التحليل الأساسي للغرفة النظيفة

مقدمة

تُعدّ الغرفة النظيفة أساس مكافحة التلوث. فبدونها، لا يمكن إنتاج الأجزاء الحساسة للتلوث بكميات كبيرة. في معيار FED-STD-2، تُعرَّف الغرفة النظيفة بأنها غرفة مزودة بأنظمة ترشيح وتوزيع وتحسين الهواء، ومواد بناء ومعدات خاصة، حيث تُستخدم فيها إجراءات تشغيل منتظمة محددة للتحكم في تركيز الجسيمات المحمولة جوًا لتحقيق مستوى النظافة المطلوب.

لتحقيق مستوى نظافة مثالي في الغرف النظيفة، لا بد من التركيز ليس فقط على اتخاذ تدابير تنقية هواء مناسبة، بل أيضاً على إلزام الجهات المختصة في مجالات التصنيع والإنشاء وغيرها باتخاذ التدابير اللازمة: من تصميم مدروس، إلى تنفيذ دقيق وتركيب متقن وفقاً للمواصفات، فضلاً عن الاستخدام الأمثل للغرفة النظيفة والصيانة والإدارة العلمية. وقد تناولت العديد من الدراسات المحلية والأجنبية هذا الموضوع من زوايا مختلفة. في الواقع، يصعب تحقيق التنسيق الأمثل بين مختلف التخصصات، ويصعب على المصممين الإلمام بجودة الإنشاء والتركيب، فضلاً عن الاستخدام والإدارة، لا سيما الأخيرة. وفيما يتعلق بتدابير تنقية الغرف النظيفة، غالباً ما يتجاهل العديد من المصممين، أو حتى القائمين على الإنشاء، الشروط اللازمة، مما يؤدي إلى نتائج نظافة غير مرضية. تتناول هذه المقالة بإيجاز أربعة شروط أساسية لتحقيق متطلبات النظافة في تدابير تنقية الغرف النظيفة.

1. نظافة الهواء المُزوَّد

لضمان أن نظافة الهواء المزوّد تلبي المتطلبات، فإن المفتاح هو أداء وتركيب المرشح النهائي لنظام التنقية.

تحديد الفلتر

تعتمد المرحلة النهائية من نظام تنقية الهواء عادةً على مرشح هيبا أو مرشح هيبا فرعي. ووفقًا لمعايير بلدي، تُصنّف كفاءة مرشحات هيبا إلى أربع فئات: الفئة أ (≥99.9%)، والفئة ب (≥99.9%)، والفئة ج (≥99.99%)، والفئة د (للجسيمات ≥0.1 ميكرومتر) (وتُعرف أيضًا بمرشحات هيبا فائقة الدقة)، ومرشحات هيبا الفرعية (للجسيمات ≥0.5 ميكرومتر) (95-99.9%). كلما زادت الكفاءة، ارتفع سعر المرشح. لذا، عند اختيار المرشح، يجب مراعاة متطلبات نظافة الهواء المُزوّد، بالإضافة إلى الجدوى الاقتصادية.

من منظور متطلبات النظافة، يتمثل المبدأ في استخدام مرشحات منخفضة الأداء للغرف النظيفة ذات المستوى المنخفض، ومرشحات عالية الأداء للغرف النظيفة ذات المستوى العالي. وبشكل عام: يمكن استخدام مرشحات عالية ومتوسطة الكفاءة للمستوى مليون؛ ويمكن استخدام مرشحات هيبا الفرعية أو مرشحات هيبا من الفئة أ للمستويات الأقل من 10000؛ ويمكن استخدام مرشحات الفئة ب للمستويات من 10000 إلى 10000؛ ويمكن استخدام مرشحات الفئة ج للمستويات من 1000 إلى 1. يبدو أن هناك نوعين من المرشحات للاختيار من بينهما لكل مستوى نظافة. يعتمد اختيار المرشحات عالية الأداء أو منخفضة الأداء على الحالة المحددة: عندما يكون التلوث البيئي خطيرًا، أو تكون نسبة التهوية الداخلية عالية، أو تكون الغرفة النظيفة ذات أهمية خاصة وتتطلب عامل أمان أكبر، في هذه الحالات أو إحداها، يجب اختيار مرشح عالي الأداء؛ وإلا، يمكن اختيار مرشح منخفض الأداء. بالنسبة للغرف النظيفة التي تتطلب التحكم في الجسيمات التي يبلغ حجمها 0.1 ميكرومتر، يُنصح باختيار مرشحات من الفئة D بغض النظر عن تركيز الجسيمات المراد التحكم فيه. ما سبق ذكره يتعلق فقط بالمرشح. في الواقع، لاختيار مرشح جيد، يجب مراعاة خصائص الغرفة النظيفة والمرشح ونظام التنقية بشكل كامل.

تركيب الفلتر

لضمان نقاء الهواء المُزوَّد، لا يكفي وجود مرشحات عالية الجودة فحسب، بل يجب أيضًا ضمان ما يلي: أ. عدم تلف المرشح أثناء النقل والتركيب؛ ب. إحكام التركيب. ولتحقيق النقطة الأولى، يجب أن يكون فريق البناء والتركيب مدربًا تدريبًا جيدًا، وأن يمتلك المعرفة اللازمة بتركيب أنظمة التنقية ومهارات التركيب المتقنة. وإلا، فسيكون من الصعب ضمان عدم تلف المرشح. وهناك دروس قيّمة في هذا الصدد. ثانيًا، تعتمد مشكلة إحكام التركيب بشكل أساسي على جودة هيكل التركيب. يوصي دليل التصميم عمومًا بما يلي: بالنسبة للمرشح الواحد، يُستخدم تركيب مفتوح، بحيث حتى في حالة حدوث تسريب، لن يتسرب إلى الغرفة؛ كما أن استخدام مخرج هواء مزود بفلتر هيبا جاهز يُسهِّل ضمان الإحكام. أما بالنسبة للهواء متعدد المرشحات، فيُستخدم غالبًا في السنوات الأخيرة مانع تسرب هلامي ومانع تسرب بالضغط السلبي.

يجب أن يضمن مانع التسرب الهلامي إحكام وصلة خزان السائل وأن يكون الإطار بأكمله على نفس المستوى الأفقي. أما منع التسرب بالضغط السلبي فيتم عن طريق جعل المحيط الخارجي للوصلة بين المرشح وصندوق الضغط الساكن والإطار في حالة ضغط سلبي. وكما هو الحال في التركيب المفتوح، حتى في حالة وجود تسريب، فلن يتسرب إلى الغرفة. في الواقع، طالما أن إطار التركيب مسطح وسطح نهاية المرشح على اتصال منتظم مع إطار التركيب، فسيكون من السهل جعل المرشح يفي بمتطلبات إحكام التركيب في أي نوع من أنواع التركيب.

2. تنظيم تدفق الهواء

يختلف نظام تدفق الهواء في الغرفة النظيفة عن نظام الغرفة المكيفة العادية. إذ يتطلب الأمر توجيه أنقى هواء إلى منطقة العمل أولاً، وذلك للحد من تلوث المواد المعالجة وتقليله. ولتحقيق هذه الغاية، ينبغي مراعاة المبادئ التالية عند تصميم نظام تدفق الهواء: تقليل التيارات الدوامية لتجنب دخول التلوث من خارج منطقة العمل إليها؛ ومحاولة منع تطاير الغبار الثانوي لتقليل احتمالية تلوث قطعة العمل به؛ وينبغي أن يكون تدفق الهواء في منطقة العمل منتظمًا قدر الإمكان، وأن تتوافق سرعة الرياح مع متطلبات العملية والنظافة. وعند عودة الهواء إلى مخرج الهواء الراجع، يجب إزالة الغبار العالق فيه بكفاءة. ويُنصح باختيار أنماط مختلفة لتوصيل الهواء وعودته وفقًا لمتطلبات النظافة المختلفة.

تختلف منظمات تدفق الهواء في خصائصها ونطاقاتها:

(1). التدفق الرأسي أحادي الاتجاه

إضافةً إلى المزايا المشتركة المتمثلة في الحصول على تدفق هواء هابط منتظم، وتسهيل ترتيب معدات المعالجة، وقدرة عالية على التنقية الذاتية، وتبسيط المرافق العامة مثل مرافق التنقية الشخصية، فإن طرق تزويد الهواء الأربع لها مزاياها وعيوبها الخاصة: تتميز مرشحات هيبا المغطاة بالكامل بمقاومة منخفضة ودورة استبدال طويلة، ولكن هيكل السقف معقد وتكلفته مرتفعة؛ أما مزايا وعيوب مرشح هيبا المغطى من الأعلى ومرشح هيبا ذو اللوحة المثقبة بالكامل فهي معاكسة لتلك الخاصة بمرشح هيبا المغطى بالكامل. من بينها، يسهل تراكم الغبار على السطح الداخلي للوحة الفتحة في مرشح هيبا ذي اللوحة المثقبة بالكامل عندما لا يعمل النظام بشكل مستمر، كما أن سوء الصيانة يؤثر على نظافته؛ ويتطلب مرشح هيبا ذو الموزع الكثيف طبقة خلط، لذا فهو مناسب فقط للغرف النظيفة العالية التي يزيد ارتفاعها عن 4 أمتار، وتتشابه خصائصه مع مرشح هيبا ذي اللوحة المثقبة بالكامل. طريقة إعادة الهواء للوحة ذات الشبكات على كلا الجانبين ومنافذ إعادة الهواء المرتبة بالتساوي في أسفل الجدران المقابلة مناسبة فقط للغرف النظيفة ذات المسافة الصافية أقل من 6 أمتار على كلا الجانبين؛ منافذ إعادة الهواء المرتبة في أسفل الجدار أحادي الجانب مناسبة فقط للغرف النظيفة ذات المسافة الصغيرة بين الجدران (مثل ≤<2~3 أمتار).

(2) التدفق الأفقي أحادي الاتجاه

لا يمكن الوصول إلى مستوى النظافة الكامل (100%) إلا في منطقة العمل الأولى. ومع تدفق الهواء إلى الجانب الآخر، يزداد تركيز الغبار تدريجيًا. لذا، فهو مناسب فقط للغرف النظيفة ذات متطلبات النظافة المختلفة لنفس العملية في نفس الغرفة. يمكن لتوزيع مرشحات هيبا موضعيًا على جدار تزويد الهواء أن يقلل من استخدامها ويوفر الاستثمار الأولي، ولكنه قد يُسبب دوامات هوائية في مناطق محددة.

(3). تدفق الهواء المضطرب

تتشابه خصائص نظام التوزيع العلوي لألواح الفتحات ونظام التوزيع العلوي للموزعات الكثيفة مع الخصائص المذكورة سابقًا: فمزايا التوزيع الجانبي تتمثل في سهولة تركيب الأنابيب، وعدم الحاجة إلى طبقة وسيطة فنية، وانخفاض التكلفة، وملاءمته لتجديد المصانع القديمة. أما عيوبه فتتمثل في ارتفاع سرعة الرياح في منطقة العمل، وزيادة تركيز الغبار في الجانب المواجه للرياح مقارنةً بالجانب الآخر. يتميز نظام التوزيع العلوي لمخارج مرشحات هيبا ببساطة النظام، وعدم وجود أنابيب خلف مرشح هيبا، وتوصيل الهواء النظيف مباشرةً إلى منطقة العمل، إلا أن انتشار الهواء النظيف يكون بطيئًا، ويكون تدفق الهواء في منطقة العمل أكثر تجانسًا. ومع ذلك، عند توزيع مخارج هواء متعددة بالتساوي أو استخدام مخارج هواء مرشحة هيبا مع موزعات، يمكن أيضًا جعل تدفق الهواء في منطقة العمل أكثر تجانسًا. ولكن عندما لا يعمل النظام باستمرار، يكون الموزع عرضةً لتراكم الغبار.

جميع ما سبق ذكره يُمثل حالة مثالية، وهو ما توصي به المواصفات والمعايير الوطنية ذات الصلة، أو أدلة التصميم. في المشاريع الفعلية، لا يُصمم نظام تدفق الهواء بشكل جيد إما لأسباب موضوعية أو لأسباب شخصية للمصمم. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك: استخدام تدفق الهواء أحادي الاتجاه الرأسي مع عودة الهواء من الجزء السفلي للجدارين المتجاورين، واستخدام نظام الفئة 100 المحلي مع مخرج هواء علوي وعودة علوية (أي بدون إضافة ستارة معلقة أسفل مخرج الهواء المحلي)، واستخدام نظام غرف نظيفة ذات تدفق هواء مضطرب مع مخرج هواء مزود بمرشح هيبا، ومخرج هواء علوي وعودة علوية، أو عودة سفلية من جانب واحد (بمسافة أكبر بين الجدران)، وما إلى ذلك. وقد تم قياس هذه الطرق لتنظيم تدفق الهواء، وتبين أن معظمها لا يفي بمتطلبات التصميم من حيث مستوى النظافة. ونظرًا للمواصفات الحالية للقبول في حالة الفراغ أو السكون، فإن بعض هذه الغرف النظيفة بالكاد تصل إلى مستوى النظافة المصمم في هذه الحالة، كما أن قدرتها على مقاومة التلوث ضعيفة للغاية، وبمجرد دخول الغرفة النظيفة في حالة التشغيل، فإنها لا تفي بالمتطلبات.

يجب ضبط نظام تدفق الهواء بشكل صحيح باستخدام ستائر معلقة بارتفاع منطقة العمل في المنطقة المحلية، ويُمنع استخدام نظام تهوية علوي للسحب والإرجاع في الفئة 100,000. إضافةً إلى ذلك، تُنتج معظم المصانع حاليًا منافذ هواء عالية الكفاءة مزودة بموزعات هواء، وهذه الموزعات ليست سوى صفائح زخرفية ولا تؤدي وظيفة توزيع تدفق الهواء. لذا، ينبغي على المصممين والمستخدمين الانتباه جيدًا لهذه النقطة.

3. حجم إمداد الهواء أو سرعة الهواء

يُعدّ حجم التهوية الكافي ضروريًا لتخفيف تركيز الملوثات في الهواء الداخلي وإزالتها. وبحسب متطلبات النظافة المختلفة، يجب زيادة معدل التهوية عند ارتفاع الغرفة النظيفة. ويُراعى في تحديد حجم التهوية للغرفة النظيفة من فئة مليون وحدة حرارية بريطانية نظام تنقية عالي الكفاءة، وكذلك في باقي الغرف. وعند تركيز مرشحات HEPA الخاصة بالغرفة النظيفة من فئة 100,000 في غرفة الآلات، أو استخدام مرشحات HEPA الفرعية في نهاية النظام، يُمكن زيادة معدل التهوية بنسبة تتراوح بين 10 و20%.

بالنسبة لقيم حجم التهوية الموصى بها أعلاه، يرى الكاتب أن سرعة الرياح في قسم الغرفة النظيفة ذات التدفق أحادي الاتجاه منخفضة، بينما تتمتع الغرفة النظيفة ذات التدفق المضطرب بقيمة موصى بها مع هامش أمان كافٍ. التدفق الرأسي أحادي الاتجاه ≥ 0.25 م/ث، والتدفق الأفقي أحادي الاتجاه ≥ 0.35 م/ث. على الرغم من إمكانية تلبية متطلبات النظافة عند الاختبار في ظروف فارغة أو ثابتة، إلا أن قدرة مقاومة التلوث ضعيفة. بمجرد دخول الغرفة في حالة التشغيل، قد لا تفي النظافة بالمتطلبات. هذا النوع من الأمثلة ليس حالة معزولة. في الوقت نفسه، لا توجد مراوح مناسبة لأنظمة التنقية في سلسلة أجهزة التهوية في بلدي. بشكل عام، غالبًا ما لا يُجري المصممون حسابات دقيقة لمقاومة الهواء في النظام، أو لا يلاحظون ما إذا كانت المروحة المختارة تعمل عند نقطة تشغيل أكثر ملاءمة على منحنى الخصائص، مما يؤدي إلى فشل حجم الهواء أو سرعة الرياح في الوصول إلى قيمة التصميم بعد فترة وجيزة من تشغيل النظام. ينص المعيار الفيدرالي الأمريكي (FS209A~B) على أن سرعة تدفق الهواء في غرفة نظيفة أحادية الاتجاه عبر مقطعها العرضي تُحافظ عادةً على 90 قدمًا/دقيقة (0.45 متر/ثانية)، وأن يكون عدم انتظام السرعة ضمن نطاق ±20% في حال عدم وجود أي تداخل في الغرفة بأكملها. أي انخفاض ملحوظ في سرعة تدفق الهواء سيزيد من احتمالية وقت التنظيف الذاتي والتلوث بين مواقع العمل (بعد إصدار المعيار FS209C في أكتوبر 1987، لم تُصدر أي لوائح بشأن جميع مؤشرات المعايير باستثناء تركيز الغبار).

لهذا السبب، يرى الكاتب أنه من المناسب زيادة قيمة سرعة التدفق أحادي الاتجاه المُصممة محليًا بشكل مناسب. وقد طبقت وحدتنا هذا في مشاريع فعلية، وكانت النتائج جيدة نسبيًا. تتمتع غرف التنظيف المضطربة بقيمة مُوصى بها مع عامل أمان كافٍ نسبيًا، لكن العديد من المصممين لا يزالون غير مطمئنين. عند وضع تصاميم محددة، يزيدون حجم التهوية لغرف التنظيف من الفئة 100,000 إلى 20-25 مرة/ساعة، ولغرف التنظيف من الفئة 10,000 إلى 30-40 مرة/ساعة، ولغرف التنظيف من الفئة 1000 إلى 60-70 مرة/ساعة. هذا لا يزيد فقط من سعة المعدات والاستثمار الأولي، بل يزيد أيضًا من تكاليف الصيانة والإدارة المستقبلية. في الواقع، لا داعي لذلك. عند تجميع التدابير الفنية لتنقية الهواء في بلدي، تم فحص وقياس أكثر من 100 غرفة تنظيف في الصين. تم اختبار العديد من غرف التنظيف في ظل ظروف ديناميكية. أظهرت النتائج أن أحجام التهوية في غرف التنظيف من الفئة 100,000 (≥10 مرات/ساعة)، وغرف التنظيف من الفئة 10,000 (≥20 مرة/ساعة)، وغرف التنظيف من الفئة 1000 (≥50 مرة/ساعة) تفي بالمتطلبات. ينص المعيار الفيدرالي الأمريكي (FS2O9A~B) على أن غرف التنظيف غير أحادية الاتجاه (الفئة 100,000، والفئة 10,000)، التي يتراوح ارتفاعها بين 2.44 و3.66 متر (8-12 قدمًا)، تتطلب عادةً تهوية الغرفة بأكملها مرة واحدة على الأقل كل 3 دقائق (أي 20 مرة/ساعة). لذلك، أُخذ في الاعتبار معامل فائض كبير في مواصفات التصميم، ويمكن للمصمم اختيار حجم التهوية المناسب وفقًا للقيمة الموصى بها.

4. فرق الضغط الساكن

يُعدّ الحفاظ على ضغط إيجابي مُحدد في الغرفة النظيفة أحد الشروط الأساسية لضمان عدم تلوثها أو تقليل التلوث فيها، وذلك للحفاظ على مستوى النظافة المُصمم لها. حتى في الغرف النظيفة ذات الضغط السلبي، يجب أن تكون هناك غرف أو أجنحة مجاورة ذات مستوى نظافة لا يقل عن مستواها للحفاظ على الضغط الإيجابي المطلوب، وبالتالي ضمان الحفاظ على نظافة الغرفة النظيفة ذات الضغط السلبي.

يشير الضغط الموجب في الغرفة النظيفة إلى القيمة التي يكون عندها الضغط الساكن الداخلي أكبر من الضغط الساكن الخارجي مع إغلاق جميع الأبواب والنوافذ. ويتحقق ذلك من خلال جعل حجم الهواء المُزوَّد لنظام التنقية أكبر من حجم الهواء الراجع وحجم هواء العادم. ولضمان الضغط الموجب في الغرفة النظيفة، يُفضَّل ربط مراوح التزويد والراجع والعادم معًا. عند تشغيل النظام، تبدأ مروحة التزويد بالعمل أولًا، ثم مروحتا الراجع والعادم؛ وعند إيقاف النظام، تتوقف مروحة العادم أولًا، ثم مروحتا الراجع والتزويد، وذلك لمنع تلوث الغرفة النظيفة عند تشغيل النظام وإيقافه.

يتحدد حجم الهواء اللازم للحفاظ على الضغط الموجب في الغرفة النظيفة بشكل أساسي بمدى إحكام إغلاق هيكل الصيانة. في بدايات إنشاء الغرف النظيفة في بلدي، ونظرًا لضعف إحكام إغلاق هيكل الغرفة، كان يلزم ضخ الهواء بمعدل يتراوح بين مرتين إلى ست مرات في الساعة للحفاظ على ضغط موجب لا يقل عن 5 باسكال. أما الآن، فقد تحسن إحكام إغلاق هيكل الصيانة بشكل كبير، وأصبح يلزم ضخ الهواء بمعدل مرة أو مرتين فقط في الساعة للحفاظ على نفس الضغط الموجب، وبمعدل يتراوح بين مرتين إلى ثلاث مرات فقط في الساعة للحفاظ على ضغط لا يقل عن 10 باسكال.

تنصّ مواصفات التصميم في بلدي [6] على ألا يقلّ فرق الضغط الساكن بين الغرف النظيفة ذات الدرجات المختلفة، وبين المناطق النظيفة وغير النظيفة، عن 0.5 مم ماء (حوالي 5 باسكال)، وألا يقلّ فرق الضغط الساكن بين المنطقة النظيفة والخارج عن 1.0 مم ماء (حوالي 10 باسكال). ويرى الكاتب أن هذه القيمة منخفضة جدًا لثلاثة أسباب:

(1) يشير الضغط الإيجابي إلى قدرة الغرفة النظيفة على كبح تلوث الهواء الداخلي عبر الفجوات بين الأبواب والنوافذ، أو تقليل الملوثات التي تتسرب إلى الغرفة عند فتح الأبواب والنوافذ لفترة وجيزة. ويدل مقدار الضغط الإيجابي على قوة قدرة الغرفة على كبح التلوث. وبطبيعة الحال، كلما زاد الضغط الإيجابي، كان ذلك أفضل (وسيتم تناول هذا الموضوع لاحقًا).

(2) حجم الهواء المطلوب للضغط الموجب محدود. الفرق بين حجم الهواء المطلوب لضغط موجب مقداره 5 باسكال وضغط موجب مقداره 10 باسكال لا يتجاوز مرة واحدة في الساعة. فلماذا لا نعتمد هذا؟ من الواضح أنه من الأفضل اعتبار الحد الأدنى للضغط الموجب 10 باسكال.

(3) ينص المعيار الفيدرالي الأمريكي (FS209A~B) على أنه عند إغلاق جميع المداخل والمخارج، يجب ألا يقل فرق الضغط الموجب بين الغرفة النظيفة وأي منطقة مجاورة ذات مستوى نظافة منخفض عن 0.05 بوصة من عمود الماء (12.5 باسكال). وقد اعتمدت العديد من الدول هذه القيمة. إلا أن قيمة الضغط الموجب في الغرفة النظيفة ليست بالضرورة الأفضل كلما ارتفعت. فبحسب الاختبارات الهندسية الفعلية التي أجريناها في وحدتنا لأكثر من 30 عامًا، عندما تكون قيمة الضغط الموجب ≥ 30 باسكال، يصعب فتح الباب. وإذا أغلقت الباب بإهمال، فسيصدر صوتًا عاليًا! مما قد يُثير الذعر. وعندما تكون قيمة الضغط الموجب ≥ 50-70 باسكال، تُصدر الفجوات بين الأبواب والنوافذ صوت صفير، مما يُسبب شعورًا بعدم الراحة لدى الأشخاص ذوي الحساسية أو الذين يعانون من أعراض غير طبيعية. ومع ذلك، لا تُحدد المواصفات أو المعايير ذات الصلة في العديد من الدول، محليًا ودوليًا، الحد الأعلى للضغط الموجب. ونتيجة لذلك، تسعى العديد من الوحدات إلى تلبية متطلبات الحد الأدنى فقط، بغض النظر عن قيمة الحد الأعلى. في غرفة التنظيف الفعلية التي صادفها الكاتب، تصل قيمة الضغط الموجب إلى 100 باسكال أو أكثر، مما يؤدي إلى آثار سلبية بالغة. في الواقع، ليس من الصعب ضبط الضغط الموجب، إذ يُمكن التحكم به ضمن نطاق معين. وقد ورد في وثيقة أن إحدى دول أوروبا الشرقية تُحدد قيمة الضغط الموجب بـ 1-3 مم ماء (حوالي 10-30 باسكال). ويرى الكاتب أن هذا النطاق أنسب.