Высокотехнологичные отрасли отечественной промышленности – микроэлектронная, радиоэлектронная и приборостроительная, фармацевтическая, химическая и биохимическая, энергетическая и космическая, медицинская, микробиологическая, пищевая и др., производственные процессы которых сопровождаются образованием аэрозолей в виде пыли, возгонов, газов и других веществ, остро нуждаются в получении чистого технологического воздуха и, следовательно, в обеспечении высокоэффективной очистки технологических газов и воздуха от содержащихся в них во взвешенном состоянии микрочастиц и газообразных веществ различной природы. Под термином «высокоэффективная очистка газов от аэрозолей» подразумевается процесс удаления из газовых объемов и потоков взвешенных в них твердых или жидких частиц сколько угодно малых размеров с эффективностью не менее 99 %. Практика показывает, что наличие различных примесей в воздухе отрицательно влияет на качество рабочих процессов и, как следствие, на качество изделий. Необходимость обеспечения высокоэффективной защиты производственного персонала, технологических процессов и продукции от загрязнений требует создания специфической защитной среды, называемой «чистыми помещениями». В то же время интенсификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве, в различных отраслях промышленности, эксплуатация высокопроизводительных энерго- и ресурсосберегающих систем, наряду с разработкой и внедрением современного технологического оборудования существенно увеличили выбросы в атмосферу значительного количества токсичной пыли и вредных газообразных примесей. В связи с этим усложняются и задачи обеспечения условий, предъявляемых к чистым помещениям.
Согласно стандарту ISO 14644-1, разработанному Международной организацией по стандартизации (ISO), чистое помещение (cleanroom) – это помещение, в котором контролируется счетная концентрация аэрозольных частиц, и которое построено и используется так, чтобы свести к минимуму поступление, генерацию и накопление частиц внутри помещения, и в котором, при необходимости, контролируются другие параметры, например температура, влажность и давление. В технике чистых помещений размерный диапазон контролируемых в воздухе частиц принято делить на три области: частицы диаметром от 0,1 до 5,0 мкм; частицы диаметром менее 0,1 мкм (ультрамалые частицы); частицы диаметром более 5,0 мкм (макрочастицы). При определении счётной концентрации частиц в воздухе чистых помещений измерения проводят, как правило, для частиц с диаметрами от 0,1 до 5,0 мкм (наличие в воздухе частиц этого размерного диапазона положено в основу классификации чистых по классам чистоты).
В технологиях высокоэффективной фильтрации, как правило, наличествует множество взаимозависимых переменных, характеризующихся параметрами производственной среды, в той или иной мере влияющих на качество рабочих процессов: температурой, влажностью, скоростью движения воздуха, а также содержанием в нем химических и механических (аэрозолей) примесей. Но есть и общие условия обеспечения процесса: например для того, чтобы очищенный воздух не перемешивался с уже загрязнённым, необходима циркуляция воздуха с организацией воздушных потоков; а чтобы в чистое помещение не просачивался воздух извне, нужен положительный перепад давления.
Следовательно, говоря об эффективности фильтрации, характеризующейся наивысшей пылеемкостью при наименьшем перепаде давления, в сочетании с длительностью срока эксплуатации, при минимальных затратах потребляемой энергии, можно утверждать, что она является определяющим показателем при технико-экономическом обосновании адекватности выбора фильтра.
В настоящем исследовании анализируются особенности НЕРА (High Efficient Particulate Air filters) и ULPA (Ultra Low Penetration Air filters) фильтров (с максимально возможной эффективностью очистки, которую можно реально проконтролировать – 99,999995 % для частиц наиболее проникающего размера), предназначенных для чистых помещений с однонаправленным воздушным потоком (воздух подается через систему высокоэффективных фильтров и проходит через помещение, сохраняя направление движения).
Актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью проведения анализа технологических и конструктивных особенностей обеспечения высокоэффективной очистки подаваемого в чистые помещения воздуха, а также воздуха, образующегося в ходе технологических процессов и характеризующегося различным аэрозольным составом.
Основные требования, предъявляемые к группам высоко- и сверхвысокоэффективных HEPA и ULPA фильтров для очистки воздуха, а также к их материалам, установлены ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010. Методикой определения эффективности фильтров, согласно их характеристикам, упомянутым группам фильтров присвоены следующие обозначения: НЕРА фильтрам – обозначение Н; ULPA фильтрам – обозначение U.
До начала 80-х годов прошлого столетия для фильтрации воздуха в чистых помещениях применялись НЕРА-фильтры, т.к. на тот момент они были наиболее эффективными из коммерчески доступных фильтров. В настоящее время, например, для производства интегральных схем, используются более эффективные ULPA-фильтры [14, 15].
Высокоэффективные фильтры, используемые в чистых помещениях, выполняют двойную функцию: они удаляют из воздуха мелкие частицы и в помещениях с однонаправленным потоком воздуха формируют воздушный поток. Расположение и расстояние между фильтрами, так же, как и величина скорости воздуха, оказывают непосредственное влияние на концентрацию взвешенных в воздухе частиц и формирование застойных зон, аккумулирующих аэрозоли, а также пути миграции частиц по всему чистому помещению [7, 11]. Таким образом, наличие вентилятора и высокоэффективного фильтра является лишь начальным условием формирования однонаправленного потока воздуха. Для обеспечения потребного качества его чистоты необходим правильный баланс всех его составляющих [6, 9].
Несмотря на то, что различные стандарты по чистым помещениям определяют класс чистоты только исходя из концентрации взвешенных в воздухе частиц, (например, класс ИСО 6 или класс 1000), для достижения требуемого уровня чистоты в различных отраслях промышленности используются различные сочетания НЕРА и ULPA-фильтров [1, 2]. В помещениях класса ИСО 4 (класс 10) и более чистых, для создания однонаправленного воздушного потока, в т.ч. при производстве изделий с субмикронной геометрией, применяются ULPA-фильтры, а в помещениях класса ИСО 6 (класс 1000) или менее чистых, в т.ч. для фильтрации микроорганизмов и инертных частиц, приемлемы НЕРА-фильтры в сочетании с турбулентной вентиляцией, что достигается установкой их на входе воздушного потока в помещение или в воздуховоде приточной вентиляции. В чистых помещениях класса ИСО 5 (класс 100) НЕРА-фильтры устанавливаются по всей площади потолка для создания однонаправленного вертикального воздушного потока [12, 17].
В высокоэффективных кассетных фильтрах применяется укладка фильтрующего материала в виде V-образных блоков, представляющих собой гофрированную штору «гармошка». Известны два типа конструкций высокоэффективных фильтров – с глубокими или с мелкими гофрами. При использовании обоих типов обеспечивается большая площадь поверхности фильтрующего материала и его безопасное крепление в корпусе, не допускающее протечек неочищенного воздуха [6, 12].
НЕРА-фильтры характеризуются эффективностью фильтрации и величиной перепада давления при номинальном расходе воздуха. По определению, НЕРА-фильтр должен обладать эффективностью фильтрации мелких частиц (с размером около 0,3 мкм), в том числе некоторые виды бактерий, не ниже 99,97 % (допускается вероятность проникновения не более 3 из 10 000 частиц) [11].
Обычно НЕРА-фильтры с глубокими гофрами имеют размеры 0,6×0,6×0,3 м, номинальный расход воздуха 0,47 м3/с, максимальное давление 250 Па и площадь фильтрующего материала от 15,9 до 25,5 м2. Соотнеся объем расхода воздуха с площадью фильтрующего материала, получим значение скорости воздуха (при номинальном расходе) в диапазоне от 1,8 до 3,0 см/с. Эти величины являются определяющими, т.к. их изменение приводит к изменению показателя эффективности фильтрации. Следовательно, увеличение площади фильтрующего материала приводит к снижению перепада давлений на фильтре и повышению его эффективности [4, 7].
В фильтрах с глубокими гофрами, используемых в стандартных системах вентиляции со скоростью воздуха до 2,5 м/с, длинный лист фильтровальной бумаги складывается зигзагом, в котором каждый последующий сгиб направлен в противоположную сторону. Расстояние между сгибами (глубина гофра) составляет обычно 15 или 30 см. Для обеспечения свободного течения воздуха через бумагу и стабильного рабочего режима, между складками размещают гофрированную алюминиевую фольгу (сепаратор), а получившийся пакет прикрепляют к пластмассовому, деревянному или металлическому корпусу – рамке [6, 13]. Альтернативным методом является гофрирование фильтрующего материала непосредственно в процессе его производства. Последующая укладка в блок обеспечивает жесткость конструкции и свободное течение воздуха. Дальнейшая установка фильтра в системе должна обеспечивать надежное уплотнение, исключающее проход неочищенного воздуха через места примыкания фильтра.
В настоящее время высокоэффективные фильтры выпускаются с мелкими складками – минигофром, без алюминиевых сепараторов – гофрированная фильтровальная бумага разделяется нитью, крепится полосками термоклея или посредством рельефа на поверхности бумаги, что позволяет создать 6–8 гофров (против 2–3 глубоких) на 2,5 см длины. Такие фильтры – компактны и содержат больше фильтрующего материала на единице площади, обеспечивая меньший перепад давления, и применимы в чистых помещениях с однонаправленным воздушным потоком при скорости движения воздуха 0,35–0,5 м/с [2, 12].
Обозначение ULPA применяют для фильтров, имеющих эффективность фильтрации выше, чем у НЕРА-фильтров. Эффективность ULPA-фильтров может достигать 99,9995 % для частиц диаметром 0,1–0,2 мкм. Конструкция и принцип работы этих фильтров аналогичны фильтрам НЕРА. ULPA-фильтры отличаются тем, что их фильтрующая среда содержит большую долю тонких волокон, а перепад давления на фильтре несколько выше. По сравнению с НЕРА-фильтром, имеющим такую же площадь фильтрующего материала, ULPA-фильтр будет иметь большее сопротивление. Так как ULPA-фильтры имеют более высокую эффективность, к ним не применимы методы испытаний, разработанные для НЕРА-фильтров, они требуют использования лазерных счетчиков частиц или счетчиков ядер конденсации [6].
Высокоэффективный фильтр предназначен для улавливания частиц с размерами приблизительно 2 мкм и менее. Для удаления более крупных частиц используют более дешевые предварительные фильтры [9, 10].
Фильтрующая среда высокоэффективного фильтра выполняется из стеклянных волокон с диаметрами в диапазоне 0,1–10 мкм, причем расстояние между волокнами больше размеров улавливаемых частиц. Волокна по всей глубине фильтрующей среды ориентированы в пространстве случайным образом и не образуют пор какого-либо определенного размера [7, 10].
В процессе движения через фильтрующую среду взвешенные частицы сталкиваются с волокнами или с уже осевшими на них другими частицами. На частицу, столкнувшуюся с волокном или с ранее осевшей частицей, действуют силы Ван-дер-Ваальса, величина которых достаточна для «захвата» и удержания частицы [10, 18].
Существуют три основных эффекта, ответственных за улавливание субмикронных частиц фильтрующей средой, – инерция, диффузия и зацепление. Действующие одновременно с ними электростатический эффект и эффект сита менее значимы и могут не учитываться.
Улавливание за счет инерции существенно для более крупных частиц, обладающих массой и импульсом, достаточными для отклонения от линии тока и столкновения с волокном при обтекании его потоком воздуха.
В процессе улавливания за счет диффузионного механизма частицы с малой массой (недостаточной для того, чтобы отклониться от линии тока) движутся почти произвольно, так как они подвергаются постоянной бомбардировке другими частицами и молекулами газа, в котором они находятся во взвешенном состоянии. В процессе такого произвольного движения в разных направлениях частицы могут касаться волокон фильтра или ранее захваченных частиц.
Если частица, проходя мимо волокна по линии тока, сталкивается с ним за счет своего конечного размера, т.е. тангенциально, то такой механизм улавливания называется эффектом зацепления. Наконец, эффект сита возникает, когда расстояние между волокнами меньше диаметра улавливаемых частиц [3, 10]. Таким образом, частицы самого большого размера улавливаются за счет инерции, частицы среднего размера – благодаря эффекту зацепления, а самые маленькие частицы – вследствие диффузии. Известно, что размер частиц с минимальной эффективностью улавливания (размер частиц с максимальной проникающей способностью – most penetrating particle size, MPPS) изменяется в зависимости от таких параметров, как: плотность частиц; скорость и длина свободного пробега частицы; толщина фильтрующего материала; скорость, давление и температура газа – носителя частиц; размер волокон и их распределение в объеме фильтрующей среды.
Учитывая зависимость эффективности фильтрации от такого набора переменных, следует полагать, что размер частиц с максимальной проникающей способностью жестко не фиксирован. К тому же аэрозоли весьма неоднородны и имеют различную природу (клетки кожи, частицы кремния и др.), что требует варьирования скоростью воздуха в фильтрующем материале, диаметром волокон и плотностью их упаковки [10].
В большинстве конструкций высокоэффективных воздушных фильтров фильтрующий материал уложен в виде большого числа параллельных гофров – очень узких и глубоких. Типичный высокоэффективный воздушный фильтр с размерами 0,6×1,2×0,15 м содержит 140–190 таких гофров. При прохождении через гофры поток воздуха выравнивается и движется в одном направлении. Кроме того, сопротивление фильтровальной бумаги практически однородно, поэтому через каждый гофр движется примерно одинаковое количество воздуха. Эти два фактора – равномерность сопротивления фильтрующей среды и большое число гофров – приводят к однородности потока воздуха, выходящего из фильтра, что позволяет сформировать однонаправленный поток воздуха, в котором малые частицы движутся вдоль линий тока [5, 16].
Однако само по себе использование высокоэффективных фильтров не гарантирует однонаправленности воздушного потока за ними. Для того чтобы обеспечить однонаправленный поток воздуха через все чистое помещение, возможно, потребуется применение и других устройств. Кстати будет отметить, что в некоторых высокоэффективных фильтрах применяется укладка фильтрующего материала в виде V-образных блоков, и они не предназначены для помещений с однонаправленным воздушным потоком [5, 17].
Проведенный анализ существующих технологических и конструктивных особенностей обеспечения высокоэффективной очистки, подаваемого в чистые помещения воздуха, а также воздуха, образующегося в ходе технологических процессов и характеризующегося различным аэрозольным составом, позволяет определиться с направлениями экспериментальных исследований по дальнейшей оптимизации параметров, влияющих на эффективность очистки. В том числе показана необходимость варьирования скоростью воздуха в фильтрующем материале, диаметром волокон и плотностью их упаковки.
Библиографическая ссылка
Маркелова Н.П., Кадомцев Г.М., Черняев С.И. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА И КЛЮЧЕВЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 3-2. – С. 263-267;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35731 (дата обращения: 18.04.2024).