Airborne particle transport in sampling tubing: experimental vs theoretical approach

The particle transport efficiency in sampling lines is fundamental for the design of the cleanrooms to avoid any sampling errors and assure precise particle detection. Cleanrooms have very strict requirements to ensure good manufacturing and operation in them and their monitoring is fundamental to avoid any contamination with inert or microbiological particles. To quantify the quality of installation of the transport lines, is used the transport efficiency, that is defined as the number of particles transported through the line and reach the particle counter, over the number of particles present in the air. The theory behind the transport efficiency includes the particle deposition due to gravity, so the gravitational and drag forces are analysed, and the Stokes impaction theory, that define the motion of a particle inside of an airflow. This research wants to take the theoretical models of the transport efficiency, following equations and relationships found in literature, use them to calculate a theoretical transport efficiency, and compare it to the transport efficiency that can be found in experimental testing. This comparison is done considering different configurations, that have different geometries and characteristics. The results shows that the transport efficiency obtained by experimental testing is higher than the one calculated by the theoretical models, and is variable depending on the number of bends and horizontal lines of the tubes. The comparison between the theoretical model and the experimental results, for particles with a diameter ≥5μm, shows that using the McFarland relationship for curves, that includes the consideration of the curvature radius of the bend, the difference from the experimental transport efficiency is around 15%, while using the Baron and Willeke equation for curves, the difference is lower, around 10%. The results found with particles with a diameter ≥0,5μm have in all cases similar transport efficiency, with a maximum variation of 3%.

L’efficienza di trasporto particellare è fondamentale per la progettazione delle camere bianche per evitare qualsiasi errore di misurazione e garantire uno preciso rilevamento di particelle. Le camere bianche hanno dei requisiti molto stretti per garantire una buona produzione e operazione all’interno di esse, e il loro continuo monitoraggio è fondamentale per evitare qualsiasi contaminazione da particelle inerti o microbiologiche. Tper quantificare la qualità di installazione della linea di trasporto di particelle, è usata l’efficienza di trasporto, definita come il rapporto tra il numero di particelle trasportate attraverso i tubi e che raggiunge il contatore di particelle, e il numero di particelle presenti nell’aria. La teoria sull’efficienza di trasporto include la deposizione di particelle causata dalla forza gravitazionale, dunque le forze gravitazionali e di drag sono analizzate, e la teoria di impattamento di Stokes, che definisce il movimento di una particella contenuta in un flusso d’aria. Questa ricerca vuole prendere in considerazione i modelli teorici dell’efficienza di trasporto, seguendo equazioni e relazioni trovate in letteratura, e usarle per calcolare una efficienza teorica di trasporto, e compararla all’efficienza di trasporto che viene calcolata nei test sperimentali. Questo confronto è fatto considerando diverse configurazioni, che hanno ognuna differenti geometrie e caratteristiche. I risultati dimostrano che l’efficienza di trasporto ottenute dai test sperimentali è più alta di quella calcolata dai modelli teorici, ed è variabile in base al numero di curve e tratti orizzontali dei tubi. Il confronto tra il modello teorico e i risultati sperimentali, fatto per particelle con un diametro ≥5 μm, dimostrano che, usando la relazione di McFarland per curve, che tiene in considerazione il raggio di curvatura di esse, la differenza dai dati sperimentali per l’efficienza di trasporto è intorno al 15%, mentre usando l’equazione di Baron e Willeke per le curve, la differenza dai dati sperimentali è più bassa, intorno al 10%. I risultati trovati per le particelle con diametro ≥0,5 μm hanno, in tutti i casi, un’efficienza di trasporto simile, con una variazione massima del 3%.