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    无尘室空气洁净的原理与解析

    来源:五度机电   点击:   日期:2017-06-30
    无尘室空气洁净的原理与解析
    洁净室气流组织
    1、洁净室分类
    洁净室分类
    合理的洁净室气流组织能使室内空气的流动符合设计要求,保证室内空气的温度、湿度、流速及洁净度等满足工艺、人员的舒适度要求。
    2、洁净室的气流组织原则
    (1)洁净室与一般空调气流组织方式比较
    空调形式
    气流组织
    通风量
    目的
    一般空调
    乱流度大
    较小
    形成均匀温、湿度场和速度场
    净化空调
    乱流度小
    较大
    控制洁净度在允许范围内
    1)要求送入洁净房间的洁净气流扩散速度快、气流分布均匀,以尽快稀释室内含有污染源所散发的污染物质的空气,维持生产环境所要求的洁净度;
    2)使散发到洁净室的污染物质能迅速排出室外,尽量避免或减少气流涡流和死角,缩短污染物质在室内的滞留时间,降低污染物质与产品的接触机率;
    3)满足洁净室内温度、湿度等空调送风要求和人的舒适要求。
    单向流洁净室简介:
    (1)定义:气流以均匀的截面速度,沿着平行流线以单一方向在全室截面上通过的洁净室。
    (2)特点:在洁净室内,从送风口到回风口,气流流经途中的断面基本上没有什么变化。全室断面上的流速比较均匀,在工作区内流线单向平行,没有涡流。
    单向流洁净室原理图
    (2)保证单向流洁净室特性的重要先决条件:高洁净度和快速自净恢复能力。
    先决条件:有两个,1)来流的洁净度;2)来流的活塞流情况。
    (3)实现“活塞流”的重要措施:——在顶棚或墙面满布高效过滤器;
    由于过滤器和顶棚有边框,不可能百分之百地满布过滤器;
    过滤器的满布情况——用“满布比”表示。
    (4)满布比
    1)定义式:满布比=高效过滤器净截面积/洁净室布置过滤器截面面积
    2)规定:单向流洁净室的满布比一般情况下应达到80%;
    《洁净厂房设计规范》(GB50073-2013)规定:垂直单向流洁净室满布比不应小于60%,水平单向流洁净室不应小于40%,否则就是局部单向流。
    3)说明:
    ①理想满布比为100%时(连边框都没有),过滤器后房间内含尘浓度只决定于过滤器送风浓度。
    ②实际情况满布为一个比例时,此时就有涡流区,满布比不同的单向流洁净室,其含尘浓度是不同的。人员密度不同的单向流洁净室含尘浓度也不同,所以要适当控制单向流洁净室的人员数量。
    ③高效过滤器布置在静压箱之外,静压箱的送风面为阻漏层时,可以将阻漏层视为高效过滤器末端的延伸,阻漏层上通气面积可以等同于过滤器面积看待。
    满布比的表达式
    单向流洁净室性能的特性指标(三个):
    (1)流线平行度
    1)流线平行的作用:是保证尘源散发的尘粒不作垂直于流向的传播。
    2)洁净区工作范围:洁净度级别是用工作区内的含尘浓度表示的,洁净区工作范围的规定如图所示。
    洁净区工作范围的规定
    3)说明:若尘源散发尘粒的传播范围在允许范围内,则允许流线略有倾斜。但其倾斜角度应保证所散发的尘粒不超过工作人员的工作范围进入到相邻工作人员的工作范围,而对相邻区域环境造成影响。
    渐变流流向的倾角
    4)结论:①单向流洁净室要求流线之间既要平行,在0.5m距离内,线间夹角最大不能过25°;②要求流线尽可能垂直于送风面其倾斜角不能小于65°。
    流线的交角
    (2)乱流度(速度不均匀度)
    1)定义:速度场的集中或离散程度
    2)定义式:乱流度
    Bμ——乱流度;
    ui——各测点的速度;
    n——测点数;
    ū——平均速度。
     
    3)应用及物理意义:用于不同速度场的比较——乱流度越大,说明速度场越不均匀,速度的脉动性越大,流线间质点的掺混越严重。
    4)取值:单向流——不宜>0.2;
    实际中,<0.3即可(对应自净时间为1min,很短)。
    (3)下限风速
    1)定义:是指保证洁净室能控制以下四种污染的最小风速
    当污染气流多方位散布时,送风气流要能有效控制污染的范围;不仅要控制上升高度,还要控制横向扩散距离。
    当污染气流与送风气流同向时,送风气流能有效地控制污染气流到达下游的扩散范围。
    当污染气流与送风气流逆向时,送风气流应能将污染气流抑制在必要的距离之内;
    在全室被污染的情况下,要能以合适的时间迅速使室内空气自净。
    洁净室
    下限风速(m/s)
    条件
    垂直单
    向流  
    0.12
    平时无人或很少有人进出,无明显热源。
    0.3
    无明显热源。
    ≯0.5
    有人,有明显热源。如0.5仍不行,则宜控制热源尺寸和加以隔热。  
    水平单
    向流  
    0.3
    平时无人或很少有人进出。
    0.35
    一般情况
    ≯0.5
    要求高或人员进出频繁的情况
    ISO14644-1标准对单向流洁净室建议的平均风速:ISO5级(100级)0.2~0.5m/s;高于ISO5级0.3~0.5m/s。
    3)说明:下限风速是洁净室应经常保持的最低风速,过滤器阻力升高,风速将下降。因此设计时要考虑这个因素确定初始风速或风量、风速可调节。
    3、单向流洁净室气流组织的主要形式
    根据洁净室内气流的流动方向,分为两大类:1、垂直单向流气流组织;2、水平单向流气流组织。
    垂直单向流洁净室气流组织:9种
    (1)垂直单向流满布过滤器,格栅回风
    (2)垂直单向流满布孔板,格栅回风;
    (3)垂直单向流满布阻尼层,格栅回风
    (4)垂直单向流两侧下回风,过滤器送风
    (5)垂直单向流两侧下回风,孔板送风
    (6)垂直单向流两侧下回风,阻尼层送风
    (7)垂直单向流,周边压出式回风,满布过滤器送风;
    (8)无气幕局部垂直单向流;
    (9)有围挡壁的局部垂直单向流。
    垂直单向流满布过滤器,格栅回风;
    垂直单向流满布过滤器﹢格栅回风
    (1)可以获得均匀向下的单向平行气流,自净能力强,能够达到最高的洁净度级别;
    (2)工艺设备可以任意布置,可简化人净设备;
    (3)顶棚结构复杂、造价和维护费用高。
    垂直单向流满布孔板,格栅回风;
    垂直单向流满布过滤器﹢格栅回风
    ①为了降低洁净室的造价,同时使气流均匀和顶棚美观,可以将高效过滤器布置在两侧,顶棚满布孔板,起到使气流均匀的作用。
    ②但是侧布高效过滤器不容易满足风量的要求,因此这种方式可以应用于洁净面积较小,风量不大的洁净室。
    垂直单向流满布阻尼层,格栅回风,高效过滤器侧布;
    垂直单向流满布过滤器﹢格栅回风
    ①侧布高效过滤器面积不容易满足风量的要求,特别是不容易满足大于80%额定风量的要求
    ②阻尼层的作用是要保证其下方为均匀的平行单向流,因此孔板的开孔率应在60%以上。
    垂直单向流两侧下回风+过滤器送风
    垂直单向流双侧下回风﹢过滤器回风
    ①垂直单向流洁净室造价高另一个重要原因是使用了格栅地板,一般采用铸铝、塑料、钢材等,材料价格比较高;且会产生视觉不舒适感(行走和放置物件,有不稳感)。
    ②全顶棚送风两侧下回风洁净室是对地板回风方式的改进。国外有人称其为“准单向流洁净室”。
    垂直单向流两侧下回风+孔板送风
    垂直单向流满布过滤器﹢孔板送风
    与典型的垂直单向流相比较,从顶棚和地面两个方面降低了洁净室的造价。
    垂直单向流两侧下回风+阻尼层送风
    垂直单向流满布过滤器﹢阻尼层送风
    这是为了降低洁净室的造价,采取的另一种对满布高效过滤器送风,地板回风方式的改进方法。
    垂直单向流+周边压出式回风+满布过滤器送风
    垂直单向流﹢周边回风﹢过滤器回风
    ①最简易的垂直单向流洁净室;
    ②气流平行性不如两侧下回风式;
    ③压出的气流有利于所在环境洁净度的提高。
    无气幕局部垂直单向流
    无气幕局部垂直单向流
    ①只在需要平行流的地区形成局部单向流;
    ②投资大为减少。
    有围挡的局部垂直单向流
    有围挡的局部垂直单向流
    可延伸垂直单向流的有效长度,等于加宽了进风口或缩短了送风口至工作区的距离。
     
    4、水平单向流洁净室(据送回风口的相互关系和气流方向):
    (1)水平单向流直回式
    (2)水平单向流隧道式:①全侧墙回风式;②全地面回风式;③侧墙和地板组合回风式。
    (3)水平单向流一侧回式
    (4)水平单向流双侧回式
    (5)水平单向流上回风式
    (6)水平单向流对送式
     
     
    水平单向流直回式
    :送风墙满布高效过滤器水平送风,全墙面回风;回风墙一般安装中效过滤器。
    水平单向流直回式
    特点:①沿气流方向洁净度不同,流线可能略下倾。只在第一工作区达到最高洁净度,沿空气流动方向,含尘浓度逐渐增高。②表面沉降微粒少;③造价低于垂直单向流。
    适用场合:适合工艺过程有多种洁净度要求的场所,如手术室等。
     
    对制药用或细菌培养用等特殊用途的洁净室,为避免室内操作过程发生的特殊微粒污染管道系统,或为了收集这种微粒进行集中处理,则在全循环情况下,送风墙上布置中效过滤器,回风墙上布置高效过滤器。
    水平单向流隧道式
    水平单向流隧道式
    ①在布置高效过滤器的送风墙的对面没有回风墙,是向外敞开的;
    ②没有管路循环空气,而将内部空气向周围环境排出;
    ③不能用把压力提高到比周围环境高的方法防止和排除污染,而是靠空气的速度防止污染的侵入;
    ④内部的温湿度宜与环境温湿度相同。
    水平单向流隧道式:全侧
    墙回风式
    全侧墙回风式
    该气流组织形式的室内回风穿过工作台进行循环,对工作台台面会造成污染,并且可能会对界面处产生诱导气流,降低洁净工作台的洁净等级。
    水平单向流隧道式:全地板回风式气流组织
    全地板回风式气流组织
    该气流组织形式的洁净工作台位于洁净室内,洁净室的回风全部由地面排出。
    由于隧道回风参与全室回风,容易导致回风速度不均匀引起的气流偏转现象,不容易维持洁净度级别。
    水平单向流隧道式:侧墙+地板回风式气流组织
    侧墙+地板回风式气流组织
    可以避免回风穿过工作台和室内回风与工作台共用回风道所带来的弊端。
    利用设在操作面正下方的条状回风口,使洁净隧道回风可以自成循环,操作面前方回风气流较强,有利于排除污染。
    回风方式对比
     
    非单向流气流组织及其主要形式
    非单向流洁净室:指气流以不均匀的速度呈不平行流动,伴有回流或涡流的洁净室,以前称为“乱流洁净室”,美国FS-209C开始称为“非单向流洁净室”,之后,这一称谓被国际社会普遍采用。
    非单向流洁净室靠送风气流不断稀释室内空气,把室内污染逐渐排出,达到平衡。
    工作原理:利用干净气流的混合稀释作用,把室内含尘浓度很高的空气稀释,使室内污染源所产生的污染物质均匀扩散并及时排出室外,降低室内空气的含尘浓度,使室内的洁净度达到要求
    为保证稀释作用达到很好的效果,最重要的是:气流扩散得越快越好。
    非单向流洁净室的基本原理
    非单向流气流组织示意图
    非单向流洁净室的特性指标
    (1)换气次数
    非单向流洁净室的换气次数的取值
    空气洁净度等级
    换气次数(次/h)
    备注
    ISO6级(千级)
    50~60
    适用于层高小于4.0米的洁净室对于室内人员少和热源少的及宜采用下限值
    ISO7级(万级)
    15~25
    ISO8~9级(10万~100万)
    10~15
    (2)气流组织
    要求:气流组织的作用是保证能均匀的送风和回风,充分发挥洁净气流的稀释作用。因此要求单个风口有足够的扩散作用;整个洁净室内风口布置均匀,数量尽可能多,要尽量减少涡流和气流回旋。
    非单向流只能达到ISO6级以下的洁净室;ISO5级(100级)或更高洁净度的洁净室,需要采用单向流洁净室。
    (3)自净时间:
    定义:室内从某污染状态降低到某洁净状态所需要的时间。
    意义:反映了洁净室从污染状态恢复到正常状态的能力,因此自净时间越短越好。非单向流洁净室自净时间一般不超过30分钟。
    计算式:洁净室自净时间计算式
    T——非单向流洁净室自净时间(min);
    N0——洁净室原始含尘浓度,即t=0时的含尘浓度(pc/L);
    N——洁净室稳态时的含尘浓度(pc/L);
    n——换气次数(次/h)
     
    散流器顶送
    散流器顶送
    形式简单,适宜于小面积的洁净室。
    带扩散风口过滤器顶送
    带扩散风口过滤器顶送
    增大了过滤器顶送的洁净气流作用范围,比过滤器顶送多一个出口积尘的机会,长期不运行后再运行时要先擦净扩散风口。
    风口侧送
    风口侧送
    这种气流组织形式比过滤器顶送简单,特别适用于无顶棚空间的房间。
    可利用走廊,风管设于走廊顶棚中。
    适合有一般空调要求的洁净室。
    风口斜送
    风口斜送
    用于房间长度不够侧送或不允许回流的场合(如手术室)。
    送风方式对比
    辐流洁净室气流组织的基本原理
    辐流洁净室气流组织的基本原理:辐流洁净室(或矢流洁净室),它应属于非单向流,但其流线近似向一个方向流动,性能比较接近于单向流的效果,而又远比单向流在构造上简单,费用低。其流线:不单向,不平行,不交叉,不同于单向流和非单向流,靠斜推作用推出尘粒,保证一定的洁净度。
    据高效过滤器形成的形状不同,主要形式(3种):扇形;半球形;半圆形。
    辐流洁净室气流组织的基本原理
    1)空态时流线不交叉,流线间横向扩散比较弱,在下风向上角有非常弱的反向气流,污染在室内的滞留时间短于非单向流洁净室的自净时间。
    2)静态时,在障碍物的下风侧或两侧出现涡流区,因此在辐流洁净室中应尽可能避免在流线方向上的障碍。
    3)设置扇形送风口时,回风口对流场和浓度场的影响均很小;设置半圆柱形送风口时,低回风口对控制污染有利,一般回风口高度宜取0.3m。
    4)辐流洁净室的气流分布不如单向流洁净室的气流分布均匀,风口和过滤器均比常规风口和过滤器复杂一些,并且在非空态时容易产生涡流区。
    辐流洁净室的设计参数:
    1)半圆柱形送风口:房间高度/房间长度=025~0.5
    室宽宜在6~12m之间;
    半圆柱形送风口的圆柱半径≈0.5m;
    回风口高度≈0.3m;
    半圆柱形送风口的送风速度=0.45~0.6m/s。
    2)扇形送风口
    扇形送风口的送风速度=0.45~0.55m/s;

    《洁净厂房设计规范》规定:建议
    1-4级应垂直单向流,5级应垂直单向流或水平单向流,6-9级宜非单向流。
    医药工业洁净厂房气流组织与送风量
    洁净室压差控制
    1、洁净室的压差:指洁净室与周围空间(厂房外环境、洁净度不同的洁净室、一般房间)所必须维持的静压差。
    2、洁净室压差控制的目的:是为了保证洁净室在正常工作或空气平衡暂时受到破坏时,洁净室的洁净度免受邻室的污染或污染邻室。
    3、压差控制的正压与负压选择
    (1)洁净室与邻室维持正的静压差(简称正压)是较为常见的情况。工业洁净室和一般生物洁净室都是采用维持正压。
    (2)使用有毒、有害气体或使用易燃易爆溶剂或有高粉尘操作的洁净室、生产致敏性药物、高活性药物的生物洁净室以及其他有特殊要求的生物洁净室需要维持负的静压差(简称负压)。
    《洁净厂房设计规范》(GB50073-2013)规定:
    ——洁净室与周围的空间必须维持一定的压差,并应按生产工艺要求决定维持正压差或负压差。不同等级的洁净室以及洁净区与非洁净区之间的压差应不小于5Pa,洁净区与室外的压差应不小于10Pa。
    建议采用的静压差
    目的
    非单向流洁净室与任何相通的相差一级的邻室/Pa
    非单向流洁净室与任何相通的相差一以上级的邻室/Pa
    单向流洁净室与任何相通的邻室/Pa
    洁净室与室外(或与室外相通的房间)/Pa
    一般(防止缝隙渗漏)
    5
    5~10
    5~10
    15
    严格(防止开门进入的污染)
    5
    40或
    对缓冲室5
    10或
    对缓冲室5
    对缓冲室10
    无菌洁净室
    5
    对缓冲室5
    对缓冲室5
    对缓冲室10
    维持静压差风量计算:
    计算方法:两种——缝隙法和换气次数法
    1、缝隙法——更合理和精确的计算方法
    (1)缝隙法维持静压风量计算公式:

    式中:
    LC——维持洁净室压差值所需的压差风量(m3/h);
    μP——流量系数,通常取0.2~0.5;
    Ap——缝隙面积(m2)
    ΔP——静压差(Pa);
    Ρ——空气的密度(kg/m3).
    (2)经验公式:LC=aΣ(q·l)
    LC——维持洁净室压差值所需的压差风量(m3/h);
    a——根据围护结构气密性确定的安全系数,一般可取1.1~1.2;
    q—当洁净室为某一压差值时,其围护结构单位长度缝隙的渗漏风量(m3/(h·m)),由表4-5查取;
    l——洁净室围护结构的缝隙长度(m).

    2、换气次数法——用于估算,较多被采用
    (1)换气次数法维持静压风量计算公式:Lc=nV
    式中:
    LC—维持洁净室压差值所需的压差风量(m3/h);
    n—房间的换气次数(次/ h),由下表查取;
    V—房间体积(m3)
    室内压差值/Pa
    有外窗、气密性较差的洁净室
    有外窗、气密性较好的洁净室
    无外窗、土建式洁净室
    5
    0.9
    0.7
    0.6
    10
    1.5
    1.2
    1.0
    15
    2.2
    1.8
    1.5
    20
    3.0
    2.5
    2.1
    25
    3.6
    3.0
    2.5
    30
    4.0
    3.3
    2.7
    35
    4.5
    3.8
    3.0
    40
    5.0
    4.2
    3.2
    45
    5.7
    4.7
    3.4
    50
    6.5
    5.3
    3.6
    (2)换气次数的经验值
    洁净室压差值(Pa)
    相应压差对应的换气次数(次/h)
    备注
    5
    1~2
    气密性差的取上限,气密性好的取下限
    10
    2~4
     
    洁净室压差控制的基本原理
    是控制送风量、回风量和排风量。
    正压压差的控制措施:
    (1)回风口控制
    (2)余压阀控制
    (3)调节回风阀或排风阀
    (4)差压变送器控制
    (5)调节新风阀
     
    回风口控制
    方法:通过回风口上的百叶可调格栅或阻尼层改变其阻力来调整回风量,达到控制室内压力的目的。
    特点:结构比较简单、经济,格栅控制调节量方便。但格栅不易关死,且调节幅度不大,会对气流方向产生影响。
    余压阀控制
    方法:通过手动或自动调整余压阀上的平衡压块,改变余压阀的阀门开度,实现室内的压力控制
    特点:余压阀安装简单 ,但长期使用后关闭不严; 全关闭仍正压低于要求值时,余压阀对压差的控制将失效。
    调节回(排)风阀
    根据检测的室内压力值,通过调节回(排)风管上的电动阀开度,改变回(排)风量,而控制室内压力。
    差压变送器控制
     
    调节新风阀
     
     
    洁净室缓冲与隔离
    1、缓冲设施的设置场合
    压差控制是防止将污染带进或带出洁净室的重要措施。但当需要的压差值太大,不容易办到时,就要加设辅助设施(缓冲设施),以防止将室外污染物带入室内,或者减少室内污染物发生量。
    2、常见的缓冲设施(四种)
    (1)气闸室;
    (2)缓冲室;
    (3)空气吹淋室;
    (4)传递窗。
    2、常见的缓冲设施
    (1)气闸室
    概念:设置在洁净室入口,用以隔离室外或邻室污染气流并进行压差控制的小室。
    特点:门联锁但不能同时开启;
    对不送洁净风的气闸室,只能起缓冲作用,但不能有效防止外界污染物入侵;
    设置场合:设置在当两侧需要的压差太大而又难以达到的场合。
    (2)缓冲室
    概念:设于洁净室入口,门连锁但不能同时开启的洁净小室。
    作用:一方面可以防止污染物进入洁净室;另一方面具有补偿压差作用。
    特点:相对于洁净室为负压,相对室外环境是正压;
    属于准洁净区域,需进行适量的洁净送风。
    (3)空气吹淋室
    概念:是进行人身净化和防止污染空气进入洁净区的装置。
    工作原理:利用喷嘴喷出的高速气流使衣服抖动起来,从而把衣服表面沾的尘粒吹掉。
    设置场合:通常设置在洁净室人员的入口处。
    分类:小室式和通道式。
    吹淋室,风淋室
    (4)传递窗
    概念:是洁净室内外与洁净室之间传递物件的开口装置,设有两扇不能同时开启的门,它可以暂时隔断洁净室内外气流,防止污染物发生传播
    设置场合:通常设置在不同级别的洁净区,以及洁净区和非洁净区之间的隔墙上。
    分类:四种(机械式,气闸室,灭菌式和封闭可取式)。
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