減少高效過濾器同樣達到較高潔凈級別

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

量的詳細分布情況。本文利用CFD軟件，對采用風機過濾器單元凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5級潔凈室進行計算機模擬，利用所得到的速度場分析評價其性能，利用理論計算驗證其

平衡態(tài)的潔凈度，并提出一些應用中的注意事項，為實際工程應用提供參考。最后通過實地現(xiàn)場測試，證明減少末端高效過濾器的個數(shù)同樣可以得到較高的潔凈室級別，并滿足動態(tài)工作的要求。

數(shù)值模擬及分析

   數(shù)學模型

   從流動的雷諾數(shù)來考慮，潔凈室的氣流均為紊流llj，空氣的流動滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關(guān)心紊流的精細結(jié)構(gòu)及其瞬時變化，而只關(guān)心紊流隨機變量的有關(guān)平均值，因此，本文采用雷諾時均方程紊流粘性系數(shù)法，流動模型采用暖通空調(diào)廣泛采用的標準k一￡二方程模型，k一￡模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數(shù)。

   邊界條件：墻體邊界設(shè)為無滑移邊界條件；送風邊界條件：送風速度取過濾器面風速平均值，速度方向豎直向下；回風邊界條件：回風口滿足充分

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

法的SIMPLEST算法進行求解。

   物理模型及計算結(jié)果分析

   方案一將風機過濾器單元(規(guī)格為1．2m×1．2m)成條型居中布置于天花板，滿布比為25％，回風采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。物理

模型如圖1所示。經(jīng)模擬計算得到氣流流場如圖2所示(由于送風口在l，方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場)。從圖2可知，在送風口下方流線

垂直向下，流線平行較好，而在送風口至墻體范圍內(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)達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入

主流區(qū)，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。

  方案二將同樣規(guī)格的風機過濾器單元較均勻地布置于天花板上，滿布比仍為25％ ，過濾器面風速為0．45 m／s，回風仍采用全地面均勻散布穿

從模擬計算結(jié)果可知，對于均勻布置的風機過濾器單元方案，工作區(qū)1．2m及0．8m高度斷面平均風速分別為0．1545m／s、0．1516m／s，可見散布

末端過濾器送風口可以減小速度的衰減。雖然在送風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，時均流線平行較好，由于此潔凈室產(chǎn)熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產(chǎn)生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區(qū)產(chǎn)生影響?？?/p>

氣中的微粒在重力、慣性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在lUm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于

1/1000 。此設(shè)計中新風處理機組設(shè)三級過濾器，風機過濾器單元中過濾器為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動，直接排出潔凈室。

  當進一步減小滿布比時由模擬計算可知，除送風口正下方一定區(qū)域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從

天花板到地面貫通的巨大渦流區(qū)，污染物極易被卷吸進入渦流區(qū)而不易排出。經(jīng)過模擬計算及分析，認為在送風口滿布比為25％ ，均勻分布風機過濾器單元，采用全地面

均勻散布穿孔板回風，過濾器面風速為0．45m／s，相應換氣次數(shù)為147次／h，由于風機過濾器單元可達到較大的送風面風速，以及均勻散布穿孔地

板回風口的均流作用，若采用側(cè)墻下側(cè)回風，就會在潔凈室下部區(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，因此應避免將設(shè)備靠墻壁布置，而應留有一定距離(這是潔凈

室施工完畢、開始投人使用時應加以注意的)。另外，此設(shè)計中雖然不能形成如傳統(tǒng)滿布高效過濾器送風口而形成的全室平行氣流，但美國環(huán)境科

學學會(1EST)的標準IES —RP—CC012．1中已認為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型

   潔凈度的計算

  潔凈室的潔凈度級別由通風系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定，可以通過數(shù)學公式對其進行計算。根據(jù)粒子平衡理論，進人潔凈室的粒子有由室外新

風帶人、循環(huán)空氣帶人及由室內(nèi)污染源產(chǎn)生的粒子。對于電子廠房室內(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。從潔凈室

排出的粒子有由回風帶出及由于室內(nèi)正壓而滲出的粒子，可得方程如下

   新風預過濾器為F5(77=55％)，中效過濾器為F9(叩：9 5％ )，高效過濾器為H l 2(n=99．5％)，風機過濾器單元中過濾器為U15(n≥

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

同時有3人在工作；通風效率取為90％ ；新風比為4．5％ 。計算得出此設(shè)計的潔凈室穩(wěn)定含塵濃度為2857粒／m (即8l粒／ft )，達到ISO5級100

ft3 的設(shè)計要求(經(jīng)現(xiàn)場測試表明實際潔凈度級別符合ISO5級要求)

  節(jié)能比較

  在滿足潔凈度要求的前提下，與按常規(guī)設(shè)計 方式——全頂棚送風地板格柵回風進行能耗對比(針對面積為106m2，層高為2．7m的ISO5級潔凈

室)，比較結(jié)果見表l。按常規(guī)頂棚滿布高效過濾器設(shè)計，如果使用風機過濾器單元系統(tǒng)則其能耗約為此設(shè)計中典型風機過濾器單元系統(tǒng)的2．3

倍，可見低滿布比風機過濾器單元系統(tǒng)在保證潔凈度的條件下節(jié)能效果明顯。

結(jié)論

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

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

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

(3)對潔凈室設(shè)計人員而言，從節(jié)能設(shè)計具有的長期性效果考慮，針對具體工程的工藝需求可以有保留地遵循設(shè)計準則；

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