecional através da seção transversal da sala limpa é geralmente mantida a 90 pés/min (0,45 m/s), e a não uniformidade da velocidade é de ±20% sob a condição de não haver interferência em toda a sala. Qualquer redução significativa na velocidade do fluxo de ar aumentará a possibilidade de tempo de autolimpeza e poluição entre as posições de trabalho (após a promulgação da FS209C em outubro de 1987, não foram estabelecidas regulamentações para todos os indicadores de parâmetros, exceto a concentração de poeira).

Por esse motivo, o autor acredita ser apropriado aumentar adequadamente o valor atual de projeto doméstico da velocidade de fluxo unidirecional. Nossa unidade fez isso em projetos reais e o efeito é relativamente bom. Salas limpas turbulentas têm um valor recomendado com um fator de segurança relativamente suficiente, mas muitos projetistas ainda não estão seguros. Ao fazer projetos específicos, eles aumentam o volume de ventilação de salas limpas de classe 100.000 para 20 a 25 vezes/h, salas limpas de classe 10.000 para 30 a 40 vezes/h e salas limpas de classe 1000 para 60 a 70 vezes/h. Isso não apenas aumenta a capacidade do equipamento e o investimento inicial, mas também aumenta os custos futuros de manutenção e gerenciamento. Na verdade, não há necessidade disso. Ao compilar as medidas técnicas de limpeza do ar do meu país, mais de salas limpas de classe 100 na China foram investigadas e medidas. Muitas salas limpas foram testadas em condições dinâmicas. Os resultados mostraram que os volumes de ventilação de salas limpas de classe 100.000 ≥ 10 vezes/h, salas limpas de classe 10.000 ≥ 20 vezes/h e salas limpas de classe 1000 ≥ 50 vezes/h atendem aos requisitos. A Norma Federal dos EUA (FS2O9A~B) estipula: salas limpas não unidirecionais (classe 100.000, classe 10.000), altura da sala de 2,44 a 3,66 m (8 a 12 pés), geralmente considerando que toda a sala seja ventilada pelo menos uma vez a cada 3 minutos (ou seja, 20 vezes/h). Portanto, a especificação do projeto levou em consideração um grande coeficiente de excedente, e o projetista pode escolher com segurança o valor recomendado para o volume de ventilação.

4. Diferença de pressão estática

Manter uma certa pressão positiva em uma sala limpa é uma das condições essenciais para garantir que a sala limpa não esteja poluída ou esteja menos poluída para manter o nível de limpeza projetado. Mesmo para salas limpas de pressão negativa, é necessário que haja quartos ou suítes adjacentes com um nível de limpeza não inferior ao seu nível para manter uma certa pressão positiva, de modo que a limpeza da sala limpa de pressão negativa possa ser mantida.

O valor de pressão positiva da sala limpa refere-se ao valor quando a pressão estática interna é maior que a pressão estática externa quando todas as portas e janelas estão fechadas. É obtido pelo método em que o volume de ar fornecido pelo sistema de purificação é maior que o volume de ar de retorno e o volume de ar de exaustão. Para garantir o valor de pressão positiva da sala limpa, os ventiladores de insuflação, retorno e exaustão são preferencialmente interligados. Quando o sistema é ligado, o ventilador de insuflação é acionado primeiro e, em seguida, os ventiladores de retorno e exaustão são acionados; quando o sistema é desligado, o ventilador de exaustão é desligado primeiro e, em seguida, os ventiladores de retorno e de insuflação são desligados para evitar que a sala limpa seja contaminada quando o sistema é ligado e desligado.

O volume de ar necessário para manter a pressão positiva da sala limpa é determinado principalmente pela estanqueidade da estrutura de manutenção. Nos primórdios da construção de salas limpas em meu país, devido à baixa estanqueidade da estrutura do gabinete, eram necessários de 2 a 6 acionamentos de ar por hora para manter uma pressão positiva de ≥ 5 Pa; atualmente, a estanqueidade da estrutura de manutenção foi significativamente aprimorada, sendo necessários apenas de 1 a 2 acionamentos de ar por hora para manter a mesma pressão positiva; e apenas de 2 a 3 acionamentos de ar por hora para manter ≥ 10 Pa.

As especificações de projeto do meu país [6] estipulam que a diferença de pressão estática entre salas limpas de diferentes graus e entre áreas limpas e áreas não limpas não deve ser inferior a 0,5 mm H2O (~5 Pa), e a diferença de pressão estática entre a área limpa e o exterior não deve ser inferior a 1,0 mm H2O (~10 Pa). O autor acredita que esse valor parece ser muito baixo por três razões:

(1) A pressão positiva refere-se à capacidade de uma sala limpa de suprimir a poluição do ar interno através das frestas entre portas e janelas, ou de minimizar os poluentes que penetram na sala quando as portas e janelas são abertas por um curto período. A magnitude da pressão positiva indica a força da capacidade de supressão da poluição. É claro que quanto maior a pressão positiva, melhor (o que será discutido posteriormente).

(2) O volume de ar necessário para a pressão positiva é limitado. A diferença entre os volumes de ar necessários para pressões positivas de 5 Pa e 10 Pa é de apenas cerca de 1 vez/h. Por que não fazer isso? Obviamente, é melhor considerar o limite inferior da pressão positiva como 10 Pa.

(3) O Padrão Federal dos EUA (FS209A~B) estipula que, quando todas as entradas e saídas estão fechadas, a diferença mínima de pressão positiva entre a sala limpa e qualquer área adjacente de baixa limpeza é de 0,05 polegadas de coluna d'água (12,5 Pa). Este valor foi adotado por muitos países. Mas o valor da pressão positiva da sala limpa não é quanto maior, melhor. De acordo com os testes de engenharia reais de nossa unidade por mais de 30 anos, quando o valor da pressão positiva é ≥ 30 Pa, é difícil abrir a porta. Se você fechar a porta descuidadamente, ela fará um estrondo! Isso vai assustar as pessoas. Quando o valor da pressão positiva é ≥ 50~70 Pa, as lacunas entre portas e janelas farão um apito, e os fracos ou aqueles com alguns sintomas inadequados se sentirão desconfortáveis. No entanto, as especificações ou padrões relevantes de muitos países no país e no exterior não especificam o limite superior da pressão positiva. Como resultado, muitas unidades buscam atender apenas aos requisitos do limite inferior, independentemente do valor do limite superior. Na sala limpa real encontrada pelo autor, o valor da pressão positiva chega a 100 Pa ou mais, resultando em efeitos muito negativos. De fato, ajustar a pressão positiva não é difícil. É perfeitamente possível controlá-la dentro de uma determinada faixa. Havia um documento que mencionava que um determinado país da Europa Oriental estipulava o valor da pressão positiva como 1-3 mm H2O (cerca de 10 a 30 Pa). O autor acredita que essa faixa seja mais adequada.