联系我们

减少高效过滤器同样达到较高洁净级别

   随着计算流體(tǐ)动力學(xué)(CFD)技术自身的发展，其已广泛应用(yòng)于暖通空调和洁净室等工程领域。通过计算机求解流體(tǐ)所遵循的控制方程，可(kě)以获得流动區(qū)域的流速、温度、组分(fēn)、浓度等物(wù)理(lǐ)

量的详细分(fēn)布情况。本文(wén)利用(yòng)CFD软件，对采用(yòng)风机过滤器单元净化空调系统的某微電(diàn)子洁净厂房的ISO5级洁净室进行计算机模拟，利用(yòng)所得到的速度场分(fēn)析评价其性能(néng)，利用(yòng)理(lǐ)论计算验证其

平衡态的洁净度，并提出一些应用(yòng)中的注意事项，為(wèi)实际工程应用(yòng)提供参考。最后通过实地现场测试，证明减少末端高效过滤器的个数同样可(kě)以得到较高的洁净室级别，并满足动态工作的要求。

数值模拟及分(fēn)析

   数學(xué)模型

   从流动的雷诺数来考虑，洁净室的气流均為(wèi)紊流llj，空气的流动满足连续性方程、动量方程和能(néng)量方程。对于工程问题，我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化，而只关心紊流随机变量的有(yǒu)关平均值，因此，本文(wén)采用(yòng)雷诺时均方程紊流粘性系数法，流动模型采用(yòng)暖通空调广泛采用(yòng)的标准k一￡二方程模型，k一￡模型通过求解紊流动能(néng)与紊流动能(néng)耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。

   边界条件：墙體(tǐ)边界设為(wèi)无滑移边界条件；送风边界条件：送风速度取过滤器面风速平均值，速度方向竖直向下；回风边界条件：回风口满足充分(fēn)

发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小(xiǎo)，不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用(yòng)混合迎风差分(fēn)格式对偏微分(fēn)方程进行离散，基于有(yǒu)限容积

法的SIMPLEST算法进行求解。

   物(wù)理(lǐ)模型及计算结果分(fēn)析

   方案一将风机过滤器单元(规格為(wèi)1．2m×1．2m)成条型居中布置于天花(huā)板，满布比為(wèi)25％，回风采用(yòng)全地面均匀散布穿孔板作為(wèi)回风口。物(wù)理(lǐ)

模型如图1所示。经模拟计算得到气流流场如图2所示(由于送风口在l，方向呈对称布置，图中只给出一半流场)。从图2可(kě)知，在送风口下方流線(xiàn)

垂直向下，流線(xiàn)平行较好，而在送风口至墙體(tǐ)范围内有(yǒu)较大的涡流區(qū)，主流區(qū)范围减少，不能(néng)使全室工作區(qū)达到较高级别。同时粒子也会被卷吸进入

主流區(qū)，排除污染物(wù)的路径增長(cháng)，增加污染的可(kě)能(néng)性。

  方案二将同样规格的风机过滤器单元较均匀地布置于天花(huā)板上，满布比仍為(wèi)25％ ，过滤器面风速為(wèi)0．45 m／s，回风仍采用(yòng)全地面均匀散布穿

从模拟计算结果可(kě)知，对于均匀布置的风机过滤器单元方案，工作區(qū)1．2m及0．8m高度断面平均风速分(fēn)别為(wèi)0．1545m／s、0．1516m／s，可(kě)见散布

末端过滤器送风口可(kě)以减小(xiǎo)速度的衰减。虽然在送风口之间上部存在反向气流，形成小(xiǎo)的涡流區(qū)，但在工作區(qū)0．8m～1．2m范围内已形成竖直向下

的流線(xiàn)，时均流線(xiàn)平行较好，由于此洁净室产热量较小(xiǎo)，热气流对流線(xiàn)影响可(kě)忽略，不会产生逆向污染，因此上部的涡流不会对主流區(qū)产生影响。空

气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用(yòng)力下运动速度和位移是微小(xiǎo)的，直径在lUm时，微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于

1/1000 。此设计中新(xīn)风处理(lǐ)机组设三级过滤器，风机过滤器单元中过滤器為(wèi)U 1 5，效率≥99．9995％@MPPS，直径>lurn的微粒可(kě)视為(wèi)零。

因此，工作區(qū)产生的微粒能(néng)完全跟随气流一起运动，直接排出洁净室。

  当进一步减小(xiǎo)满布比时由模拟计算可(kě)知，除送风口正下方一定區(qū)域外，其余部分(fēn)已根本不能(néng)保证气流接近垂直向下，过滤器之间存在一个从

天花(huā)板到地面贯通的巨大涡流區(qū)，污染物(wù)极易被卷吸进入涡流區(qū)而不易排出。经过模拟计算及分(fēn)析，认為(wèi)在送风口满布比為(wèi)25％ ，均匀分(fēn)布风机过滤器单元，采用(yòng)全地面

均匀散布穿孔板回风，过滤器面风速為(wèi)0．45m／s，相应换气次数為(wèi)147次／h，由于风机过滤器单元可(kě)达到较大的送风面风速，以及均匀散布穿孔地

板回风口的均流作用(yòng)，若采用(yòng)侧墙下侧回风，就会在洁净室下部區(qū)域形成较大的涡流三角區(qū)_3 J，因此洁净室内能(néng)形成比较合理(lǐ)的气流流形，在主流

區(qū)内形成基本垂直向下的流線(xiàn)。但在靠近四周墙壁处，由于形成受限射流，出现涡旋，因此应避免将设备靠墙壁布置，而应留有(yǒu)一定距离(这是洁净

室施工完毕、开始投人使用(yòng)时应加以注意的)。另外，此设计中虽然不能(néng)形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流，但美國(guó)环境科(kē)

學(xué)學(xué)会(1EST)的标准IES —RP—CC012．1中已认為(wèi)ISO5级洁净室也可(kě)采用(yòng)非单向流流型或混合流型

   洁净度的计算

  洁净室的洁净度级别由通风系统和室内污染源所决定，可(kě)以通过数學(xué)公式对其进行计算。根据粒子平衡理(lǐ)论，进人洁净室的粒子有(yǒu)由室外新(xīn)

风带人、循环空气带人及由室内污染源产生的粒子。对于電(diàn)子厂房室内污染源主要是指工作人员的产尘，而设备产尘很(hěn)少可(kě)忽略不计。从洁净室

排出的粒子有(yǒu)由回风带出及由于室内正压而渗出的粒子，可(kě)得方程如下

   新(xīn)风预过滤器為(wèi)F5(77=55％)，中效过滤器為(wèi)F9(叩：9 5％ )，高效过滤器為(wèi)H l 2(n=99．5％)，风机过滤器单元中过滤器為(wèi)U15(n≥

99．9995％@MPPS)；新(xīn)风含尘浓度天津地區(qū)取為(wèi)3×107粒／m (≥0．5tan)；身着洁净服的工作人员走动时产尘量為(wèi)l×104粒／(s·人)(／>0．5tan)；设

同时有(yǒu)3人在工作；通风效率取為(wèi)90％ ；新(xīn)风比為(wèi)4．5％ 。计算得出此设计的洁净室稳定含尘浓度為(wèi)2857粒／m (即8l粒／ft )，达到ISO5级100

ft3 的设计要求(经现场测试表明实际洁净度级别符合ISO5级要求)

  节能(néng)比较

  在满足洁净度要求的前提下，与按常规设计 方式——全顶棚送风地板格栅回风进行能(néng)耗对比(针对面积為(wèi)106m2，层高為(wèi)2．7m的ISO5级洁净

室)，比较结果见表l。按常规顶棚满布高效过滤器设计，如果使用(yòng)风机过滤器单元系统则其能(néng)耗约為(wèi)此设计中典型风机过滤器单元系统的2．3

倍，可(kě)见低满布比风机过滤器单元系统在保证洁净度的条件下节能(néng)效果明显。

结论

  (1)针对電(diàn)子厂房洁净室发尘量较低，室内人员较少，热负荷较小(xiǎo)的情况，通过选择级别较高的过滤器，合理(lǐ)布置末端高效过滤器的位置及回风

方式后，即使设计的室内换气次数、断面平均风速低于我國(guó)规范建议的下限值，仍可(kě)有(yǒu)效地滤除粒子，满足空气洁净度要求；

( 2)洁净室节能(néng)有(yǒu)较大潜力，经过优化设计可(kě)减少初投资，节能(néng)效果明显；

(3)对洁净室设计人员而言，从节能(néng)设计具有(yǒu)的長(cháng)期性效果考虑，针对具體(tǐ)工程的工艺需求可(kě)以有(yǒu)保留地遵循设计准则；

(4)CFD是一种较好的优化设计工具，结合工程实际情况，借助模拟工具进行辅助设计已成必然趋势。