Word- Sistemul de curatare aer cu filtru apa.pdf

Sesiunea tiinific Studeneasc, 15-16 mai 2015

1

Studii privind analiza, caracterizarea i modelarea sistemelor de curare a aerului cu film de ap, pentru dispozitivul multifuncional C3

Ing. ALECU George-Cristian1

Conductor tiinific: Conf. univ. dr. ing. Elena LACTU

REZUMAT Sistemele existente de curare a aerului n camerele curate sunt, n cele mai multe cazuri, staionare. Pentru dezvoltarea unei metode adiionale de curare a aerului cu ajutorul unui dispozitiv multifuncional, trebuie analizat fezabilitatea i caracteristicile sistemului de curare cu film de ap propus. Modelarea acestui sistem ofer date despre parametrii importani n designul lui dar i o vizualizare tridimensional a posibilei forme tehnologice de aplicare n practic. CUVINTE CHEIE: film ap, TiO2, camer curat

1 INTRODUCERE

Lucrarea de fa i propune s analizeze i s caracterizeze sistemul de curare adiional, pentru camerele curate, cu film de ap, din punctul de vedere al eficienei utilizrii lui n astfel de medii ct i stabilirea parametrilor funcionali care i influeneaz designul elementelor active. Pentru a dezvolta un produs competitiv care sa suplineasc nevoia de curare a camerelor curate de izolare i de producie, dup o perioad de folosin, s-a creat un concept bazat pe platforma Roomba vacuum cleaning robot[6]. Sistemele de curare existente pe aceasta platform sunt adecvate unei activiti de curare casnice. Mediul special din camerele curate influeneaz i cere modificarea sistemelor de curare ce vor fi ncorporate n dispozitivul multifuncional C3.

Metodele de studiu folosite n aceast lucrare sunt: observarea sistemelor existente, analizarea

lor funcional, stabilirea interfeelor implicate n proces, modelarea i adaptarea procesului existent la cerinele i condiiile puse de noul mediu i analiza sistemului nou creat.

2 STADIUL ACTUAL

n prezent, cea mai bun metod de captare a particulelor aflate n micare n curenii de aer dintr-o camera curat este trecerea forat a curenilor de aer prin filtre HEPA ( high eficiency particuale air filter) (fig. 3). Aceast metod activ de filtrare necesit micarea aerului ntr-un mod controlat dar nu poate asigura ndeprtarea particulelor din zonele de umbr. (fig. 1 , 2) 1 Specializarea Ingineria Nanostructurilor i Proceselor

Neconvenionale, Facultatea IMST; Email: [email protected]

Fig. 1. Zona de dispersie a particulelor n camera cu

curgere unidirecional vertical [1]

Fig. 2. Zona de dispersie a particulelor n camera cu

curgere unidirecional orizontala [1]

Fig. 3. Filtru HEPA folosit n camere curate [2]


2

3 ANALIZA FUNCIONAL A PROCESULUI I A SISTEMELOR EXISTENTE

3.1 Camera curat

Camera curat din cadrul CETAL - INFLPR este o camer de izolare, clasa ISO 8 conform standardului ISO 14644-1. Numrul i mrimea particulelor admise n aceast camera este prezentat n tabelul 1.

Tabelul 1 [1]

Concentraia limit de particule

Parametrii funcionali ai camerei curate sunt prezentai n tabelul 2

Tabelul 2 Parametrii funcionali ai camerei curate

n aceast camer curat este instalat un sistem LASER de mare putere (fig.4), 1PW, scopul camerei

curate fiind de a izola acest echipament de

contaminani externi. n timpul operaiunilor de ntreinere, reglare i aliniere a acestui sistem exist riscul de contaminare a elementelor optice cu

particule, care la pornirea sistemului pot cauza

defecte.

Fig. 4. 1-PW CETAL Laser Layout [3]

3.2 Surse de contaminare

ntr-o camera curat exist mai multe surse de contaminare, ce trebuie urmrite i controlate, cum ar fi [1]:

1. zone murdare adiacente camerei curate

2. surse de aer nefiltrate

3. aerul din camera

4. suprafee 5. oameni / operatori

6. maini care funcioneaz 7. material

8. containere

9. ambalaje.

In comparaie cu celelalte surse de particule si contaminani, operatorul dintr-o camera curat este singurul care poate introduce particule

suplimentare chiar si dup o curarea prealabil. mbrcmintea operatorului, mnuile i masca sunt suprafee contaminate fie de oamenii care le poart, fie de alte suprafee contaminate din camera curat. Personalul din camera curat poate dispersa contaminani de pe piele, mbrcminte i din gur. Aceast contaminare poate fi transferat produsului prin aer ori prin contact cu minile sau mbrcmintea.

In camerele curate activitile operatorului trebuie sa urmeze un set de reguli stricte, n legtur cu comportamentul i viteza de micare In timp ce st, un operator uman poate genera pana la 100 000 particule pe minut, iar n timpul micrii normale se pot genera 1000000 particule pe minut. Un operator care merge poate dispersa si

5000000 particule pe minut.


3

3.3 Curgerea aerului n camera curat

Principiile de ventilaie ale camerelor curate ventilate turbulent sunt similare celor gsite n cele mai multe camere cu aer condiionat. Aerul este furnizat, de ctre o instalaie de condiionare i curare a aerului, prin difuzoare aflate n tavan. (Fig. 5,6).

Fig.5. Camera curat cu curgere a aerului turbulent [1]

O camer normal cu aer condiionat, va fi alimentat cu aer suficient pentru a realiza condiii de confort; acest lucru poate fi n regiunea 2 - 10 schimburi de aer pe ora. Cu toate acestea, o camer curate cu cureni de aer turbuleni este probabil s aib ntre 10 i 100 de schimburi de aer pe or. Acest aer suplimentar este necesar pentru a dilua

contaminarea dispersat n camer i s o reduc la o concentraie specificat n standardul camerei. Camerele curate necesit cantiti mari de aer, aer ce este condiionat i filtrate la un standard foarte ridicat. Pentru a asigura un design economic, este

esenial ca aerul camerei curate sa fie recirculat prin instalaia de condiionat a aerului. Cu toate acestea, este de asemenea necesar s se prevad aer exterior, proaspt, pentru sntatea personalului care lucreaz n camera curat i pentru presurizarea camerei mpotriva contaminrii exterioare. n mod normal, ntre 2% i 10% din alimentarea cu aer total este de aer proaspt;

Curgerea aerului n interiorul camerei curate este afectat de ctre prezena operatorului. Trebuie s existe o corelaie ntre viteza de curgere a aerului (att la camere cu curgere turbulenta ct i la cele cu curgere laminar) i viteza micrii operatorului prin camer.

Fig.6. Vitezele de curgere turbulent a aerului ntr-o

camera curata fr operator.

Sunt posibile mai multe metode de izolare al

operatorului, n interiorul camerei curate, fa de zona n care se afl produsul. O metoda mai agresiva este utilizarea de zone nchise, cu locuri prevzute special prin care operatorul poate sa interacioneze cu produsul fr riscul de contaminare cum ar fi mnui i costume speciale (n genul costumelor de astronaut). Accesul materialelor n camera de lucru se face prin ecluze i sasuri speciale pentru a pstra nivelul de curenie a camerei.

3.4 Sistemele existente de colectare cu ap a particulelor

Unul din sistemele cunoscute de colectare a

particulelor cu ap este aspiratorul cu ap (fig. 7). Acesta funcioneaz prin antrenarea aerului ce conine particule ntr-o incint cu ap unde se realizeaz att captarea particulelor ct i separarea elementelor.

Fig.7. Schema de funcionare a unui aspirator

casnic cu ap [4]

n camerele curate, datorit restriciilor de curgere a aerului ( vitez i presiune ) nu se poate folosi un sistem care antreneaz aerul foarte mult, de aceea se propune colectarea particulelor ntr-un film de ap ce circula pe o suprafaa. Interfaa aer cu particule/apa se realizeaz la suprafaa de captare. (fig. 8)


4

Fig. 8. Interfaa apa aer la sistemul analizat

Separarea ap/ particule, n sistemele convenionale se realizeaz n mod mecanic, prin aciunea curenilor turbionari n interiorul dispozitivului. (fig.9) In sistemul analizat, datorita restriciilor de spaiu, separarea ap/ particule se va realiza prin ajutorul unor sisteme de filtrare pentru particulele

care nu au masa suficient s fie reinute n rezervor atunci cnd apa este antrenat de pompe. Sistemul de filtrare cu osmoz invers este ndeajuns de eficient pentru a asigura reinerea celor mai mici particule ce pot fi captate.

Datorit faptului c sistemul nu funcioneaz prin antrenarea aerului poziionarea suprafeei de captare este deosebit de important. Poziionarea cea mai bun pentru sistemul de curare cu film de ap este general orizontal, sau nclinat pentru o mai buna curgere a apei pe suprafa. Mobilitatea sistemului este necesar deoarece, n prezena operatorului sau a echipamentelor, se creeaz zone cu curgere a aerului foarte minim n care se pot aduna particule (fig. 1,2)

Fig.9. Interfaa apa aer ntr-un sistem normal

4 MODELAREA PROCESULUI I A SISTEMULUI TEHNOLOGIC DE

CURARE A AERULUI CU FILM DE AP

4.1 Modelarea procesului de curare

Curarea particulelor de pe suprafa se bazeaz pe efectul superhidrofilic cauzat de acoperirea cu un

strat de Ti02 al unui substrat, sticl sau poli-carbonat. Acest efect cauzeaz o autocurire a suprafeei atunci cnd apa este introdus pe suprafa.

Fig.10. Procesul de curare cu ap a unei

suprafee hidrofobe [5]

Folosind metode de modelare a proceselor s-a

realizat schema funcional a procesului de curare. La intrarea n proces, particula ajunge pe suprafa unde este splat spre rezervorul de stocare. Apa este recirculat de o pomp prin filtrele cu osmoz invers. Filtrele rein 99% din particulele aflate n domeniul dimensional de filtrare. (fig. 11)

4.2 Modelarea sistemului tehnologic

Modelarea tridimensional a sistemului de curare cu film de ap al dispozitivului multifuncional C3 este pasul verificator pentru a vedea dac se poate integra n dispozitiv, innd cont de restriciile de design i form.


5

SCHEMA PROCESULUI:

Fig.11. Modelarea etapelor procesului de curare cu ap

Toate aceste componente, mpreun cu cele auxiliare i cele pentru evacuarea aerului trebuie s ncap ntr-un spaiu cat mai compact pentru ca dispozitivul s i ndeplineasc rolul funcional. In camerele curate exist, de obicei, o sumedenie de obiecte care pot crea umbre de cureni de aer, locuri n care dispozitivul trebuie s ajung i s acioneze.

Fig 13. Dispozitivul multifuncional C3 modelat 3D

n Solidworks din exterior

Fig 14. Dispozitivul multifuncional C3 modelat 3D

n Solidworks, transparent

4.3 Identificarea parametrilor funcionali

Parametrii procesului au fost identificai i sunt prezentai n tabelul 3.

Parametrii particulelor: ntr-o camera curat pot exista o multitudine de particule cu dimensiuni i materiale diferite. Sistemul propus poate capta

particule foarte mici de ordinul a 0,1 nanometri dar i particule mai mari. Metodele de captare variaz n funcie de aceast mrime. Particulele mici sunt captate de ctre filtre cu osmoz inversa i filtrele fizice iar particulele mari i grele sunt reinute n rezervorul de ap. Materialul din care sunt alctuite particulele nu afecteaz foarte mult capacitatea de captare a sistemului. Totui, particulele metalice pot reprezenta o problema pentru sistemul de pompare

daca ajung in interior. Particulele organice n natur sunt oxidate i distruse, de stratul acoperitor al suprafeei de captare, n prezena luminii.


6

SCHEMA CIRCUITULUI DE APA IN SISTEM:

Fig. 12. Schema explicativ a conectivitii sistemului

Grafic 1: distribuia de mrime a particulelor

Parametrii apei: viteza i debitul apei pe suprafaa de colectare sunt doi parametri critici pentru buna

funcionare a sistemului. De asemenea, sistemul poate fi configurat s funcioneze n cicluri de acumulare i splare a particulelor, caz n care, viteza apei trebuie sa fie corelata cu cantitatea de particule

depus pe suprafaa de colectare. Volumul total de ap din sistem trebuie s asigure o perioad satisfctoare de funcionare, lundu-se n considerare factori ca vrsarea, evaporarea i degradarea proprietarilor apei. Grosimea filmului de

ap trebuie aleas n conjuncie cu unghiul de udare oferit de substana de acoperire a suprafeei de captare ( n general 23 - 28 ) ct i cu mrimea medie a particulelor ce se previzioneaz a fi captate.

Gradul de ionizare al apei, este important la

atragerea particulelor cu ajutorul forei electrostatice ctre suprafaa de captare. Prezena de ioni n ap duce la crearea unei zone ncrcate electric n filmul de apa (fig. 8), de aceea este necesar asigurarea

permanent a concentraiei corecte a ionilor din ap, dup ieirea acesteia din filtrele cu osmoza invers.

Parametrii filtrelor: Filtrele cu osmoz invers inserate n sistem sunt calea principal de captare a particulelor mici si foarte mici ce pot exista n aerul din camera curat. De eficiena lor depinde eficiena ntregului sistem. De asemenea, filtrele afecteaz dimensionarea pompei, deoarece este nevoie de o

anumita presiune a apei ce trece prin ele pentru a

asigura att o filtrare bun ct i un debit bun la ieire.

Parametrii suprafeei: dimensiunea suprafeei de captare afecteaz direct dimensiunile generale ale dispozitivului, fiind, pe lng rezervor i baterii, cea mai voluminoas pies. Calitatea acestei suprafee afecteaz capacitatea de a ndeprta particulele de pe ea. Rugozitatea (fig. 15), proprietile chimice i fizice oferite de stratul de TiO2 de pe aceast suprafa determin durabilitatea sistemului n timp ct i buna funcionare. In funcie de cum a fost prelucrat stratul de TiO2, efectul pe care acesta l are asupra filmului de ap variaz. O prelucrare prin expunere la ultraviolete mai ndelungat rezult ntr-o scdere a unghiului de umezire a suprafeei, fapt ce are un efect direct asupra grosimii filmului de ap ce curge peste stratul de TiO2. (Fig. 16)


7

Fig. 15. Imagine SEM al stratului TiO2 + SiO2 n

diferite concentraii [5]

Fig. 16. Grafic unghi de umezire n funcie de timp

de expunere la UV [5]

Poziionarea suprafeei de captare este deosebit de importanta. Probabilitatea ca un anumit numr de particule s ajung n contact cu aceasta variaz n funcie de localizarea ei.

Parametrii pompei: pompa de ap este locul prin care energia intr n sistem, puterea ei controlnd viteza i eficiena sistemului n general. Pompa de ap trebuie s asigure o presiune suficient astfel nct apa s poat s fie filtrat dar i un debit destul de mare astfel nct viteza apei pe suprafaa de captare s fie satisfctoare.

5 REZULTATE

Un factor determinant n construirea unui astfel de sistem reprezint cantitatea de apa folosita. Volumul apei determina volumul total al dispozitivului i timpul de funcionare n parametri optimi.

Dispozitivul multifuncional C3 trebuie s dein un sistem electronic capabil s discrimineze eventualele obstacole aflate n calea lui astfel nct s le poat ocoli cu succes fr a afecta curgerea apei pe suprafaa de captare. De asemenea dispozitivul trebuie s determine zonele cu cea mai mare probabilitate de existenta a particulelor n aer i s se deplaseze spre ele. Eficiena general a acestui sistem este dependent de poziionarea dispozitivului i de schema de aranjare a obiectelor n camera curat.

Acest sistem este foarte sensibil la parametrii de

curgere ai aerului din camera curat, iar pentru folosirea lui n diferite medii este necesar efectuarea unui studiu amnunit, n prealabil, asupra caracteristicilor funcionale ale camerei, pentru determinarea zonelor de aciune optime, ct i a timpilor de functionare.

6 CONCLUZII

Sistemul de curare a aerului cu film de ap poate fi folosit pentru captarea particulelor dintr-o camera

curat.

Probleme puse de un astfel de sistem sunt diverse,

de la acoperirea suprafeei cu materiale superhidrofile, la stabilirea i reglarea fin a debitului de ap, la dimensionarea optim a suprafeei i a

Tabelul 3

Parametrii instalaiei de curare cu film de ap


8

filmului de ap, la stabilirea orientrii i poziionarea suprafeei in spaiu pentru rezultatele dorite.

Parametrii funcionali ce influeneaz designul elementelor active sunt: parametrii curgerii aerului

din camera n care va funciona dispozitivul, calitatea filtrelor, dimensiunea i tipul particulelor ce se gsesc n camera curata, numrul total de particule, materialul acoperitor al suprafeei de colectare i proprietile acestuia.

7 BIBLIOGRAFIE

[1] Clean room technology fundamentals of design, testing

and operation W. Whyte 2001

[2]

http://www.hepaairdirect.com/replacementhepafilterforiqai

rhyperhepatype1213.aspx accesat la 10.05.2015

[3]CETAL PW Laser Facility, disponibil la:

https://media.wix.com/ugd/293fcb_c3e2da33fcb24c4d89ca

f37972ce9105.pdf Accesat la data: 02.05.2015.

[4]http://s.hswstatic.com/gif/vacuum-cleaner-wet.gif

accesat la 10.05.2015

[5] Transparent, Adherent, and Photocatalytic SiO2-TiO2

Coatings on Polycarbonate for Self-Cleaning Applications,

Sanjay S. Latthe si altii, 2014

[6] IRobot company

Word- Sistemul de curatare aer cu filtru apa.pdf

Documents

Transcript of Word- Sistemul de curatare aer cu filtru apa.pdf