Cấp sạch của một không gian không tự nhiên sinh ra. Thay vào đó, hệ thống phải duy trì nó liên tục qua ba cơ chế vật lý. Cụ thể là lọc khí cấp vào, tổ chức luồng khí và thay đổi không khí để pha loãng hạt bụi. Do đó, thiết kế phòng sạch chính là quá trình lựa chọn các thông số này. Bạn sẽ cần quyết định áp dụng cấp lọc HEPA ULPA EN 1822 nào cho hệ thống, luồng khí ra sao và số lần trao đổi không khí ACH là bao nhiêu. Bài viết này sẽ giải thích sự tương tác giữa các lựa chọn đó. Đồng thời, chúng tôi sẽ làm rõ lý do chúng quyết định chất lượng phòng sạch trước cả khi bạn tiến hành đo lường.
Nội dung chính
- Ba cơ chế quan trọng trong thiết kế phòng sạch
- MPPS — vì sao hiệu suất lọc không đo ở hạt nhỏ nhất
- Lựa chọn cấp lọc HEPA ULPA EN 1822
- Nên chọn H13, H14 hay U15?
- Dòng khí một chiều và dòng khí xáo trộn
- Số lần trao đổi không khí ACH trong thiết kế
- Ba thông số đánh đổi lẫn nhau thế nào
- Rò rỉ màng lọc: chỗ thiết kế tốt vẫn hỏng
- Đo lường xác nhận thiết kế đã thành hiện thực
- Năm sai lầm thiết kế phòng sạch thường gặp
- Câu hỏi thường gặp
Ba cơ chế quan trọng trong thiết kế phòng sạch
Hạt bụi trong phòng sạch thường đến từ hai nguồn chính. Nguồn thứ nhất là từ hệ thống không khí cấp vào. Nguồn thứ hai được sinh ra ngay bên trong phòng. Tuy nhiên, nguồn thứ hai gần như luôn lớn hơn.
Nguyên nhân chủ yếu là do con người, thiết bị chuyển động hoặc quá trình sản xuất gây ra. Vì vậy, một bản thiết kế phòng sạch tiêu chuẩn phải giải quyết ba vấn đề cốt lõi:
- Lọc — loại bỏ hạt bụi trước khi khí vào phòng. Đây là nhiệm vụ chính của màng lọc HEPA hoặc ULPA.
- Dẫn — tổ chức đường đi của dòng khí. Luồng khí này sẽ cuốn hạt bụi đi khỏi vùng cần bảo vệ.
- Pha loãng — thay không khí đủ nhanh. Cơ chế này ngăn nồng độ hạt tích tụ và liên quan trực tiếp đến số lần trao đổi không khí.
Một thiết kế thiếu sự đồng bộ chắc chắn sẽ thất bại. Ví dụ, bạn dùng màng lọc U15 nhưng phòng lại thông gió kém. Lúc này, hạt bụi do người sinh ra vẫn quẩn quanh vùng làm việc. Do đó, màng lọc hoàn toàn không thể bắt được lượng bụi này.
MPPS — vì sao hiệu suất lọc không đo ở hạt nhỏ nhất
Trực giác thường cho rằng hạt càng nhỏ thì càng khó bắt. Do đó, hiệu suất lọc tệ nhất phải nằm ở hạt nhỏ nhất. Tuy nhiên, suy nghĩ này hoàn toàn sai lầm. Việc hiểu đúng vấn đề này là chìa khoá để bạn đọc thông số màng lọc chuẩn xác.
Thực tế, màng lọc sợi bắt hạt bằng nhiều cơ chế cùng lúc. Trong đó, hai cơ chế chi phối chính bao gồm:
- Quán tính và chặn giữ: Rất hiệu quả với hạt kích thước lớn. Hạt lớn không kịp đi theo dòng khí lượn quanh sợi lọc nên đâm thẳng vào sợi.
- Khuếch tán: Vô cùng hiệu quả với hạt rất nhỏ. Hạt nhỏ có chuyển động Brown mạnh. Chúng sẽ đi theo đường zigzag và va vào sợi lọc.
Giữa hai vùng cỡ hạt này tồn tại một điểm mù. Tại đây, cả hai cơ chế lọc đều hoạt động yếu. Cụ thể, hạt đã đủ nhỏ để bám theo dòng khí. Thế nhưng, nó cũng đủ lớn để không bị chuyển động Brown tác động mạnh.
Điểm này gọi là MPPS (Most Penetrating Particle Size). Cỡ hạt này thường nằm quanh mức 0,1 – 0,25 µm đối với màng lọc HEPA điển hình. Vì thế, hiệu suất của màng lọc luôn được đo tại MPPS chứ không phải cỡ hạt do người dùng chọn.
Đây là một cách công bố số liệu rất thận trọng. Nhà sản xuất đưa ra hiệu suất tại điểm yếu nhất của màng lọc. Do vậy, mọi cỡ hạt khác chắc chắn sẽ được lọc tốt hơn mức này.
Lựa chọn cấp lọc HEPA ULPA EN 1822
Hệ phân cấp châu Âu EN 1822 chia màng lọc thành các nhóm E, H và U. Các nhóm này trải dài từ cấp E10 tới U17. Đồng thời, ISO 29463 là bộ tiêu chuẩn quốc tế có ý nghĩa tương đương. Cả hai bộ tiêu chuẩn đều dựa trên nguyên tắc thử nghiệm tại MPPS.
| Cấp lọc | Hiệu suất tổng tại MPPS | Cho lọt qua |
|---|---|---|
| H13 | ≥ 99,95 % | ≤ 5 phần vạn |
| H14 | ≥ 99,995 % | ≤ 5 phần trăm nghìn |
| U15 | ≥ 99,9995 % | ≤ 5 phần triệu |
Cách bạn đọc bảng thông số này rất quan trọng. Khi nâng cấp cấp lọc HEPA ULPA EN 1822 từ H13 lên H14, hiệu suất chỉ tăng từ 99,95% lên 99,995%. Thoạt nhìn, đây có vẻ là một thay đổi nhỏ. Nhưng thực tế, lượng hạt lọt qua đã giảm đi tới mười lần.
Vì vậy, khi thiết kế phòng sạch, bạn phải quan tâm đến lượng hạt lọt qua. Nếu chỉ nhìn vào phần trăm bắt được, mọi cấp lọc sẽ trông giống hệt nhau.
Nên chọn H13, H14 hay U15?
Thực tế, không có cấp lọc nào là hoàn hảo nhất. Bạn chỉ có thể chọn loại phù hợp với yêu cầu cấp sạch và chi phí năng lượng. Màng lọc cấp cao hơn sẽ tạo ra trở lực lớn hơn. Điều này đòi hỏi quạt phải mạnh hơn và tiêu tốn nhiều điện năng hơn.
Nguyên tắc lựa chọn thực hành thường áp dụng như sau:
- H13: Đủ dùng cho khu vực có cấp sạch thấp và trung bình. Ví dụ như khu vực phụ trợ, phòng đệm hoặc hành lang sạch.
- H14: Cấu hình phổ biến nhất cho khu vực sản xuất sạch. Mức này bao gồm phần lớn phòng sạch ngành dược và điện tử.
- U15 trở lên: Dành riêng cho các khu vực yêu cầu cao nhất. Điển hình là nhà máy bán dẫn, nơi hạt bụi siêu nhỏ cũng gây ra khuyết tật sản phẩm.
Có một điểm quan trọng thường bị bỏ sót. Việc chọn đúng cấp lọc chỉ là điều kiện cần. Để phòng đạt chuẩn, bạn phải kết hợp tốt cả ba cơ chế đã nêu trên. Ngoài ra, kỷ luật vận hành cũng đóng vai trò cốt lõi. Nếu chỉ nâng cấp màng lọc mà bỏ qua lưu lượng khí, kết quả sẽ không như kỳ vọng.
Dòng khí một chiều và dòng khí xáo trộn
Việc chọn kiểu dòng khí là quyết định kiến trúc quan trọng. Nó có ảnh hưởng lớn nhất tới chi phí đầu tư và vận hành trong thiết kế phòng sạch.
Dòng khí xáo trộn (non-unidirectional)
Không khí sạch được thổi vào phòng qua các cửa cấp trên trần. Sau đó, nó trộn lẫn với không khí trong phòng và thoát ra ngoài. Cơ chế làm sạch ở đây chính là pha loãng. Hạt bụi sinh ra sẽ được trộn đều rồi đẩy dần ra ngoài.
Ưu điểm của phương án này là chi phí thấp và tính linh hoạt cao. Tuy nhiên, nhược điểm là hạt bụi có thể di chuyển khắp phòng trước khi bị loại bỏ. Vì thế, vùng làm việc không được bảo vệ tuyệt đối. Kiến trúc này chủ yếu phù hợp với các phòng có yêu cầu độ sạch trung bình.
Dòng khí một chiều (unidirectional)
Với thiết kế này, toàn bộ trần nhà thường được phủ kín màng lọc. Không khí sẽ đi xuống thành một khối song song với vận tốc đồng nhất. Cuối cùng, khí được hút ra ở sàn hoặc chân tường. Cơ chế làm sạch ở đây là cuốn đi. Dòng khí đẩy thẳng bụi bẩn ra khỏi vùng làm việc một cách nhanh chóng.
Trong thực tế, vận tốc dòng khí thường được duy trì quanh mức 0,45 m/s. Đây là thông số thiết kế phổ biến nhưng không bắt buộc. Vận tốc thực tế chỉ cần đủ để giữ luồng khí đi theo một chiều nhất định.
Tuy nhiên, phương án này có mức chi phí khá cao. Hệ thống đòi hỏi lưu lượng khí và diện tích màng lọc cực kỳ lớn. Do đó, luồng khí một chiều thường chỉ dùng cho các khu vực trọng yếu. Các khu vực xung quanh vẫn sử dụng dòng khí xáo trộn để tiết kiệm chi phí.
Số lần trao đổi không khí ACH trong thiết kế
Đối với dòng khí xáo trộn, số lần trao đổi không khí ACH là thông số then chốt. Nó cho biết thể tích khí cấp vào mỗi giờ gấp bao nhiêu lần thể tích phòng.
Trong ngành phòng sạch, giá trị thiết kế này trải rộng theo nhiều mức độ. Cấp sạch thấp có thể chỉ cần vài chục lần mỗi giờ. Ngược lại, cấp sạch cao đòi hỏi đến hàng trăm lần trao đổi. Cần lưu ý rằng ISO 14644-1 không trực tiếp quy định chỉ số ACH.
Tiêu chuẩn này chỉ giới hạn nồng độ hạt bụi tối đa. Do đó, các bảng giá trị ACH hiện nay chỉ mang tính chất khuyến nghị. Chúng không phải là yêu cầu bắt buộc áp dụng.
Hệ quả thực tiễn của việc này rất quan trọng đối với chủ đầu tư. ACH chỉ là thông số đầu vào để chốt công suất hệ thống. Trong khi đó, bằng chứng nghiệm thu luôn là nồng độ hạt đo được. Hai phòng có cùng ACH vẫn có thể cho kết quả khác nhau. Đừng bao giờ thiết kế bằng cách chép khuôn mẫu một con số từ tài liệu.
Nhìn chung, có ba yếu tố quyết định số lần trao đổi không khí cần thiết. Đầu tiên là số lượng người làm việc. Tiếp theo là mức độ phát sinh hạt của thiết bị. Cuối cùng là độ kín của vỏ bao che và mức chênh áp với khu vực lân cận.
Ba thông số đánh đổi lẫn nhau thế nào
| Nếu tăng… | Được | Mất |
|---|---|---|
| Cấp lọc (H13 → H14 → U15) | Không khí cấp sạch hơn theo bậc mười lần | Trở lực và điện năng quạt tăng suốt vòng đời |
| ACH | Pha loãng nhanh hơn, hồi phục sau sự cố nhanh hơn | Công suất hệ khí, tiếng ồn, điện năng |
| Diện tích dòng một chiều | Bảo vệ chắc chắn vùng trọng yếu | Chi phí đầu tư và vận hành tăng mạnh nhất trong ba lựa chọn |
Trình tự tối ưu hoá hợp lý thường bao gồm các bước rõ ràng. Trước hết, bạn cần khoanh vùng khu vực thực sự cần bảo vệ. Tiếp theo, hãy quyết định kiểu dòng khí cho khu vực đó. Sau đó, bạn mới tiến hành chọn cấp lọc phù hợp. Cuối cùng, hãy sử dụng thông số ACH để tinh chỉnh toàn bộ hệ thống.
Nếu làm ngược lại, dự án sẽ tốn kém hơn mức cần thiết. Việc bắt đầu bằng cấp lọc cao nhất hiếm khi mang lại hiệu quả như ý muốn.
Rò rỉ màng lọc: chỗ thiết kế tốt vẫn hỏng
Ngay cả một màng lọc H14 cao cấp vẫn có thể để lọt không khí bẩn. Nguyên nhân thường nằm ở phần khung, lớp gioăng hoặc các mối lắp ghép sai kỹ thuật.
Vì lý do này, thông số kiểm định tại nhà máy là chưa đủ. Bạn bắt buộc phải thử nghiệm rò rỉ ngay tại hiện trường. Quá trình này được thực hiện bằng cách phun sol khí trước màng lọc. Sau đó, kỹ thuật viên sẽ dùng đầu dò để quét mặt sau và phần khung.
Bạn cần nhớ rõ một nguyên tắc quan trọng. Thử rò rỉ và phân loại phòng sạch là hai việc hoàn toàn khác biệt. Thử rò rỉ giúp xác nhận màng lọc đã lắp kín hay chưa. Trong khi đó, việc phân loại đánh giá xem nồng độ hạt trong phòng có đạt chuẩn hay không.
Đo lường xác nhận thiết kế đã thành hiện thực
Tất cả những phân tích trên mới chỉ là nằm trên bản vẽ thiết kế phòng sạch. Bằng chứng duy nhất chứng minh hiệu quả hoạt động chính là số liệu đo đạc thực tế. Các số liệu này đều được trích xuất từ máy đếm hạt.
Bạn sẽ cần thu thập dữ liệu tại ba thời điểm quan trọng:
- Nghiệm thu và tái chứng nhận định kỳ: Cần sử dụng máy cầm tay lưu lượng cao để phân loại theo ISO. Ví dụ, máy đếm hạt PMS Lasair Pro 350 sẽ giúp rút ngắn đáng kể thời gian khảo sát hiện trường.
- Giám sát liên tục trong vận hành: Các cảm biến sẽ được lắp cố định tại vị trí trọng yếu. Ở vai trò này, máy đếm hạt PMS IsoAir Pro rất phù hợp cho những vị trí xa. Ngoài ra, cảm biến đếm hạt PMS Airnet II lại cực kỳ tối ưu cho mạng lưới dùng chung hệ hút trung tâm.
- Khảo sát và dò nguồn phát sinh: Dùng máy nhỏ gọn di động để tìm xem nguồn phát sinh bụi bẩn xuất phát từ đâu.
Có một quy tắc luôn phải ưu tiên áp dụng. Vị trí đặt cảm biến giám sát cần được chốt ngay trong giai đoạn thiết kế luồng khí. Nếu đặt đầu đo ở nơi có vật cản, số liệu sẽ không chính xác. Khi đó, hệ thống giám sát đắt tiền sẽ không đem lại giá trị bảo vệ thực tế.
Năm sai lầm thiết kế phòng sạch thường gặp
- Chọn cấp lọc quá cao để bù thông gió yếu. Màng lọc không thể xử lý được hạt bụi sinh ra ở phía sau nó.
- Chép bảng ACH máy móc. Không tính toán mức độ phát sinh hạt thực tế của quy trình và nhân sự vận hành.
- Lạm dụng dòng khí một chiều. Áp dụng cho cả phòng trong khi chỉ một vùng nhỏ cần bảo vệ. Điều này làm tăng vọt chi phí vận hành vô ích.
- Bỏ qua mức chênh áp. Một phòng thiết kế tốt vẫn bị nhiễm bẩn nếu cửa mở sai chiều áp suất.
- Chỉ đo lường lúc nghiệm thu. Cấp sạch là một trạng thái cần duy trì liên tục, không phải là chứng chỉ chỉ cấp một lần.
Bạn đang thiết kế phòng sạch hoặc cần nâng cấp hệ thống? Techmaster là nhà phân phối uỷ quyền của Particle Measuring Systems tại Việt Nam. Chúng tôi sẵn sàng hỗ trợ bạn chọn thiết bị đo cho cả nghiệm thu và giám sát vận hành. Đồng thời, cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn uy tín ngay trong nước.
Câu hỏi thường gặp
ISO 14644-1 có quy định số lần trao đổi không khí mỗi giờ không?
Không. ISO 14644-1 chỉ là tiêu chuẩn phân loại. Nó quy định giới hạn nồng độ hạt tối đa, chứ không bắt buộc áp dụng phương tiện kỹ thuật nào. Các bảng giá trị ACH hiện nay chỉ là khuyến nghị thiết kế. Hệ quả là, ACH đóng vai trò thông số đầu vào để xác định công suất máy. Tuy nhiên, bằng chứng nghiệm thu cuối cùng vẫn phải dựa trên kết quả đo nồng độ hạt.
Vì sao hiệu suất lọc lại được đo tại MPPS chứ không tại cỡ hạt nhỏ nhất?
Vì màng lọc sợi không hoạt động kém nhất ở cỡ hạt nhỏ nhất. Hạt lớn dễ bị bắt bằng quán tính. Trong khi đó, hạt rất nhỏ lại dễ bị bắt bởi khuếch tán Brown. Giữa hai vùng này có một khoảng cỡ hạt mà cả hai cơ chế đều yếu, gọi là MPPS (quanh mức 0,1 – 0,25 µm). Việc công bố hiệu suất tại MPPS là cách nhà sản xuất đưa ra con số ở điều kiện bất lợi nhất. Do đó, các cỡ hạt khác sẽ được lọc tốt hơn mức này.
Nâng cấp lọc từ H14 lên U15 có giúp đạt cấp sạch cao hơn không?
Chỉ áp dụng khi điểm yếu thật sự nằm ở chất lượng khí cấp vào. Cấp sạch cuối cùng phụ thuộc vào ba cơ chế: lọc, dẫn, pha loãng và kỷ luật vận hành. Thường thì nguồn phát sinh hạt lớn nhất nằm ở bên trong phòng. Màng lọc không thể xử lý hạt sinh ra phía sau nó. Hơn nữa, việc nâng cấp lọc còn làm tăng chi phí điện năng. Vì vậy, đây không nên là bước tối ưu hóa đầu tiên.
Đạt phép thử rò rỉ màng lọc thì có suy ra đạt phân loại phòng sạch không?
Không. Đây là hai phép thử hoàn toàn khác nhau. Thử rò rỉ chỉ kiểm tra xem màng lọc và khung có lắp kín hay không. Trong khi đó, phân loại phòng sạch lại đánh giá xem không khí trong phòng có đạt nồng độ hạt chuẩn không. Một màng lọc kín hoàn toàn vẫn có thể bị nhiễm bẩn từ nguồn khác. Do đó, cả hai phép thử này đều cần thiết và không thể thay thế cho nhau.
