
ОСАЖДЕНИЕ ВЗВЕШЕННЫХ В ВОЗДУХЕ ЧАСТИЦ В ЧИСТЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ СКОРОСТЬЮ ОСАЖДЕНИЯ И КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ
Данная статья исследует зависимость между измеренной счетчиком частиц концентрацией частиц и скоростью осаждения (PDR – particle deposition rate) частиц на единицу площади поверхности в чистых помещениях на основании знаний о скорости седиментации* частиц в воздухе.
Значения скорости седиментации частиц были получены на основании экспериментов, теоретических вычислений, данных из литературных источников, и было изучено влияние на нее некоторых параметров чистых помещений. Обсуждается применение величины скорости седиментации для вычисления количества осевших частиц на поверхностях в чистом помещении, например, производимой продукции, наряду с применением при определении требуемого класса чистоты по стандарту ИСО 14644-1
Осаждение аэрозольных частиц на поверхности в чистых помещениях исследовалось Уайтом, Агриколой и Дерксом (2015). Обзор научной литературы показал, что для чистых помещений наиболее вероятными механизмами осаждения являются гравитационный механизм, турбулентное осаждение, броуновская диффузия и электростатическое притяжение. Экспериментальные исследования показали, что около 80% частиц размером 10 мкм и более осаждается на поверхность по гравитационному механизму.
Чистые помещение классифицируются по стандарту ИСО 14644-1 согласно интегральной концентрации частиц в воздухе. Интегральная концентрация относится ко всем частицам размером равным или более заданного, а не к какому-то конкретному размеру или диапазону размеров. Однако знание концентрации аэрозольных (взвешенных в воздухе) частиц не дает информации о том, какое количество частиц осядет из воздуха на продукцию, вызывая ее загрязнение. Чтобы получить такую информацию требуется определить скорость осаждения частиц (РDR).
Величина РDR- это количество частиц определенного размера, оседающее на участок площади определенного размера (дм2 или м2) за определенное время (секунду или час). Для указания размера частиц, к которому относится скорость осаждения, используется подстрочный индекс, например, “PDRD”, где “D” – это размер частиц.
Если известна PDR, то количество осевших на поверхность частиц, например, на производимый продукт, можно определит по простой формуле:
Кол-во осевших частиц = PDR • а • t (1)
где а – площадь открытой для осаждения поверхности; t – время, в течение которого поверхность открыта.
Уравнение (1) подразумевает, что поверхность, подвергающаяся воздействию, является горизонтальной. В случае, если поверхность имеет угол наклона х°, а механизм осаждения гравитационный, должна использоваться «эффективная» поверхность. Это достигается умножением площади поверхности на cos х° (Уайт и др.. 1982).
Величину PDR можно измерить соответствующими приборами (Агрикола, 2014, 2015), однако эти приборы не так распространены, как счетчики аэрозольных частиц. Счетчики аэрозольных частиц используются для измерения размера и подсчета каждой частицы по количеству рассеиваемого света при пересечении частицей светового луча, и затем вычисления счетной концентрации для заданных размеров. В данной статье такие приборы называются счетчиками аэрозольных частиц. Они были бы удобны, если можно вычислить РDR напрямую, исходя из измеренной счетной концентрации аэрозольных частиц. Если известна приемлемая степень загрязнения поверхности оседающими на нее частицами, значительным преимуществом была бы возможность определить предельный класс чистоты помещения по количеству частиц на кубический метр по ИСО14644-1, при котором загрязнение поверхности не превышает заданное. Если степень загрязнения поверхности задается при помощи РDR, и скорость седиментации известна, требуемая концентрация частиц в воздухе может быть определена по уравнению (2). Зная концентрацию частиц в воздухе, можно рассчитать необходимое количество подаваемого в помещение воздуха (Уайт и др., 2014).
Связь между РDR, счетной концентрацией аэрозольных частиц и скоростью седиментации задается уравнением (2):
PDR= CD • VD (2)
где CD – концентрация аэрозольных частиц с размером D, мкм; VD – скорость седиментации частиц данного размера D, мкм.
Скорость седиментации VD соответствует конкретному размеру или диапазону размеров частиц. Скорость седиментации зависит от многих факторов, таких как турбулентность потока воздуха, электростатических сил, но, как было показано, для многих ситуаций в чистых помещениях наибольшее влияние оказывает гравитация (Уайт, Агрикола, Деркс, 2015).
Скорость седиментации частиц
Авторы показали, что около 80% аэрозольных частиц размером более 10 мкм осаждаются под действием гравитации, а обзор научной литературы показывает, что гравитационный механизм осаждения остается доминирующим вплоть до размера частиц 5 мкм и продолжает играть существенную роль вплоть до размеров порядка 0,5 мкм. Зная, что гравитация является основной силой, вызывающей осаждение частиц размером более 5 мкм на поверхности в чистых помещениях, скорость седиментации частиц данного размера при их движении через воздушную массу может быть рассчитана по формуле Стокса (Хиндс, 1999):
Dv = (Pp • g •d2 )/18η (3)
где – скорость седиментации (м/с); рр – плотность частицы (кг/м3); g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2); с/ – размер частицы (м) и // – вязкость воздуха (1,18* 105 кг/м • с).
Для частиц размером менее 1.5 мкм результат расчетов по уравнению (3) будет более точным, если его умножить на поправку, учитывающую проскальзывание частиц, что не требуется в данной статье, так как рассматриваются частицы размером >5 мкм.
Однако, если частицы превышают размер 75 мкм, более точно скорость седиментации можно вычислить по уравнению (4):
Dv = (η / Pa • d) exp(-3,070 + 0?9935J – 0,0178J2) (4)
где J определяется следующим образом:
J= ln (( 4Pp • Pa • d3 •g) / 3η2 )) п
и Pa – плотность воздуха при 20°С (1.2 кг/м3).
Естественные аэрозольные частицы, находящиеся в воздухе чистых помещений, имеют разные размеры и плотность, что влияет на скорость их седиментации. Плотность и форма частиц в воздухе помещения относительно неизвестны, поэтому принято представление частиц по эквивалентному аэродинамическому диаметру, особенно удобное для случая осаждения частиц на поверхность. Аэродинамический диаметр – это диаметр сферы с плотностью 1000 кг/м3, имеющей те же аэродинамические свойства, например, гравитационное осаждение в воздухе, как и рассматриваемая частица. Если плотность частицы известна, ее можно описать стоксовским диаметром, который эквивалентен диаметру сферы с теми же аэродинамическими свойствами и плотностью, что и рассматриваемая частица.
Основным источником частиц для типичного чистого помещения является персонал, генерирующий частицы с поверхности кожи и одежды. Плотность частиц кожи составляет 1100 кг/м3 (Лейдер и Банке. 1954), плотность полиэфира, применяемого в качестве материала для одежды в чистых помещениях – 1380 кг/м3, поэтому резонно принять плотность аэрозольных частиц для чистых помещений равной 1200 кг/м3.
Следует заметить, что в данной статье обсуждаются скорости седиментации для частиц конкретного размера, в то время как концентрации частиц в чистых помещениях обычно измеряются для определенного диапазона размеров. Поэтому ниже будет приведен метод вычисления скорости седиментации частиц для заданного диапазона размеров.
Альтернативой методу вычисления скоростей седиментации по Стоксу является проведение экспериментальных измерений. При измерении концентрации аэрозолей и РDR частиц в одной и той же точке скорость седиментации может быть вычислена по уравнению (5):
Скорость оседания (м/с) = PDR (частиц/м2 •с) / концентрация частиц (частиц/м3 ) (5)
На величину скорости седиментации могут влиять:
а) объём подаваемого в помещение воздуха и турбулентность потоков и б) распределение осаждающихся на поверхность частиц по размерам.