PHÂN TÍCH CỐT LÕI CỦA PHÒNG SẠCH

Giới thiệu

Phòng sạch là nền tảng của kiểm soát ô nhiễm. Không có phòng sạch, các bộ phận dễ bị ô nhiễm không thể được sản xuất hàng loạt. Trong FED-STD-2, phòng sạch được định nghĩa là phòng có hệ thống lọc, phân phối, tối ưu hóa, vật liệu xây dựng và thiết bị, trong đó các quy trình vận hành thường xuyên cụ thể được áp dụng để kiểm soát nồng độ các hạt lơ lửng trong không khí nhằm đạt được mức độ sạch hạt phù hợp.

Để đạt được hiệu quả vệ sinh tốt trong phòng sạch, không chỉ cần tập trung vào việc áp dụng các biện pháp làm sạch điều hòa không khí hợp lý mà còn yêu cầu quy trình, thi công và các chuyên ngành khác phải có các biện pháp tương ứng: không chỉ thiết kế hợp lý mà còn phải thi công, lắp đặt cẩn thận theo đúng thông số kỹ thuật, sử dụng phòng sạch đúng cách và bảo trì, quản lý khoa học. Để đạt được hiệu quả tốt trong phòng sạch, nhiều tài liệu trong và ngoài nước đã được trình bày từ nhiều góc độ khác nhau. Trên thực tế, rất khó để đạt được sự phối hợp lý tưởng giữa các chuyên ngành khác nhau, và các nhà thiết kế cũng khó nắm bắt được chất lượng thi công, lắp đặt cũng như việc sử dụng và quản lý, đặc biệt là vấn đề sau. Về các biện pháp làm sạch phòng sạch, nhiều nhà thiết kế, thậm chí cả các bên thi công, thường không chú trọng đúng mức đến các điều kiện cần thiết, dẫn đến hiệu quả làm sạch không đạt yêu cầu. Bài viết này chỉ trình bày ngắn gọn bốn điều kiện cần thiết để đạt được yêu cầu về vệ sinh trong các biện pháp làm sạch phòng sạch.

1. Độ sạch của nguồn cung cấp không khí

Để đảm bảo nguồn cung cấp không khí sạch đáp ứng các yêu cầu, điều quan trọng là hiệu suất và việc lắp đặt bộ lọc cuối cùng của hệ thống lọc.

Lựa chọn bộ lọc

Bộ lọc cuối cùng của hệ thống lọc thường sử dụng bộ lọc HEPA hoặc bộ lọc HEPA phụ. Theo tiêu chuẩn của nước tôi, hiệu suất của bộ lọc HEPA được chia thành bốn cấp: Cấp A là ≥99,9%, Cấp B là ≥99,9%, Cấp C là ≥99,999%, Cấp D là ≥99,999% (đối với các hạt ≥0,1μm) (còn gọi là bộ lọc HEPA siêu cấp); bộ lọc HEPA phụ là 95~99,9% (đối với các hạt ≥0,5μm). Hiệu suất càng cao, giá thành bộ lọc càng cao. Do đó, khi lựa chọn bộ lọc, chúng ta không chỉ cần đáp ứng các yêu cầu về độ sạch của nguồn cung cấp không khí mà còn phải cân nhắc đến tính hợp lý về mặt kinh tế.

Theo quan điểm về yêu cầu về độ sạch, nguyên tắc là sử dụng bộ lọc hiệu suất thấp cho phòng sạch cấp thấp và bộ lọc hiệu suất cao cho phòng sạch cấp cao. Nhìn chung: có thể sử dụng bộ lọc hiệu suất cao và trung bình cho cấp độ 1 triệu; bộ lọc HEPA phụ hoặc HEPA loại A có thể sử dụng cho các cấp độ dưới loại 10.000; bộ lọc loại B có thể sử dụng cho loại 10.000 đến 100; và bộ lọc loại C có thể sử dụng cho các cấp độ từ 100 đến 1. Có vẻ như có hai loại bộ lọc để lựa chọn cho mỗi cấp độ sạch. Việc chọn bộ lọc hiệu suất cao hay hiệu suất thấp phụ thuộc vào tình huống cụ thể: khi ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, hoặc tỷ lệ khí thải trong nhà lớn, hoặc phòng sạch đặc biệt quan trọng và yêu cầu hệ số an toàn lớn hơn, trong những trường hợp này hoặc một trong những trường hợp này, nên chọn bộ lọc loại cao; nếu không, có thể chọn bộ lọc hiệu suất thấp hơn. Đối với phòng sạch yêu cầu kiểm soát các hạt 0,1μm, nên chọn bộ lọc loại D bất kể nồng độ hạt được kiểm soát. Những điều trên chỉ là góc nhìn từ góc độ bộ lọc. Thực tế, để chọn được bộ lọc tốt, bạn còn phải cân nhắc đầy đủ các đặc điểm của phòng sạch, bộ lọc và hệ thống lọc.

Lắp đặt bộ lọc

Để đảm bảo độ sạch của nguồn cung cấp không khí, không chỉ có các bộ lọc đạt tiêu chuẩn mà còn phải đảm bảo: a. Bộ lọc không bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển và lắp đặt; b. Việc lắp đặt phải kín. Để đạt được điểm đầu tiên, nhân viên thi công và lắp đặt phải được đào tạo bài bản, có cả kiến ​​thức về lắp đặt hệ thống lọc và kỹ năng lắp đặt lành nghề. Nếu không, sẽ khó đảm bảo bộ lọc không bị hư hỏng. Có những bài học sâu sắc về vấn đề này. Thứ hai, vấn đề độ kín khi lắp đặt chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng của kết cấu lắp đặt. Sổ tay thiết kế thường khuyến nghị: đối với một bộ lọc, sử dụng lắp đặt kiểu mở, do đó ngay cả khi xảy ra rò rỉ, nó sẽ không rò rỉ vào phòng; sử dụng cửa thoát khí hepa hoàn thiện, độ kín cũng dễ đảm bảo hơn. Đối với không khí của nhiều bộ lọc, trong những năm gần đây, keo gel và keo áp suất âm thường được sử dụng.

Gioăng gel phải đảm bảo khớp nối bình chứa chất lỏng được kín khít và toàn bộ khung nằm trên cùng một mặt phẳng ngang. Gioăng áp suất âm là để giữ cho ngoại vi bên ngoài của mối nối giữa bộ lọc, hộp áp suất tĩnh và khung ở trạng thái áp suất âm. Giống như lắp đặt kiểu hở, ngay cả khi có rò rỉ, nó cũng sẽ không rò rỉ vào phòng. Trên thực tế, chỉ cần khung lắp đặt phẳng và mặt đầu lọc tiếp xúc đồng đều với khung lắp đặt, thì việc đảm bảo bộ lọc đáp ứng các yêu cầu về độ kín khít khi lắp đặt trong bất kỳ kiểu lắp đặt nào cũng dễ dàng.

2. Tổ chức luồng không khí

Tổ chức luồng không khí của phòng sạch khác với tổ chức luồng không khí của phòng điều hòa không khí thông thường. Nó yêu cầu không khí sạch nhất phải được đưa đến khu vực vận hành trước. Chức năng của nó là hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm cho các vật thể được xử lý. Vì mục đích này, cần xem xét các nguyên tắc sau khi thiết kế tổ chức luồng không khí: giảm thiểu dòng điện xoáy để tránh mang ô nhiễm từ bên ngoài khu vực làm việc vào khu vực làm việc; cố gắng ngăn bụi thứ cấp bay để giảm khả năng bụi làm nhiễm bẩn phôi; luồng không khí trong khu vực làm việc phải càng đồng đều càng tốt và tốc độ gió phải đáp ứng các yêu cầu về quy trình và vệ sinh. Khi luồng không khí chảy đến cửa thoát khí hồi, bụi trong không khí phải được loại bỏ hiệu quả. Chọn các chế độ cung cấp và hồi khí khác nhau theo các yêu cầu về độ sạch khác nhau.

Các tổ chức luồng không khí khác nhau có đặc điểm và phạm vi riêng:

(1). Dòng chảy đơn hướng thẳng đứng

Ngoài những ưu điểm chung là tạo luồng khí hướng xuống đồng đều, dễ dàng bố trí thiết bị xử lý, khả năng tự làm sạch mạnh mẽ và đơn giản hóa các tiện ích chung như cơ sở làm sạch cá nhân, bốn phương pháp cung cấp không khí cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng: bộ lọc hepa phủ toàn bộ có ưu điểm là điện trở thấp và chu kỳ thay thế bộ lọc dài, nhưng cấu trúc trần phức tạp và chi phí cao; ưu điểm và nhược điểm của việc cung cấp bộ lọc hepa phủ bên hông và cung cấp trên tấm toàn lỗ trái ngược với ưu điểm của việc cung cấp trên tấm lọc hepa phủ toàn bộ. Trong số đó, việc cung cấp trên tấm toàn lỗ dễ tích tụ bụi trên bề mặt bên trong của tấm lỗ khi hệ thống không chạy liên tục và bảo trì kém có một số ảnh hưởng đến độ sạch; việc cung cấp trên đỉnh bộ khuếch tán dày đặc yêu cầu một lớp trộn, vì vậy nó chỉ phù hợp cho các phòng sạch cao trên 4m và các đặc điểm của nó tương tự như việc cung cấp trên tấm toàn lỗ; phương pháp hồi khí cho tấm có lưới ở cả hai mặt và các cửa thoát khí hồi được bố trí đều ở phía dưới các bức tường đối diện chỉ phù hợp với các phòng sạch có khoảng cách ròng nhỏ hơn 6m ở cả hai mặt; các cửa thoát khí hồi được bố trí ở phía dưới bức tường một mặt chỉ phù hợp với các phòng sạch có khoảng cách giữa các bức tường nhỏ (chẳng hạn như ≤ <2~3m).

(2). Dòng chảy đơn hướng nằm ngang

Chỉ khu vực làm việc đầu tiên mới có thể đạt mức độ sạch 100. Khi luồng khí thổi sang phía bên kia, nồng độ bụi tăng dần. Do đó, nó chỉ phù hợp với các phòng sạch có yêu cầu vệ sinh khác nhau cho cùng một quy trình trong cùng một phòng. Việc phân bổ bộ lọc HEPA cục bộ trên tường cấp khí có thể giảm thiểu việc sử dụng bộ lọc HEPA và tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu, nhưng vẫn có hiện tượng xoáy nước cục bộ.

(3). Dòng khí hỗn loạn

Đặc điểm của kiểu phân phối trên cùng của tấm lỗ và kiểu phân phối trên cùng của bộ khuếch tán dày đặc giống như đã đề cập ở trên: ưu điểm của kiểu phân phối bên là dễ bố trí đường ống, không cần lớp xen kẽ kỹ thuật, chi phí thấp và thuận lợi cho việc cải tạo các nhà máy cũ. Nhược điểm là tốc độ gió ở khu vực làm việc lớn và nồng độ bụi ở phía xuôi gió cao hơn phía ngược gió; kiểu phân phối trên cùng của các cửa thoát khí lọc HEPA có ưu điểm là hệ thống đơn giản, không có đường ống phía sau bộ lọc HEPA và luồng khí sạch được đưa trực tiếp đến khu vực làm việc, nhưng luồng khí sạch khuếch tán chậm và luồng khí trong khu vực làm việc đồng đều hơn; tuy nhiên, khi nhiều cửa thoát khí được bố trí đều hoặc sử dụng các cửa thoát khí lọc HEPA có bộ khuếch tán, luồng khí trong khu vực làm việc cũng có thể đồng đều hơn; nhưng khi hệ thống không hoạt động liên tục, bộ khuếch tán dễ bị tích tụ bụi.

Thảo luận trên đều ở trạng thái lý tưởng và được khuyến nghị bởi các thông số kỹ thuật, tiêu chuẩn hoặc sổ tay thiết kế quốc gia có liên quan. Trong các dự án thực tế, tổ chức luồng không khí không được thiết kế tốt do các điều kiện khách quan hoặc lý do chủ quan của người thiết kế. Các lý do phổ biến bao gồm: luồng không khí đơn hướng thẳng đứng sử dụng luồng không khí hồi lưu từ phần dưới của hai bức tường liền kề, lớp cục bộ 100 sử dụng luồng không khí cấp trên và hồi lưu trên (tức là không có rèm treo nào được thêm vào bên dưới cửa thoát khí cục bộ) và phòng sạch hỗn loạn sử dụng luồng không khí cấp trên và hồi lưu trên của bộ lọc HEPA hoặc hồi lưu dưới một bên (khoảng cách giữa các bức tường lớn hơn), v.v. Các phương pháp tổ chức luồng không khí này đã được đo lường và hầu hết độ sạch của chúng không đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Do các thông số kỹ thuật hiện tại về chấp nhận rỗng hoặc tĩnh, một số phòng sạch này hầu như không đạt được mức độ sạch được thiết kế trong điều kiện rỗng hoặc tĩnh, nhưng khả năng chống nhiễu ô nhiễm rất thấp và khi phòng sạch đi vào trạng thái hoạt động thì không đáp ứng các yêu cầu.

Việc tổ chức luồng khí chính xác nên được thực hiện bằng cách treo rèm xuống ngang tầm với khu vực làm việc tại địa phương, và loại 100.000 không nên sử dụng cửa xả gió trên và cửa hồi gió trên. Ngoài ra, hầu hết các nhà máy hiện nay đều sản xuất cửa thoát gió hiệu suất cao có bộ khuếch tán, và bộ khuếch tán của họ chỉ là tấm lỗ trang trí, không có tác dụng khuếch tán luồng khí. Nhà thiết kế và người sử dụng nên đặc biệt chú ý đến điều này.

3. Lượng cung cấp không khí hoặc tốc độ không khí

Lưu lượng thông gió đủ để pha loãng và loại bỏ không khí ô nhiễm trong nhà. Tùy theo yêu cầu vệ sinh khác nhau, khi chiều cao tịnh của phòng sạch cao, tần suất thông gió cần được tăng lên phù hợp. Trong đó, lưu lượng thông gió của phòng sạch cấp 1 triệu được xem xét theo hệ thống lọc hiệu suất cao, các phòng còn lại được xem xét theo hệ thống lọc hiệu suất cao; khi bộ lọc HEPA của phòng sạch cấp 100.000 được tập trung trong phòng máy hoặc sử dụng bộ lọc HEPA phụ ở cuối hệ thống, tần suất thông gió có thể được tăng lên 10-20% phù hợp.

Đối với các giá trị khuyến nghị về thể tích thông gió nêu trên, tác giả cho rằng: tốc độ gió qua phần phòng của phòng sạch dòng chảy đơn hướng thấp và phòng sạch hỗn loạn có giá trị khuyến nghị với hệ số an toàn đủ. Dòng chảy đơn hướng thẳng đứng ≥ 0,25m/s, dòng chảy đơn hướng ngang ≥ 0,35m/s. Mặc dù các yêu cầu về độ sạch có thể đạt được khi thử nghiệm trong điều kiện trống hoặc tĩnh, nhưng khả năng chống ô nhiễm kém. Khi phòng đi vào trạng thái hoạt động, độ sạch có thể không đạt yêu cầu. Ví dụ loại này không phải là trường hợp cá biệt. Đồng thời, không có quạt nào phù hợp với hệ thống lọc trong dòng máy thở của nước tôi. Nhìn chung, các nhà thiết kế thường không tính toán chính xác sức cản không khí của hệ thống hoặc không để ý xem quạt đã chọn có ở điểm làm việc thuận lợi hơn trên đường cong đặc tính hay không, dẫn đến thể tích không khí hoặc tốc độ gió không đạt được giá trị thiết kế ngay sau khi hệ thống được đưa vào vận hành. Tiêu chuẩn liên bang Hoa Kỳ (FS209A~B) quy định rằng vận tốc dòng khí một chiều của phòng sạch qua mặt cắt ngang thường được duy trì ở mức 90ft/phút (0,45m/giây), và độ không đồng đều của vận tốc nằm trong phạm vi ±20% trong điều kiện không có nhiễu trong toàn bộ phòng. Bất kỳ sự giảm đáng kể nào về vận tốc dòng khí đều sẽ làm tăng khả năng thời gian tự làm sạch và ô nhiễm giữa các vị trí làm việc (sau khi FS209C được ban hành vào tháng 10 năm 1987, không có quy định nào được đưa ra cho tất cả các chỉ số thông số ngoài nồng độ bụi).

Vì lý do này, tác giả tin rằng việc tăng giá trị thiết kế trong nước hiện tại của vận tốc dòng chảy một chiều một cách thích hợp là phù hợp. Đơn vị của chúng tôi đã thực hiện điều này trong các dự án thực tế và hiệu quả tương đối tốt. Phòng sạch hỗn loạn có giá trị khuyến nghị với hệ số an toàn tương đối đủ, nhưng nhiều nhà thiết kế vẫn chưa yên tâm. Khi thiết kế cụ thể, họ tăng lưu lượng thông gió của phòng sạch loại 100.000 lên 20-25 lần/giờ, phòng sạch loại 10.000 lên 30-40 lần/giờ và phòng sạch loại 1000 lên 60-70 lần/giờ. Điều này không chỉ làm tăng công suất thiết bị và đầu tư ban đầu mà còn làm tăng chi phí bảo trì và quản lý trong tương lai. Trên thực tế, không cần phải làm như vậy. Khi biên soạn các biện pháp kỹ thuật làm sạch không khí của nước tôi, đã nghiên cứu và đo lường hơn phòng sạch loại 100 ở Trung Quốc. Nhiều phòng sạch đã được thử nghiệm trong điều kiện động. Kết quả cho thấy lưu lượng thông gió của phòng sạch cấp 100.000 ≥10 lần/giờ, phòng sạch cấp 10.000 ≥20 lần/giờ và phòng sạch cấp 1000 ≥50 lần/giờ đều có thể đáp ứng yêu cầu. Tiêu chuẩn Liên bang Hoa Kỳ (FS2O9A~B) quy định: phòng sạch không một chiều (cấp 100.000, cấp 10.000), chiều cao phòng 8~12ft (2,44~3,66m), thường coi toàn bộ phòng được thông gió ít nhất 3 phút một lần (tức là 20 lần/giờ). Do đó, thông số kỹ thuật thiết kế đã tính đến hệ số dư thừa lớn, và nhà thiết kế có thể yên tâm lựa chọn theo giá trị lưu lượng thông gió được khuyến nghị.

4. Chênh lệch áp suất tĩnh

Việc duy trì áp suất dương nhất định trong phòng sạch là một trong những điều kiện thiết yếu để đảm bảo phòng sạch không bị ô nhiễm hoặc ít bị ô nhiễm hơn, nhằm duy trì mức độ sạch sẽ theo thiết kế. Ngay cả đối với phòng sạch áp suất âm, cũng phải có các phòng hoặc dãy phòng liền kề có mức độ sạch sẽ không thấp hơn mức của phòng sạch áp suất âm để duy trì một mức áp suất dương nhất định, nhằm đảm bảo độ sạch sẽ của phòng sạch áp suất âm.

Giá trị áp suất dương của phòng sạch là giá trị khi áp suất tĩnh trong phòng lớn hơn áp suất tĩnh ngoài trời khi tất cả cửa ra vào và cửa sổ đều đóng. Điều này đạt được bằng phương pháp lượng khí cấp vào của hệ thống lọc lớn hơn lượng khí hồi và lượng khí thải. Để đảm bảo giá trị áp suất dương của phòng sạch, quạt cấp, quạt hồi và quạt xả tốt nhất nên được liên động. Khi hệ thống được bật, quạt cấp được khởi động trước, sau đó quạt hồi và quạt xả được khởi động; khi hệ thống được tắt, quạt xả được tắt trước, sau đó quạt hồi và quạt cấp được tắt để ngăn ngừa phòng sạch bị ô nhiễm khi hệ thống được bật và tắt.

Lượng khí cần thiết để duy trì áp suất dương của phòng sạch chủ yếu được xác định bởi độ kín khí của kết cấu bảo trì. Trong những ngày đầu xây dựng phòng sạch ở nước tôi, do độ kín khí của kết cấu bao che kém, phải mất 2 đến 6 lần cấp khí/giờ mới duy trì được áp suất dương ≥5Pa; hiện tại, độ kín khí của kết cấu bảo trì đã được cải thiện đáng kể, chỉ cần 1 đến 2 lần cấp khí/giờ để duy trì áp suất dương tương tự; và chỉ cần 2 đến 3 lần cấp khí/giờ để duy trì áp suất dương ≥10Pa.

Tiêu chuẩn thiết kế của nước tôi [6] quy định chênh lệch áp suất tĩnh giữa các phòng sạch có cấp độ khác nhau và giữa khu vực sạch và khu vực không sạch phải không nhỏ hơn 0,5mm H2O (~5Pa), chênh lệch áp suất tĩnh giữa khu vực sạch và ngoài trời phải không nhỏ hơn 1,0mm H2O (~10Pa). Tác giả cho rằng giá trị này có vẻ quá thấp vì ba lý do:

(1) Áp suất dương là khả năng của phòng sạch trong việc ngăn chặn ô nhiễm không khí trong nhà thông qua khe hở giữa cửa ra vào và cửa sổ, hoặc giảm thiểu ô nhiễm xâm nhập vào phòng khi cửa ra vào và cửa sổ mở trong thời gian ngắn. Độ lớn của áp suất dương biểu thị cường độ của khả năng ngăn chặn ô nhiễm. Tất nhiên, áp suất dương càng lớn thì càng tốt (sẽ được thảo luận sau).

(2) Thể tích không khí cần thiết cho áp suất dương bị giới hạn. Thể tích không khí cần thiết cho áp suất dương 5Pa và áp suất dương 10Pa chỉ chênh lệch khoảng 1 lần/giờ. Tại sao không làm vậy? Rõ ràng, tốt hơn là lấy giới hạn dưới của áp suất dương là 10Pa.

(3) Tiêu chuẩn Liên bang Hoa Kỳ (FS209A~B) quy định rằng khi tất cả các lối vào và lối ra đều đóng, chênh lệch áp suất dương tối thiểu giữa phòng sạch và bất kỳ khu vực có độ sạch thấp liền kề nào là 0,05 inch cột nước (12,5Pa). Giá trị này đã được nhiều quốc gia áp dụng. Nhưng giá trị áp suất dương của phòng sạch không phải càng cao càng tốt. Theo các thử nghiệm kỹ thuật thực tế của đơn vị chúng tôi trong hơn 30 năm, khi giá trị áp suất dương ≥ 30Pa, rất khó mở cửa. Nếu bạn đóng cửa một cách bất cẩn, nó sẽ tạo ra tiếng nổ! Nó sẽ khiến mọi người sợ hãi. Khi giá trị áp suất dương ≥ 50~70Pa, khe hở giữa cửa ra vào và cửa sổ sẽ tạo ra tiếng còi, và những người yếu hoặc những người có một số triệu chứng không phù hợp sẽ cảm thấy khó chịu. Tuy nhiên, các thông số kỹ thuật hoặc tiêu chuẩn liên quan của nhiều quốc gia trong và ngoài nước không chỉ định giới hạn trên của áp suất dương. Do đó, nhiều đơn vị chỉ tìm cách đáp ứng các yêu cầu của giới hạn dưới, bất kể giới hạn trên là bao nhiêu. Trong phòng sạch thực tế mà tác giả gặp phải, giá trị áp suất dương cao tới 100Pa hoặc hơn, gây ra những ảnh hưởng rất xấu. Thực tế, việc điều chỉnh áp suất dương không phải là việc khó khăn. Hoàn toàn có thể kiểm soát nó trong một phạm vi nhất định. Có một tài liệu giới thiệu rằng một quốc gia Đông Âu quy định giá trị áp suất dương là 1-3mm H2O (khoảng 10-30Pa). Tác giả tin rằng phạm vi này phù hợp hơn.