2.6. Виды загрязнения воздуха. Охрана атмосферного воздуха Антропогенные загрязнения окружающей среды через атмосферный воздух оказывают на организм человека отрицательное воздействие и вызывают спектр патологических сдвигов самого различного происхождения. Активный

36. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Число Рейнольдса

36. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Число Рейнольдса Как нетрудно было убедиться в вышеприведенном опыте, если фиксировать две скорости в прямом и обратном переходах движения в режимы ламинарное? турбулентное, то?1 ? ?2где?1 – скорость, при которой

Описание:

Помещения операционных являются одним из самых ответственных звеньев в структуре больничного здания с точки зрения важности хирургического процесса, а также обеспечения особых условий микроклимата, необходимых для удачного его проведения и завершения. Здесь источником выделения бактериальных частиц является в основном медицинский персонал, способный генерировать частицы и выделять микроорганизмы при движении по помещению.

Операционные залы больниц
Контроль воздушных потоков

За последние десятилетия в нашей стране и за рубежом отмечается рост гнойно-воспалительных заболеваний, вызванных инфекциями, которые по определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) принято называть внутрибольничными (ВБИ). Анализ заболеваний, вызванных ВБИ, показывает, что их частота и продолжительность находятся в прямой зависимости от состояния воздушной среды помещений больниц. Для обеспечения требуемых параметров микроклимата в операционных (и производственных чистых помещениях) применяются воздухораспределители однонаправленного потока. Результаты контроля воздушной среды и анализ движения потоков воздуха показал, что работа таких распределителей обеспечивает требуемые параметры микроклимата, но зачастую ухудшает бактериологическую чистоту воздуха. Для защиты критической зоны необходимо, чтобы поток воздуха, выходящий из устройства, сохранял прямолинейность и не терял форму своих границ, то есть поток не должен расширяться или сужаться над защищаемой зоной, где находится хирургический

Помещения операционных являются одним из самых ответственных звеньев в структуре больничного здания с точки зрения важности хирургического процесса, а также обеспечения особых условий микроклимата, необходимых для удачного его проведения и завершения. Здесь источником выделения бактериальных частиц является в основном медицинский персонал, способный генерировать частицы и выделять микроорганизмы при движении по помещению. Интенсивность поступления частиц в воздух помещения зависит от степени подвижности людей, температуры и скорости воздуха в помещении. ВБИ имеет свойство перемещаться по помещению операционной с потоками воздуха, и всегда присутствует риск ее проникновения в незащищенную раневую полость оперируемого больного. Из наблюдений очевидно, что неправильно организованная работа систем вентиляции приводит к интенсивному накоплению инфекции до уровней, превышающих допустимые .

На протяжении нескольких десятилетий специалисты разных стран занимаются разработкой системных решений по обеспечению условий воздушной среды операционных. Воздушный поток, подаваемый в помещение, должен не только ассимилировать различные вредности (тепло, влажность, запахи, вредные вещества), поддерживать требуемые параметры микроклимата, но и обеспечивать защиту строго установленных зон от попадания в них инфекций, то есть необходимую чистоту воздуха помещений. Зону, где проводятся инвазивные вмешательства (проникновение в организм человека), можно называть операционной зоной или «критической» . Стандарт определяет такую зону как «операционную санитарно-защитную зону» и подразумевает под ней пространство, где размещается операционный стол, вспомогательные столики для инструментов и материалов, аппаратура, а также медицинский персонал в стерильной одежде. В есть понятие «технологического ядра», относящееся к зоне проведения производственных процессов в стерильных условиях, которую по смыслу можно соотнести с операционной зоной.

Для предотвращения проникновения загрязнений бактериального характера в наиболее критические области стали широко применяться способы экранирования посредством использования вытесняющего потока воздуха. Были созданы воздухораспределители ламинарного потока воздуха различных конструкций, впоследствии термин «ламинарный» был изменен на «однонаправленный» поток. В настоящее время можно встретить самые различные названия воздухораспределяющих устройств в чистых помещениях, такие как «ламинар», «ламинарный потолок», «операционный потолок», «операционная система чистого воздуха» и т. д., что не меняет их сути. Воздухораспределитель встраивается в конструкцию потолка над зоной защиты помещения и может быть различных размеров в зависимости от расхода воздуха. Рекомендуемая оптимальная площадь такого потолка должна быть не менее 9 м 2 с целью полного перекрывания операционной зоны со столами, оборудованием и персоналом. Вытесняющий воздушный поток с малыми скоростями поступает сверху-вниз, как завеса, отсекая и асептическое поле зоны хирургического вмешательства, и зону передачи стерильного материала от окружающей среды. Удаление воздуха производится из нижней и верхней зон помещения одновременно. В конструкцию потолка встраиваются HEPA-фильтры (класс Н по ), через которые проходит приточный воздух. Фильтры задерживают, но не обеззараживают живые частицы.

В настоящее время во всем мире уделяется большое внимание вопросам обеззараживания воздуха помещений больничных и других учреждений, где имеются источники бактериальных загрязнений. В документах озвучены требования о необходимости обеззараживания воздуха операционных с эффективностью инактивации частиц не менее 95 %, а также воздуховодов и оборудования климатических систем . Бактериальные частицы, выделяемые хирургическим персоналом, непрерывно поступают в воздух помещения, накапливаются в нем. Чтобы концентрация частиц в воздухе помещения не достигала предельно допустимых уровней , необходим контроль воздушной среды. Такой контроль следует обязательно проводить после монтажа климатических систем, технического обслуживания или ремонта, то есть в режиме эксплуатируемого чистого помещения.

Применение в операционных воздухораспределителей однонаправленного потока со встроенными фильтрами сверхтонкой очистки потолочного типа стало обычным явлением для проектировщиков. Воздушные потоки больших объемов идут вниз помещения с маленькими скоростями, отсекая защищаемую зону от окружающей среды. Тем не менее, многие специалисты не подозревают, что этих решений не достаточно для поддержания должного уровня обеззараживания воздуха во время хирургических операций.

Дело в том, что конструкций воздухораспределительных устройств достаточно много, каждое из которых имеет свою область применения. Чистые помещения операционных внутри своего «чистого» класса делятся на классы по степени чистоты в зависимости от назначения . Например, операционные общехирургического профиля, кардиохирургические или ортопедические и т. д. К каждому конкретному случаю предъявляются свои требования по обеспечению чистоты.

Первые примеры применения воздухораспределителей для чистых помещений появились в середине 1950 годов. С тех пор стало традиционным распределение воздуха в чистых производственных помещениях в случаях, когда в них требуется обеспечить низкие концентрации частиц или микроорганизмов, производить через перфорированный потолок . Воздушный поток движется через весь объем помещения в одном направлении с равномерной скоростью, обычно равной 0,3–0,5 м/с. Воздух подается через группу высокоэффективных воздушных фильтров, размещенных на потолке чистого помещения. Подача воздуха организована по принципу воздушного поршня, движущегося вниз через все помещение, удаляя при этом загрязнения. Удаление воздуха происходит через пол. Такой характер движения воздуха способствует удалению аэрозольных загрязнений, источниками которых является персонал и процессы. Такая организация вентиляции направлена на обеспечение чистоты воздуха помещения, но требует больших расходов воздуха и поэтому неэкономична. Для чистых комнат класса 1 000 или класса ISO 6 (по классификации ISO) воздухообмен может составлять от 70 до 160 крат/ч.

В дальнейшем появились более рациональные устройства модульного типа значительно меньших размеров с маленькими расходами, позволяющие выбирать приточное устройство исходя из размеров защищаемой зоны и требуемых кратностей воздухообмена помещения в зависимости от назначения помещения.

Анализ работы ламинарных воздухораспределителей

Ламинарные устройства применяются в чистых производственных помещениях и служат для раздачи больших объемов воздуха, предусматривая наличие специально спроектированных потолков, напольных вытяжек и регулирования давления в помещении. В этих условиях работа распределителей ламинарного потока гарантированно обеспечивает требуемый однонаправленный поток с параллельными линиями тока. Высокая кратность воздухообмена способствует подержанию в приточном потоке воздуха условий, близких к изотермическим. Потолки, спроектированные под распределение воздуха при больших воздухообменах, за счет большой площади обеспечивают маленькую начальную скорость воздушного потока. Работа вытяжных устройств, расположенных на уровне пола, и контроль давления воздуха в помещении сводят к минимуму размеры зон рециркуляции потоков, и легко срабатывает принцип «одного прохода и одного выхода». Взвешенные частицы прижимаются к полу и удаляются, поэтому риск возникновения их рециркуляции невелик.

Однако при работе таких воздухораспределителей в операционной ситуация существенно меняется. Для поддержания допустимых уровней бактериологической чистоты воздуха в операционных значения воздухообмена по расчету обычно составляют в среднем 25 крат/ч и даже меньше, то есть они не сопоставимы со значениями для производственных помещений. Для поддержания стабильности движения потоков воздуха между операционной и смежными помещениями в ней обычно поддерживается избыточное давление. Удаление воздуха производится через вытяжные устройства, симметрично установленные в стенах нижней зоны помещения. Для раздачи более маленьких объемов воздуха применяются, как правило, ламинарные устройства небольшой площади, которые устанавливаются только над критической зоной помещения в виде острова посреди комнаты, вместо использования всего потолка.

Как показывают наблюдения, такие ламинарные устройства не всегда будут обеспечивать однонаправленный поток. Поскольку почти всегда присутствует перепад между температурой в приточной струе и температурой окружающего воздуха (5–7 °С), более холодный воздух, выходящий из приточного устройства, опускается намного быстрее, чем изотермический однонаправленный поток. Для работы потолочных диффузоров, применяемых в общественных учреждениях, это обычное явление. Существует ошибочное общепринятое мнение, что ламинары обеспечивают стабильный однонаправленный воздушный поток независимо от места или способа их применения. На самом деле, в реальных условиях скорость низкотемпературного вертикального ламинарного потока будет увеличиваться по мере приближения к полу. Чем больше объем приточного воздуха и ниже его температура относительно воздуха помещения, тем больше ускорение его потока. Из таблицы видно, что применение ламинарной системы площадью 3 м 2 с температурным перепадом в 9 °С дает увеличение скорости воздуха в три раза уже на расстоянии 1,8 м от начала пути. Скорость воздуха на выходе из приточного устройства составляет 0,15 м/с, а на уровне операционного стола достигает 0,46 м/с. Это значение превышает допустимый уровень . Уже давно многими исследованиями доказано, что при завышенных скоростях приточного потока невозможно сохранить его «однонаправленность». Анализ контроля воздушной среды в операционных, проводимый, в частности, Салвати (Salvati, 1982) и Льюисом (Lewis, 1993), показал, что в некоторых случаях применение ламинарных установок с высокими скоростями воздуха приводит к росту уровня обсемененности воздуха в области хирургического разреза с последующим риском его заражения.

При движении потока, в начальной точке линии тока воздуха будут параллельны, далее границы потока будут меняться, сужаясь в направлении к полу, и он уже не сможет защищать область, определенную размерами ламинарной установки. При скоростях воздуха 0,46 м/с поток будет захватывать малоподвижный воздух из помещения. Поскольку в помещении постоянно выделяются бактериальные частицы, в поток воздуха, поступающий из приточного устройства, будут подмешиваться зараженные частицы, так как источники их выделения постоянно действуют в помещении. Этому способствует рециркуляция воздуха, возникающая в результате подпора воздуха в помещении. Для соблюдения чистоты помещений операционных по нормам требуется обеспечивать дисбаланс воздуха за счет превышения притока над вытяжкой на 10 %. Избыточный воздух перемещается в смежные менее чистые помещения. В современных условиях в операционных часто применяют герметичные раздвижные двери, избыточному воздуху некуда деваться, он циркулирует по помещению и забирается снова в приточное устройство при помощи встроенных в него вентиляторов для дальнейшей очистки в фильтрах и вторичной подачи в помещение. Циркулирующий воздух собирает в себя все загрязненные частицы из воздуха помещения и, двигаясь вблизи приточного потока, может его загрязнять. Из-за нарушения границ потока происходит подмешивание в него воздуха из окружающего пространства и проникновение патогенных частиц в стерильную зону, которую принято считать защищенной.

Высокая подвижность способствует интенсивному отслоению частиц мертвой кожи с незащищенных участков кожного покрова медицинского персонала и их попаданию непосредственно в хирургический разрез. С другой стороны, следует отметить, что развитие инфекционных заболеваний в послеоперационный период вызывается гипотермическим состоянием больного, которое усиливается при воздействии на него потоков холодного воздуха повышенной подвижности.

Таким образом, воздухораспределитель ламинарного потока, традиционно применяемый и эффективно работающий в чистом производственном помещении, может принести вред при проведении операций в обычной операционной.

Этот разговор справедлив для ламинарных устройств, имеющих площадь в среднем около 3 м 2 – оптимальную для защиты операционной зоны. Согласно американским требованиям , скорость воздушного потока на выходе из ламинарных панелей не должна превышать 0,15 м/с, то есть с 1 фут 2 (0,09 м 2) площади панели должно поступать в помещение 14 л/с воздуха. В нашем случае это будет составлять 466 л/с (1677,6 м 3 /ч) или примерно 17 крат/ч. По нормативное значение воздухообмена в операционных залах должно составлять 20 крат/ч, по – 25 крат/ч, поэтому 17 крат/ч вполне соответствует требованиям. Получается, что значению 20 крат/ч соответствует помещение объемом 64 м 3 .

По сегодняшним нормам площадь стандартной операционной (общехирургического профиля) должна составлять не менее 36 м 2 . А к операционным для проведения более сложных операций (кардиологических, ортопедических и т. д.) требования намного выше, и часто объем такой операционной может превышать 135–150 м 3 . Система воздухораспределения для этих случаев потребуется значительно большей площади и производительности по воздуху.

В случае организации притока воздуха в операционных большего размера возникает проблема соблюдения ламинарности потока от плоскости выхода до уровня операционного стола. В нескольких операционных проводились исследования поведения воздушных потоков. В разных помещениях были установлены ламинарные панели, которые разделялись по площади на две группы: 1,5–3 м 2 и более 3 м 3 , и были смонтированы экспериментальные установки кондиционирования воздуха, позволяющие менять температуру приточного воздуха. Проводились многократные замеры скорости потока поступающего воздуха при различных расходах и перепадах температуры, результаты которых можно увидеть в таблице.

Критерии чистоты помещения

Правильные решения относительно организации распределения воздуха в операционных: выбор рационального размера приточных панелей, обеспечение нормативной скорости потока и температуры приточного воздуха – не дают гарантии абсолютного обеззараживания воздуха в помещении. Вопрос обеззараживания воздуха операционных залов был остро поставлен более 30 лет назад, когда предлагались различные противоэпидемиологические мероприятия. И сейчас целью требований современных нормативных документов по проектированию и эксплуатации больниц является обеззараживание воздуха, где системы ОВК представлены как основной способ предотвращения распространения и накопления инфекций .

Например, стандарт считает обеззараживание главной целью своих требований, в отмечено: «правильно спроектированная система ОВК минимизирует воздушно-капельную передачу вирусов, бактерий, спор грибков и прочих биологических загрязнений», системам ОВК отводится главная роль в контроле инфекций и прочих вредных факторов. В выделено требование к системам кондиционирования воздуха операционных: «система подачи воздуха должна быть спроектирована таким образом, чтобы минимизировать проникновение бактерий в стерильные зоны вместе с воздухом, а также поддерживать максимальный уровень чистоты в остальной части операционной».

Тем не менее, нормативные документы не содержат прямых требований к определению и контролю эффективности обеззараживания для различных способов вентиляции, и проектировщикам зачастую приходится заниматься поисковой деятельностью, что занимает много времени и отвлекает от основной работы.

В нашей стране достаточно много различной нормативной литературы по проектированию систем ОВК для больничных зданий, и везде озвучены требования к обеззараживанию воздуха, которые по множеству объективных причин проектировщикам практически трудно реализовать. Это требует не только знания современного обеззараживающего оборудования и правильности его применения, но, самое главное, дальнейшего своевременного эпидемиологического контроля воздушной среды помещений, что дает представление о качестве работы систем ОВК, но, к сожалению, не всегда проводится. Если оценка чистоты чистых производственных помещений производится по наличию в нем частиц (например, пылинок), то показателем чистоты воздуха в чистых помещениях лечебных зданий являются живые бактериальные или колониеобразующие частицы, допустимые уровни которых приводятся в . Для поддержания этих уровней следует регулярно контролировать воздушную среду по микробиологическим показателям, для чего необходимо уметь вести их подсчет. Методика сбора и подсчета микроорганизмов для оценки чистоты воздуха еще не приводилась ни в одном из нормативных документов. Важным является то, что подсчет микробных частиц должен проводиться в эксплуатируемом помещении, то есть во время проведения операции. Но для этого должен быть готов проект и монтаж системы воздухораспределения. Уровень обеззараживания или эффективность работы системы невозможно установить до начала работы ее в операционной, это можно сделать только в условиях проведения хотя бы нескольких операционных процессов. Для инженеров это представляет большие трудности, поскольку исследования хоть и необходимы, но противоречат порядку соблюдения противоэпидемической дисциплины больницы.

Воздушная завеса

Для обеспечения требуемого воздушного режима операционной важно правильно организовать совместную работу притока и удаления воздуха. Рациональным взаиморасположением приточных и вытяжных устройств в операционной можно улучшить характер движения воздушных потоков.

В операционных невозможно использовать как площадь всего потолка для распределения воздуха, так и площадь пола для его отведения. Напольные вытяжные устройства негигиеничны, поскольку быстро загрязняются и их трудно чистить. Громоздкие, сложные и дорогие системы так и не нашли своего применения в малогабаритных помещениях операционных. По этим причинам самым рациональным является «островное» расположение ламинарных панелей над критической зоной с установкой вытяжных отверстий в нижней части стен. Это позволяет смоделировать воздушные потоки по аналогии с чистым промышленным помещением более дешевым и менее громоздким способом. Успешно проявил себя такой способ, как применение воздушных завес, работающих по принципу защитного барьера. Воздушная завеса хорошо сочетается с потоком приточного воздуха в форме узкой «оболочки» из воздуха с большей скоростью, специально организованной по периметру потолка. Воздушная завеса непрерывно работает на вытяжку и предотвращает поступление загрязненного окружающего воздуха в ламинарный поток.

Чтобы понять работу воздушной завесы, следует представить операционный зал с вытяжкой, организованной со всех четырех сторон помещения. Приточный воздух, поступающий из «ламинарного островка», расположенного в центре потолка, будет только опускаться вниз, расширяясь в стороны стен по мере спуска. Такое решение уменьшает зоны рециркуляции, размеры застойных участков, в которых собираются патогенные микроорганизмы, а также предотвращает смешение ламинарного потока с воздухом помещения, снижает его ускорение и стабилизирует скорость, в результате чего нисходящий поток накрывает (запирает) всю стерильную зону. Это способствует удалению биологических загрязнителей из защищаемой зоны и изоляции ее от окружающей среды.

На рис. 1 видна стандартная конструкция воздушной завесы с щелями по периметру помещения. При организации вытяжки по периметру ламинарного потока, происходит его растягивание, он расширяется и заполняет всю зону внутри завесы, в результате чего предотвращается эффект «сужения» и стабилизируется требуемая скорость ламинарного потока.

Из рис. 3 видны значения фактической (замеренной) скорости, возникающей при правильно спроектированной воздушной завесе, которые наглядно демонстрируют взаимодействие ламинарного потока с воздушной завесой, причем ламинарный поток движется равномерно. Воздушная завеса устраняет необходимость установки громоздкой вытяжной системы по всему периметру помещения, вместо чего в стенах устраивается традиционная вытяжка, как принято в операционных. Воздушная завеса защищает зону непосредственно вокруг хирургического персонала и стола, предотвращая возврат загрязненных частиц в первичный воздушный поток.

После проекта воздушной завесы возникает вопрос, какого уровня обеззараживания можно достичь при ее эксплуатации. Плохо спроектированная воздушная завеса будет не более эффективна, чем традиционная ламинарная система. Ошибкой проекта может быть высокая скорость воздуха, поскольку такая завеса будет «вытягивать» ламинарный поток слишком быстро, то есть еще даже до того, как он достигнет операционного тола. Поведение потока нельзя будет контролировать, и может возникнуть угроза просачивания зараженных частиц в операционную зону с уровня пола. Аналогично, воздушная завеса с маленькой скоростью всасывания не может эффективно шибировать ламинарный поток и может втягиваться в него. В этом случае воздушный режим помещения будет как при использовании только ламинарного приточного устройства. При проектировании важно правильно определить диапазон скоростей и подобрать соответствующую ему систему. Это непосредственно влияет на расчет обеззараживающих характеристик.

Несмотря на явные преимущества воздушных завес, их не следует применять вслепую. Стерильный воздушный поток, создаваемый воздушными завесами во время операции, не всегда требуется. Необходимость обеспечения уровня обеззараживания воздуха должна решаться совместно с технологами, в роли которых в данном случае должны выступать хирурги, участвующие в конкретных операциях.

Заключение

Вертикальный ламинарный поток может вести себя непредсказуемо в зависимости от режима его эксплуатации. Ламинарные панели, используемые в помещениях чистых производств, как правило, не могут обеспечивать требуемый уровень обеззараживания в операционных. Системы воздушных завес помогают скорректировать характер движения вертикальных ламинарных потоков. Воздушные завесы являются оптимальным решением задачи бактериологического контроля воздушной среды помещений операционных, особенно при продолжительных хирургических операциях и нахождении пациентов с нарушенной иммунной системой, для которых воздушные инфекции представляют особый риск.

Статья подготовлена А. П. Борисоглебской с использованием материалов журнала «ASHRAE».

Для уменьшения загрязнения в чистых помещениях высокого класса применяются специальные системы вентиляции, при которых поток воздуха движется сверху вниз без турбулентностей, т.е. ламинарно . При ламинарном потоке воздуха частицы грязи от людей и оборудования не разлетаются по всему помещению, а собираются потоком у пола.

Конструкции

В общем виде чистые помещения включают в себя следующие базовые элементы:

ограждающие стеновые конструкции (каркас, глухие и остекленные стеновые панели, двери, окна);

герметичные панельные и кассетные потолки со встроенными растровыми светильниками;

антистатические полы;

Clean-Zone Floor Covering Clean-Zone is supplied in standard rolls, to be professionally installed as a wall-to-wall floor covering, creating a permanent and unavoidable trap for dirt.

систему подготовки воздуха (приточные, вытяжные и рециркуляционные вентиляционные установки, устройства забора воздуха, воздухораспределители с финишными фильтрами, воздухорегулирующие устройства, датчиковая аппаратура и элементы автоматики и др.);

систему управления инженерными системами чистых помещений;

воздушные шлюзы;

передаточные окна;

фильтро-вентиляторные модули для создания чистых зон внутри чистых помещений.

Электронная промышленность в мире является одним из самых крупных потребителей чистых помещений. Требования к уровню чистоты в этой отрасли являются наиболее жесткими. Тенденция постоянного роста этих требований привела к качественно новым подходам к созданию чистых сред. Суть этих подходов заключается в создании изолирующих технологий, т.е. в физическом отделении определенного объема с чистым воздухом от окружающей среды. Это разделение, как правило, герметичное, позволило исключить влияние одного из самых интенсивных источников загрязнений – человека. Применение изолирующих технологий влечет за собой широкое внедрение автоматизации и роботизации. Использование чистых помещений в микроэлектронике имеет свои особенности: на первый план выходят требования к чистоте воздушной среды по аэрозольным частицам. Повышенные требования предъявляются также к системе заземления чистого помещения, особенно в части обеспечения отсутствия статического электричества. В микроэлектронике требуется создание чистых помещений самых высоких классов чистоты с устройством перфорированных фальшполов для улучшения линий тока воздуха, т.е. повышения однонаправленности потока.

Чистые производственные помещения должны обеспечивать условия максимальной чистоты производства; обеспечивать изоляцию внутреннего объема; вход в чистые помещения через специальный тамбур (шлюз).

Давление в чистой комнате должно быть больше атмосферного, что способствует выталкиванию пыли из нее. В шлюзе производится обдувка одежды персонала для удаления пылевых частиц.

В чистых комнатах создаются ламинарные потоки воздуха, и недопустимы турбулентные потоки, которые создаются вращающимися и перемещающимися частями оборудования. Требуется следить, чтобы не было нагретых вещей, способствующих образованию конвекционным потокам.

Обычно применяют решетчатый пол и решетчатый потолок.

В чистых комнатах размещают минимум оборудования

Поскольку производство чистых комнат очень дорогое, применяют зоны локального обеспыливания.

Одним из эффективных способов снижения затрат при создании комплексов чистых помещений является зонирование чистого помещения на локальные участки, которые могут отличаться друг от друга как классом чистоты воздушной среды, так и функциональным назначением (только защита продукта, либо защита как продукта, так и окружающей среды).

Таким образом, внутри чистого помещения низкого класса чистоты над критичными местами технологического процесса могут быть созданы чистые зоны с более высоким классом чистоты, чем помещение, где они размещены.

Основное назначение чистых зон:

поддержание в локальном рабочем пространстве заданных параметров воздушной среды;

защита продукта от воздействия окружающей среды.

Согласно определению, данному в ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000, чистая зона – это определенное пространство, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц, построенное и используемое так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц внутри зоны, и позволяющее, по мере необходимости, контролировать другие параметры, например, температуру, влажность и давление.

Чистые зоны конструктивно могут быть выполнены либо как часть общей вентиляционной системы чистого помещения, либо представлять собой самостоятельные изделия.

Первый способ применим в случае, когда месторасположение чистых зон закладывается на проектной стадии создания чистого помещения и не подлежит изменению на весь период его эксплуатации, а также в случае, если в рабочее пространство чистой зоны необходимо подать приточный воздух.

Второй способ предполагает возможность изменения местоположения чистых зон, что дает более широкие возможности для изменения технологического процесса и модернизации оборудования. При этом чистые зоны, выполненные как самостоятельные изделия, могут быть либо закрепленными к силовым конструкциям чистого помещения, либо представлять собой мобильные автономные изделия, имеющие возможность перемещения внутри чистого помещения.

Наиболее часто используют чистые условия производства с минимальным использованием персонала, применяя полуавтоматы. Часто используют локальные установки. Последнее время стали использовать кластерные установки (cluster).

Технические характеристики:

1 Предельное давление в чистой, пустой и обезгаженной камере, Па 1,33х10-3

2 Время восстановления давления 1,33х10-3 Па, мин 30

3 Размеры рабочей камеры, мм Диаметр Высота 900 1000

4 Количество плазменных ускорителей с катодами из металла (СПУ-М) с сепарацией плазменного потока, шт 3

5 Количество импульсных плазменных ускорителей с катодами из графита (ИПУ-С) с сепарацией плазменного потока, шт 4

6 Количество протяженных ионных источников для очистки и ассистирования (типа РИФ), шт 1

7 Нагрев подложек, 0С 250

8 Технологическая оснастка: Одинарная планетарка, шт. Двойная планетарка, шт 1 1

9 Система напуска технологического газа

10 Система контроля и управления технологическим циклом

11 Высоковакуумная откачка: два диффузионных насоса, работающих параллельно НВДМ-400 производительностью 7000 л/с каждый

12 Форвакуумная откачка: форвакуумный агрегат АВР-150 производительностью 150 л/с

13 Максимальная электрическая мощность, потребляемая вакуумной установкой, кВт, не более 50

14 Площадь, занимаемая вакуумной установкой, м2 25

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5

Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где Re - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

Уравнение неразрывности струи воздушного потока

Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики - сохранения массы и инерции - и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.

Рис. 8

Рис. 9

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

F1V1=F2V2= const. (1.9)

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

Статическое давление и скоростной напор уравнение Бернулли

воздух самолет аэродинамика

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:

Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Екин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

где m - масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)

Потенциальная энергия Ер - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

где Р - давление воздуха, кгс/м2; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

Внутренняя энергия Евн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т-температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положения En - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

где h - изменение высоты, м.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.

Рис. 11

Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.

Аэродинамические трубы

Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.

Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.

Рис. 12

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 - компрессор 10 - воздухоохладитель

Рис. 13

1 - хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 - подвод воздуха от баллонов

Рис. 14

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу

Рис. 15

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор