百级洁净車(chē)间气流组织的优化方法

摘　要:　利用(yòng)CFD 方法对拟采用(yòng)风机过滤器单元(FFUs)洁净空调方案的百级洁净車(chē)间进行模拟, 得出室内气流速度场, 分(fēn)析其性能(néng), 通过理(lǐ)论公式计算所能(néng)达到的洁净度。认為(wèi)通过合理(lǐ)布置末端FFU 送风口位置及选择回风形式, 以及选用(yòng)较高级别的末端过滤器, 可(kě)以在FFU 满布率较低时达到较高的洁净度级别。

关键词:　计算流體(tǐ)动力學(xué)(CFD);洁净車(chē)间;风机过滤器单元;满布率

1 　引言

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)于暖通空调和洁净車(chē)间等工程领域。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 级洁净車(chē)间进行计算机模拟, 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)以得到较高的洁净車(chē)间级别, 并满足动态工作的要求。

2 　数值模拟及分(fēn)析

2.1 　数學(xué)模型

从流动的雷诺数来考虑, 洁净車(chē)间的气流均為(wèi)紊流[ 1] , 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 -ε二方程模型, k -ε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。

控制方程的通用(yòng)形式[ 2] :

　S Φ———源项

Φ=1 时通用(yòng)方程变為(wèi)连续性方程。

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。

2.2 　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Y 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)全地面均匀散布穿孔板作為(wèi)回风口。其物(wù)理(lǐ)模型如图3 所示, 气流流场分(fēn)布如图4 所示。

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, 由于此洁净車(chē)间产热量较小(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1μm 时, 微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10^-3[ 1] 。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>1μm 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, 直接排出洁净車(chē)间。

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—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, 就会在洁净車(chē)间下部區(qū)域形成较大的涡流三角區(qū)[ 3] , 因此洁净車(chē)间内能(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(这是洁净車(chē)间施工完毕、开始投入使用(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(IEST)的标准IES -RP -CC012 .1 中已认

為(wèi)ISO5 级洁净車(chē)间也可(kě)采用(yòng)非单向流流型或混合流型[ 4] 。

3 　洁净度的计算

洁净車(chē)间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, 进入洁净車(chē)间的粒子有(yǒu)由室外新(xīn)风带入、循环空气带入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。从洁净車(chē)间排出的粒子有(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[ 5] :

新(xīn)风预过滤器為(wèi)F5(η=55 %), 中效过滤器為(wèi)F9 (η=9 5 %), 高效过滤器為(wèi)H1 2 (η=

99 .5 %), 风机过滤器单元中过滤器為(wèi)U15(η≥99 .9995 %@MPPS);新(xīn)风含尘浓度天津地區(qū)取為(wèi)3 ×107 粒/m³(≥0 .5μm);身着洁净服的工作人员走动时产尘量為(wèi)1 ×10⁴ 粒/(s·人)(≥0 .5μm);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車(chē)间稳定含尘浓度為(wèi)2857 粒/m³(即81 粒/ft³), 达到ISO5 级100粒/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)。

4 　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 级洁净車(chē)间), 比较结果见表1 。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。

5 　结论

• 针对電(diàn)子厂房洁净車(chē)间发尘量较低, 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;
• 洁净車(chē)间节能(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;
• 对洁净車(chē)间设计人员而言, 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;
• 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。
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• 参考文(wén)献:
• 1] 　许钟麟.空气洁净技术原理(lǐ)[ M] .上海:同济大學(xué)出版社, 1998.
• [ 2] 　陶文(wén)铨.数值传热學(xué)(第二版)[ M] .西安:西安交
• 通大學(xué)出版社, 2001.
• [ 3] 　樊洪明, 何钟怡, 李先庭.洁净車(chē)间流场大涡模拟[ J] .空气动力學(xué)學(xué)报, 2001 , 19(3):302-309.
• [ 4] 　IES -RP-CC012 .1, Considerations in Cleanroom Design[ S] .
• [ 5] 　Jan Gustavsson.Camfil cleanliness calculation of cleanroom[ Z] .Technical Information 990901.