Nawilżanie w pomieszczeniach czystych
Na procesy zachodzące wewnątrz pomieszczeń czystych duży wpływ ma termodynamika powietrza. Nawilżanie odgrywa podstawową rolę w środowiskach o kontrolowanym zanieczyszczeniu, gdzie procesy mają wysoką wartość, a nieprawidłowa kontrola wilgotności lub jej brak może spowodować nieodwracalne szkody. Problemy, które mogą się pojawić, zostały opisane poniżej, wraz z dostępnymi na rynku technologiami zarządzania wilgotnością w tym krytycznym dla misji zastosowaniu.
Wilgotność względna, mierzona jako procent nasycenia, zmniejsza się zawsze, gdy powietrze jest delikatnie ogrzewane lub w wyniku migracji wilgoci wskutek różnych ciśnień częściowego parowania pomiędzy dwoma sąsiadującymi ze sobą pomieszczeniami. Sytuacje te mają miejsce przede wszystkim zimą, a w szczególności w systemach z całym powietrzem zewnętrznym, kiedy napływające powietrze o wysokiej wilgotności względnej i niskiej temperaturze jest znacznie podgrzewane. Procesy wykonywane w pomieszczeniach czystych są zazwyczaj precyzyjne i mają wysoką wartość. Aby uniknąć modyfikacji, każdy aspekt techniczny pomieszczenia czystego jest projektowany ze szczególną uwagą na czynniki, które mogą mieć negatywny wpływ na wynik końcowy, w tym nieprawidłową kontrolę wilgotności względnej lub jej brak. Jeżeli wilgotność względna jest zbyt niska (<30%), dość łatwo wywołane mogą być wyładowania elektrostatyczne, co zagraża prawidłowej pracy urządzeń elektronicznych.
Szybkość reakcji chemicznych zależy również od zawartości wilgoci w powietrzu, która w związku z tym odgrywa zasadniczą rolę w osiągnięciu wysokiej jakości produktu. Innym przykładem są półprzewodniki, składające się z obwodów elektrycznych, które w wyniku zastosowania najnowszych technologii są rozmieszczone coraz bliżej siebie. Dlatego należy kontrolować wilgotność powietrza, aby uniknąć wyładowań elektrostatycznych i zwarć. Kontrola i utrzymanie wilgotności względnej pomiędzy 40% i 60% ogranicza do minimum namnażanie i rozprzestrzenianie się bakterii i innych zanieczyszczeń biologicznych. Ten zakres wartości stanowi również strefę komfortu dla ludzi, zapobiegając wysuszeniu układu oddechowego, gdy wilgotność jest niższa niż 40%, oraz dyskomfortowi wynikającemu z poziomu powyżej 60%. Wydajność pracy poprawia się dzięki większemu komfortowi i mniejszemu rozprzestrzenianiu się wirusów i chorób, co w konsekwencji zmniejsza wskaźniki absencji.
Aby zwiększyć wilgotność powietrza, stosuje się dwie możliwe transformacje termodynamiczne: izotermiczną lub adiabatyczną.
Pierwsza z nich, realizowana przy użyciu nawilżaczy izotermicznych (zużycie energii ok. 750 W/(kg/h)), polega na dodaniu pary wodnej do powietrza. Zmiana stanu z ciekłego na parowy następuje wewnątrz nawilżacza, który może korzystać z różnych źródeł energii; głównie energii elektrycznej lub gazu. Różnica pomiędzy entalpią pary wodnej wprowadzanej do pomieszczenia a entalpią pary już znajdującej się w powietrzu jest ograniczona; z tego powodu przemiana powoduje jedynie niewielki wzrost temperatury i stąd proces ten nazywany jest izotermicznym. Para wodna jest z natury czynnikiem higienicznym i nie wymaga dalszej obróbki przed wprowadzeniem jej do kanału. Technologia izotermiczna jest szeroko stosowana w przestrzeniach zamkniętych, wykorzystując wysoką zdolność pochłaniania pary wodnej przez otaczające powietrze. Śluzy powietrzne, zwykle stosowane w pomieszczeniach czystych do przemieszczania się pomiędzy obszarami o różnych klasach ISO, posiadają dedykowany system HVAC, który utrzymuje temperaturę powietrza i wilgotność powietrza na poziomie odpowiadającym najbardziej rygorystycznym wymaganiom dla danego obszaru. Nawilżacze izotermiczne sprawdzają się idealnie w przywracaniu właściwego poziomu wilgotności względnej w śluzach powietrznych za każdym razem, gdy przechodzą przez nią pracownicy. Niektóre modele są wyposażone w funkcję podgrzewania wstępnego, która utrzymuje wodę wewnątrz kotła w temperaturze domyślnej około 80°C (można ustawić inne wartości), zapewniając szybką reakcję w przypadku konieczności zapewnienia wilgotności.
Zdj. CAREL heaterSteam
Z kolei nawilżacze adiabatyczne wykorzystują odparowanie wody rozpylonej do małych kropelek, w strumieniu powietrza, bez dodawania żadnej zewnętrznej energii. Celem tych nawilżaczy jest stworzenie dużej powierzchni wymiany pomiędzy powietrzem i wodą w stanie ciekłym, zużywając energię tylko do rozpylania wody. Ważne jest, aby wyjaśnić, że całkowita energia wymagana przez system nie zmienia się w odniesieniu do nawilżania izotermicznego; jednakże w nawilżaniu adiabatycznym większość energii potrzebnej do wyparowania wody jest dostarczana przez otaczające powietrze, w ten sposób nawilżając i chłodząc powietrze w tym samym czasie. Z tego powodu, gdy w nawilżanej przestrzeni znajdują się obciążenia termiczne lub w sezonie letnim, nawilżanie adiabatyczne może mieć podwójną zaletę: nawilżanie i wykorzystanie chłodzenia parowego w celu zaoszczędzenia na klimatyzacji. Na rynku dostępne są zasadniczo dwie technologie nawilżania adiabatycznego, które są odpowiednie do stosowania w pomieszczeniach czystych: nawilżacze wysoko-ciśnieniowe i ultradźwiękowe.
Zdj. CAREL humiFog
Zdj. CAREL humiSonic direct
Nawilżacze wysokociśnieniowe znajdują szerokie zastosowanie, ponieważ mogą obsługiwać obciążenia nawilżania od średnich do wysokich, przy niskich kosztach eksploatacji (zużycie energii ok. 4W/(kg/h)). Ponadto ich system dystrybucji gwarantuje wysoką wydajność absorpcji (stosunek wody wchłoniętej do wody rozpylonej). Technologia ultradźwiękowa natomiast lepiej nadaje się do niższych obciążeń nawilżania. Sterowanie nawilżaczem, wraz z właściwym ustawieniem sond wewnątrz centrali, odgrywa fundamentalną rolę w niezawodności i utrzymaniu stabilności punktu nastawy. W celu zagwarantowania wysokich standardów higieny zaleca się dodanie przed nawilżaczami systemu uzdatniania wody w procesie odwróconej osmozy. Pozwala to również na uniknięcie wprowadzania cząstek stałych (soli mineralnych), które szybko blokowałyby filtry w systemie HVAC. Woda oczyszczana poprzez odwróconą osmozę jest bardzo agresywna, dlatego w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania systemu i zapobiegania korozji należy stosować odpowiednie materiały, takie jak stal nierdzewna AISI 304.
Jak zauważono, wilgotność względna musi być kontrolowana i zarządzana nie tylko w celu zapobiegania wadom produktu końcowego, ale także dla wygody personelu. Zużycie energii różni się znacznie między rozwiązaniami izotermicznymi i adiabatycznymi, jednak, mimo że jest to bardzo istotne, nie jest to jedyny czynnik, który należy uwzględnić przy wyborze najlepszego systemu nawilżania. Często jest to kwestia najlepszego kompromisu pomiędzy obciążeniem nawilżania, oczekiwanym czasem pracy, budżetem, łatwością montażu i warunkami otoczenia.
