ANÁLISIS BÁSICO DE LA SALA BLANCA

Introducción

Las salas blancas son fundamentales para el control de la contaminación. Sin ellas, no es posible la producción en masa de piezas sensibles a la contaminación. En la norma FED-STD-2, una sala blanca se define como una sala con sistemas de filtración, distribución y optimización del aire, así como con materiales y equipos de construcción específicos, en la que se aplican procedimientos operativos regulares para controlar la concentración de partículas en suspensión y alcanzar el nivel de limpieza adecuado.

Para lograr una limpieza óptima en salas blancas, es necesario no solo centrarse en la implementación de medidas adecuadas de purificación del aire acondicionado, sino también exigir a las áreas de procesos, construcción y otras especialidades que adopten las medidas correspondientes: un diseño adecuado, una construcción e instalación meticulosas conforme a las especificaciones, así como un uso correcto de la sala blanca y un mantenimiento y gestión científicos. Numerosas publicaciones nacionales e internacionales han abordado la limpieza óptima en salas blancas desde diferentes perspectivas. En la práctica, resulta difícil lograr una coordinación ideal entre las distintas especialidades, y para los diseñadores es complejo controlar la calidad de la construcción e instalación, así como el uso y la gestión, especialmente esta última. En lo que respecta a las medidas de purificación en salas blancas, muchos diseñadores, e incluso constructores, a menudo no prestan suficiente atención a las condiciones necesarias, lo que conlleva una limpieza deficiente. Este artículo analiza brevemente las cuatro condiciones necesarias para cumplir con los requisitos de limpieza en las medidas de purificación de salas blancas.

1. Limpieza del suministro de aire

Para garantizar que la limpieza del aire suministrado cumpla con los requisitos, la clave reside en el rendimiento y la instalación del filtro final del sistema de purificación.

Selección de filtro

El filtro final del sistema de purificación suele ser un filtro HEPA o un filtro sub-HEPA. Según la normativa de mi país, la eficiencia de los filtros HEPA se clasifica en cuatro grados: Clase A (≥99,9%), Clase B (≥99,9%), Clase C (≥99,999%) y Clase D (para partículas ≥0,1 μm, ≥99,999%), también conocidos como filtros ultra-HEPA. Los filtros sub-HEPA tienen una eficiencia de entre el 95% y el 99,9% para partículas ≥0,5 μm. A mayor eficiencia, mayor precio. Por lo tanto, al elegir un filtro, no solo debemos cumplir con los requisitos de limpieza del aire, sino también considerar la rentabilidad.

Desde la perspectiva de los requisitos de limpieza, el principio es utilizar filtros de bajo rendimiento para salas blancas de bajo nivel y filtros de alto rendimiento para salas blancas de alto nivel. En general: se pueden utilizar filtros de alta y media eficiencia para el nivel 1 millón; filtros sub-HEPA o HEPA de clase A para niveles inferiores a la clase 10 000; filtros de clase B para las clases 10 000 a 100; y filtros de clase C para los niveles 100 a 1. Parece que existen dos tipos de filtros para cada nivel de limpieza. La elección entre filtros de alto o bajo rendimiento depende de la situación específica: cuando la contaminación ambiental es grave, la tasa de extracción interior es alta o la sala blanca es especialmente importante y requiere un mayor factor de seguridad, se debe seleccionar un filtro de alto rendimiento; de lo contrario, se puede seleccionar un filtro de menor rendimiento. Para salas blancas que requieren el control de partículas de 0,1 μm, se deben seleccionar filtros de clase D independientemente de la concentración de partículas controlada. Lo anterior se refiere únicamente al filtro. De hecho, para elegir un buen filtro, también se deben considerar detenidamente las características de la sala blanca, del filtro y del sistema de purificación.

Instalación de filtro

Para garantizar la pureza del aire suministrado, no basta con utilizar filtros de calidad, sino que también es fundamental asegurar: a) Que el filtro no se dañe durante el transporte y la instalación; b) Que la instalación sea hermética. Para lograr el primer punto, el personal de construcción e instalación debe estar altamente capacitado, con conocimientos sobre la instalación de sistemas de purificación y una gran habilidad para la instalación. De lo contrario, será difícil garantizar que el filtro no se dañe. Existen importantes lecciones al respecto. En segundo lugar, el problema de la hermeticidad de la instalación depende principalmente de la calidad de la estructura de instalación. El manual de diseño generalmente recomienda: para un solo filtro, utilizar una instalación abierta, de modo que, incluso si se produce una fuga, esta no se filtre al ambiente; utilizar una salida de aire HEPA sellada también facilita garantizar la hermeticidad. Para sistemas de filtración múltiple, en los últimos años se utilizan con frecuencia sellos de gel y sellado por presión negativa.

El sellado con gel debe garantizar la estanqueidad de la unión del tanque de líquido y que todo el bastidor se encuentre en el mismo plano horizontal. El sellado por presión negativa crea una presión negativa en la periferia exterior de la unión entre el filtro, la caja de presión estática y el bastidor. Al igual que en las instalaciones abiertas, incluso en caso de fuga, esta no se filtrará al ambiente. De hecho, siempre que el bastidor de instalación sea plano y la superficie del filtro esté en contacto uniforme con el bastidor, se debería lograr fácilmente que el filtro cumpla con los requisitos de estanqueidad en cualquier tipo de instalación.

2. Organización del flujo de aire

La organización del flujo de aire en una sala blanca difiere de la de una sala climatizada convencional. Requiere que el aire más limpio llegue primero a la zona de trabajo. Su función es limitar y reducir la contaminación de los objetos procesados. Para ello, al diseñar la organización del flujo de aire, se deben considerar los siguientes principios: minimizar las corrientes parásitas para evitar introducir contaminación externa en la zona de trabajo; prevenir la dispersión de polvo secundario para reducir la posibilidad de contaminación de la pieza; el flujo de aire en la zona de trabajo debe ser lo más uniforme posible y su velocidad debe cumplir con los requisitos del proceso y de higiene. Al llegar a la salida de retorno, el polvo en suspensión debe eliminarse eficazmente. Se deben seleccionar diferentes modos de suministro y retorno de aire según los distintos requisitos de limpieza.

Las distintas organizaciones de flujo de aire tienen sus propias características y alcances:

(1). Flujo vertical unidireccional

Además de las ventajas comunes de obtener un flujo de aire descendente uniforme, facilitar la disposición de los equipos de proceso, una alta capacidad de autolimpieza y simplificar instalaciones comunes como los sistemas de purificación personal, los cuatro métodos de suministro de aire también presentan ventajas e inconvenientes propios: los filtros HEPA de cobertura total ofrecen baja resistencia y un ciclo de reemplazo de filtro prolongado, pero su estructura en el techo es compleja y su coste elevado; las ventajas e inconvenientes del suministro superior mediante filtro HEPA de cobertura lateral y placa perforada son opuestas a las del suministro superior mediante filtro HEPA de cobertura total. En el caso de la placa perforada, es fácil que se acumule polvo en la superficie interna de la placa de orificios cuando el sistema no funciona de forma continua, y un mantenimiento deficiente afecta a la limpieza; el suministro superior mediante difusor denso requiere una capa de mezcla, por lo que solo es adecuado para salas blancas altas de más de 4 m, y sus características son similares a las del suministro superior mediante placa perforada. El método de retorno de aire para la placa con rejillas en ambos lados y salidas de retorno de aire dispuestas uniformemente en la parte inferior de las paredes opuestas solo es adecuado para salas blancas con una separación neta inferior a 6 m a cada lado; las salidas de retorno de aire dispuestas en la parte inferior de la pared de un solo lado solo son adecuadas para salas blancas con una pequeña distancia entre las paredes (como ≤<2~3 m).

(2). Flujo unidireccional horizontal

Solo la primera zona de trabajo alcanza el nivel de limpieza de 100. Al circular el aire hacia el otro lado, la concentración de polvo aumenta gradualmente. Por lo tanto, solo es adecuado para salas blancas con diferentes requisitos de limpieza para un mismo proceso en la misma sala. La distribución localizada de filtros HEPA en la pared de suministro de aire puede reducir su uso y ahorrar la inversión inicial, pero genera turbulencias en zonas específicas.

(3). Flujo de aire turbulento

Las características de la descarga superior mediante placas de orificio y difusores densos son las mismas que las mencionadas anteriormente: las ventajas de la descarga lateral son la facilidad de instalación de tuberías, la ausencia de capas intermedias técnicas, el bajo costo y su idoneidad para la renovación de fábricas antiguas. Las desventajas son la alta velocidad del viento en el área de trabajo y una mayor concentración de polvo a sotavento que a barlovento. La descarga superior mediante salidas de filtros HEPA presenta las ventajas de un sistema sencillo, sin tuberías detrás del filtro HEPA y con un flujo de aire limpio que se entrega directamente al área de trabajo, pero la difusión del aire limpio es lenta y el flujo de aire en el área de trabajo es más uniforme. Sin embargo, al disponer varias salidas de aire de manera uniforme o al utilizar salidas de aire con filtros HEPA y difusores, se puede lograr un flujo de aire aún más uniforme en el área de trabajo; no obstante, cuando el sistema no funciona de forma continua, el difusor es propenso a la acumulación de polvo.

La discusión anterior se basa en un estado ideal y está recomendada por las especificaciones, normas y manuales de diseño nacionales pertinentes. En proyectos reales, la organización del flujo de aire suele estar mal diseñada debido a condiciones objetivas o a razones subjetivas del diseñador. Algunos ejemplos comunes son: flujo vertical unidireccional con retorno de aire desde la parte inferior de las paredes adyacentes; salas blancas de clase 100 con suministro y retorno superiores (sin cortina colgante bajo la salida de aire); y salas blancas con flujo turbulento que utilizan suministro superior y retorno superior con filtro HEPA o retorno inferior unilateral (mayor separación entre paredes), entre otros. Estos métodos de organización del flujo de aire se han medido y, en la mayoría de los casos, su nivel de limpieza no cumple con los requisitos de diseño. Debido a las especificaciones actuales para la aceptación en vacío o estáticas, algunas de estas salas blancas apenas alcanzan el nivel de limpieza diseñado en dichas condiciones, pero su capacidad de resistencia a la contaminación es muy baja y, una vez que la sala blanca entra en funcionamiento, no cumple con los requisitos.

La correcta organización del flujo de aire debe implementarse con cortinas que cuelguen hasta la altura del área de trabajo en la zona localizada, y en la clase 100.000 no se debe utilizar la entrada ni la salida de aire superiores. Además, la mayoría de las fábricas actualmente producen salidas de aire de alta eficiencia con difusores, pero estos difusores son meras placas de orificio decorativas y no cumplen la función de difundir el flujo de aire. Diseñadores y usuarios deben prestar especial atención a este aspecto.

3. Volumen de suministro de aire o velocidad del aire

Un volumen de ventilación suficiente es necesario para diluir y eliminar el aire contaminado del interior. Según los distintos requisitos de limpieza, cuando la altura neta de la sala blanca es elevada, la frecuencia de ventilación debe incrementarse adecuadamente. En el caso de las salas blancas de clase 1 millón, el volumen de ventilación se considera en función del sistema de purificación de alta eficiencia, al igual que en el resto de las salas. Cuando los filtros HEPA de las salas blancas de clase 100.000 se concentran en la sala de máquinas o se utilizan filtros sub-HEPA al final del sistema, la frecuencia de ventilación puede incrementarse entre un 10 % y un 20 %.

Para los valores de volumen de ventilación recomendados anteriormente, el autor considera que: la velocidad del viento en la sección de la sala blanca de flujo unidireccional es baja, y la sala blanca turbulenta tiene un valor recomendado con un factor de seguridad suficiente. Flujo unidireccional vertical ≥ 0,25 m/s, flujo unidireccional horizontal ≥ 0,35 m/s. Si bien los requisitos de limpieza se cumplen en condiciones estáticas o sin ventilación, la capacidad anticontaminación es deficiente. Una vez que la sala entra en funcionamiento, la limpieza puede no cumplir con los requisitos. Este tipo de ejemplo no es un caso aislado. Además, en mi país no existen ventiladores adecuados para sistemas de purificación en la gama de ventiladores disponibles. Generalmente, los diseñadores no realizan cálculos precisos de la resistencia del aire del sistema, o no consideran si el ventilador seleccionado opera en un punto óptimo de la curva característica, lo que provoca que el volumen de aire o la velocidad del viento no alcancen el valor de diseño poco después de la puesta en marcha del sistema. La norma federal estadounidense (FS209A~B) estipulaba que la velocidad del flujo de aire unidireccional en la sección transversal de una sala limpia se mantuviera generalmente en 90 pies/min (0,45 m/s), y que la no uniformidad de la velocidad estuviera dentro de ±20 % en ausencia de interferencias en toda la sala. Cualquier disminución significativa en la velocidad del flujo de aire aumentaría la posibilidad de prolongar el tiempo de autolimpieza y la contaminación entre los puestos de trabajo (tras la promulgación de la norma FS209C en octubre de 1987, no se establecieron regulaciones para ningún otro parámetro, salvo la concentración de polvo).

Por este motivo, el autor considera apropiado aumentar adecuadamente el valor de diseño nacional actual de la velocidad del flujo unidireccional. Nuestra unidad lo ha implementado en proyectos reales con resultados satisfactorios. Si bien las salas blancas con flujo turbulento cuentan con un valor recomendado que ofrece un factor de seguridad relativamente suficiente, muchos diseñadores aún no se sienten completamente seguros. Al realizar diseños específicos, incrementan el volumen de ventilación de las salas blancas de clase 100.000 a 20-25 renovaciones por hora, de clase 10.000 a 30-40 renovaciones por hora y de clase 1.000 a 60-70 renovaciones por hora. Esto no solo aumenta la capacidad del equipo y la inversión inicial, sino también los costos futuros de mantenimiento y gestión. En realidad, esto no es necesario. Al recopilar las medidas técnicas de purificación de aire de mi país, se investigaron y midieron numerosas salas blancas de clase superior a 100 en China. Muchas de ellas fueron sometidas a pruebas en condiciones dinámicas. Los resultados mostraron que los volúmenes de ventilación de las salas blancas clase 100.000 (≥10 veces/h), clase 10.000 (≥20 veces/h) y clase 1000 (≥50 veces/h) cumplen con los requisitos. La norma federal estadounidense (FS2O9A~B) estipula que, para salas blancas no unidireccionales (clase 100.000 y clase 10.000) con una altura de entre 2,44 y 3,66 m (8 a 12 pies), se considera que toda la sala debe ventilarse al menos una vez cada 3 minutos (es decir, 20 veces/h). Por lo tanto, la especificación de diseño contempla un amplio margen de seguridad, y el diseñador puede elegir con seguridad el volumen de ventilación recomendado.

4. Diferencia de presión estática

Mantener una presión positiva constante en una sala blanca es fundamental para garantizar que no se contamine o se contamine lo menos posible y así mantener el nivel de limpieza diseñado. Incluso en salas blancas de presión negativa, es necesario contar con salas o suites adyacentes con un nivel de limpieza igual o superior para mantener dicha presión positiva y, por lo tanto, garantizar la limpieza de la sala blanca de presión negativa.

La presión positiva de la sala blanca se refiere al valor en el que la presión estática interior es mayor que la exterior con todas las puertas y ventanas cerradas. Esto se logra cuando el volumen de aire de suministro del sistema de purificación es mayor que los volúmenes de aire de retorno y extracción. Para garantizar la presión positiva, se recomienda que los ventiladores de suministro, retorno y extracción estén interconectados. Al encender el sistema, primero se activa el ventilador de suministro, seguido de los de retorno y extracción; al apagarlo, primero se desactiva el de extracción, seguido de los de retorno y suministro, para evitar la contaminación de la sala blanca durante el encendido y apagado del sistema.

El volumen de aire necesario para mantener la presión positiva en la sala blanca depende principalmente de la hermeticidad de la estructura de mantenimiento. En los inicios de la construcción de salas blancas en mi país, debido a la escasa hermeticidad de la estructura, se requerían de 2 a 6 renovaciones de aire por hora para mantener una presión positiva ≥5 Pa. Actualmente, la hermeticidad de la estructura de mantenimiento ha mejorado considerablemente, y solo se requieren de 1 a 2 renovaciones de aire por hora para mantener la misma presión positiva; y solo de 2 a 3 renovaciones de aire por hora para mantener ≥10 Pa.

Las especificaciones de diseño de mi país [6] estipulan que la diferencia de presión estática entre salas blancas de diferentes grados y entre áreas limpias y no limpias no debe ser inferior a 0,5 mm H₂O (~5 Pa), y la diferencia de presión estática entre el área limpia y el exterior no debe ser inferior a 1,0 mm H₂O (~10 Pa). El autor considera que este valor parece demasiado bajo por tres razones:

(1) La presión positiva se refiere a la capacidad de una sala limpia para suprimir la contaminación del aire interior a través de las rendijas entre puertas y ventanas, o para minimizar los contaminantes que penetran en la sala cuando las puertas y ventanas se abren brevemente. La magnitud de la presión positiva indica la eficacia de la supresión de la contaminación. Por supuesto, cuanto mayor sea la presión positiva, mejor (lo cual se explicará más adelante).

(2) El volumen de aire necesario para la presión positiva es limitado. El volumen de aire requerido para una presión positiva de 5 Pa y de 10 Pa difiere solo en aproximadamente 1 vez por hora. ¿Por qué no hacerlo? Obviamente, es mejor considerar 10 Pa como el límite inferior de presión positiva.

(3) La norma federal estadounidense (FS209A~B) estipula que, con todas las entradas y salidas cerradas, la diferencia mínima de presión positiva entre la sala blanca y cualquier área adyacente de baja limpieza es de 0,05 pulgadas de columna de agua (12,5 Pa). Este valor ha sido adoptado por muchos países. Sin embargo, un valor de presión positiva mayor en la sala blanca no siempre es mejor. Según las pruebas de ingeniería realizadas en nuestra unidad durante más de 30 años, cuando la presión positiva es ≥ 30 Pa, resulta difícil abrir la puerta. Si se cierra bruscamente, se produce un golpe seco que puede asustar a las personas. Cuando la presión positiva es ≥ 50-70 Pa, las rendijas entre puertas y ventanas producen un silbido, lo que puede causar molestias a personas con problemas de salud o síntomas similares. No obstante, las especificaciones o normas pertinentes de muchos países, tanto nacionales como internacionales, no especifican el límite superior de presión positiva. En consecuencia, muchas unidades solo buscan cumplir con el límite inferior, sin importar cuál sea el límite superior. En la sala blanca real que visitó el autor, la presión positiva alcanzaba los 100 Pa o más, lo que provocaba efectos muy negativos. De hecho, ajustar la presión positiva no es difícil; es perfectamente posible controlarla dentro de un rango determinado. Un documento indicaba que un país de Europa del Este estipulaba un valor de presión positiva de entre 1 y 3 mm H₂O (aproximadamente entre 10 y 30 Pa). El autor considera que este rango es más apropiado.