2017-09-20

洁净室空调系统的设计

By Raymond K. Schneider, P.E.
美国采暖、制冷和空调工程师协会会员

Raymond K. Schneider, P.E., 是南卡罗来纳州格林维尔市的一位资深洁净室顾问和实用技术元老,他也是南卡罗来纳州克莱姆森市克莱姆森大学建设科学与管理副教授。

该洁净室空调系统的目的是提供足够数量的气流和清洁,以支持洁净室的评级。空气是引进的方式,以防止积水的地方粒子可积累进入洁净室。空气也必须条件,以满足洁净室的温度和湿度的要求。此外,足以弥补空调引入空气必须保持指定的正压。

本文认为,洁净室空调系统的设计。为了简化演示,干净的房间分为三个清洁度整体水平:

严谨,中级和宽松。

表1:新的ISO洁净室的分类是在左侧。在美国联邦标准209E英制和公制名称分类也显示。本指引列表示的三种这篇文章的目的描述类别。请注意,100级可被视为一个严谨的洁净室当它是单向流洁净室和中间时,非单向的非关键应用流程设计的设计。右侧列提供每分钟平均客房速度英尺严格的洁净室每小时换气和中级及洁净室气流较宽松的准则。

气流

过滤空气通过洁净室的设计流量是最严格的洁净室,并作为清洁跌幅的要求降低。平均风速在房间内或作为每小时换气,通常会指定气流。平均房间空气速度的方法通常完整筛选天花板安装时使用。多年来,值为 90 fpm (0.46 m/s) ± 20%已用于指定最清洁的洁净室中的气流。这基于设计为支持在六十年代的太空计划生成的最早的洁净室和七十年代。

近年来,公司已尝试用较低的速度,而找到了 70 至 100 fpm (0.35 到 0.51 m/s) ± 20%不等的气流速度规格可能成功,取决于活动和设备的房间内。较高的值用于在更高级别的人员活动或粒子生成过程设备的房间。较低的值用更少,更多的定居,人事室和/或设备潜力较少颗粒。

通常情况下,具有洁净室的丰富经验与知识的客户指定低端的速度范围。客户和设计师对新的洁净室或缺乏自信,较低的速度就足够了而选择较高档次的规模。没有单一的值的平均速度或空气变化率为给定的洁净室分类行业所接受。此语句唯一的例外是重要药品无菌灌装领域 FDA 所指定的 90 ± 20 fpm (0.46 ± 0.10 m/s) 速度。

每小时规范的空气变化最常见的中间或宽松的洁净无尘室。中间的洁净室通常设有每小时换气介乎三十至 160,虽然不太严格的洁净室每小时有空气的变化率达 20。设计过滤器中选择值是根据他的经验和认识的粒子产生潜在的客户端的过程。近年来的趋势是朝着降低气流值更大胆的设计/建造公司和精打细算的最终用户成功地与这些值实验。

该研究所环境科学和技术建议 :实践 12 (IEST-CC-RP.012.1) 包括一系列的推荐的气流率为每个清洁类的表一样多,最近发布 ISO 14644-1 四部分。表 (1) 列出了这些值。两者都是共识性文件,汇集洁净室设计,建造者和使用者的意见,得出已知已经通过了工作多年的数据。所有这些文件通过指定参数的责任到了“买方和卖方”的洁净室,因此谨慎的建议有些措词前面介绍的基础上。

过滤

许多年来,微电子产业带动了洁净室技术。过滤器效率更高的要求,有来自这和相关产业。ULPA(超低渗透空气)过滤的99.9995%的0.12微米的微粒效率已被用在最严格的洁净室有效。可用过滤器效率更高,但费用昂贵,并没有得到普遍使用。如 99.99%和 99.999%的效率可从多家厂家,并已被证明是有效严格洁净室的应用程序中。

HEPA(高效能粒子空气)过滤器,以99.97%的效率在0.3微米的微粒评分,有多年的洁净室行业的工作母机。他们仍然被广泛地应用于制药工业,以满足最苛刻的FDA的清洁度要求。

作为过滤测试仪器已经成熟和更小的粒子能更准确计算,测试数据表明,这两个ULPA高效过滤器的传递和比其他任何规模0.1至0.2微米范围内更多的粒子。事实上,过滤 0.12 和 0.3 微米的颗粒大小以显示其额定的效率和更高的效率对较大和较小的粒子。对于严格的应用中,经常可以看到指定的过滤效率的基础上最易穿透粒径,而不是一个具体的0.12或0.3微米大小(Mpps)的。Mpps的可能略有不同的过滤器之间的地段。指定在“最坏情况”粒度期望的效率已经发现了一些设计师和过滤器制造商的青睐。

最严格和中级洁净室是采用在天花板中的过滤器。该过滤器可安装在专用的模块化的压力系统,有利于简化安装在洁净室天花板的组.它们也可以被安装在单个过滤器外壳,单独固体冲压,个别管道在倒“T”网格支持系统悬挂,并密封,防止进入洁净室空气过滤旁路。 “棒建”压力全会仍在使用。但是,现有的各种既提供更好的空气流速控制和更好的环境控制和模块化的方案已完全取代了“棒建 ”的设计。

集成的过滤器/鼓风机风机过滤器单元或已投入广泛使用。在某些产品的过滤器可更换。在其他国家,整个模块被丢弃在其生命的尽头。他们来了旨在适应一倒“T”型格系统的各种尺寸。不同的电机电压可支持多种电器设计方案。一些复杂的控制计划已经制订监测各风机运行过滤器,记录能源消耗,信号电机故障,风机过滤器控件的边缘,并改变不同的日常运作时间风扇转速。他们发现在所有级别的洁净室的应用。

对天花板安装过滤器的风速一般可高达130 fpm的(0.66米/秒)和低至50 fpm的(0.25米/秒)由系统的设计而定。由于系统支持的过滤器,如倒“T”型格,可能会占用多达20%的上限区,100fpm(0.51米/秒)过滤器的表面风速转换到80 fpm(0.41米/ s)的平均流速在洁净室工作表面。

安装高效/ ULPA过滤器直接在被驱动的愿望,以减少洁净室的天花板,如果不消除,除尘的表面,如管道系统内的过滤器之间的下游面和清洁房间。 HEPA过滤器的远程安装在应用中常见的,因为不那么严格的,可以通过管道造成粒子数的HEPA过滤器的下游,是作为可耐受量的比例很小。

例外的情况是在空调系统没有清洁度分类标准正在升级支持洁净室,目的在于确保每个联邦标准 209 或 ISO 标准 14644 清洁评级。在这种情况下,所有的过滤管道应彻底清洗干净。机柜风机或空气处理程序与排放端HEPA过滤器的常常用于不太严格的应用程序。

在这些应用中使用的高效微粒空气过滤器一般都很高速率过滤器,基于500 fpm的(2.54米/秒)过滤器的表面风速,具有压降明显低于天花板安装使用的高。在清洁2英尺×2英尺(600毫米×600毫米)高速高效空气过滤器可以有1.5英寸水柱(375帕),500 fpm的(2.54米/秒)的压力下降。典型的安装在天花板上清洁过滤器是为了得到0.5英寸水柱(125帕)压降设计而500fpm(2.54米/秒)表面风速。

房间空调器模式

引入洁净室的空气,在经历HEPA或ULPA过滤器,基本上是自由粒子。空气进入房间里有两个目的。首先,它需要稀释的粒子,就可以在房间里,由于人员或流程活动形成的浓度。其次,它需要夹带在这种粒子和气流携带的房间去。

三种类型的气流确定:

  1. 单向流(原名“层流”),那里的空气流线本质互相平行。
  2. 非单向流(原名“动荡”),在空气流线以外互相平行。
  3. 混流泵,进风流线,可能不在其他地方并行。

严格的洁净室几乎都是设计的单向气流。这是通过提供100%的与 HEPA/ ULPA过滤器安装天花板覆盖面和带穿孔地板的架空地板。空气移动通过穿孔地板,天花板垂直向下到地板下的回风全会。然后空气横向移动到回风管道在房间的边缘,最终为再循环回到洁净室的风机。

在洁净空间是相当狭窄的顺序从墙的14至16英尺(4.2至4.8米)的墙,高架地板往往是消除低回侧壁网罩好办法。 垂直的空气会向下移动在2至3英寸的楼(0.6至0.9米),走向分裂前侧壁运动的回报。 这已被证明在许多严格的洁净室应用可以接受的,尤其是当升级一个现有空间不足的架空通道时遇到。

在单向洁净室,家具和设备将影响气流的格局。 配售的方式,防止将极大限度地减少了其对发展中国家的这些障碍物的死空域清洁效果。

非单向气流经常使用于中级洁净室。 高效空气过滤器安装在天花板上的模式,提供了相当均匀覆盖。 向下移动的空气进入洁净室。 然而,空气流线是随机的没有定义的图案。 而空气进入房间基本上是无颗粒,在主要工作表面洁净室粒子计数将寻求一个公平的基础上:粒子数在洁净室中产生;清洁空气稀释变化率的影响; 而且与从紧要关头的工作地域被移动的速度。 一般而言,较高的空气变化率是中级洁净室的清洁工,但气流模式也发挥了作用。

回风在非单向的洁净室里特别重要。 边墙回风格栅广泛用于在这些房间。格栅 应均匀的分布在房间的边缘。 ,当工艺设备旨在占用墙壁空间时,这能造成的挑战。 如果可能的话,设备应移到墙外允许其背后空气流动。设备还可以提高到一个月台或基座上来使空气从下方流过。 在大多数情况下,洁净室,便设计者以方打算从桌面粒子运动的高空作业面在地上,然后进行横向矮墙的回报。 这种流动模式进行房间的颗粒,并最终在那里被困的过滤器。 例外可能涉及的工艺设备,产生一个以上的关键在工作表面的位置颗粒。 一些高回报的捕获机制可能要排序设计。 一般来说,“高至低”流提出了建议。

这是好的做法,以限制空气的水平距离必须到一个干净的房间在中间的返回移动。 水平距离为14至16英尺(4.2至4.8米)应该是一个设计目标。 因此,一个房间28至32英尺(8.4至9.6米)宽只需要在外围墙壁返回位于窗花。 可能的交叉污染所造成的中途退出的气流,或以其他方式被吸引到了关键颗粒表面,而长期横流路径建议将此限制。

对于较宽的室,常见的做法是在支承柱中入盒中和结合返回栅而且在箱里面归还空气管道。缺乏适当地设置的柱,一个垂直的回行送气通风能建构在合适清洁室相容材料。

在较宽松的洁净室和远程安装高效空气过滤器,标准的空调风口,可安装在天花板上。 航空模式相似,在标准空调空间的人可以被创建。 矮墙回报建议遵循标准的洁净室将在高洁净的空气和删除它低的设计实践。 凡天花板回报使用,有可能是在洁净的空间粒子计数高的地区,特别是在高活性的时期。 天花板返回已用于一些较宽松的洁净室。 成功更多的是对的比对系统生成的能力,消除他们的颗粒水平。

混合流方法已被用在关键和非关键工序是相同的洁净空间。 如果空间不向家中一个单独的房间关键的操作,一个干净的房间可以创建不同的清洁区。 区创建通过调整天花板过滤模式。 在一个关键地区,有过滤器安装在天花板上。 在一个不太重要的是,减少过滤器的安装位置。供给空气可能必须被流入渠道下滑的在紧急的段之上在它之前散播到一般的空间。 根据洁净室的天花板高度,一个2英尺(0.6米)高的树脂玻璃盾牌,甚至是一个灵活的塑料窗帘披上内12至18英寸(304到457毫米)的地板,都可以使用。

回风模式,通过适当地调整定位,以适应返回格栅过滤空气量的不同,以及防止交叉污染。 一个与回风中全会提高地板会更有效。 然而,它往往是排除由客户的预算,通常驱动器的扩展,作为一个客户端的资源有限,更具成本效益的溶液混合流室的选择。

一些非洁净室的缺点是单向的空气粒子计数高的口袋。这些口袋可以持续一段时间,然后消失。这是由于所设置的房间内,由于相关的活动过程与随机的下降气流性质结合了电流。已坐了努力,创造一个模拟低于主要清理室的天花板正压全会,然后安装作为第二天花板空气扩散机制单向流动。塑料或铝板穿孔已被使用,由于具有专用扫描系统的织或非织造布组成。

其结果是流动特性接近速度明显高于在严格的洁净室看到那些低单向流动。 气流模式的活塞效应是为了防止在通常会导致形成一个不可预测的洁净水平颗粒满载的口袋。 达到这种性能是在较低的风速属于中级和较宽松的洁净室的设计特点(图1)

显冷负荷

在最冷负荷洁净室显热比例超过95%。 通常需要冷却全年由于高扇加热性气流的贡献,以及在洁净室制程设备产生的热量。 小负荷所产生的潜在人才。 每个清洁房间是一个独特的项目,应认真分析,以确认冷却负载性质。

在严格和中级洁净室,空气透过房间的大流动量的大部分是一般不调节。 这是循环的球迷。 该空调是通过空气处理与理智的冷却盘管的气流抽出一个百分比,其中的状态,然后排出的空气气流回到达主循环之前,风机(图2)。 空气的温度进入严格的洁净室可能只比几度回风由于大量冷却风量被冷却。 这个温度差通常会允许安装在天花板上高效或ULPA过滤器是用于向下气流不产生工人不舒服的条件。

在较宽松的洁净室的总气流可能在某些情况下,接近了正常的散热应用要求。 也就是说,进入房间空气温度可能在15华氏度到20华氏度(8.3 ° C至11 ° C)高于回风更冷。 在这种情况下,以减低扩散或不合适的房间内其他战略草案应使用标准的上限。

补风

室外空气须在对废气和正压渗风量过程通常在试图保持干净的空间内发生了积极的压力。 补风是非常昂贵的,它必须进行调节,湿度调节,然后才进入洁净室进行清理。 虽然补风是不可避免的,应该尽可能在能源节约和经济利益的程度上减少。

洁净室的压力通常是相对于未评级积极的地区。 一般来说,一个0.05英寸水柱(12帕)的洁净空间领域的相对推荐压力值未评定。 更高的压力往往导致呼啸的声音,使门难以打开(或关闭)。 在清洁类清洁多套房,目前的趋势是在保持在较高的空间高洁净度等级的压力为0.02英寸水柱不同等级之间的相邻洁净空间(5 Pa)的正压。

补风风量可通过对尾气排放量来求和后增加了两个额外每小时换气空间体积。 这半经验的导出值证明是安全的使用量大小的补风来处理。 实际补风在同一时间引进将随门打开泄漏而异,实际排气操作。

补风的处理必须条件必须与外面的空气与洁净室的设计参数兼容。这通常需要过滤,预加热,冷却,加热,除湿,加湿。

美国采暖、制冷和空调工程师协会在严格的洁净室单位经常有三个阶段的过滤,效率为30%预过滤器,有95%的效率的过滤器和一个最终HEPA滤网。中级和较宽松的洁净室通常只有两个阶段的过滤,30%的预过滤器,和95%的最终过滤器。顾名思义,最后的过滤器单位在放电。

预热一般可在外界温度低于40 °F在冬季(4℃)下降。 冷却和除湿完成在冷却盘管在洁净室中的露点42华氏度(5.6摄氏度)。 由于具有完全身着工人严格的洁净室,可予保留在低干球温度为66华氏度(19摄氏度),这使得通过制冷有效的湿度控制下限仅约40%的相对湿度。

需二次加热提高低温除湿脱落后冷却盘管。在计算有再热热添加到气流的循环系统把风机考虑在内。这可能是相当重要的严格的洁净室。

线圈的温度达到能够产生房间低露点超过42华氏度(5.6摄氏度)可能产生问题。当相对湿度必须要小于40%时,一般的做法是使用某种类型的除湿系统。

在这里所述的制度,补风单位提供了所有的潜在的冷却和加湿。 假设补风的属性可以调整,通过渗透补充洁净室的墙壁,以适应潜在能力的工人和任何水分。 它还假定整个设施潜在负荷或多或少是统一的。 这些假设应该在每个应用工程中进行测试。 他们依赖于周围的洁净室,外面的空气条件,并在洁净室的任何进程可以补充水分的气流条件。

在低风量较小外洁净室,合理的冷却空气处理如前描述可以作为一个合理的设计/潜空气处理空气的条件下,补风以及再循环空气。 在这种情况下,一个混合气流必须是清洁室内空气和室外空气调节组成。 阻尼器的比例混合反应洁净室气流的压力各体积。 外界空气阻尼器打开和关闭循环风门节流作为洁净室气压下降。 本机的空气循环分配到的风机。

在较宽松的洁净室应用,再循环空气总额可能接近对风量进行调理要求。 在这种情况下,可能没有循环的风机,而是在所有空气处理机组,多重空气处理程序,状况和再循环所有由洁净室所需要的空气处理。

综述

在洁净室指引趋势是投在专家“通才”能够满足客户的愿望,一旦这些愿望是角色设计师众所周知的。 通常使用的准则,如“受买方和卖方之间的协议”,以吸引到决策过程中的客户因为还有洁净室设计,由于有很多变化是设计师创造的。 这里提出的准则已证明有效的,代表所使用的技术共识为人理解。 正如任何准则,他们必须考虑到每一种情况,以适应不同的领域中遇到的条件。


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