1. Analyse van de kenmerken van hoge cleanrooms
(1). Hoge cleanrooms hebben hun eigen kenmerken. Over het algemeen worden hoge cleanrooms vooral gebruikt in het nabewerkingsproces en doorgaans voor de assemblage van grote apparatuur. Ze vereisen geen hoge reinheidseisen en de nauwkeurigheid van de temperatuur- en vochtigheidsregeling is niet hoog. De apparatuur genereert weinig warmte tijdens het productieproces en er zijn relatief weinig mensen aanwezig.
(2). Hoge cleanrooms hebben meestal grote frameconstructies en er worden vaak lichte materialen gebruikt. De bovenplaat is over het algemeen niet gemakkelijk te belasten.
(3). De generatie en verspreiding van stofdeeltjes. Voor hoge cleanrooms is de belangrijkste vervuilingsbron anders dan die van gewone cleanrooms. Naast stof dat door mensen en sportuitrusting wordt gegenereerd, is oppervlaktestof verantwoordelijk voor een groot deel. Volgens de literatuurgegevens bedraagt de stofgeneratie bij een stilstaand persoon 105 deeltjes/(min·persoon), en de stofgeneratie bij een bewegend persoon is naar schatting 5 keer zo hoog als bij een stilstaand persoon. Voor cleanrooms van normale hoogte wordt de oppervlaktestofgeneratie berekend als de oppervlaktestofgeneratie van 8 m² grondoppervlak, wat gelijk is aan de stofgeneratie van een persoon in rust. In hoge cleanrooms is de reinigingsbelasting groter in de lagere personeelszones en kleiner in de bovenste zones. Tegelijkertijd is het, gezien de kenmerken van het project, noodzakelijk om een passende veiligheidsfactor te hanteren voor de veiligheid en rekening te houden met onvoorziene stofvervuiling. De oppervlaktestofgeneratie in dit project is gebaseerd op de oppervlaktestofgeneratie van 6 m² grondoppervlak, wat gelijk is aan de stofgeneratie van een persoon in rust. Deze berekening is gebaseerd op 20 personen per ploegendienst, waarbij de stofproductie door personeel slechts 20% van de totale stofproductie uitmaakt, terwijl in een algemene cleanroom de stofproductie door personeel ongeveer 90% van de totale stofproductie bedraagt.
2. Schone ruimte-inrichting van hoge werkplaatsen
De inrichting van een cleanroom omvat doorgaans de vloer, wandpanelen, plafonds en bijbehorende installaties voor airconditioning, verlichting, brandbeveiliging, wateraanvoer en -afvoer. Volgens de eisen moeten voor de gebouwschil en de interieurafwerking van de cleanroom materialen worden gebruikt met een goede luchtdichtheid en die weinig vervormen bij temperatuur- en vochtigheidsveranderingen. De wand- en plafondafwerking in cleanrooms moet aan de volgende eisen voldoen:
(1). De oppervlakken van wanden en plafonds in cleanrooms moeten vlak, glad, stofvrij, reflectievrij en gemakkelijk te ontstoffen zijn, en zo min mogelijk oneffenheden vertonen.
(2). In cleanrooms mogen geen gemetselde of gepleisterde muren worden gebruikt. Indien dit toch noodzakelijk is, dient er droog gewerkt te worden en moeten er hoogwaardige pleisternormen worden gehanteerd. Na het pleisteren van de muren dient de verf aangebracht te worden. Er dient een brandvertragende, scheurvrije, afwasbare, gladde verf te worden gekozen die niet gemakkelijk water absorbeert, niet snel bederft en niet snel schimmelt. Over het algemeen worden voor de inrichting van cleanrooms voornamelijk gepoedercoate metalen wandpanelen gebruikt als interieurmateriaal. In grote fabrieken is de installatie van metalen wandpanelen echter lastiger vanwege de grote vloerhoogte. Bovendien zijn ze minder sterk, duurder en kunnen ze geen gewicht dragen. In dit project werden de stofontwikkelingskenmerken van cleanrooms in grote fabrieken en de eisen voor de reinheid van de ruimte geanalyseerd. De conventionele methoden voor interieurdecoratie met metalen wandpanelen werden niet toegepast. Er werd een epoxycoating aangebracht op de originele muren. Er werd geen plafond aangebracht in de gehele ruimte om de bruikbare ruimte te vergroten.
3. Luchtstroomorganisatie in hoge cleanrooms
Volgens de literatuur kan het gebruik van een cleanroom-airconditioningsysteem voor hoge cleanrooms het totale luchttoevoervolume aanzienlijk verminderen. Met deze vermindering van het luchtvolume is een redelijke luchtstroomorganisatie van cruciaal belang voor een optimaal cleanroom-airconditioningseffect. Het is noodzakelijk om de uniformiteit van de luchttoevoer en -afvoer te waarborgen, wervelingen en luchtstromen in de cleanroom te minimaliseren en de diffusie-eigenschappen van de toevoerlucht te verbeteren om het verdunningseffect van de luchtstroom optimaal te benutten. In hoge cleanrooms met reinheidseisen van klasse 10.000 of 100.000 kan het ontwerpconcept voor comfortabele airconditioning in grote ruimtes, zoals luchthavens en tentoonstellingshallen, als voorbeeld dienen. Door gebruik te maken van nozzles en zijdelingse luchttoevoer kan de luchtstroom over een grote afstand worden verspreid. Luchttoevoer via nozzles is een methode waarbij hogesnelheidsstralen uit de nozzles worden geblazen. Het wordt voornamelijk gebruikt in airconditioningsruimtes in hoge cleanrooms of openbare gebouwen met grote vloerhoogtes. De nozzle heeft een zijdelingse luchttoevoer, waarbij de nozzle en de retourluchtuitlaat aan dezelfde kant zijn geplaatst. De lucht wordt geconcentreerd uit meerdere nozzles in de ruimte geblazen met een hogere snelheid en een groter luchtvolume. De luchtstroom stroomt na een bepaalde afstand terug, waardoor de gehele geklimatiseerde ruimte zich in het recirculatiegebied bevindt. Vervolgens voert de retourluchtuitlaat aan de onderkant de lucht terug naar de airconditioningsunit. De kenmerken zijn een hoge luchttoevoersnelheid en een groot bereik. De luchtstroom zorgt voor een sterke menging van de binnenlucht, waarbij de snelheid geleidelijk afneemt en een grote wervelende luchtstroom ontstaat. Hierdoor wordt de geklimatiseerde ruimte gelijkmatiger verdeeld over een temperatuur- en luchtstroomverdeling.
4. Voorbeeld van een technisch ontwerp
Een hoge, schone werkplaats (40 m lang, 30 m breed, 12 m hoog) vereist een schone werkruimte onder de 5 m, met een statische zuiveringsniveau van 10.000 en een dynamische zuiveringsniveau van 100.000, een temperatuur tn = 22℃ ± 3℃ en een relatieve luchtvochtigheid fn = 30% ~ 60%.
(1). Bepaling van de luchtstroomorganisatie en de ventilatiefrequentie
Gezien de gebruikseigenschappen van deze hoge cleanroom, die meer dan 30 meter breed is en geen plafond heeft, voldoet de conventionele luchttoevoermethode voor cleanrooms moeilijk aan de eisen. Om de temperatuur, luchtvochtigheid en reinheid van de cleanroom (onder 5 meter) te garanderen, is gekozen voor een gelaagde luchttoevoer met nozzles. De sproeiers voor de luchtaanvoer zijn gelijkmatig verdeeld over de zijwand, terwijl de retourluchtuitlaat met dempingslaag gelijkmatig is verdeeld over een hoogte van 0,25 meter aan de onderkant van de zijwand. Dit zorgt voor een luchtstroom waarbij de lucht vanuit de nozzles terugstroomt en vanuit de geconcentreerde zijde weer terugstroomt. Tegelijkertijd zijn er, om te voorkomen dat de lucht in het niet-schone werkgebied boven 5 meter een dode zone vormt wat betreft reinheid, temperatuur en vochtigheid, de impact van koude- en warmtestraling van buitenaf op het werkgebied te verminderen, de door de bovenkraan tijdens de werkzaamheden gegenereerde stofdeeltjes tijdig af te voeren en optimaal gebruik te maken van de schone lucht die zich tot boven 5 meter verspreidt, een rij kleine retourluchtuitlaten aangebracht in het niet-schone airconditioningsgebied. Dit vormt een klein circulatiesysteem voor retourlucht, waardoor de vervuiling van het bovenliggende niet-schone gebied naar het onderliggende schone werkgebied aanzienlijk wordt verminderd.
Op basis van de vereiste reinheid en de uitstoot van verontreinigende stoffen, hanteert dit project een ventilatiefrequentie van 16 uur voor het schone, geconditioneerde gedeelte onder de 6 meter, en een geschikte afzuiging voor het hoger gelegen, niet-schone gedeelte, met een ventilatiefrequentie van minder dan 4 uur. In feite bedraagt de gemiddelde ventilatiefrequentie van de gehele installatie 10 uur. Op deze manier, vergeleken met het volledig steriel koelen van de gehele ruimte, garandeert de methode met gelaagde luchttoevoer via sproeiers niet alleen een betere ventilatiefrequentie in het schone, geconditioneerde gedeelte en voldoet deze aan de luchtstroombehoeften van de grote installatie, maar bespaart het systeem ook aanzienlijk op luchtvolume, koelcapaciteit en ventilatorvermogen.
(2). Berekening van de luchttoevoer via de zijsproeier
Temperatuurverschil van de toevoerlucht
De ventilatiefrequentie die nodig is voor airconditioning in cleanrooms is veel hoger dan die van algemene airconditioning. Door optimaal gebruik te maken van het grote luchtvolume van cleanroomairconditioning en het temperatuurverschil van de toevoerlucht te minimaliseren, kan niet alleen capaciteit en bedrijfskosten worden bespaard, maar wordt ook de nauwkeurigheid van de airconditioning in de cleanroom beter gewaarborgd. Het in dit project berekende temperatuurverschil van de toevoerlucht bedraagt ts = 6℃.
De cleanroom heeft een relatief grote overspanning, met een breedte van 30 m. Het is noodzakelijk om te zorgen voor voldoende overlap in het middengedeelte en ervoor te zorgen dat het proceswerkgebied zich in het retourluchtgebied bevindt. Tegelijkertijd moet rekening worden gehouden met de geluidseisen. De luchttoevoersnelheid van dit project is 5 m/s, de installatiehoogte van de nozzle is 6 m en de luchtstroom wordt horizontaal uit de nozzle geblazen. In dit project is de luchttoevoersnelheid van de nozzle berekend. De diameter van de nozzle is 0,36 m. Volgens de literatuur is het Archimedesgetal berekend op 0,0035. De luchttoevoersnelheid van de nozzle is 4,8 m/s, de axiale snelheid aan het uiteinde is 0,8 m/s, de gemiddelde snelheid is 0,4 m/s en de gemiddelde snelheid van de retourstroom is minder dan 0,4 m/s, wat voldoet aan de eisen voor procesgebruik.
Omdat het luchtvolume van de toevoerluchtstroom groot is en het temperatuurverschil van de toevoerlucht klein, is deze vrijwel gelijk aan een isotherme straal, waardoor de straallengte gemakkelijk te garanderen is. Op basis van het getal van Archimedes kan de relatieve afstand x/ds = 37 m worden berekend, wat voldoet aan de eis van 15 m overlap van de toevoerluchtstroom aan de tegenoverliggende zijde.
(3). Behandeling van de airconditioningconditie
Gezien de kenmerken van een cleanroom met een groot toevoerluchtvolume en een klein temperatuurverschil in de toevoerlucht, wordt optimaal gebruikgemaakt van retourlucht. De primaire retourlucht wordt daarom geëlimineerd bij de zomerse airconditioningbehandeling. Er wordt een maximaal aandeel secundaire retourlucht gebruikt, waarbij de verse lucht slechts eenmaal wordt behandeld en vervolgens gemengd met een grote hoeveelheid secundaire retourlucht. Hierdoor wordt herverwarming voorkomen en worden het benodigde vermogen en het energieverbruik van de apparatuur verlaagd.
(4). Resultaten van technische metingen
Na afronding van dit project werd een uitgebreide technische test uitgevoerd. In totaal werden 20 horizontale en verticale meetpunten in de gehele installatie aangebracht. Het snelheidsveld, het temperatuurveld, de reinheid, het geluid, enzovoort van de cleanroom werden onder statische omstandigheden getest, en de daadwerkelijke meetresultaten waren relatief goed. De meetresultaten onder de ontwerpbedrijfsomstandigheden zijn als volgt:
De gemiddelde luchtsnelheid bij de luchtuitlaat bedraagt 3,0 tot 4,3 m/s, en de snelheid op het punt waar de twee tegengestelde luchtstromen samenkomen is 0,3 tot 0,45 m/s. De ventilatiefrequentie van de schone werkruimte is gegarandeerd 15 keer per uur, en de reinheid ervan is gemeten binnen klasse 10.000, wat ruimschoots voldoet aan de ontwerpvereisten.
Het geluidsniveau binnen (A-niveau) bedraagt 56 dB bij de retourluchtuitlaat, en in alle andere werkruimtes ligt het niveau onder de 54 dB.
5. Conclusie
(1). Voor hoge cleanrooms met niet al te hoge eisen kan een vereenvoudigde inrichting worden toegepast om zowel aan de gebruikseisen als aan de reinheidseisen te voldoen.
(2). Voor hoge cleanrooms waar alleen het reinheidsniveau van het gebied onder een bepaalde hoogte klasse 10.000 of 100.000 hoeft te zijn, is de luchttoevoermethode met schone, gelaagde airconditioningmondstukken een relatief economische, praktische en effectieve methode.
(3). Voor dit type hoge cleanrooms wordt in het bovenste, niet-schone werkgebied een rij stripvormige retourluchtuitlaten geplaatst om stof te verwijderen dat in de buurt van de kraanrails ontstaat en om de impact van koude- en warmtestraling vanuit het plafond op het werkgebied te verminderen, waardoor de reinheid en de temperatuur en luchtvochtigheid van het werkgebied beter gewaarborgd kunnen worden.
(4). De hoogte van een hoge cleanroom is meer dan vier keer zo groot als die van een gewone cleanroom. Onder normale stofproductieomstandigheden is de reinigingsbelasting per oppervlakte-eenheid veel lager dan die van een gewone lage cleanroom. Vanuit dit perspectief kan de ventilatiefrequentie daarom lager worden vastgesteld dan de ventilatiefrequentie die wordt aanbevolen in de nationale norm GB 73-84. Onderzoek en analyse tonen aan dat de ventilatiefrequentie voor hoge cleanrooms varieert afhankelijk van de hoogte van het te reinigen oppervlak. Over het algemeen kan 30% tot 80% van de door de nationale norm aanbevolen ventilatiefrequentie voldoen aan de reinigingseisen.
Geplaatst op: 18 februari 2025