PHÂN TÍCH CỐT LÕI CỦA PHÒNG SẠCH

Giới thiệu

Phòng sạch là nền tảng của việc kiểm soát ô nhiễm. Nếu không có phòng sạch, các bộ phận nhạy cảm với ô nhiễm không thể được sản xuất hàng loạt. Trong tiêu chuẩn FED-STD-2, phòng sạch được định nghĩa là một căn phòng có hệ thống lọc, phân phối, tối ưu hóa không khí, vật liệu và thiết bị xây dựng, trong đó các quy trình vận hành thường xuyên cụ thể được sử dụng để kiểm soát nồng độ các hạt trong không khí nhằm đạt được mức độ sạch hạt thích hợp.

Để đạt được hiệu quả làm sạch tốt trong phòng sạch, cần tập trung không chỉ vào việc thực hiện các biện pháp lọc không khí hợp lý, mà còn yêu cầu các bộ phận chuyên môn về quy trình, xây dựng và các lĩnh vực khác phải có biện pháp tương ứng: không chỉ thiết kế hợp lý, mà còn phải thi công và lắp đặt cẩn thận theo đúng tiêu chuẩn, cũng như 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 bộ phận chuyên môn khác nhau, và các nhà thiết kế khó nắm bắt được chất lượng thi công, lắp đặt cũng như sử dụng và quản lý, đặc biệt là khâu sau. Đối với các biện pháp lọc không khí trong phòng sạch, nhiều nhà thiết kế, thậm chí cả các đơn vị thi công, thường không chú trọng đầy đủ đến các điều kiện cần thiết, dẫn đến hiệu quả làm sạch không đạt yêu cầu. Bài viết này chỉ thảo luận ngắn gọn về bốn điều kiện cần thiết để đạt được yêu cầu về độ sạch trong các biện pháp lọc không khí phòng sạch.

1. Độ sạch của nguồn cung cấp không khí

Để đảm bảo độ sạch của không khí cung cấp đáp ứng các yêu cầu, yếu tố then chốt nằm ở 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 sub-HEPA. Theo tiêu chuẩn của nước ta, hiệu quả của bộ lọc HEPA được chia thành bốn cấp: Loại A là ≥99,9%, Loại B là ≥99,9%, Loại C là ≥99,999%, Loại D là (đối với các hạt ≥0,1μm) ≥99,999% (còn được gọi là bộ lọc siêu HEPA); bộ lọc sub-HEPA là (đối với các hạt ≥0,5μm) 95~99,9%. Hiệu quả càng cao thì bộ lọc càng đắt tiền. Do đó, khi lựa chọn bộ lọc, chúng ta không chỉ cần đáp ứng yêu cầu về độ sạch của không khí cung cấp mà còn phải xem xét tính hợp lý về kinh tế.

Từ góc độ 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. Nói chung: bộ lọc hiệu suất cao và trung bình có thể được sử dụng cho cấp độ 1 triệu; bộ lọc HEPA hoặc HEPA loại A có thể được sử dụng cho các cấp độ dưới cấp 10.000; bộ lọc loại B có thể được sử dụng cho cấp độ từ 10.000 đến 100; và bộ lọc loại C có thể được 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 lựa 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 hút khí 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 hiệu suất cao; ngược lại, có thể chọn bộ lọc hiệu suất thấp hơn. Đối với phòng sạch yêu cầu kiểm soát các hạt có kích thước 0,1μm, nên chọn bộ lọc loại D bất kể nồng độ hạt được kiểm soát là bao nhiêu. Những điều nêu trên chỉ xét từ góc độ của bộ lọc. Trên thực tế, để chọn được bộ lọc tốt, bạn cũng cần xem xét 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, chỉ có bộ lọc đạt tiêu chuẩn là chưa đủ, 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 thành thạo. Nếu không, sẽ rất khó để đảm bảo bộ lọc không bị hư hỏng. Có những bài học sâu sắc trong vấn đề này. Thứ hai, vấn đề về độ kín của việc lắp đặt chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng của cấu trúc lắp đặt. Sổ tay thiết kế thường khuyến nghị: đối với bộ lọc đơn, nên sử dụng kiểu lắp đặt hở, để ngay cả khi xảy ra rò rỉ, khí cũng sẽ không rò rỉ vào phòng; sử dụng cửa thoát khí HEPA hoàn chỉnh, việc đảm bảo độ kín cũng dễ dàng hơn. Đối với hệ thống nhiều bộ lọc, gioăng gel và gioăng áp suất âm thường được sử dụng trong những năm gần đây.

Gioăng gel phải đảm bảo mối nối giữa bình chứa chất lỏng được kín và toàn bộ khung nằm trên cùng một mặt phẳng ngang. Việc làm kín bằng áp suất âm nhằm mục đích tạo ra trạng thái áp suất âm ở chu vi bên ngoài của mối nối giữa bộ lọc và hộp áp suất tĩnh cũng như khung. Giống như kiểu lắp đặt hở, ngay cả khi có rò rỉ, chất lỏng cũng sẽ không chảy vào phòng. Trên thực tế, miễn là khung lắp đặt phẳng và mặt cuối của bộ lọc tiếp xúc đều với khung lắp đặt, thì việc đáp ứng yêu cầu độ kín của bộ lọc trong bất kỳ kiểu lắp đặt nào cũng đều dễ dàng.

2. Tổ chức luồng không khí

Việc tổ chức luồng không khí trong phòng sạch khác với phòng điều hòa thông thường. Nó yêu cầu không khí sạch nhất phải được đưa vào khu vực làm việc trước tiên. Chức năng của nó là hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm cho các vật thể được gia công. Để đạt được điều này, cần xem xét các nguyên tắc sau khi thiết kế tổ chức luồng không khí: giảm thiểu dòng xoáy để tránh mang ô nhiễm từ bên ngoài khu vực làm việc vào khu vực làm việc; cố gắng ngăn chặn bụi bay thứ cấp để giảm nguy cơ bụi làm ô nhiễm 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 về cửa thoát khí hồi, bụi trong không khí phải được loại bỏ hiệu quả. Chọn các chế độ cấp và hồi khí khác nhau tùy theo yêu cầu về độ sạch khác nhau.

Các tổ chức quản lý luồng không khí khác nhau có những đặc điểm và phạm vi hoạt động riêng:

(1). Dòng chảy một chiều thẳng đứng

Ngoài những ưu điểm chung như tạo luồng không khí đồng đều hướng xuống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí thiết bị xử lý, khả năng tự làm sạch mạnh mẽ và đơn giản hóa các tiện ích chung như thiết bị lọc cá nhân, bốn phương pháp cấp 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 phương pháp cấp khí từ trên xuống bằng bộ lọc HEPA phủ bên và phương pháp cấp khí từ trên xuống bằng tấm lỗ kín ngược với phương pháp cấp khí từ trên xuống bằng bộ lọc HEPA phủ toàn bộ. Trong đó, phương pháp cấp khí từ trên xuống bằng tấm lỗ kín dễ bị tích tụ bụi trên bề mặt bên trong của tấm lỗ khi hệ thống không hoạt động liên tục, và việc bảo trì kém có ảnh hưởng đến độ sạch; phương pháp cấp khí từ trên xuống bằng bộ khuếch tán dày đặc yêu cầu một lớp trộn, do đó chỉ phù hợp với phòng sạch cao trên 4m, và đặc điểm của nó tương tự như phương pháp cấp khí từ trên xuống bằng tấm lỗ kín; phương pháp hồi khí bằng tấm có lưới ở cả hai bên và các cửa thoát khí hồi được bố trí đều ở đáy của các bức tường đối diện chỉ phù hợp với phòng sạch có khoảng cách lưới nhỏ hơn 6m ở cả hai bên; Các cửa thoát khí hồi lưu được bố trí ở phía dưới của vách đơn chỉ phù hợp với phòng sạch có khoảng cách giữa các vách nhỏ (ví dụ: ≤<2~3m).

(2). Dòng chảy một chiều theo phương ngang

Chỉ khu vực làm việc đầu tiên mới đạt được độ sạch 100. Khi luồng không khí di chuyển sang phía khác, nồng độ bụi tăng dần. Do đó, phương pháp này chỉ phù hợp với các phòng sạch có yêu cầu độ sạch khác nhau cho cùng một quy trình trong cùng một phòng. Việc phân bố cục bộ các bộ lọc HEPA trên tường cấp khí có thể giảm lượng bộ lọc HEPA sử dụng và tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu, nhưng lại tạo ra các xoáy khí ở một số khu vực nhất định.

(3). Luồng không khí hỗn loạn

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

Những điều đã thảo luận ở trên đều dựa trên điều kiện lý tưởng và được khuyến nghị bởi các quy chuẩn, tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn thiết kế quốc gia có liên quan. Trong các dự án thực tế, việc bố trí luồng không khí không được thiết kế tốt do điều kiện khách quan hoặc lý do chủ quan của người thiết kế. Các trường hợp phổ biến bao gồm: luồng khí một chiều thẳng đứng sử dụng luồng khí hồi từ phần dưới của hai bức tường liền kề, phòng sạch cấp 100 cục bộ sử dụng luồng khí cấp trên và hồi trên (tức là không có rèm treo dưới cửa thoát khí cục bộ), và phòng sạch xoáy sử dụng cửa thoát khí có bộ lọc HEPA cấp trên và hồi trên hoặc hồi dưới một bên (khoảng cách giữa các bức tường lớn hơn), v.v. Các phương pháp bố trí luồng không khí này đã được đo đạc và hầu hết độ sạch của chúng không đáp ứng yêu cầu thiết kế. Do các quy định hiện hành về nghiệm thu khi không tải hoặc tĩnh, một số phòng sạch này hầu như không đạt được mức độ sạch theo thiết kế trong điều kiện không tải hoặc tĩnh, nhưng khả năng chống ô nhiễm rất thấp, và khi phòng sạch đi vào hoạt động, nó không đáp ứng được yêu cầu.

Cần bố trí luồng không khí đúng cách bằng cách sử dụng rèm che nắng treo xuống đến độ cao của khu vực làm việc cục bộ, và hệ thống loại 100.000 không nên sử dụng kiểu cấp gió trên và hút gió trên. Ngoài ra, hầu hết các nhà máy hiện nay sản xuất các cửa gió hiệu suất cao có gắn bộ khuếch tán, nhưng bộ khuếch tán của chúng chỉ là các tấm chắn trang trí và không có tác dụng khuếch tán luồng không khí. Các nhà thiết kế và người sử dụng cần đặc biệt chú ý đến điều này.

3. Lưu lượng khí cung cấp hoặc vận tốc khí

Lưu lượng thông gió đủ để làm loãng và loại bỏ không khí ô nhiễm trong nhà. Tùy theo yêu cầu về độ sạch khác nhau, khi chiều cao thực tế của phòng sạch lớn, tần suất thông gió cần được tăng lên một cách thích hợp. Trong đó, lưu lượng thông gió của phòng sạch cấp 1 triệu được xem xét theo hệ thống lọc hiệu quả cao, và các trường hợp còn lại cũng xem xét theo hệ thống lọc hiệu quả cao; khi các bộ lọc HEPA của phòng sạch cấp 100.000 được tập trung ở phòng máy hoặc sử dụng các bộ lọc sub-HEPA ở cuối hệ thống, tần suất thông gió có thể được tăng lên một cách thích hợp từ 10-20%.

Với các giá trị lưu lượng thông gió được khuyến nghị nêu trên, tác giả cho rằng: tốc độ gió trong khoang phòng sạch có luồng gió một chiều thấp, còn phòng sạch có luồng gió xoáy có giá trị khuyến nghị với hệ số an toàn đủ. Luồng gió một chiều theo phương thẳng đứng ≥ 0,25m/s, luồng gió một chiều theo phương ngang ≥ 0,35m/s. Mặc dù yêu cầu về độ sạch có thể được đáp ứng khi thử nghiệm trong điều kiện trống hoặc tĩnh, nhưng khả năng chống ô nhiễm lại kém. Khi phòng đi vào hoạt động, độ sạch có thể không đáp ứng được yêu cầu. Ví dụ này không phải là trường hợp cá biệt. Đồng thời, trong các dòng quạt thông gió của nước ta hiện nay không có loại quạt nào phù hợp với hệ thống lọc khí. Nhìn chung, các nhà thiết kế thường không tính toán chính xác sức cản không khí của hệ thống, hoặc không chú ý xem quạt được chọn có hoạt động ở điểm tối ưu hơn trên đường cong đặc tính hay không, dẫn đến lưu lượng gió 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 luồng không khí một chiều trong phòng sạch đi qua mặt cắt ngang của phòng sạch thường được duy trì ở mức 90 ft/phút (0,45 m/giây), và độ không đồng đều của vận tốc nằm trong khoảng ±20% trong điều kiện không có sự can thiệp nào trong toàn bộ phòng. Bất kỳ sự giảm đáng kể nào về vận tốc luồng không khí sẽ làm tăng khả năng thời gian tự làm sạch và ô nhiễm giữa các vị trí làm việc (sau khi ban hành FS209C vào tháng 10 năm 1987, không có quy định nào được đưa ra cho tất cả các chỉ số tham số ngoại trừ nồng độ bụi).

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

4. Chênh lệch áp suất tĩnh

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 ô nhiễm ở mức độ thấp, nhằm duy trì mức độ sạch sẽ theo thiết kế. Ngay cả đối với phòng sạch áp suất âm, cũng cần có các phòng hoặc dãy phòng liền kề với mức độ sạch sẽ không thấp hơn mức độ của phòng sạch áp suất âm để duy trì áp suất dương nhất định, nhờ đó độ sạch của phòng sạch áp suất âm có thể được duy trì.

Giá trị áp suất dương của phòng sạch đề cập đến giá trị khi áp suất tĩnh trong nhà lớn hơn áp suất tĩnh ngoài trời khi tất cả các cửa và cửa sổ đều đóng. Điều này đạt được bằng cách đảm bảo lưu lượng khí cấp vào của hệ thống lọc lớn hơn lưu lượng khí hồi lưu và lưu lượng khí thải. Để đảm bảo giá trị áp suất dương của phòng sạch, tốt nhất nên phối hợp nhịp nhàng giữa quạt cấp, quạt hồi lưu và quạt hút. Khi bật hệ thống, quạt cấp sẽ được khởi động trước, sau đó đến quạt hồi lưu và quạt hút; khi tắt hệ thống, quạt hút sẽ được tắt trước, sau đó đến quạt hồi lưu và quạt cấp sẽ được tắt để ngăn ngừa phòng sạch bị ô nhiễm khi hệ thống được bật và tắt.

Lượng không khí cần thiết để duy trì áp suất dương trong phòng sạch chủ yếu được quyết định bởi độ kín khí của kết cấu bảo trì. Vào thời kỳ đầu xây dựng phòng sạch ở nước ta, do độ kín khí của kết cấu bao che kém, cần phải cung cấp không khí từ 2 đến 6 lần/giờ để duy trì áp suất dương ≥5Pa; hiện nay, độ kín khí của kết cấu bảo trì đã được cải thiện đáng kể, chỉ cần cung cấp không khí từ 1 đến 2 lần/giờ để duy trì cùng áp suất dương đó; và chỉ cần cung cấp không khí từ 2 đến 3 lần/giờ để duy trì ≥10Pa.

Các thông số kỹ thuật thiết kế của nước tôi [6] quy định rằng chênh lệch áp suất tĩnh giữa các phòng sạch ở các cấp độ khác nhau và giữa khu vực sạch và khu vực không sạch không được nhỏ hơn 0,5mm H2O (~5Pa), và chênh lệch áp suất tĩnh giữa khu vực sạch và bên ngoài không được 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 đề cập đến khả năng của phòng sạch trong việc ngăn chặn ô nhiễm không khí trong nhà thông qua các khe hở giữa cửa và cửa sổ, hoặc giảm thiểu các chất gây ô nhiễm xâm nhập vào phòng khi cửa và cửa sổ được mở trong thời gian ngắn. Độ lớn của áp suất dương cho biết mức độ mạnh mẽ của khả năng ngăn chặn ô nhiễm. Tất nhiên, áp suất dương càng lớn thì càng tốt (điều này 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 như 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 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 đóng cửa bất cẩn, nó sẽ tạo ra tiếng động lớn! Điều này sẽ làm mọi người giật mình. Khi giá trị áp suất dương ≥ 50~70Pa, khe hở giữa cửa và cửa sổ sẽ tạo ra tiếng rít, và những người yếu hoặc 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 quy 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 từng gặp, giá trị áp suất dương có thể lên tới 100Pa hoặc hơn, dẫn đến những ảnh hưởng rất xấu. Trên thực tế, việc điều chỉnh áp suất dương không khó. Hoàn toàn có thể kiểm soát nó trong một phạm vi nhất định. Có một tài liệu đề cập đến việc một quốc gia ở Đông Âu quy định giá trị áp suất dương là 1-3mm H2O (khoảng 10-30Pa). Tác giả cho rằng phạm vi này phù hợp hơn.