فرادرسکنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز — به زبان ساده
پیش‌تر در وبلاگ فرادرس تعاریف و مفاهیم اولیه «اتاق تمیز» (Cleanroom) و استانداردهای رایج مورد استفاده در اتاق‌های تمیز به صورت دقیق مورد مطالعه قرار گرفت. همانطور که اشاره شد اتاق تمیز یک محیط برای تولید لوازم مختلف مانند محصولات پزشکی فراهم می‌کند و همچنین کاربرد زیادی در تولید نیمه‌هادی‌ها و قطعات الکترونیکی، تولید داروهای مختلف، صنعت بایو و اتاق‌های عمل دارد. در واقع اتاق تمیز محیطی است که تمرکز و غلظت ذرات موجود در آن به شیوه‌های مختلف کنترل می‌شود. بنابراین مهم‌ترین موضوع در این بخش از علم مکانیک سیالات و تهویه مطبوع، کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز است.
موضوع اولیه و نگرانی مهم در علم اتاق تمیز و تهویه مطبوع این اتاق‌ها، حضور جانداران کوچک و میکروسکوپیکی یا ذرات حامل این نوع جانداران است. البته مهم‌ترین نوع از این جانداران کوچک و میکروسکوپیکی، آن‌هایی هستند که احتمال نشست و تجمعشان در مکان‌های حیاتی حضور دارد. در اتاق‌های تمیز برای آن که به سطح مشخصی از کنترل در ذرات و آلودگی‌ها دست پیدا شود، باید طراحی و ساخت به گونه‌ای انجام بپذیرد که ورود، تولید و بقای ذرات مختلف در اتاق تمیز به کمترین حالت خود برسد.
علاوه بر تاثیری که اصول مناسب طراحی بر کاهش ذرات معلق و آلودگی‌ها در اتاق تمیز دارند، شیوه استفاده از این اتاق‌ها نیز نقش عمده‌ای در میزان حضور آلاینده‌ها و ذرات مختلف در اتاق تمیز ایفا می‌کنند. توجه کنید که شیوه استفاده از اتاق تمیز، عواملی مانند لباس اپراتورها و نحوه تمیز و ضدعفونی کردن اتاق تمیز را در بر می‌گیرد. توجه کنید که تهویه مطبوع اتاق تمیز، علاوه بر کنترل ذرات و آلاینده‌ها، شامل مواردی مانند کنترل دما، رطوبت و فشار نیز می‌شود و کنترل همه این موارد نقش بسیار زیادی در کاربردهای پزشکی و دارویی دارد.
این مطلب ابتدا به صورت دقیق مفهوم ذره در کاربرد اتاق تمیز را مورد بررسی قرار می‌دهد. در ادامه ذرات مختلف و اندازه آن‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرند. سپس چهار روش مختلف کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز به صورت دقیق بیان می‌شوند و همچنین کاربرد این روش‌ها در دسته‌بندی‌های گوناکون اتاق‌های تمیز مورد بررسی قرار می‌گیرد.
تعریف ذره
در مبحث اتاق تمیز، «ذره» (Particle) یک اصطلاح عمومی است و به ماده‌ای گفته می‌شود که با چشم قابل مشاهده نیست ولی به صورت میکروسکوپیکی و با استفاده از ابزار مناسب دیده می‌شود. در این شرایط، اصطلاح Airborne Particle به ذرات معلق در هوا اشاره می‌کند. همانطور که می‌دانید، هوا از ذرات گوناگون (مانند جانداران کوچک و میکروسکوپیکی، گرد و خاک و .. ) که اندازه متفاوتی دارند تشکیل شده است. شکل زیر اندازه ذرات مختلف موجود در هوا را با یکدیگر به صورت دقیق مقایسه کرده است.
توجه کنید که علاوه بر منبع‌های اولیه که باعث تولید ذرات و ورود آن‌ها به اتاق تمیز می‌شدند، کارکنان اتاق تمیز نیز نقش عمده‌ای در توزیع و انتقال این ذرات به عهده دارند. در واقع زمانی که اتاق تمیز به خوبی طراحی شده باشد، انتقال هوای آلوده از قسمت هوای ورودی به درون اتاق تمیز، مسئله جدی نیست و با طراحی درست حل می‌شود و در این شرایط، مسئله جدی ما، توزیع و انتقال ذرات مختلف ورودی به اتاق، توسط افرادی است که در اتاق تمیز مشغول به انجام فعالیت هستند. شکل زیر کارکنان یک مجموعه در اتاق تمیز را به تصویر کشیده است.
همچنین در مطلب اتاق تمیز وبلاگ فرادرس، دو اقدام برای ایمن‌سازی ورود کارکنان به اتاق تمیز به صورت دقیق مورد بررسی قرار گرفت. یکی از این اعمال استفاده از دوش هوا بود و عمل دیگر، طراحی مناسب یک قفل هوا یا هوابند در ورودی اتاق تمیز است. برای فهم دقیق این دو مدل طراحی و اشکال آن‌ها به مطلب «اتاق تمیز» مراجعه کنید.
نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که هوا، مهم‌ترین موضوع موجود در کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز است. هوا می‌تواند باعث توزیع و پخش آلاینده‌ها در اطراف اتاق تمیز شود. همچنین توجه کنید که ذرات و آلاینده‌های موجود در اتاق تمیز، به صورت ذاتی تمایل زیادی به فرود آمدن و نشستن در نقاط مختلف اتاق تمیز دارند و طراحی درست سیستم تهویه مطبوع اتاق تمیز می‌تواند کمک بسیار زیادی به کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز و کنترل حضور و پخش ذرات مختلف در اتاق تمیز بکند.
بنابراین با توجه به توضیحاتی که داده شد، می‌توان بیان کرد که یکی از اصلی‌ترین قسمت‌های اتاق تمیز طراحی سیستم کنترل ذرات معلق در هوا است و این کار به وسیله چهار روش مختلف در اتاق‌های تمیز مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این چهار روش شامل فیلتراسیون هوا، حرکت هوا، بررسی نرخ تعویض هوا و ایجاد اختلاف فشار است که در بخش بعدی به صورت دقیق مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز
همانطور که اشاره شد مهم‌ترین مبحث در طراحی اتاق تمیز، کنترل ذرات معلق است که به صورت کلی با نام کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز شناخته می‌شود و با استفاده از این روش می‌توان استانداردهای مختلف اتاق تمیز که در مطلب «اتاق تمیز (Cleanroom) — به زبان ساده» اشاره شد را ارضا کرد.
توجه کنید که قبل از ساخت و نصب تجهیزات، به منظور کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز، این تجهیزات باید با شبیه‌سازی درست مورد آزمایش قرار بگیرند. این شبیه‌سازی‌ها در مبحث دینامیک سیالات محاسباتی و به منظور تهویه مطبوع اتاق تمیز صورت می‌گیرد.
در ادامه چهار روش مختلف برای کنترل ذرات معلق و کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. این چهار روش همانطور که اشاره شد، شامل فیلتراسیون هوا، جابه‌جایی و تحرک هوا، نرخ تعویض هوا و ایجاد اختلاف فشار است.
فیلتراسیون هوا
فیلتراسیون هوا یا استفاده از فیلتر برای تصفیه هوا، کاربرد بسیار زیادی در مبحث اتاق‌های تمیز دارد و با استفاده از این روش می‌توان اطمینان حاصل کرد که در هوای ورودی به اتاق تمیز، کمترین میزان ذرات با اندازه‌های مشخص شده در استاندارد اتاق‌های تمیز موجود است.
رایج‌ترین نوع فیلتر که در اتاق‌های تمیز استفاده می‌شود، فیلتر «هپا» (HEPA) است. شکل بالا، نمایی از این فیلتر را به تصویر کشیده است. این نام، فرم خلاصه شده عبارت «حذف ذرات معلق هوا با کارایی بالا» (High Efficiency Particulate Air) را نشان می‌دهد. قسمت‌های داخلی فیلتر هپا از سه مکانیزم مختلف برای گرفتن ذرات موجود در هوای عبوری از فیلتر استفاده می‌کند. این سه مکانیزم در ادامه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.
مکانیزم اول، به مکانیزم «ضربه» (Impaction) معروف است. طبق این مکانیزم ذرات بزرگ هنگام حرکت در مسیر خمیده جریان هوا، نمی‌توانند از رشته‌ها، الیاف و بافت‌های فیلتر عبور کنند و در یکی از این بافت‌ها به دام می‌افتند. در واقع در این روش، ذرات با توجه به مومنتومی که دارند از سیال جدا می‌شوند و با برخورد به الیاف فیلتر مسیر حرکت آن‌ها عوض می‌شود.
نکته بسیار مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که این مکانیزم و اثرات ناشی از آن، با افزایش سرعت جریان هوا و کاهش فضای بین رشته‌ها و بافت‌های فیلتر، بهبود می‌یابد. بنابراین با افزایش سرعت و عبور هوا از بین رشته‌ها، الیاف و بافت‌های فیلتر، تعدادی از ذرات هوا به دام می‌افتند و تصفیه هوا انجام می‌شود.
مکانیزم دوم مکانیزی است که به «جلوگیری» (Interception) یا جلوگیری از عبور ذرات معروف است. ذراتی که به اندازه کافی کوچک هستند، خط جریان هوا در اطراف الیاف فیلتر را دنبال می‌کنند ولی این ذرات هنگام مواجه با الیاف فیلتر، توسط این الیاف متوقف می‌شوند که دلیل این موضوع به ابعاد الیاف استفاده شده در فیلتر و ذره بستگی دارد.
مکانیزم سوم در فیلتراسیون هوا پدیده دیفیوژن یا «انتشار» (Diffusion) است. ذراتی که به انداره کافی کوچک هستند و جرم کمی نیز دارند، با استفاده از مولکولهای هوا یک حالت ارتعاشی را دریافت می‌کنند. در واقع مولکولهای هوا به صورت پیوسته در حال عبور از فیلتر هستند و ذرات موجود در هوا را بمباران می‌کنند و این تعامل میان ذرات معلق و مولکولهای هوا عاملی است که این حالت ارتعاشی را در ذرات ایجاد می‌کند.
بنابراین با استفاده از این حالت ارتعاشی که ذرات پیدا کردند، شانس برخورد آن‌ها به الیاف موجود در فیلتر نیز بیشتر می‌شود. نکته مهمی که باید به آن توجه کرد این است که هرچه اندازه ذرات کوچکتر باشد، اثر مکانیزم دیفیوژن در فیلتراسیون به کمک فیلتر نیز افزایش می‌یابد. همچنین برای ذرات بزرگتر که قطر آن‌ها بزرگتر از یک میکرومتر است، این مکانیزم فیلتراسیون (مکانیزم انتشار یا دیفیوژن) تقریبا هیچ اثری در تصفیه و جداسازی این ذرات از هوا ندارد.
حرکت هوا
در اتاق‌های تمیز، جریان هوا معمولا به شکل جریان‌های چندگانه و جریان آشفته یا توربولانس عمل می‌کند. در واقع این حالت آشفته یا توربولانس مربوط به زمانی است که هوا با سرعت غیر یکنواخت به اتاق وارد می‌شود.
عموما در اتاق‌های تمیز، جریان از طریق نواحی مشبک و داکت‌هایی که در سقف قرار داده شده‌اند، وارد اتاق تمیز می‌شود و از طریق داکت‌های موجود در کف، اتاق را ترک می‌کند. سرعت اولیه ورود و تهویه هوای اتاق، هنگامی که هوا در اتاق در حال جریان است، طوری تنظیم می‌شود که جریان به صورت ثابت حالت آشفته خود را حفظ کند. در واقع این روش باعث می‌شود که ذرات و موجودات ریز و ذره‌بینی در مکان خاصی از اتاق جمع و ته نشین نشوند.
البته توضیحاتی که در این بخش داده شد، یک روش ایده‌آل برای کنترل و دفع ذرات است، زیرا همواره هوای مرده در مکان‌های مختلفی مانند زیر میز یا سایز تجهیزات شکل می‌گیرد. این موضوع را در تحلیل‌های CFD یا دینامیک سیالات محاسباتی در جریان حفره یا «کویتی» (Cavity) نیز می‌توان به خوبی مشاهده کرد. بنابراین بسیار مهم است که تحلیل درستی از جریان هوا، مکان قرارگیری ورود و خروج هوا و همچنین ابزار و تجهیزات آزمایشگاه صورت بگیرد.
نکته بسیار مهم دیگر در ابزار و تجهیزات تصفیه هوا این است که، الزامات مختلفی با توجه به جهت جریان هوای مورد نیاز، باید رعایت شود. برای مثال در برخی از حالات و شرایط، جریان هوا در اتاق تمیز قرار است که به صورت یکنواخت در نظر گرفته شود. در این حالت باید هوا از تمام سطح و از طریق فیلتر هپا عبور کند و از طریق تمام سطح نیز از اتاق خارج شود. توجه کنید که انواع این جریان‌ها و جهت‌های آن‌ها در مطلب «اتاق تمیز (Cleanroom) — به زبان ساده» به صورت دقیق مورد مطالعه قرار گرفته است.
نرخ تعویض هوا
هر نوع از اتاق تمیز، باید در طول هر ساعت، چند مرحله تغییر هوا داشته باشد. در واقع تغییر هوا روشی است که به کمک آن می‌توان ذرات حاضر در اتاق تمیز را رقیق کرد. به صورت تئوری می‌توان بیان کرد که هر ذره موجود در اتاق تمیز بعد از صرف زمان تعیین شده از بین می‌رود. برای مثال، اگر طراحی یک اتاق تمیز طوری انجام شود که هر ساعت نیاز به 20 بار تغییر هوا داشته باشد، در واقع حجم هوای این اتاق تمیز در هر سه دقیقه تعویض می‌شود (برای محاسبه زمان هر تعویض هوا در این اتاق تمیز، کافی است که عدد 60 دقیقه را بر تعداد دفعات تعویض هوا یعنی 20، تقسیم کنیم).
توجه کنید که تعویض هوا، امر بسیار مهمی در کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز است. در واقع اگر تهویه مطبوع و تعویض هوا وجود نداشته باشد، در یک فضای بسته، ذرات دوباره تولید می‌شوند و اتاق تمیز نمی‌تواند استاندارد لازم برای کاربرد خاص خود را ارضا کند. نکته مهمی که باید به آن توجه کرد این است که تعداد دفعات تعویض هوا در ساعت، به کلاس و دسته‌بندی اتاق تمیز در استانداردهای مختلف بستگی دارد. برای مثال، تعداد دفعات ضروری برای تعویض هوا در یک اتاق تمیز برای دسته‌بندی ISO در جدول زیر به خوبی نشان داده شده است.
یکی دیگر از موارد بسیار مهم در اتاق‌های تمیز که ارتباط زیادی به نرخ و تعداد دفعات تعویض هوا دارد، مدت زمان مورد نیاز برای بازگشت اتاق تمیز به حالت استاتیک خوداست. توجه کنید که این زمان با توجه به نوع خاص اتاق تمیز مقادیر متفاوتی را اختیار می‌کند.
در ادامه، اتاق تمیزی را در نظر بگیرید که مقدار ذرات و آلودگی آن بیشتر از حد مجاز تعیین شده در استاندارد اتاق‌های تمیز باشد. حال با استفاده از یک شمارشگر ذرات نوری، زمانی که طول می‌کشد سطح ذرات اتاق تمیز به استاندارد مطلوب برسد را اندازه‌گیری می‌کنیم. این زمان را «زمان تمیز شدن» (Clean-up time) می‌نامند.
اختلاف فشار
یکی دیگر از عوامل بسیار مهم در کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز این است که فشار اتاق تمیز را به صورت مثبت نگه داریم. در واقع برای آنکه کیفیت هوای اتاق تمیز حفظ شود، باید فشار این اتاق از اتاق‌های مجاور که کیفیت پایین‌تری دارند، بیشتر باشد. دلیل این موضوع این است که جریان هوا تمایل دارد که از محیطی با فشار زیاد به محیطی با فشار کم حرکت کند.
در شرایط ذکر شده، اگر فشار اتاق تمیز از اتاق‌های اطراف که کیفیت پایین‌تری دارند، بیشتر باشد، جریان هوا به سمت خارج خواهد بود (از فشار بیشتر به کمتر) و ذرات و آلاینده‌ها از بیرون به داخل اتاق تمیز به صورت طبیعی وارد نخواهند شد. توجه کنید که به صورت عمومی این اختلاف فشار در حدود 15 تا 20 پاسکال در نظر گرفته می‌شود.
در برخی از حالات، اختلاف فشار بین دو اتاق تمیز با سطح استاندارد یکسان نیز ایجاد می‌شود. برای مثال در یکی از اتاق‌ها در اثر اندازه‌گیری وزن پودرها، ذراتی تولید و پخش می‌شوند که نباید به اتاق مجاور منتقل شوند، بنابراین فشار اتاق مجاور را اندکی بیشتر از اتاق اندازه‌گیری وزن پودرها در نظر می‌گیرند. این در حالی است که سطح دسته‌بندی هر دو اتاق تمیز در استانداردها می‌تواند یکسان نیز باشد.
همانطور که اشاره شد، ایجاد اختلاف فشار، یک فرایند است که به کمک آن می‌توان جریان عمدی از درزها و نشتی‌های موجود در بین دو اتاق ایجاد کرد. حال اگر فشار اتاق بیشتر از محیط بیرون باشد، این جریان از درزها به سمت بیرون خواهد بود ولی اگر فشار اتاق کمتر از محیط بیرون تنظیم شده باشد، جریان هوا از بیرون به سمت داخل وارد می‌شود.
بنابراین همانطور که در این مطلب به آن اشاره شد، برای کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز و کنترل ورود و خروج ذرات، ابتدا نیاز به دانستن مفهوم اتاق تمیز و ذره داریم. همچنین اشاره شد که انواع راه‌های کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز شامل فیلتراسیون هوا، نرخ تعویض هوا، حرکت هوا و اختلاف فشار است. توجه کنید که چهار روشی که در بالا برای کنترل آلاینده‌ها ذکر شد را باید در اکثر اتاق‌های تمیز به صورت همزمان مورد استفاده قرار داد. تاثیر هرکدام از این روش‌ها به نوع دسته‌بندی اتاق تمیز، میزان جریان هوای ورودی به اتاق تمیز، الگوی جریان در اتاق تمیز و میزان خروجی هوا از اتاق تمیز بستگی دارد.
نکته مهم دیگر در اتاق‌های تمیز، بررسی منابع تولید ذرات، شیوه توزیع ذرات مختلف در فضای اتاق تمیز و همچنین بررسی میزان ریسک حضور و چسبیدن ذرات در سطوح گوناگون اتاق تمیز است که در مطالب بعدی وبلاگ فرادرس به صورت دقیق به بررسی آن‌ها پرداخته می‌شود. همچنین برای مطالعه بیشتر در زمینه علم تهویه مطبوع به مطلب «تهویه مطبوع چیست؟ — به زبان ساده» مراجعه کنید.
در صورتی که به مباحث ارائه شده، علاقه‌مند هستید و قصد یادگیری در زمینه‌های مطرح شده در علم مکانیک سیالات را دارید، آموزشهای زیر به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزشهای دروس مهندسی مکانیک
- مجموعه آموزشهای نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
- اتاق تمیز (Cleanroom) — به زبان ساده
- پیوستگی و بقای جرم در سیالات — از صفر تا صد
- دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) — از صفر تا صد
- آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF
- آموزش آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی (چیلرهای توربوکر و دیگ های چگالشی)
