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減少高效過(guò)濾器同樣達(dá)到較高潔凈級(jí)別

   隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)自身的發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)和潔凈室等工程領(lǐng)域。通過(guò)計(jì)算機(jī)求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動(dòng)區(qū)域的流速、溫度、組分、濃度等物理

量的詳細(xì)分布情況。本文利用CFD軟件，對(duì)采用風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5級(jí)潔凈室進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，利用所得到的速度場(chǎng)分析評(píng)價(jià)其性能，利用理論計(jì)算驗(yàn)證其

平衡態(tài)的潔凈度，并提出一些應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。最后通過(guò)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明減少末端高效過(guò)濾器的個(gè)數(shù)同樣可以得到較高的潔凈室級(jí)別，并滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)工作的要求。

數(shù)值模擬及分析

   數(shù)學(xué)模型

   從流動(dòng)的雷諾數(shù)來(lái)考慮，潔凈室的氣流均為紊流llj，空氣的流動(dòng)滿(mǎn)足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。對(duì)于工程問(wèn)題，我們不需要關(guān)心紊流的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其瞬時(shí)變化，而只關(guān)心紊流隨機(jī)變量的有關(guān)平均值，因此，本文采用雷諾時(shí)均方程紊流粘性系數(shù)法，流動(dòng)模型采用暖通空調(diào)廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)k一￡二方程模型，k一￡模型通過(guò)求解紊流動(dòng)能與紊流動(dòng)能耗散率的輸運(yùn)方程得到紊流粘性系數(shù)。

   邊界條件：墻體邊界設(shè)為無(wú)滑移邊界條件；送風(fēng)邊界條件：送風(fēng)速度取過(guò)濾器面風(fēng)速平均值，速度方向豎直向下；回風(fēng)邊界條件：回風(fēng)口滿(mǎn)足充分

發(fā)展段紊流出口模型。由于室內(nèi)熱負(fù)荷較小，不考慮溫度浮升效應(yīng)對(duì)氣流的影響。采用混合迎風(fēng)差分格式對(duì)偏微分方程進(jìn)行離散，基于有限容積

法的SIMPLEST算法進(jìn)行求解。

   物理模型及計(jì)算結(jié)果分析

   方案一將風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元(規(guī)格為1．2m×1．2m)成條型居中布置于天花板，滿(mǎn)布比為25％，回風(fēng)采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)口。物理

模型如圖1所示。經(jīng)模擬計(jì)算得到氣流流場(chǎng)如圖2所示(由于送風(fēng)口在l，方向呈對(duì)稱(chēng)布置，圖中只給出一半流場(chǎng))。從圖2可知，在送風(fēng)口下方流線

垂直向下，流線平行較好，而在送風(fēng)口至墻體范圍內(nèi)有較大的渦流區(qū)，主流區(qū)范圍減少，不能使全室工作區(qū)達(dá)到較高級(jí)別。同時(shí)粒子也會(huì)被卷吸進(jìn)入

主流區(qū)，排除污染物的路徑增長(zhǎng)，增加污染的可能性。

  方案二將同樣規(guī)格的風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元較均勻地布置于天花板上，滿(mǎn)布比仍為25％ ，過(guò)濾器面風(fēng)速為0．45 m／s，回風(fēng)仍采用全地面均勻散布穿

從模擬計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于均勻布置的風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元方案，工作區(qū)1．2m及0．8m高度斷面平均風(fēng)速分別為0．1545m／s、0．1516m／s，可見(jiàn)散布

末端過(guò)濾器送風(fēng)口可以減小速度的衰減。雖然在送風(fēng)口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區(qū)，但在工作區(qū)0．8m～1．2m范圍內(nèi)已形成豎直向下

的流線，時(shí)均流線平行較好，由于此潔凈室產(chǎn)熱量較小，熱氣流對(duì)流線影響可忽略，不會(huì)產(chǎn)生逆向污染，因此上部的渦流不會(huì)對(duì)主流區(qū)產(chǎn)生影響?？?/p>

氣中的微粒在重力、慣性和擴(kuò)散三種作用力下運(yùn)動(dòng)速度和位移是微小的，直徑在lUm時(shí)，微粒跟隨氣流運(yùn)動(dòng)的速度和氣流速度相差不會(huì)大于

1/1000 。此設(shè)計(jì)中新風(fēng)處理機(jī)組設(shè)三級(jí)過(guò)濾器，風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元中過(guò)濾器為U 1 5，效率≥99．9995％@MPPS，直徑>lurn的微?？梢暈榱?。

因此，工作區(qū)產(chǎn)生的微粒能完全跟隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，直接排出潔凈室。

  當(dāng)進(jìn)一步減小滿(mǎn)布比時(shí)由模擬計(jì)算可知，除送風(fēng)口正下方一定區(qū)域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過(guò)濾器之間存在一個(gè)從

天花板到地面貫通的巨大渦流區(qū)，污染物極易被卷吸進(jìn)入渦流區(qū)而不易排出。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算及分析，認(rèn)為在送風(fēng)口滿(mǎn)布比為25％ ，均勻分布風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元，采用全地面

均勻散布穿孔板回風(fēng)，過(guò)濾器面風(fēng)速為0．45m／s，相應(yīng)換氣次數(shù)為147次／h，由于風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元可達(dá)到較大的送風(fēng)面風(fēng)速，以及均勻散布穿孔地

板回風(fēng)口的均流作用，若采用側(cè)墻下側(cè)回風(fēng)，就會(huì)在潔凈室下部區(qū)域形成較大的渦流三角區(qū)_3 J，因此潔凈室內(nèi)能形成比較合理的氣流流形，在主流

區(qū)內(nèi)形成基本垂直向下的流線。但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現(xiàn)渦旋，因此應(yīng)避免將設(shè)備靠墻壁布置，而應(yīng)留有一定距離(這是潔凈

室施工完畢、開(kāi)始投人使用時(shí)應(yīng)加以注意的)。另外，此設(shè)計(jì)中雖然不能形成如傳統(tǒng)滿(mǎn)布高效過(guò)濾器送風(fēng)口而形成的全室平行氣流，但美國(guó)環(huán)境科

學(xué)學(xué)會(huì)(1EST)的標(biāo)準(zhǔn)IES —RP—CC012．1中已認(rèn)為ISO5級(jí)潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型

   潔凈度的計(jì)算

  潔凈室的潔凈度級(jí)別由通風(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定，可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)粒子平衡理論，進(jìn)人潔凈室的粒子有由室外新

風(fēng)帶人、循環(huán)空氣帶人及由室內(nèi)污染源產(chǎn)生的粒子。對(duì)于電子廠房室內(nèi)污染源主要是指工作人員的產(chǎn)塵，而設(shè)備產(chǎn)塵很少可忽略不計(jì)。從潔凈室

排出的粒子有由回風(fēng)帶出及由于室內(nèi)正壓而滲出的粒子，可得方程如下

   新風(fēng)預(yù)過(guò)濾器為F5(77=55％)，中效過(guò)濾器為F9(叩：9 5％ )，高效過(guò)濾器為H l 2(n=99．5％)，風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元中過(guò)濾器為U15(n≥

99．9995％@MPPS)；新風(fēng)含塵濃度天津地區(qū)取為3×107粒／m (≥0．5tan)；身著潔凈服的工作人員走動(dòng)時(shí)產(chǎn)塵量為l×104粒／(s·人)(／>0．5tan)；設(shè)

同時(shí)有3人在工作；通風(fēng)效率取為90％ ；新風(fēng)比為4．5％ 。計(jì)算得出此設(shè)計(jì)的潔凈室穩(wěn)定含塵濃度為2857粒／m (即8l粒／ft )，達(dá)到ISO5級(jí)100

ft3 的設(shè)計(jì)要求(經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明實(shí)際潔凈度級(jí)別符合ISO5級(jí)要求)

  節(jié)能比較

  在滿(mǎn)足潔凈度要求的前提下，與按常規(guī)設(shè)計(jì) 方式——全頂棚送風(fēng)地板格柵回風(fēng)進(jìn)行能耗對(duì)比(針對(duì)面積為106m2，層高為2．7m的ISO5級(jí)潔凈

室)，比較結(jié)果見(jiàn)表l。按常規(guī)頂棚滿(mǎn)布高效過(guò)濾器設(shè)計(jì)，如果使用風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元系統(tǒng)則其能耗約為此設(shè)計(jì)中典型風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元系統(tǒng)的2．3

倍，可見(jiàn)低滿(mǎn)布比風(fēng)機(jī)過(guò)濾器單元系統(tǒng)在保證潔凈度的條件下節(jié)能效果明顯。

結(jié)論

  (1)針對(duì)電子廠房潔凈室發(fā)塵量較低，室內(nèi)人員較少，熱負(fù)荷較小的情況，通過(guò)選擇級(jí)別較高的過(guò)濾器，合理布置末端高效過(guò)濾器的位置及回風(fēng)

方式后，即使設(shè)計(jì)的室內(nèi)換氣次數(shù)、斷面平均風(fēng)速低于我國(guó)規(guī)范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿(mǎn)足空氣潔凈度要求；

( 2)潔凈室節(jié)能有較大潛力，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可減少初投資，節(jié)能效果明顯；

(3)對(duì)潔凈室設(shè)計(jì)人員而言，從節(jié)能設(shè)計(jì)具有的長(zhǎng)期性效果考慮，針對(duì)具體工程的工藝需求可以有保留地遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；

(4)CFD是一種較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，結(jié)合工程實(shí)際情況，借助模擬工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)已成必然趨勢(shì)。