洁净室净化车间的气流组织与节能特性

洁净空调系统为了满足室内洁净度要求，送风量大，造成系统的输配能耗高，尤其是对于净化级别高的系统，这种情况越发严重。开发一种既能满足净化要求，同时又能降低系统运行能耗的洁净空调系统是业界一直研究的热点问题。对辐流洁净室气流组织和污染物分布进行了数值模拟，并在动态条件下对辐流洁净室进行了实验研究，揭示了矢流洁净室内气流的流动特性和污染物的分布规律；魏学孟依据对矢流洁净室的理论分析、实验研究及数据值模拟结果，总结出矢流洁净室的最佳设计参数；李岩对辐流洁净室应用于洁净病房的气流组织进行研究，用 Airpak 商业软件包对辐流洁净病房在空态和静态下进行流场分布模拟，并通过实验测试了动态条件下的污染物浓度场；常茹等采用数值模拟和模型实验相结合的方法对辐流洁净病房内的气流流型进行了研究；周玉岩等对辐流洁净室风速测试与气流形态进行分析，并对辐流洁净室全区域风速变化情况进行测试，探讨其在空态下风速检测的具体方法；石家庄奥祥医药工程有限公司的科研团队将辐流洁净室应用于公司的生产车间。综合以上的研究成果，辐流洁净室的研究取得了一定的进展。尤其是对辐流洁净室空态下的气流组织特征，设计参数，涡流的位置，浓度场分布模型有了深入的研究，给辐流洁净室带来了很好的研究基础。本文针对辐流洁净室在电子工业厂房动态条件下的气流组织和节能特性进行了数值模拟。

1 数值模拟

1.1 物理模型

本文采用 Airpak 数值模拟软件分别对辐流洁净室和乱流洁净室的气流组织和污染物浓度场进行模拟，根据实验条件，模拟对象为电子工业厂房，洁净厂房的洁净度要求 ISO 6 级。按照与实际大空间厂房长度、宽度、高度 3:2:1 的比例，将厂房洁净生产车间模型设置为 7.05m×4.33m×2.6m（长×宽×高）。人数及操作台设置：根据生产车间模型的面积，设计工作人数为 4 人。综上所述，本文根据 ISO 6 级洁净室设计要求，设置辐流洁净室动态模拟条件：

（1）送回风设置

送风口模型采用风口动量模型，在房间顶棚布置 4 个高效过滤器，外布扇形扩散孔板，4 个回风口布置在对面侧墙下部，与送风口呈对角线布置。房间顶棚安装日光灯 6 组。

（2）室内设施及人员布置

操作台 1 台（5m×1m×0.75m）垂直辐流送风口布置，工作台布置 4 个操作工人，平均分布在工作台两侧。

（3）尘源设置

空气洁净度级别的含尘浓度是在工作人员进行正常操作时测得的数据，所以代表洁净度级别的空气含尘浓度应是工作状态即动态下的数据。由于洁净厂房室内发尘主要由人员产生，设备产尘根据不同的生产工艺会有较大的区别，故本次模拟采用简化尘源的方式，即只设置人体产尘。根据烟气含尘浓度的简化计算法，烟气的含尘浓度估算范围为14.7 g/m³ ~ 61.3 g/m³，本文取 50g/m³。

对于乱流洁净室，在顶棚均匀布置 6 个高效过滤器送风口。其余均与辐流洁净室相同。辐流洁净室与乱流洁净室模型图如图 1 和图 2 所示。

1.2 数学模型

本文采用标准 K-ε 两方程模型，湍流模型简化

和假设如下：

（1）室内气流为不可压缩常物性牛顿流体，稳态流动，且满足 Bussinesp 近似（密度变化不是很大的变密度流动）。

（2）考虑辐射换热，忽略质量力的作用。

（3）为减少模型网格的数目，节省运行时间，可将工艺设备简化为具有相同散热量的小方块。

2 模拟结果及数值分析

ISO6 级洁净室为了满足洁净度要求，设计换气次数为 50 次/h~60 次/h，本文对辐流洁净室和乱流洁净室分别采用 50 次/h 和 60 次/h 换气次数进行了数值模拟，并选取了 Y=1.4 m（洁净室立面）和Z=0.8m、Z=1.3 m（水平面）速度场和污染物浓度场进行对比分析。

2.1 辐流洁净室模拟结果

2.1.1 速度场

从图3对Y=1.4m洁净室立面速度场矢量图可以看出，整个断面的气流流型从送风口到回风口成斜推的效果，符合辐流洁净室的气流组织规律。在工作台和顶棚附近气流的方向受到影响，但影响区域不大，并不影响整体气流组织特性。最大速度出现在送风口附近，中间的速度较小，房间下部（靠近回风口区域）速度增大。

图 4 和图 5 为 Z=0.8m 和 Z=1.3m 洁净室工作区域水平面的气流速度场，与 Y=1.3m 立面图的气流组织特性相似，在两个工作面上，气流呈送风口向回风口的方向流动，在经过工作台表面时，气流发生扰动，但随后工作台污染气流能随着送风气流的方向流动，房间两侧的气流速度明显大于中部速度。对比 Z=1.3m 和 Z=0.8m 两个平面的速度场，Z=1.3m 平面速度值高于 Z=0.8m 的速度值，速度平均值分别为 0.03 m/s 和 0.085 m/s，且在工作台位置气流受到扰动的区域更小一些，其原因在于工作台的高度为 1m，其下方 Z=0.8m 受到的影响明显大于其上方的 Z=1.3m 平面。

2.1.2 污染物浓度场

图 6 至图 8，在 Y=1.4m 的洁净室立面和 Z=1.3m和 Z=0.8m 两个水平面上，污染物浓度场分布规律是相似的，污染物随着气流呈现正向扇形扩散，不会产生气流的逆向扩散，表明辐流能够较好地将污染物从回风口排出。在 Z=1.3m 平面上，污染物浓度在 0.0002PPMV 9 .~0.0006PPMV 的较低范围，平均值为 0.0004PPMV，Z=0.8m 平面上的污染物平均浓度比 Z=1.3m 平面增加了 25%，为 0.0005PPMV。说明污染物浓度场与速度场的气流分布规律相关，在速度值越大、气流流型受到扰动小的区域，洁净度越高。

2.2 乱流洁净室模拟结果

2.2.1 速度场

从图 9，Y=1.4m 洁净室立面速度场可以看出，乱流洁净室的气流流动方向呈现出严重的不一致性，在送风口的下方向下流动，并对其两侧的气流起到诱导作用，在工作台和人员的上方，由于受到热辐射和诱导的双重作用，产生与送风气流相逆的流向，向上运动，并形成涡流区。在送、回风口的区域的气流速度值最高。对比图 10 和图 11，Z=0.8m 和 Z=1.3m 水平平面的速度场矢量图可以看出，在水平平面上，气流的基本流向是向回风口流动，不存在反向流动的气流。靠近回风口的区域风速较大，气流能较好地从回风口排出。所以在乱流洁净室的工程应用中，应尽量将工作区域布置在靠近回风口一侧。在 Z=1.3m平面速度值大于 Z=0.8m 平面速度值。

2.2.2 污染物浓度场

图 12 为洁净室立面污染物浓度场云图，污染物在尘源位置浓度最高，然后向上、向回风口区域扩散，污染物扩散的方向与图 10 的气流运动方向一致。图 13 和图 14 为不同高度水平面的污染物浓度场云图，污染物整体是向着回风口的方向流动，与气流的流动方向一致。在靠近回风口区域的尘源污染物扩散的范围大于上风区域的尘源。在高水平面上的污染物扩散范围大于低水平面处，且污染物平均浓度值偏高。

3 结果分析

对比 50 次/h 换气次数的辐流洁净室和 60 次/h换气次数的乱流洁净室的速度场矢量图和污染物浓度场云图，可以看出乱流洁净室的气流流动方向在垂直面上较为混乱，存在着较多的涡流区，污染物的扩散范围更大，主要是靠稀释作用达到房间内洁净度的要求。辐流洁净室比乱流洁净室气流流动方向更具有同向性，指向回风口，污染物随着气流的方向流动，尤其在工作区，污染物浓度更低，有利于生产环境的结净度要求。

为了量化辐流和乱流洁净室的气流组织和污染物净化效果，选取数据监测点，进行速度和污染物浓度的对比分析。在涡流区内，接近尘源的地方具有很高的含尘浓度，而洁净度的要求主要应用在工作区。所以通过测点准确预测工作区域的平均含尘浓度，更有意义。规范要求：洁净度的采样点个数应为：L=A0.5，采样点应均匀分布于洁净区内，并应位于工作区的高度。根据上述要求以及洁净室内人员和设施的布置情况，本文在 Z=0.8m 和 Z=1.3m 两个平面各选取 6 个监测点进行速度和污染物浓度的分析。其中点 1-6 位于 Z=0.8m 平面，点 7-12 位于Z=1.3m 平面。

3.1 速度值对比与分析

从图 15 可以看出：无论是在 Z=0.8m 平面还是Z=1.3m 平面，辐流洁净室测点的速度均匀性均优于乱流洁净室。在 Z=0.8m 平面上，辐流洁净室的平均速度为 0.03 m/s 大于乱流洁净室的平均速度值 0.02m/s，提高了 33%。在 Z=1.3m 平面上，两者的平均速度值相同。

3.2 污染物浓度场对比

从图 16 可以看出：除了 10 点外，辐流洁净室在各测点的浓度均低于乱流洁净室。在 Z=0.8m 平面上，辐流洁净室的平均浓度为0.0005PPMV，乱流洁净室为 0.0006 PPMV，降低了 20%；在 Z=1.3m 平面上，辐流洁净室的平均浓度为 0.0004PPMV，乱流洁净室为 0.0005PPMV，降低了 25%；两个断面的总平均浓度分别为 0.0005 PPMV 和 0.0006 PPMV，总体降低了 20%。可见即使在小于 10 次/h 的换气次数下，辐流洁净室比乱流洁净室在工作区表现出更好的气流组织特性和洁净度。按照风机的输送能耗与风量成正比估算，则输送能耗降低了 20%。

4 结论

（1）本文通过数值模拟的方法，对比研究了 50次/h 换气次数的辐流洁净室和 60 次/h 换气次数的乱流洁净室气流组织和污染物浓度分布特性。通过对比速度场矢量图和污染物浓度场云图，乱流洁净室的气流流动方向在垂直面上较为混乱，存在着较多的涡流区，污染物的扩散范围更大。而辐流洁净室气流流动方向更具有同向性，指向回风口，污染物随着气流的方向流动，尤其在工作区，污染物浓度更低，有利于生产环境的结净度要求。

（2）通过选取距离地面 0.8m 和 1.3m 不同高度上的数据监测点的污染物浓度量化分析表明，辐流洁净室在监测点的总平均浓度为 0.0005 PPMV 低于乱流洁净室的 0.0006 PPMV，总浓度降低了 20%。

（3）在小于 10 次/h 的换气次数下，辐流洁净室比乱流洁净室在工作区表现出更好的气流组织特性和洁净度。按照风机的输送能耗与风量成正比，则估算输送能耗降低了 20%。