潔淨室淨化車間的氣流組織與節能特性

潔淨空調係統為(wei) 了滿足室內(nei) 潔淨度要求，送風量大，造成係統的輸配能耗高，尤其是對於(yu) 淨化級別高的係統，這種情況越發嚴(yan) 重。開發一種既能滿足淨化要求，同時又能降低係統運行能耗的潔淨空調係統是業(ye) 界一直研究的熱點問題。對輻流潔淨室氣流組織和汙染物分布進行了數值模擬，並在動態條件下對輻流潔淨室進行了實驗研究，揭示了矢流潔淨室內(nei) 氣流的流動特性和汙染物的分布規律；魏學孟依據對矢流潔淨室的理論分析、實驗研究及數據值模擬結果，總結出矢流潔淨室的最佳設計參數；李岩對輻流潔淨室應用於(yu) 潔淨病房的氣流組織進行研究，用 Airpak 商業(ye) 軟件包對輻流潔淨病房在空態和靜態下進行流場分布模擬，並通過實驗測試了動態條件下的汙染物濃度場；常茹等采用數值模擬和模型實驗相結合的方法對輻流潔淨病房內(nei) 的氣流流型進行了研究；周玉岩等對輻流潔淨室風速測試與(yu) 氣流形態進行分析，並對輻流潔淨室全區域風速變化情況進行測試，探討其在空態下風速檢測的具體(ti) 方法；石家莊奧祥醫藥工程有限公司的科研團隊將輻流潔淨室應用於(yu) 公司的生產(chan) 車間。綜合以上的研究成果，輻流潔淨室的研究取得了一定的進展。尤其是對輻流潔淨室空態下的氣流組織特征，設計參數，渦流的位置，濃度場分布模型有了深入的研究，給輻流潔淨室帶來了很好的研究基礎。本文針對輻流潔淨室在電子工業(ye) 廠房動態條件下的氣流組織和節能特性進行了數值模擬。

1 數值模擬

1.1 物理模型

本文采用 Airpak 數值模擬軟件分別對輻流潔淨室和亂(luan) 流潔淨室的氣流組織和汙染物濃度場進行模擬，根據實驗條件，模擬對象為(wei) 電子工業(ye) 廠房，潔淨廠房的潔淨度要求 ISO 6 級。按照與(yu) 實際大空間廠房長度、寬度、高度 3:2:1 的比例，將廠房潔淨生產(chan) 車間模型設置為(wei) 7.05m×4.33m×2.6m（長×寬×高）。人數及操作台設置：根據生產(chan) 車間模型的麵積，設計工作人數為(wei) 4 人。綜上所述，本文根據 ISO 6 級潔淨室設計要求，設置輻流潔淨室動態模擬條件：

（1）送回風設置

送風口模型采用風口動量模型，在房間頂棚布置 4 個(ge) 高效過濾器，外布扇形擴散孔板，4 個(ge) 回風口布置在對麵側(ce) 牆下部，與(yu) 送風口呈對角線布置。房間頂棚安裝日光燈 6 組。

（2）室內(nei) 設施及人員布置

操作台 1 台（5m×1m×0.75m）垂直輻流送風口布置，工作台布置 4 個(ge) 操作工人，平均分布在工作台兩(liang) 側(ce) 。

（3）塵源設置

空氣潔淨度級別的含塵濃度是在工作人員進行正常操作時測得的數據，所以代表潔淨度級別的空氣含塵濃度應是工作狀態即動態下的數據。由於(yu) 潔淨廠房室內(nei) 發塵主要由人員產(chan) 生，設備產(chan) 塵根據不同的生產(chan) 工藝會(hui) 有較大的區別，故本次模擬采用簡化塵源的方式，即隻設置人體(ti) 產(chan) 塵。根據煙氣含塵濃度的簡化計算法，煙氣的含塵濃度估算範圍為(wei) 14.7 g/m³ ~ 61.3 g/m³，本文取 50g/m³。

對於(yu) 亂(luan) 流潔淨室，在頂棚均勻布置 6 個(ge) 高效過濾器送風口。其餘(yu) 均與(yu) 輻流潔淨室相同。輻流潔淨室與(yu) 亂(luan) 流潔淨室模型圖如圖 1 和圖 2 所示。

1.2 數學模型

本文采用標準 K-ε 兩(liang) 方程模型，湍流模型簡化

和假設如下：

（1）室內(nei) 氣流為(wei) 不可壓縮常物性牛頓流體(ti) ，穩態流動，且滿足 Bussinesp 近似（密度變化不是很大的變密度流動）。

（2）考慮輻射換熱，忽略質量力的作用。

（3）為(wei) 減少模型網格的數目，節省運行時間，可將工藝設備簡化為(wei) 具有相同散熱量的小方塊。

2 模擬結果及數值分析

ISO6 級潔淨室為(wei) 了滿足潔淨度要求，設計換氣次數為(wei) 50 次/h~60 次/h，本文對輻流潔淨室和亂(luan) 流潔淨室分別采用 50 次/h 和 60 次/h 換氣次數進行了數值模擬，並選取了 Y=1.4 m（潔淨室立麵）和Z=0.8m、Z=1.3 m（水平麵）速度場和汙染物濃度場進行對比分析。

2.1 輻流潔淨室模擬結果

2.1.1 速度場

從(cong) 圖3對Y=1.4m潔淨室立麵速度場矢量圖可以看出，整個(ge) 斷麵的氣流流型從(cong) 送風口到回風口成斜推的效果，符合輻流潔淨室的氣流組織規律。在工作台和頂棚附近氣流的方向受到影響，但影響區域不大，並不影響整體(ti) 氣流組織特性。最大速度出現在送風口附近，中間的速度較小，房間下部（靠近回風口區域）速度增大。

圖 4 和圖 5 為(wei) Z=0.8m 和 Z=1.3m 潔淨室工作區域水平麵的氣流速度場，與(yu) Y=1.3m 立麵圖的氣流組織特性相似，在兩(liang) 個(ge) 工作麵上，氣流呈送風口向回風口的方向流動，在經過工作台表麵時，氣流發生擾動，但隨後工作台汙染氣流能隨著送風氣流的方向流動，房間兩(liang) 側(ce) 的氣流速度明顯大於(yu) 中部速度。對比 Z=1.3m 和 Z=0.8m 兩(liang) 個(ge) 平麵的速度場，Z=1.3m 平麵速度值高於(yu) Z=0.8m 的速度值，速度平均值分別為(wei) 0.03 m/s 和 0.085 m/s，且在工作台位置氣流受到擾動的區域更小一些，其原因在於(yu) 工作台的高度為(wei) 1m，其下方 Z=0.8m 受到的影響明顯大於(yu) 其上方的 Z=1.3m 平麵。

2.1.2 汙染物濃度場

圖 6 至圖 8，在 Y=1.4m 的潔淨室立麵和 Z=1.3m和 Z=0.8m 兩(liang) 個(ge) 水平麵上，汙染物濃度場分布規律是相似的，汙染物隨著氣流呈現正向扇形擴散，不會(hui) 產(chan) 生氣流的逆向擴散，表明輻流能夠較好地將汙染物從(cong) 回風口排出。在 Z=1.3m 平麵上，汙染物濃度在 0.0002PPMV 9 .~0.0006PPMV 的較低範圍，平均值為(wei) 0.0004PPMV，Z=0.8m 平麵上的汙染物平均濃度比 Z=1.3m 平麵增加了 25%，為(wei) 0.0005PPMV。說明汙染物濃度場與(yu) 速度場的氣流分布規律相關(guan) ，在速度值越大、氣流流型受到擾動小的區域，潔淨度越高。

2.2 亂(luan) 流潔淨室模擬結果

2.2.1 速度場

從(cong) 圖 9，Y=1.4m 潔淨室立麵速度場可以看出，亂(luan) 流潔淨室的氣流流動方向呈現出嚴(yan) 重的不一致性，在送風口的下方向下流動，並對其兩(liang) 側(ce) 的氣流起到誘導作用，在工作台和人員的上方，由於(yu) 受到熱輻射和誘導的雙重作用，產(chan) 生與(yu) 送風氣流相逆的流向，向上運動，並形成渦流區。在送、回風口的區域的氣流速度值最高。對比圖 10 和圖 11，Z=0.8m 和 Z=1.3m 水平平麵的速度場矢量圖可以看出，在水平平麵上，氣流的基本流向是向回風口流動，不存在反向流動的氣流。靠近回風口的區域風速較大，氣流能較好地從(cong) 回風口排出。所以在亂(luan) 流潔淨室的工程應用中，應盡量將工作區域布置在靠近回風口一側(ce) 。在 Z=1.3m平麵速度值大於(yu) Z=0.8m 平麵速度值。

2.2.2 汙染物濃度場

圖 12 為(wei) 潔淨室立麵汙染物濃度場雲(yun) 圖，汙染物在塵源位置濃度最高，然後向上、向回風口區域擴散，汙染物擴散的方向與(yu) 圖 10 的氣流運動方向一致。圖 13 和圖 14 為(wei) 不同高度水平麵的汙染物濃度場雲(yun) 圖，汙染物整體(ti) 是向著回風口的方向流動，與(yu) 氣流的流動方向一致。在靠近回風口區域的塵源汙染物擴散的範圍大於(yu) 上風區域的塵源。在高水平麵上的汙染物擴散範圍大於(yu) 低水平麵處，且汙染物平均濃度值偏高。

3 結果分析

對比 50 次/h 換氣次數的輻流潔淨室和 60 次/h換氣次數的亂(luan) 流潔淨室的速度場矢量圖和汙染物濃度場雲(yun) 圖，可以看出亂(luan) 流潔淨室的氣流流動方向在垂直麵上較為(wei) 混亂(luan) ，存在著較多的渦流區，汙染物的擴散範圍更大，主要是靠稀釋作用達到房間內(nei) 潔淨度的要求。輻流潔淨室比亂(luan) 流潔淨室氣流流動方向更具有同向性，指向回風口，汙染物隨著氣流的方向流動，尤其在工作區，汙染物濃度更低，有利於(yu) 生產(chan) 環境的結淨度要求。

為(wei) 了量化輻流和亂(luan) 流潔淨室的氣流組織和汙染物淨化效果，選取數據監測點，進行速度和汙染物濃度的對比分析。在渦流區內(nei) ，接近塵源的地方具有很高的含塵濃度，而潔淨度的要求主要應用在工作區。所以通過測點準確預測工作區域的平均含塵濃度，更有意義(yi) 。規範要求：潔淨度的采樣點個(ge) 數應為(wei) ：L=A0.5，采樣點應均勻分布於(yu) 潔淨區內(nei) ，並應位於(yu) 工作區的高度。根據上述要求以及潔淨室內(nei) 人員和設施的布置情況，本文在 Z=0.8m 和 Z=1.3m 兩(liang) 個(ge) 平麵各選取 6 個(ge) 監測點進行速度和汙染物濃度的分析。其中點 1-6 位於(yu) Z=0.8m 平麵，點 7-12 位於(yu) Z=1.3m 平麵。

3.1 速度值對比與(yu) 分析

從(cong) 圖 15 可以看出：無論是在 Z=0.8m 平麵還是Z=1.3m 平麵，輻流潔淨室測點的速度均勻性均優(you) 於(yu) 亂(luan) 流潔淨室。在 Z=0.8m 平麵上，輻流潔淨室的平均速度為(wei) 0.03 m/s 大於(yu) 亂(luan) 流潔淨室的平均速度值 0.02m/s，提高了 33%。在 Z=1.3m 平麵上，兩(liang) 者的平均速度值相同。

3.2 汙染物濃度場對比

從(cong) 圖 16 可以看出：除了 10 點外，輻流潔淨室在各測點的濃度均低於(yu) 亂(luan) 流潔淨室。在 Z=0.8m 平麵上，輻流潔淨室的平均濃度為(wei) 0.0005PPMV，亂(luan) 流潔淨室為(wei) 0.0006 PPMV，降低了 20%；在 Z=1.3m 平麵上，輻流潔淨室的平均濃度為(wei) 0.0004PPMV，亂(luan) 流潔淨室為(wei) 0.0005PPMV，降低了 25%；兩(liang) 個(ge) 斷麵的總平均濃度分別為(wei) 0.0005 PPMV 和 0.0006 PPMV，總體(ti) 降低了 20%。可見即使在小於(yu) 10 次/h 的換氣次數下，輻流潔淨室比亂(luan) 流潔淨室在工作區表現出更好的氣流組織特性和潔淨度。按照風機的輸送能耗與(yu) 風量成正比估算，則輸送能耗降低了 20%。

4 結論

（1）本文通過數值模擬的方法，對比研究了 50次/h 換氣次數的輻流潔淨室和 60 次/h 換氣次數的亂(luan) 流潔淨室氣流組織和汙染物濃度分布特性。通過對比速度場矢量圖和汙染物濃度場雲(yun) 圖，亂(luan) 流潔淨室的氣流流動方向在垂直麵上較為(wei) 混亂(luan) ，存在著較多的渦流區，汙染物的擴散範圍更大。而輻流潔淨室氣流流動方向更具有同向性，指向回風口，汙染物隨著氣流的方向流動，尤其在工作區，汙染物濃度更低，有利於(yu) 生產(chan) 環境的結淨度要求。

（2）通過選取距離地麵 0.8m 和 1.3m 不同高度上的數據監測點的汙染物濃度量化分析表明，輻流潔淨室在監測點的總平均濃度為(wei) 0.0005 PPMV 低於(yu) 亂(luan) 流潔淨室的 0.0006 PPMV，總濃度降低了 20%。

（3）在小於(yu) 10 次/h 的換氣次數下，輻流潔淨室比亂(luan) 流潔淨室在工作區表現出更好的氣流組織特性和潔淨度。按照風機的輸送能耗與(yu) 風量成正比，則估算輸送能耗降低了 20%。