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. Na norma FED-STD-2, uma sala limpa é definida como uma sala com filtragem, distribuição e otimização do ar, materiais de construção e equipamentos específicos, na qual são utilizados procedimentos operacionais padrão para controlar a concentração de partículas em suspensão no ar, a fim de atingir o nível de limpeza de partículas adequado.

Para alcançar um bom nível de limpeza em salas limpas, é necessário não apenas focar em medidas adequadas de purificação do ar condicionado, mas também exigir que as áreas de processo, construção e outras especialidades tomem medidas correspondentes: não apenas um projeto racional, 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 científicas. Para alcançar um bom desempenho em salas limpas, muitas publicações nacionais e internacionais têm abordado o tema sob diferentes perspectivas. De fato, é difícil alcançar uma coordenação ideal entre as 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 em salas limpas, muitos projetistas, ou mesmo as equipes de construção, frequentemente não dão a devida atenção às condições necessárias, resultando em um nível de limpeza insatisfatório. Este artigo discute brevemente as quatro condições necessárias para atender aos requisitos de limpeza em medidas de purificação em salas limpas.

1. Limpeza do ar fornecido

Para garantir que a limpeza do ar fornecido atenda aos requisitos, a chave está no desempenho e na instalação do filtro final do sistema de purificação.

Seleção de filtro

O filtro final do sistema de purificação geralmente utiliza um filtro HEPA ou um filtro sub-HEPA. De acordo com as normas do meu país, a eficiência dos filtros HEPA é dividida em quatro classes: Classe A (≥99,9%), Classe B (≥99,9%), Classe C (≥99,999%), Classe D (para partículas ≥0,1 μm) (≥99,999%, também conhecido como filtro ultra-HEPA) e filtros sub-HEPA (para partículas ≥0,5 μm) (95 a 99,9%). Quanto maior a eficiência, mais caro o filtro. Portanto, ao escolher um filtro, devemos considerar não apenas os requisitos de pureza do ar fornecido, mas também a racionalidade econômica.

Do ponto de vista dos requisitos de limpeza, o princípio é utilizar filtros de baixo desempenho para salas limpas de baixo nível e filtros de alto desempenho para salas limpas de alto nível. De forma geral: filtros de alta e média eficiência podem ser usados ​​para o nível 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 haver dois tipos de filtros para escolher para cada nível de limpeza. A escolha entre filtros de alto ou baixo desempenho depende da situação específica: quando a poluição ambiental é grave, a taxa de exaustão interna é alta ou a sala limpa é particularmente importante e requer um fator de segurança maior, nesses ou em um desses casos, um filtro de alta classe deve ser selecionado; caso contrário, um filtro de baixo desempenho pode ser selecionado. Para salas limpas que exigem o controle de partículas de 0,1 μm, filtros Classe D devem ser selecionados, independentemente da concentração de partículas controladas. O que foi dito acima se refere apenas à perspectiva do filtro. Na verdade, para escolher um bom filtro, é preciso considerar também as características da sala limpa, do próprio filtro e do sistema de purificação.

Instalação do filtro

Para garantir a pureza do ar fornecido, não basta apenas ter filtros de qualidade, mas também assegurar: a. Que o filtro não seja danificado durante o transporte e a instalação; b. Que a instalação seja hermética. Para atingir o primeiro objetivo, a equipe de construção e instalação deve ser bem treinada, possuindo conhecimento sobre a instalação de sistemas de purificação e habilidades técnicas adequadas. Caso contrário, será difícil garantir que o filtro não seja danificado. Há lições importantes a serem aprendidas a esse respeito. Em segundo lugar, o problema da hermeticidade da instalação depende principalmente da qualidade da estrutura de instalação. O manual de projeto geralmente recomenda: para um único filtro, utiliza-se uma instalação do tipo aberta, para que, mesmo que ocorra um vazamento, ele não se espalhe pelo ambiente; o uso de uma saída de ar HEPA pronta também facilita a garantia da hermeticidade. Para sistemas com múltiplos filtros, a vedação com gel e a vedação por pressão negativa têm sido frequentemente utilizadas 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 consiste em manter a periferia externa da junta entre o filtro e a caixa de pressão estática, bem como a estrutura, em um estado de pressão negativa. Assim como na instalação aberta, mesmo que haja vazamento, ele não se espalhará para o ambiente. Na verdade, desde que a estrutura de instalação esteja plana e a face da extremidade do filtro esteja em contato uniforme com a estrutura, deve ser fácil garantir 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 em uma sala limpa difere da de uma sala climatizada comum. Ela exige que o ar mais limpo seja fornecido primeiro à área de trabalho. Sua função é limitar e reduzir a contaminação dos objetos processados. Para isso, os seguintes princípios devem ser considerados ao projetar a organização do fluxo de ar: minimizar as correntes de ar parasitas para evitar a entrada de contaminantes externos na área de trabalho; tentar evitar a dispersão secundária de poeira para reduzir a probabilidade de contaminação da peça; o fluxo de ar na área de trabalho deve ser o mais uniforme possível e sua velocidade deve atender aos requisitos de processo e higiene. Quando o fluxo de ar chega à saída de retorno, a poeira presente no ar deve ser removida de forma eficaz. Escolha diferentes modos de fornecimento e retorno de ar de acordo com os diferentes requisitos de limpeza.

Diferentes sistemas de fluxo de ar possuem características e âmbitos de aplicação próprios:

(1). Fluxo unidirecional vertical

Além das vantagens comuns de obter um fluxo de ar descendente uniforme, facilitar a disposição dos equipamentos de processo, ter uma forte capacidade de autodepuração e simplificar instalações comuns, como cabines de purificação individual, os quatro métodos de fornecimento de ar também apresentam vantagens e desvantagens próprias: os filtros HEPA de cobertura total têm como vantagens a baixa resistência e o longo ciclo de substituição do filtro, mas a estrutura do teto é complexa e o custo é elevado; as vantagens e desvantagens da distribuição superior com filtro HEPA de cobertura lateral e da distribuição superior com placa perfurada são opostas às da distribuição superior com filtro HEPA de cobertura total. Entre elas, a distribuição superior com placa perfurada tende a acumular poeira na superfície interna da placa perfurada quando o sistema não está em funcionamento contínuo, e a manutenção inadequada pode afetar a limpeza; a distribuição superior com difusor denso requer uma camada de mistura, sendo, portanto, adequada apenas para salas limpas altas, acima de 4 m, e suas características são semelhantes às da distribuição superior com placa perfurada; O método de retorno de ar com placa com grelhas em ambos os lados e saídas de ar de retorno distribuídas uniformemente na parte inferior das paredes opostas é adequado apenas para salas limpas com um espaçamento líquido inferior a 6 m em ambos os lados; as saídas de ar de retorno dispostas na parte inferior de uma única parede são adequadas apenas para salas limpas com uma pequena distância entre as paredes (como ≤ 2 a 3 m).

(2). Fluxo unidirecional horizontal

Apenas a primeira área de trabalho pode atingir o nível de limpeza de 100. À medida que 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 localizada de filtros HEPA na parede de suprimento de ar pode reduzir o uso de filtros HEPA e economizar investimento inicial, mas pode causar turbulências em áreas localizadas.

(3). Fluxo de ar turbulento

As características da distribuição superior por placas de orifício e da distribuição superior por difusores densos são as mesmas mencionadas anteriormente: as vantagens da distribuição lateral incluem a facilidade de instalação das tubulações, a dispensa de camadas intermediárias técnicas, o baixo custo e a adequação à reforma de fábricas antigas. As desvantagens são a alta velocidade do vento na área de trabalho e a maior concentração de poeira no lado a jusante em comparação com o lado a montante; a distribuição superior por saídas de filtro HEPA apresenta as vantagens de um sistema simples, sem tubulações atrás do filtro HEPA, e fluxo de ar limpo direcionado diretamente para a área de trabalho, porém o fluxo de ar limpo se difunde lentamente e é mais uniforme na área de trabalho; entretanto, quando múltiplas saídas de ar são distribuídas uniformemente ou quando se utilizam saídas de ar com filtro HEPA e difusores, o fluxo de ar na área de trabalho também pode ser mais uniforme; porém, quando o sistema não está em operação contínua, o difusor fica propenso ao acúmulo de poeira.

A discussão acima se baseia em um cenário ideal e é recomendada pelas 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. Exemplos comuns incluem: fluxo unidirecional vertical com retorno de ar pela parte inferior das duas paredes adjacentes; salas limpas classe 100 com insuflação e retorno superiores (ou seja, sem cortina suspensa sob a saída de ar local); e salas limpas turbulentas com insuflação superior e retorno superior com filtro HEPA ou retorno inferior unilateral (com maior espaçamento entre as paredes), etc. Esses métodos de organização do fluxo de ar foram medidos e, na maioria dos casos, a limpeza não atende aos requisitos de projeto. Devido às especificações atuais para aceitação em condições de vazio ou estáticas, algumas dessas salas limpas mal atingem o nível de limpeza projetado nessas condições, apresentando baixa capacidade de resistência à interferência de poluentes. Além disso, quando a sala limpa entra em operação, ela deixa de atender aos requisitos.

A organização correta do fluxo de ar deve ser configurada com cortinas que desçam até a altura da área de trabalho em áreas localizadas, e sistemas de classe 100.000 não devem adotar sistemas de insuflação e retorno superiores. Além disso, a maioria das fábricas atualmente produz saídas de ar de alta eficiência com difusores, porém estes são apenas placas de orifício decorativas e não desempenham a função de difundir o fluxo de ar. Projetistas e usuários devem estar atentos a esse detalhe.

3. Volume de ar fornecido ou velocidade do ar

Um volume de ventilação suficiente é necessário para diluir e remover o ar poluído do interior. De acordo com os diferentes requisitos de limpeza, quando a altura líquida da sala limpa for elevada, a frequência de ventilação deve ser aumentada adequadamente. Para salas limpas de nível 1 milhão, o volume de ventilação deve ser calculado considerando um sistema de purificação de alta eficiência (HEPA), enquanto para as demais, o volume de ventilação deve ser calculado considerando um sistema HEPA. Quando os filtros HEPA de salas limpas de classe 100.000 estão concentrados na sala de máquinas ou quando filtros sub-HEPA são utilizados no final do sistema, a frequência de ventilação pode ser aumentada em 10 a 20%.

Para os valores de volume de ventilação recomendados acima, o autor acredita que: a velocidade do vento na seção transversal da sala limpa com fluxo unidirecional é baixa, e a sala limpa com fluxo turbulento possui um valor recomendado com 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 em operação, a limpeza pode não atender aos requisitos. Este tipo de exemplo não é um caso isolado. Ao mesmo tempo, não existem ventiladores adequados para sistemas de purificação nas séries de ventiladores do meu país. Geralmente, os projetistas frequentemente não fazem cálculos precisos da resistência do ar do sistema, ou não percebem se o ventilador selecionado está em um ponto de operação mais favorável na curva característica, resultando em um volume de ar ou velocidade do vento que não atingem o valor de projeto logo após a entrada em operação do sistema. A norma federal americana (FS209A~B) estipula que a velocidade do fluxo de ar unidirecional em uma sala limpa, através da seção transversal da sala, deve ser mantida em 90 pés/min (0,45 m/s), e a não uniformidade da velocidade deve estar dentro de ±20%, sob a condição de não haver interferência em toda a sala. Qualquer diminuição significativa na velocidade do fluxo de ar aumentará a possibilidade de tempo de autolimpeza e contaminação entre as posições de trabalho (após a promulgação da FS209C em outubro de 1987, nenhuma regulamentação foi feita para todos os indicadores de parâmetros, exceto a concentração de poeira).

Por essa razão, o autor acredita que seja apropriado aumentar adequadamente o valor de projeto nacional atual da velocidade de fluxo unidirecional. Nossa unidade já fez isso em projetos reais, e o efeito é relativamente bom. Salas limpas turbulentas possuem um valor recomendado com um fator de segurança relativamente suficiente, mas muitos projetistas ainda não estão convencidos. Ao elaborar projetos específicos, eles aumentam o volume de ventilação de salas limpas classe 100.000 para 20-25 vezes/h, de salas limpas classe 10.000 para 30-40 vezes/h e de salas limpas classe 1.000 para 60-70 vezes/h. Isso não só aumenta a capacidade do equipamento e o investimento inicial, como também aumenta os custos futuros de manutenção e gerenciamento. Na verdade, não há necessidade disso. Ao compilar as medidas técnicas de purificação do ar em meu país, mais de 100 salas limpas de classe 100 na China foram investigadas e medidas. Muitas salas limpas foram testadas em condições dinâmicas. Os resultados mostraram que volumes de ventilação de salas limpas classe 100.000 ≥10 vezes/h, salas limpas classe 10.000 ≥20 vezes/h e salas limpas classe 1000 ≥50 vezes/h atendem aos requisitos. A norma federal americana (FS2O9A~B) estipula que, para salas limpas não unidirecionais (classes 100.000 e 10.000), com altura entre 2,44 e 3,66 m (8 a 12 pés), geralmente se considera que toda a sala deve ser ventilada pelo menos uma vez a cada 3 minutos (ou seja, 20 vezes/h). Portanto, a especificação do projeto já considera uma grande margem de segurança, e o projetista pode escolher com segurança o volume de ventilação recomendado.

4. Diferença de pressão estática

Manter uma determinada pressão positiva em uma sala limpa é uma das condições essenciais para garantir que a sala limpa não seja poluída ou seja minimamente poluída, de modo a manter o nível de limpeza projetado. Mesmo em salas limpas com pressão negativa, é necessário que haja salas ou suítes adjacentes com um nível de limpeza não inferior ao da sala limpa com pressão negativa, para que a limpeza da sala limpa com pressão negativa seja preservada.

O valor de pressão positiva da sala limpa refere-se ao valor em que a pressão estática interna é maior que a pressão estática externa quando todas as portas e janelas estão fechadas. Isso é obtido garantindo que o volume de ar fornecido pelo sistema de purificação seja maior que os volumes de ar de retorno e de exaustão. Para assegurar a pressão positiva na sala limpa, os ventiladores de insuflação, retorno e exaustão são preferencialmente interligados. Ao ligar o sistema, o ventilador de insuflação é acionado primeiro, seguido pelos ventiladores de retorno e exaustão; ao desligar o sistema, o ventilador de exaustão é desligado primeiro, seguido pelos ventiladores de retorno e insuflação, para evitar a contaminação da sala limpa durante as transições do sistema.

O volume de ar necessário para manter a pressão positiva em uma sala limpa é determinado principalmente pela estanqueidade da estrutura de manutenção. No início da construção de salas limpas no meu país, devido à baixa estanqueidade da estrutura de contenção, era necessário um fornecimento de ar de 2 a 6 vezes por hora para manter uma pressão positiva de ≥5 Pa; atualmente, a estanqueidade da estrutura de manutenção foi bastante aprimorada, e apenas um fornecimento de ar de 1 a 2 vezes por hora é necessário para manter a mesma pressão positiva; e apenas 2 a 3 vezes por hora são necessárias para manter ≥10 Pa.

As especificações de projeto do meu país [6] estipulam que a diferença de pressão estática entre salas limpas de diferentes classes e entre áreas limpas e 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) Pressão positiva refere-se à capacidade de uma sala limpa de suprimir a poluição do ar interior 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 de tempo. A magnitude da pressão positiva indica a intensidade da capacidade de supressão da poluição. Obviamente, quanto maior a pressão positiva, melhor (o que será discutido posteriormente).

(2) O volume de ar necessário para pressão positiva é limitado. O volume de ar necessário para pressão positiva de 5 Pa e pressão positiva de 10 Pa difere apenas em cerca de 1 vez por hora. Por que não fazer isso? Obviamente, é melhor considerar o limite inferior da pressão positiva como 10 Pa.

(3) A Norma 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 de água (12,5 Pa). Este valor foi adotado por muitos países. No entanto, o valor da pressão positiva na sala limpa não significa necessariamente que quanto maior, melhor. De acordo com os testes de engenharia realizados em nossa unidade ao longo de mais de 30 anos, quando o valor da pressão positiva é ≥ 30 Pa, é difícil abrir a porta. Se a porta for fechada descuidadamente, ela fará um estrondo! Isso assustará as pessoas. Quando o valor da pressão positiva é ≥ 50~70 Pa, as frestas entre portas e janelas produzem um assobio, e pessoas com sensibilidade reduzida ou com sintomas inadequados sentirão desconforto. Contudo, as especificações ou normas relevantes de muitos países, tanto nacionais quanto internacionais, não especificam o limite superior da pressão positiva. Como resultado, muitas unidades buscam apenas atender aos requisitos do limite inferior, independentemente do valor do limite superior. Na sala limpa em que o autor esteve envolvido, o valor da pressão positiva chegava a 100 Pa ou mais, resultando em efeitos muito negativos. Na verdade, ajustar a pressão positiva não é difícil. É perfeitamente possível controlá-la dentro de uma determinada faixa. Um documento menciona que um país do Leste Europeu estipula um valor de pressão positiva de 1 a 3 mm H2O (cerca de 10 a 30 Pa). O autor acredita que essa faixa seja mais adequada.