潔凈室凈化車間的氣流組織與節(jié)能特性

潔凈空調(diào)系統(tǒng)為了滿足室內(nèi)潔凈度要求，送風(fēng)量大，造成系統(tǒng)的輸配能耗高，尤其是對(duì)于凈化級(jí)別高的系統(tǒng)，這種情況越發(fā)嚴(yán)重。開發(fā)一種既能滿足凈化要求，同時(shí)又能降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗的潔凈空調(diào)系統(tǒng)是業(yè)界一直研究的熱點(diǎn)問題。對(duì)輻流潔凈室氣流組織和污染物分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)輻流潔凈室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，揭示了矢流潔凈室內(nèi)氣流的流動(dòng)特性和污染物的分布規(guī)律；魏學(xué)孟依據(jù)對(duì)矢流潔凈室的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)值模擬結(jié)果，總結(jié)出矢流潔凈室的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)；李巖對(duì)輻流潔凈室應(yīng)用于潔凈病房的氣流組織進(jìn)行研究，用 Airpak 商業(yè)軟件包對(duì)輻流潔凈病房在空態(tài)和靜態(tài)下進(jìn)行流場(chǎng)分布模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了動(dòng)態(tài)條件下的污染物濃度場(chǎng)；常茹等采用數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)輻流潔凈病房?jī)?nèi)的氣流流型進(jìn)行了研究；周玉巖等對(duì)輻流潔凈室風(fēng)速測(cè)試與氣流形態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)輻流潔凈室全區(qū)域風(fēng)速變化情況進(jìn)行測(cè)試，探討其在空態(tài)下風(fēng)速檢測(cè)的具體方法；石家莊奧祥醫(yī)藥工程有限公司的科研團(tuán)隊(duì)將輻流潔凈室應(yīng)用于公司的生產(chǎn)車間。綜合以上的研究成果，輻流潔凈室的研究取得了一定的進(jìn)展。尤其是對(duì)輻流潔凈室空態(tài)下的氣流組織特征，設(shè)計(jì)參數(shù)，渦流的位置，濃度場(chǎng)分布模型有了深入的研究，給輻流潔凈室?guī)?lái)了很好的研究基礎(chǔ)。本文針對(duì)輻流潔凈室在電子工業(yè)廠房動(dòng)態(tài)條件下的氣流組織和節(jié)能特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文采用 Airpak 數(shù)值模擬軟件分別對(duì)輻流潔凈室和亂流潔凈室的氣流組織和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，模擬對(duì)象為電子工業(yè)廠房，潔凈廠房的潔凈度要求 ISO 6 級(jí)。按照與實(shí)際大空間廠房長(zhǎng)度、寬度、高度 3:2:1 的比例，將廠房潔凈生產(chǎn)車間模型設(shè)置為 7.05m×4.33m×2.6m（長(zhǎng)×寬×高）。人數(shù)及操作臺(tái)設(shè)置：根據(jù)生產(chǎn)車間模型的面積，設(shè)計(jì)工作人數(shù)為 4 人。綜上所述，本文根據(jù) ISO 6 級(jí)潔凈室設(shè)計(jì)要求，設(shè)置輻流潔凈室動(dòng)態(tài)模擬條件：

（1）送回風(fēng)設(shè)置

送風(fēng)口模型采用風(fēng)口動(dòng)量模型，在房間頂棚布置 4 個(gè)高效過(guò)濾器，外布扇形擴(kuò)散孔板，4 個(gè)回風(fēng)口布置在對(duì)面?zhèn)葔ο虏?，與送風(fēng)口呈對(duì)角線布置。房間頂棚安裝日光燈 6 組。

（2）室內(nèi)設(shè)施及人員布置

操作臺(tái) 1 臺(tái)（5m×1m×0.75m）垂直輻流送風(fēng)口布置，工作臺(tái)布置 4 個(gè)操作工人，平均分布在工作臺(tái)兩側(cè)。

（3）塵源設(shè)置

空氣潔凈度級(jí)別的含塵濃度是在工作人員進(jìn)行正常操作時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，所以代表潔凈度級(jí)別的空氣含塵濃度應(yīng)是工作狀態(tài)即動(dòng)態(tài)下的數(shù)據(jù)。由于潔凈廠房室內(nèi)發(fā)塵主要由人員產(chǎn)生，設(shè)備產(chǎn)塵根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝會(huì)有較大的區(qū)別，故本次模擬采用簡(jiǎn)化塵源的方式，即只設(shè)置人體產(chǎn)塵。根據(jù)煙氣含塵濃度的簡(jiǎn)化計(jì)算法，煙氣的含塵濃度估算范圍為14.7 g/m³ ~ 61.3 g/m³，本文取 50g/m³。

對(duì)于亂流潔凈室，在頂棚均勻布置 6 個(gè)高效過(guò)濾器送風(fēng)口。其余均與輻流潔凈室相同。輻流潔凈室與亂流潔凈室模型圖如圖 1 和圖 2 所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文采用標(biāo)準(zhǔn) K-ε 兩方程模型，湍流模型簡(jiǎn)化

和假設(shè)如下：

（1）室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且滿足 Bussinesp 近似（密度變化不是很大的變密度流動(dòng)）。

（2）考慮輻射換熱，忽略質(zhì)量力的作用。

（3）為減少模型網(wǎng)格的數(shù)目，節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，可將工藝設(shè)備簡(jiǎn)化為具有相同散熱量的小方塊。

2 模擬結(jié)果及數(shù)值分析

ISO6 級(jí)潔凈室為了滿足潔凈度要求，設(shè)計(jì)換氣次數(shù)為 50 次/h~60 次/h，本文對(duì)輻流潔凈室和亂流潔凈室分別采用 50 次/h 和 60 次/h 換氣次數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并選取了 Y=1.4 m（潔凈室立面）和Z=0.8m、Z=1.3 m（水平面）速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 輻流潔凈室模擬結(jié)果

2.1.1 速度場(chǎng)

從圖3對(duì)Y=1.4m潔凈室立面速度場(chǎng)矢量圖可以看出，整個(gè)斷面的氣流流型從送風(fēng)口到回風(fēng)口成斜推的效果，符合輻流潔凈室的氣流組織規(guī)律。在工作臺(tái)和頂棚附近氣流的方向受到影響，但影響區(qū)域不大，并不影響整體氣流組織特性。最大速度出現(xiàn)在送風(fēng)口附近，中間的速度較小，房間下部（靠近回風(fēng)口區(qū)域）速度增大。

圖 4 和圖 5 為 Z=0.8m 和 Z=1.3m 潔凈室工作區(qū)域水平面的氣流速度場(chǎng)，與 Y=1.3m 立面圖的氣流組織特性相似，在兩個(gè)工作面上，氣流呈送風(fēng)口向回風(fēng)口的方向流動(dòng)，在經(jīng)過(guò)工作臺(tái)表面時(shí)，氣流發(fā)生擾動(dòng)，但隨后工作臺(tái)污染氣流能隨著送風(fēng)氣流的方向流動(dòng)，房間兩側(cè)的氣流速度明顯大于中部速度。對(duì)比 Z=1.3m 和 Z=0.8m 兩個(gè)平面的速度場(chǎng)，Z=1.3m 平面速度值高于 Z=0.8m 的速度值，速度平均值分別為 0.03 m/s 和 0.085 m/s，且在工作臺(tái)位置氣流受到擾動(dòng)的區(qū)域更小一些，其原因在于工作臺(tái)的高度為 1m，其下方 Z=0.8m 受到的影響明顯大于其上方的 Z=1.3m 平面。

2.1.2 污染物濃度場(chǎng)

圖 6 至圖 8，在 Y=1.4m 的潔凈室立面和 Z=1.3m和 Z=0.8m 兩個(gè)水平面上，污染物濃度場(chǎng)分布規(guī)律是相似的，污染物隨著氣流呈現(xiàn)正向扇形擴(kuò)散，不會(huì)產(chǎn)生氣流的逆向擴(kuò)散，表明輻流能夠較好地將污染物從回風(fēng)口排出。在 Z=1.3m 平面上，污染物濃度在 0.0002PPMV 9 .~0.0006PPMV 的較低范圍，平均值為 0.0004PPMV，Z=0.8m 平面上的污染物平均濃度比 Z=1.3m 平面增加了 25%，為 0.0005PPMV。說(shuō)明污染物濃度場(chǎng)與速度場(chǎng)的氣流分布規(guī)律相關(guān)，在速度值越大、氣流流型受到擾動(dòng)小的區(qū)域，潔凈度越高。

2.2 亂流潔凈室模擬結(jié)果

2.2.1 速度場(chǎng)

從圖 9，Y=1.4m 潔凈室立面速度場(chǎng)可以看出，亂流潔凈室的氣流流動(dòng)方向呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不一致性，在送風(fēng)口的下方向下流動(dòng)，并對(duì)其兩側(cè)的氣流起到誘導(dǎo)作用，在工作臺(tái)和人員的上方，由于受到熱輻射和誘導(dǎo)的雙重作用，產(chǎn)生與送風(fēng)氣流相逆的流向，向上運(yùn)動(dòng)，并形成渦流區(qū)。在送、回風(fēng)口的區(qū)域的氣流速度值最高。對(duì)比圖 10 和圖 11，Z=0.8m 和 Z=1.3m 水平平面的速度場(chǎng)矢量圖可以看出，在水平平面上，氣流的基本流向是向回風(fēng)口流動(dòng)，不存在反向流動(dòng)的氣流?？拷仫L(fēng)口的區(qū)域風(fēng)速較大，氣流能較好地從回風(fēng)口排出。所以在亂流潔凈室的工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量將工作區(qū)域布置在靠近回風(fēng)口一側(cè)。在 Z=1.3m平面速度值大于 Z=0.8m 平面速度值。

2.2.2 污染物濃度場(chǎng)

圖 12 為潔凈室立面污染物濃度場(chǎng)云圖，污染物在塵源位置濃度最高，然后向上、向回風(fēng)口區(qū)域擴(kuò)散，污染物擴(kuò)散的方向與圖 10 的氣流運(yùn)動(dòng)方向一致。圖 13 和圖 14 為不同高度水平面的污染物濃度場(chǎng)云圖，污染物整體是向著回風(fēng)口的方向流動(dòng)，與氣流的流動(dòng)方向一致。在靠近回風(fēng)口區(qū)域的塵源污染物擴(kuò)散的范圍大于上風(fēng)區(qū)域的塵源。在高水平面上的污染物擴(kuò)散范圍大于低水平面處，且污染物平均濃度值偏高。

3 結(jié)果分析

對(duì)比 50 次/h 換氣次數(shù)的輻流潔凈室和 60 次/h換氣次數(shù)的亂流潔凈室的速度場(chǎng)矢量圖和污染物濃度場(chǎng)云圖，可以看出亂流潔凈室的氣流流動(dòng)方向在垂直面上較為混亂，存在著較多的渦流區(qū)，污染物的擴(kuò)散范圍更大，主要是靠稀釋作用達(dá)到房間內(nèi)潔凈度的要求。輻流潔凈室比亂流潔凈室氣流流動(dòng)方向更具有同向性，指向回風(fēng)口，污染物隨著氣流的方向流動(dòng)，尤其在工作區(qū)，污染物濃度更低，有利于生產(chǎn)環(huán)境的結(jié)凈度要求。

為了量化輻流和亂流潔凈室的氣流組織和污染物凈化效果，選取數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行速度和污染物濃度的對(duì)比分析。在渦流區(qū)內(nèi)，接近塵源的地方具有很高的含塵濃度，而潔凈度的要求主要應(yīng)用在工作區(qū)。所以通過(guò)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工作區(qū)域的平均含塵濃度，更有意義。規(guī)范要求：潔凈度的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)為：L=A0.5，采樣點(diǎn)應(yīng)均勻分布于潔凈區(qū)內(nèi)，并應(yīng)位于工作區(qū)的高度。根據(jù)上述要求以及潔凈室內(nèi)人員和設(shè)施的布置情況，本文在 Z=0.8m 和 Z=1.3m 兩個(gè)平面各選取 6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行速度和污染物濃度的分析。其中點(diǎn) 1-6 位于 Z=0.8m 平面，點(diǎn) 7-12 位于Z=1.3m 平面。

3.1 速度值對(duì)比與分析

從圖 15 可以看出：無(wú)論是在 Z=0.8m 平面還是Z=1.3m 平面，輻流潔凈室測(cè)點(diǎn)的速度均勻性均優(yōu)于亂流潔凈室。在 Z=0.8m 平面上，輻流潔凈室的平均速度為 0.03 m/s 大于亂流潔凈室的平均速度值 0.02m/s，提高了 33%。在 Z=1.3m 平面上，兩者的平均速度值相同。

3.2 污染物濃度場(chǎng)對(duì)比

從圖 16 可以看出：除了 10 點(diǎn)外，輻流潔凈室在各測(cè)點(diǎn)的濃度均低于亂流潔凈室。在 Z=0.8m 平面上，輻流潔凈室的平均濃度為0.0005PPMV，亂流潔凈室為 0.0006 PPMV，降低了 20%；在 Z=1.3m 平面上，輻流潔凈室的平均濃度為 0.0004PPMV，亂流潔凈室為 0.0005PPMV，降低了 25%；兩個(gè)斷面的總平均濃度分別為 0.0005 PPMV 和 0.0006 PPMV，總體降低了 20%?？梢娂词乖谛∮?10 次/h 的換氣次數(shù)下，輻流潔凈室比亂流潔凈室在工作區(qū)表現(xiàn)出更好的氣流組織特性和潔凈度。按照風(fēng)機(jī)的輸送能耗與風(fēng)量成正比估算，則輸送能耗降低了 20%。

4 結(jié)論

（1）本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)比研究了 50次/h 換氣次數(shù)的輻流潔凈室和 60 次/h 換氣次數(shù)的亂流潔凈室氣流組織和污染物濃度分布特性。通過(guò)對(duì)比速度場(chǎng)矢量圖和污染物濃度場(chǎng)云圖，亂流潔凈室的氣流流動(dòng)方向在垂直面上較為混亂，存在著較多的渦流區(qū)，污染物的擴(kuò)散范圍更大。而輻流潔凈室氣流流動(dòng)方向更具有同向性，指向回風(fēng)口，污染物隨著氣流的方向流動(dòng)，尤其在工作區(qū)，污染物濃度更低，有利于生產(chǎn)環(huán)境的結(jié)凈度要求。

（2）通過(guò)選取距離地面 0.8m 和 1.3m 不同高度上的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染物濃度量化分析表明，輻流潔凈室在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總平均濃度為 0.0005 PPMV 低于亂流潔凈室的 0.0006 PPMV，總濃度降低了 20%。

（3）在小于 10 次/h 的換氣次數(shù)下，輻流潔凈室比亂流潔凈室在工作區(qū)表現(xiàn)出更好的氣流組織特性和潔凈度。按照風(fēng)機(jī)的輸送能耗與風(fēng)量成正比，則估算輸送能耗降低了 20%。