"קל" אולי לא מילה שעולה בראש כשמדובר בתכנון סביבות רגישות כאלה. עם זאת, אין זה אומר שאי אפשר לייצר עיצוב מוצק של חדר נקי על ידי התמודדות עם בעיות ברצף הגיוני. מאמר זה מכסה כל שלב מפתח, עד לטיפים שימושיים ספציפיים ליישום להתאמת חישובי עומס, תכנון נתיבי פליטה וזווית לקבלת שטח חדר מכני הולם ביחס לסוג החדר הנקי.
תהליכי ייצור רבים דורשים את תנאי הסביבה המחמירים ביותר שמספק חדר נקי. מכיוון שלחדרים נקיים יש מערכות מכניות מורכבות ועלויות בנייה, תפעול ואנרגיה גבוהות, חשוב לבצע את תכנון החדר הנקי בצורה שיטתית. מאמר זה יציג שיטה שלב אחר שלב להערכת ותכנון חדרים נקיים, תוך התחשבות בזרימת אנשים/חומרים, סיווג ניקיון החלל, הפעלת לחץ בחלל, זרימת אוויר באספקת החלל, סינון אוויר בחלל, איזון אוויר בחלל, משתנים להערכה, בחירת מערכת מכנית, חישובי עומס חימום/קירור ודרישות שטח תומך.
שלב ראשון: הערכת הפריסה עבור זרימת אנשים/חומרים
חשוב להעריך את זרימת האנשים והחומרים בתוך חדר נקי. עובדי חדר נקי הם מקור הזיהום הגדול ביותר בחדר נקי וכל התהליכים הקריטיים צריכים להיות מבודדים מדלתות גישה ודרכי עבודה.
לחללים הקריטיים ביותר צריכה להיות גישה יחידה כדי למנוע מהחלל לשמש כנתיב לחללים אחרים, פחות קריטיים. תהליכים פרמצבטיים וביו-פרמצבטיים מסוימים רגישים לזיהום צולב מתהליכים פרמצבטיים וביו-פרמצבטיים אחרים. יש להעריך בקפידה את הזיהום הצולב של התהליכים עבור נתיבי כניסת חומרי גלם ובלימה, בידוד תהליכי חומרים ודרכי יציאה ובלימה של מוצרים מוגמרים. איור 1 הוא דוגמה למתקן צמנט עצם הכולל גם חללי תהליכים קריטיים ("אריזת ממסים", "אריזת צמנט עצם") עם גישה יחידה ומנעולי אוויר כמעצורים לאזורים עם תנועה רבה של אנשים ("חלוק", "לא-חלוק").
שלב שני: קביעת סיווג ניקיון החלל
כדי לבחור סיווג לחדר נקי, חשוב להכיר את התקן העיקרי לסיווג חדר נקי ומהן דרישות ביצועי החלקיקים עבור כל סיווג ניקיון. תקן 14644-1 של המכון למדעי הסביבה וטכנולוגיה (IEST) מספק את סיווגי הניקיון השונים (1, 10, 100, 1,000, 10,000 ו-100,000) ואת מספר החלקיקים המותר בגדלי חלקיקים שונים.
לדוגמה, בחדר נקי מסוג Class 100 מותר מקסימום של 3,500 חלקיקים/רגל מעוקב בגודל 0.1 מיקרון ומעלה, 100 חלקיקים/רגל מעוקב בגודל 0.5 מיקרון ומעלה, ו-24 חלקיקים/רגל מעוקב בגודל 1.0 מיקרון ומעלה. טבלה זו מספקת את צפיפות החלקיקים הנישאים באוויר המותרת לפי טבלת סיווג ניקיון:
לסיווג ניקיון החלל יש השפעה משמעותית על בנייה, תחזוקה ועלות האנרגיה של חדר נקי. חשוב להעריך בקפידה את שיעורי הדחייה/זיהום בסיווגי ניקיון שונים ודרישות של גופים רגולטוריים, כגון מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA). בדרך כלל, ככל שהתהליך רגיש יותר, כך יש להשתמש בסיווג ניקיון מחמיר יותר. טבלה זו מספקת סיווגי ניקיון עבור מגוון תהליכי ייצור:
ייתכן שתהליך הייצור שלכם ידרוש דרגת ניקיון מחמירה יותר, בהתאם לדרישות הייחודיות שלו. יש לנקוט משנה זהירות בעת הקצאת סיווגי ניקיון לכל חלל; אסור שיהיה הבדל של יותר משני סדרי גודל בסיווג הניקיון בין החללים המחוברים. לדוגמה, לא מקובל שחדר נקי מסוג 100,000 ייפתח לחדר נקי מסוג 100, אך מקובל שחדר נקי מסוג 100,000 ייפתח לחדר נקי מסוג 1,000.
במתקן אריזת צמנט העצם שלנו (איור 1), "חלוק", "חלוק" ו"אריזה סופית" הם חללים פחות קריטיים ובעלי סיווג ניקיון Class 100,000 (ISO 8), "מנעול אוויר לצמנט עצם" ו"מנעול אוויר סטרילי" פתוחים לחללים קריטיים ובעלי סיווג ניקיון Class 10,000 (ISO 7); "אריזת צמנט עצם" היא תהליך קריטי מאובק ובעל סיווג ניקיון Class 10,000 (ISO 7), ו"אריזת ממסים" היא תהליך קריטי מאוד המבוצע במנדפי זרימה למינריים Class 100 (ISO 5) בחדר נקי Class 1,000 (ISO 6).
שלב שלישי: קביעת לחץ בחלל
שמירה על לחץ אוויר חיובי בחלל, ביחס לחללים סמוכים בעלי סיווג ניקיון מלוכלך יותר, חיונית במניעת חדירת מזהמים לחדר נקי. קשה מאוד לשמור באופן עקבי על סיווג ניקיון של חלל כאשר יש בו לחץ ניטרלי או שלילי בחלל. מה צריך להיות הפרש הלחצים בחלל בין חללים? מחקרים שונים העריכו חדירת מזהמים לחדר נקי לעומת הפרש הלחצים בחלל בין החדר הנקי לסביבה בלתי מבוקרת סמוכה. מחקרים אלה מצאו שהפרש לחצים של 0.03 עד 0.05 אינץ' במשקל (wg) יעיל בהפחתת חדירת מזהמים. הפרשי לחצים בחלל מעל 0.05 אינץ' במשקל (wg) אינם מספקים בקרת חדירת מזהמים טובה משמעותית מאשר 0.05 אינץ' במשקל (wg).
קחו בחשבון, הפרש לחצים גבוה יותר בחלל כרוך בעל עלות אנרגיה גבוהה יותר וקשה יותר לשלוט בו. כמו כן, הפרש לחצים גבוה יותר דורש יותר כוח בפתיחה וסגירה של דלתות. הפרש הלחצים המרבי המומלץ על פני דלת הוא 0.1 אינץ' wg (כ-1.88 מ"ג) לעומת 0.1 אינץ' wg, דלת בגודל 3 רגל על 7 רגל דורשת 11 פאונד (כ-5.5 ק"ג) של כוח לפתיחה וסגירה. ייתכן שיהיה צורך לשנות את תצורת סוויטת חדר נקי כדי לשמור על הפרש הלחצים הסטטי בין הדלתות בגבולות מקובלים.
מתקן אריזת צמנט עצם שלנו נבנה בתוך מחסן קיים, בעל לחץ חלל ניטרלי (0.0 אינץ' wg). לנעילת האוויר בין המחסן ל"גלימה/גלימה לא מסווגת כנקיון חלל ולא יהיה לחץ חלל ייעודי. ל"גלימה/גלימה לא מסווגת" יהיה לחץ חלל של 0.03 אינץ' wg. ל"נעילת אוויר לצמנט עצם" ול"נעילת אוויר סטרילית" יהיה לחץ חלל של 0.06 אינץ' wg. ל"אריזה סופית" יהיה לחץ חלל של 0.06 אינץ' wg. ל"אריזה של צמנט עצם" יהיה לחץ חלל של 0.03 אינץ' wg, ולחץ חלל נמוך יותר מאשר "נעילת אוויר לצמנט עצם" ול"אריזה סופית" על מנת להכיל את האבק שנוצר במהלך האריזה.
סינון האוויר לתוך 'אריזת צמנט העצם' מגיע מחלל עם אותו סיווג ניקיון. חדירת אוויר לא צריכה לעבור מחלל עם סיווג ניקיון מלוכלך יותר לחלל עם סיווג ניקיון נקי יותר. ל"אריזת ממסים" יהיה לחץ אוויר של 0.11 אינץ' wg. שימו לב, הפרש הלחצים בחלל בין החללים הפחות קריטיים הוא 0.03 אינץ' wg וההפרש בין "אריזת ממסים" קריטית מאוד ל"מנעול אוויר סטרילי" הוא 0.05 אינץ' wg. לחץ האוויר בחלל של 0.11 אינץ' wg לא ידרוש חיזוקים מבניים מיוחדים לקירות או תקרות. יש להעריך לחצי חלל מעל 0.5 אינץ' wg לצורך פוטנציאלי בחיזוק מבני נוסף.
שלב רביעי: קביעת זרימת אוויר בחלל
סיווג ניקיון החלל הוא המשתנה העיקרי בקביעת זרימת האוויר האספקה של חדר נקי. בטבלה 3, לכל סיווג ניקיון יש קצב חילופי אוויר. לדוגמה, חדר נקי מסוג 100,000 הוא בעל טווח של 15 עד 30 אוויר בכל שעה. קצב חילופי האוויר של החדר הנקי צריך לקחת בחשבון את הפעילות הצפויה בתוך החדר הנקי. חדר נקי מסוג 100,000 (ISO 8) בעל שיעור תפוסה נמוך, תהליך יצירת חלקיקים נמוך ולחץ אוויר חיובי בחלל ביחס לחללים נקיים ומלוכלכים יותר סמוכים עשוי להשתמש ב-15 אוויר בכל שעה, בעוד שאותו חדר נקי בעל תפוסה גבוהה, תנועה תכופה של כניסה/יציאה, תהליך יצירת חלקיקים גבוה או לחץ אוויר ניטרלי בחלל כנראה יזדקק ל-30 אוויר בכל שעה.
על המתכנן להעריך את היישום הספציפי שלו ולקבוע את קצב החלפת האוויר שיש להשתמש בו. משתנים נוספים המשפיעים על זרימת האוויר באספקת החלל הם זרימות אוויר פליטה מתהליך, חדירת אוויר דרך דלתות/פתחים, וחילוץ אוויר החוצה דרך דלתות/פתחים. IEST פרסמה את קצבי החלפת האוויר המומלצים בתקן 14644-4.
אם מסתכלים על איור 1, ל"חלוקה/חלוק רחצה" היה מעבר הכניסה/היציאה הרב ביותר, אך אינו חלל קריטי לתהליך, מה שהביא ל-20 מקומות עבודה בכל חלל. 'מנעול אוויר סטרילי' ו"מנעול אוויר לאריזת צמנט עצם" סמוכים לחללי ייצור קריטיים, ובמקרה של "מנעול אוויר לאריזת צמנט עצם", האוויר זורם ממנעול האוויר לחלל האריזה. למרות שלמנעולי אוויר אלה יש מעבר כניסה/יציאה מוגבל ואין להם תהליכי יצירת חלקיקים, חשיבותם הקריטית כחיץ בין "חלוקה/חלוק רחצה" לתהליכי הייצור גורמת לכך שיש להם 40 מקומות עבודה בכל חלל.
"אריזה סופית" מציבה את שקיות צמנט העצם/ממס באריזה משנית שאינה קריטית וכתוצאה מכך קצב של 20 יחידות בכל מחזור. "אריזת צמנט עצם" היא תהליך קריטי ובעלת קצב של 40 יחידות בכל מחזור. 'אריזת ממס' היא תהליך קריטי מאוד המבוצע במנדפי זרימה למינרית מסוג Class 100 (ISO 5) בתוך חדר נקי מסוג Class 1,000 (ISO 6). ל'אריזת ממס' יש תנועה מוגבלת מאוד של כניסה/יציאה ויצירת חלקיקים נמוכה בתהליך, וכתוצאה מכך קצב של 150 יחידות בכל מחזור.
סיווג חדרים נקיים ושינויי אוויר לשעה
ניקיון האוויר מושג על ידי העברת האוויר דרך מסנני HEPA. ככל שהאוויר עובר דרך מסנני HEPA לעתים קרובות יותר, כך פחות חלקיקים נותרים באוויר החדר. נפח האוויר המסונן בשעה חלקי נפח החדר נותן את מספר החלפות האוויר לשעה.
החלפות האוויר לשעה המוצעות לעיל הן כלל אצבע בלבד. יש לחשב אותן על ידי מומחה לחדר נקי HVAC, מכיוון שיש לקחת בחשבון היבטים רבים, כגון גודל החדר, מספר האנשים בחדר, הציוד בחדר, התהליכים המעורבים, תפוקת החום וכו'.
שלב חמישי: קביעת זרימת פליטת אוויר בחלל
רוב החדרים הנקיים נמצאים תחת לחץ חיובי, מה שמביא לדליפת אוויר מתוכננת לחללים סמוכים בעלי לחץ סטטי נמוך יותר ודלת אוויר לא מתוכננת דרך שקעי חשמל, גופי תאורה, מסגרות חלונות, מסגרות דלתות, ממשק קיר/רצפה, ממשק קיר/תקרה ודלתות גישה. חשוב להבין שחדרים אינם אטומים הרמטית ויש בהם דליפות. חדר נקי אטום היטב יהיה בעל קצב דליפה של 1% עד 2% מהנפח. האם דליפה זו גרועה? לא בהכרח.
ראשית, בלתי אפשרי שתהיה אפס דליפה. שנית, אם משתמשים במכשירי בקרת אוויר אקטיביים לאספקה, חזרה ויציאה, צריך להיות הפרש של לפחות 10% בין זרימת האוויר האספקה והחזור כדי לנתק באופן סטטי את שסתומי האספקה, ההחזרה והיציאה זה מזה. כמות האוויר היוצאת דרך הדלתות תלויה בגודל הדלת, בהפרש הלחצים על פני הדלת, ובמידת אטימות הדלת (אטמים, שקעי דלת, סגירה).
אנו יודעים שהאוויר החדיר/הפליט המתוכנן עובר מחלל אחד לחלל השני. לאן הולך הפליטה הלא מתוכננת? האוויר נפלט בתוך חלל הקורות ויוצא החוצה מלמעלה. אם נסתכל על הפרויקט לדוגמה שלנו (איור 1), פליטת האוויר דרך הדלת בגודל 3 על 7 רגל היא 190 cfm עם לחץ סטטי דיפרנציאלי של 0.03 אינץ' wg ו-270 cfm עם לחץ סטטי דיפרנציאלי של 0.05 אינץ' wg.
שלב שישי: קביעת מאזן האוויר בחלל
איזון אוויר בחלל מורכב מחיבור כל זרימת האוויר לתוך החלל (אספקה, חלחול) וכל זרימת האוויר היוצאת מהחלל (פליטה, פליטה, החזרה) כאשר זרימת האוויר שווה. בהתבוננות במאזן האוויר בחלל מתקן צמנט עצם (איור 2), ל"אריזת ממסים" יש 2,250 cfm של זרימת אוויר באספקה ו-270 cfm של פליטת אוויר ל"מנעול אוויר סטרילי", וכתוצאה מכך זרימת אוויר חוזרת של 1,980 cfm. ל"מנעול אוויר סטרילי" יש 290 cfm של אוויר באספקה, 270 cfm של חלחול מ"אריזת ממסים", ו-190 cfm של פליטה ל"חלוק/לא-חלוק", וכתוצאה מכך זרימת אוויר חוזרת של 370 cfm.
ל"אריזת צמנט עצם" יש זרימת אוויר של 600 cfm באספקה, 190 cfm של סינון אוויר מ-'מנעול אוויר צמנט עצם', 300 cfm פליטה לאיסוף אבק, ו-490 cfm של אוויר חוזר. ל"מנעול אוויר צמנט עצם" יש זרימת אוויר של 380 cfm באספקה, 190 cfm של פליטה ל-'אריזת צמנט עצם' יש 670 cfm באספקה, 190 cfm של פליטה ל-'חלוק/לא-חלוק'. ל"אריזה סופית" יש 670 cfm באספקה, 190 cfm של פליטה ל-'חלוק/לא-חלוק' ו-480 cfm של אוויר חוזר. ל"חלוק/לא-חלוק" יש 480 cfm של אוויר באספקה, 570 cfm של חלחול, 190 cfm של פליטה, ו-860 cfm של אוויר חוזר.
כעת קבענו את זרימות האוויר של האספקה, החדירה, היציאה, הפליטה וההחזרה לחדר הנקי. זרימת האוויר הסופית של החלל תותאם במהלך ההפעלה עבור יציאת אוויר לא מתוכננת.
שלב שבע: הערכת המשתנים הנותרים
משתנים נוספים שיש להעריך כוללים:
טמפרטורה: עובדי חדר נקי לובשים גלימות או חליפות ארנב מלאות מעל בגדיהם הרגילים כדי להפחית יצירת חלקיקים וזיהום פוטנציאלי. בגלל הביגוד הנוסף שלהם, חשוב לשמור על טמפרטורת חלל נמוכה יותר לנוחות העובדים. טווח טמפרטורות חלל בין 19°C ל-21°C יספק תנאים נוחים.
לחות: עקב זרימת האוויר הגבוהה בחדר נקי, נוצר מטען אלקטרוסטטי גדול. כאשר לתקרה ולקירות יש מטען אלקטרוסטטי גבוה ולחות יחסית נמוכה, חלקיקים הנישאים באוויר יידבקו לפני השטח. כאשר הלחות היחסית של החלל עולה, המטען האלקטרוסטטי נפרק וכל החלקיקים שנלכדו משתחררים תוך פרק זמן קצר, מה שגורם לחדר הנקי לחרוג מהמפרט. מטען אלקטרוסטטי גבוה יכול גם לפגוע בחומרים הרגישים לפריקה אלקטרוסטטית. חשוב לשמור על לחות יחסית גבוהה מספיק בחלל כדי להפחית את הצטברות המטען האלקטרוסטטי. יחס לחות יחסית של 45% + 5% נחשב לרמת הלחות האופטימלית.
למינריות: תהליכים קריטיים מאוד עשויים לדרוש זרימה למינרית כדי להפחית את הסיכוי שמזהמים יחדורו לזרם האוויר בין מסנן ה-HEPA לתהליך. תקן IEST #IEST-WG-CC006 מספק דרישות לזרימת אוויר למינרית.
פריקה אלקטרוסטטית: מעבר להרטבת החלל, תהליכים מסוימים רגישים מאוד לנזקי פריקה אלקטרוסטטית ויש צורך להתקין ריצוף מוליך מוארק.
רמות רעש ורעידות: חלק מהתהליכים המדויקים רגישים מאוד לרעש ורעידות.
שלב שמונה: קביעת פריסת המערכת המכנית
מספר משתנים משפיעים על מערך המערכת המכנית של חדר נקי: זמינות מקום, מימון זמין, דרישות תהליך, סיווג ניקיון, אמינות נדרשת, עלות אנרגיה, חוקי בנייה ואקלים מקומי. בניגוד למערכות מיזוג אוויר רגילות, למערכות מיזוג אוויר של חדרים נקיים יש אספקת אוויר גדולה משמעותית מהנדרש כדי לעמוד בעומסי קירור וחימום.
בחדרים נקיים מסוג 100,000 (ISO 8) ומטה, מסוג 10,000 (ISO 7) כל האוויר יכול לעבור דרך ה-AHU. באיור 3, ניתן לראות כי אוויר החוזר והאוויר החיצוני מעורבבים, מסוננים, מקוררים, מחוממים מחדש ומורחים לפני שהם מסופקים למסנני HEPA סופיים בתקרה. כדי למנוע סחרור מחדש של מזהמים בחדר הנקי, אוויר החוזר נאסף על ידי זרמי אוויר חוזרים נמוכים מהקיר. בחדרים נקיים מסוג 10,000 (ISO 7) גבוה יותר ונקיים יותר, זרימות האוויר גבוהות מדי מכדי שכל האוויר יוכל לעבור דרך ה-HHU. באיור 4, ניתן לראות כי חלק קטן מאוויר החוזר נשלח חזרה ל-HHU לצורך מיזוג אוויר. האוויר הנותר מוחזר למאוורר הסירקולציה.
חלופות ליחידות טיפול באוויר מסורתיות
יחידות סינון מאוורר, הידועות גם כמודולי מפוח משולבים, הן פתרון סינון מודולרי לחדר נקי עם כמה יתרונות על פני מערכות טיפול באוויר מסורתיות. הן מיושמות בחללים קטנים וגדולים כאחד עם דירוג ניקיון נמוך עד ISO Class 3. קצב החלפת האוויר ודרישות הניקיון קובעות את מספר מסנני המאוורר הנדרשים. תקרת חדר נקי Class 8 ISO עשויה לדרוש כיסוי של 5-15% בלבד מהתקרה, בעוד שחדר נקי Class 3 ISO או חדר נקי יותר עשוי לדרוש כיסוי של 60-100%.
שלב תשע: ביצוע חישובי חימום/קירור
בעת ביצוע חישובי חימום/קירור של חדר נקי, יש לקחת בחשבון את הדברים הבאים:
השתמש בתנאי האקלים השמרניים ביותר (נתוני תכנון חימום של 99.6%, תכנון קירור נורה יבשה/חציונית של נורה רטובה, ונתוני תכנון קירור נורה רטובה/חציונית של נורה יבשה).
כלול סינון בחישובים.
כלול בחישובים את חום סעפת מכשיר האדים.
כלול עומס תהליך בחישובים.
כלול בחישובים את חום מאוורר הסירקולציה.
שלב עשר: להילחם על שטח בחדר המכני
חדרים נקיים הם בעלי צריכת חשמל גבוהה ומכנית. ככל שסיווג הניקיון של חדר נקי הופך נקי יותר, נדרש יותר שטח תשתית מכנית כדי לספק לו תמיכה נאותה. אם נשתמש בחדר נקי בגודל 1,000 רגל רבוע כדוגמה, חדר נקי בדרגה 100,000 (ISO 8) יצטרך 250 עד 400 רגל רבוע של שטח תמיכה, חדר נקי בדרגה 10,000 (ISO 7) יצטרך 250 עד 750 רגל רבוע של שטח תמיכה, חדר נקי בדרגה 1,000 (ISO 6) יצטרך 500 עד 1,000 רגל רבוע של שטח תמיכה, וחדר נקי בדרגה 100 (ISO 5) יצטרך 750 עד 1,500 רגל רבוע של שטח תמיכה.
שטח התמיכה בפועל ישתנה בהתאם לזרימת האוויר של מערכת ההדברה (AHU) ולמורכבותה (פשוט: מסנן, סליל חימום, סליל קירור ומאוורר; מורכב: מחליש קול, מאוורר חוזר, מקטע כניסת אוויר חיצוני, מקטע מסנן, מקטע חימום, מקטע קירור, מכשיר אדים, מאוורר אספקה ומעלית פריקה) ומספר מערכות תמיכה ייעודיות לחדר נקי (פליטה, יחידות אוויר ממוחזר, מים קרים, מים חמים, קיטור ומים DI/RO). חשוב להעביר לאדריכל הפרויקט את שטח הציוד המכני הנדרש בשלב מוקדם של תהליך התכנון.
מחשבות אחרונות
חדרים נקיים הם כמו מכוניות מרוץ. כאשר הם מתוכננים ונבנים כראוי, הם מכונות בעלות ביצועים יעילים ביותר. כאשר הם מתוכננים ונבנים בצורה גרועה, הם פועלים בצורה גרועה ואינם אמינים. חדרים נקיים טומנים בחובם מלכודות פוטנציאליות רבות, ומומלץ פיקוח של מהנדס בעל ניסיון רב בחדרי נקיון עבור כמה פרויקטים ראשונים של חדרים נקיים.
מקור: gotopac
זמן פרסום: 14 באפריל 2020
