百級潔凈車間氣流組織的優(yōu)化方法

摘　要:　利用CFD 方法對擬采用風(fēng)機(jī)過濾器單元(FFUs)潔凈空調(diào)方案的百級潔凈車間進(jìn)行模擬, 得出室內(nèi)氣流速度場, 分析其性能, 通過理論公式計(jì)算所能達(dá)到的潔凈度。認(rèn)為通過合理布置末端FFU 送風(fēng)口位置及選擇回風(fēng)形式, 以及選用較高級別的末端過濾器, 可以在FFU 滿布率較低時(shí)達(dá)到較高的潔凈度級別。

關(guān)鍵詞:　計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD);潔凈車間;風(fēng)機(jī)過濾器單元;滿布率

1 　引言

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)和潔凈車間等工程領(lǐng)域。通過計(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, 對采用風(fēng)機(jī)過濾器單元凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5 級潔凈車間進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬, 利用所得到的速度場分析評價(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。最后通過實(shí)地現(xiàn)場測試, 證明減少末端高效過濾器的個(gè)數(shù)同樣可以得到較高的潔凈車間級別, 并滿足動(dòng)態(tài)工作的要求。

2 　數(shù)值模擬及分析

2.1 　數(shù)學(xué)模型

從流動(dòng)的雷諾數(shù)來考慮, 潔凈車間的氣流均為紊流[ 1] , 空氣的流動(dòng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)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(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 -ε二方程模型, k -ε模型通過求解紊流動(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)。

控制方程的通用形式[ 2] :

　S Φ———源項(xiàng)

Φ=1 時(shí)通用方程變?yōu)檫B續(xù)性方程。

邊界條件:墻體邊界設(shè)為無滑移邊界條件;送風(fēng)邊界條件:送風(fēng)速度取過濾器面風(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)對氣流的影響。采用混合迎風(fēng)差分格式對偏微分方程進(jìn)行離散, 基于有限容積法的SIMPLEST 算法進(jìn)行求解。

2.2 　物理模型及計(jì)算結(jié)果分析

方案一將風(fēng)機(jī)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(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)算得到氣流流場如圖2 所示(由于送風(fēng)口在Y 方向呈對稱布置, 圖中只給出一半流場)。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, 增加污染的可能性。

方案二將同樣規(guī)格的風(fēng)機(jī)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(fēng)速為0 .45 m/s , 回風(fēng)仍采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)口。其物理模型如圖3 所示, 氣流流場分布如圖4 所示。

從模擬計(jì)算結(jié)果可知, 對于均勻布置的風(fēng)機(jī)過濾器單元方案, 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 , 可見散布末端過濾器送風(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, 由于此潔凈車間產(chǎn)熱量較小, 熱氣流對流線影響可忽略, 不會(huì)產(chǎn)生逆向污染, 因此上部的渦流不會(huì)對主流區(qū)產(chǎn)生影響?？諝庵械奈⒘Ｔ谥亓?、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1μm 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10^-3[ 1] 。此設(shè)計(jì)中新風(fēng)處理機(jī)組設(shè)三級過濾器,風(fēng)機(jī)過濾器單元中過濾器為U 1 5 , 效率≥99 .9995 %@MPPS , 直徑>1μm 的微?？梢暈榱恪?/p>

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), 直接排出潔凈車間。

當(dāng)進(jìn)一步減小滿布比時(shí)由模擬計(jì)算可知, 除送風(fēng)口正下方—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(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)過模擬計(jì)算及分析, 認(rèn)為在送風(fēng)口滿布比為25 %, 均勻分布風(fēng)機(jī)過濾器單元, 采用全地面均勻散布穿孔板回風(fēng), 過濾器面風(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)在潔凈車間下部區(qū)域形成較大的渦流三角區(qū)[ 3] , 因此潔凈車間內(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(這是潔凈車間施工完畢、開始投入使用時(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)滿布高效過濾器送風(fēng)口而形成的全室平行氣流, 但美國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)(IEST)的標(biāo)準(zhǔn)IES -RP -CC012 .1 中已認(rèn)

為ISO5 級潔凈車間也可采用非單向流流型或混合流型[ 4] 。

3 　潔凈度的計(jì)算

潔凈車間的潔凈度級別由通風(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定, 可以通過數(shù)學(xué)公式對其進(jìn)行計(jì)算。根

據(jù)粒子平衡理論, 進(jìn)入潔凈車間的粒子有由室外新風(fēng)帶入、循環(huán)空氣帶入及由室內(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(jì)。從潔凈車間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[ 5] :

新風(fēng)預(yù)過濾器為F5(η=55 %), 中效過濾器為F9 (η=9 5 %), 高效過濾器為H1 2 (η=

99 .5 %), 風(fēng)機(jī)過濾器單元中過濾器為U15(η≥99 .9995 %@MPPS);新風(fēng)含塵濃度天津地區(qū)取為3 ×107 粒/m³(≥0 .5μm);身著潔凈服的工作人員走動(dòng)時(shí)產(chǎn)塵量為1 ×10⁴ 粒/(s·人)(≥0 .5μm);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)的潔凈車間穩(wěn)定含塵濃度為2857 粒/m³(即81 粒/ft³), 達(dá)到ISO5 級100粒/ft³ 的設(shè)計(jì)要求(經(jīng)現(xiàn)場測試表明實(shí)際潔凈度級別符合ISO5 級要求)。

4 　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(jì)方式———全頂棚送風(fēng)地板格柵回風(fēng)進(jìn)行能耗對比(針對面積為106m² , 層高為2 .7m 的ISO5 級潔凈車間), 比較結(jié)果見表1 。按常規(guī)頂棚滿布高效過濾器設(shè)計(jì), 如果使用風(fēng)機(jī)過濾器單元系統(tǒng)則其能耗約為此設(shè)計(jì)中典型風(fēng)機(jī)過濾器單元系統(tǒng)的2 .3倍, 可見低滿布比風(fēng)機(jī)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。

5 　結(jié)論

• 針對電子廠房潔凈車間發(fā)塵量較低, 室內(nèi)人員較少, 熱負(fù)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(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;
• 潔凈車間節(jié)能有較大潛力, 經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)可減少初投資, 節(jié)能效果明顯;
• 對潔凈車間設(shè)計(jì)人員而言, 從節(jié)能設(shè)計(jì)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(jì)準(zhǔn)則;
• 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。
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• 參考文獻(xiàn):
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