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, “PDR_D”, 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= C_D • V_D                                                                                               (2)

где   C_D — концентрация аэрозольных частиц с разме­ром D, мкм; V_D — скорость седиментации частиц дан­ного размера D, мкм.

Скорость седиментации  V_D 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):

D_{v    =}  (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):

D_v = (η / P_a • d) exp(-3,070 + 0?9935J – 0,0178J²)         (4)

где J определяется следующим образом:

J= ln (( 4P_p • P_a • d³ •g) / 3η² )) п

и P_{a —} 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.