高级别洁净室气流组织的优化

文章编号:　1005—0329(2005)04—0059—03
高级别洁净室气流组织的优化
赵金亮,刘俊杰,朱　能
(天津大学,天津　300072)
摘　要:　利用CFD方法对拟采用风机过滤器单元(FFUs)洁净空调方案的IS O5级电子工业洁净室进行模拟,得出室内气流速度场,分析其性能,通过理论公式计算所能达到的洁净度。

认为通过合理布置末端FFU送风口位置及选择回风形式,以及选用较高级别的末端过滤器,可以在FFU满布率较低时达到较高的洁净度级别。

关键词:　计算流体动力学(CFD);洁净室;风机过滤器单元;满布率
中图分类号:　T U834.8 文献标识码:　A
Optimization of Airflow in H igh Cleanliness Level Cleanroom
ZH AO Jin2liang,LI U Jun2jie,ZH U Neng
(T ianjin University,T ianjin300072,China)
Abstract:　By CFD technique,the velocity fields of a IS O class5cleanroom with FFU air2conditioning system was simulated and its per2 formance was analyzed,theoretical formula is applied to gain the cleanliness.The result shows that selecting proper location of FFUs,ap2 propriate m ode of outlet and high level terminal filter,higher cleanliness level can be obtained in spite of lower coverage rate.
K ey w ords:　computational fluid dynamics;clean room;fan filter uints;coverage rate
1　引言
随着计算流体动力学(CFD)技术自身的发展,其已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域。

通过计算机求解流体所遵循的控制方程,可以获得流动区域的流速、温度、组分、浓度等物理量的详细分布情况。

本文利用CFD软件,对采用风机过滤器单元净化空调系统的某微电子洁净厂房的IS O5级洁净室进行计算机模拟,利用所得到的速度场分析评价其性能,利用理论计算验证其平衡态的洁净度,并提出一些应用中的注意事项,为实际工程应用提供参考。

最后通过实地现场测试,证明减少末端高效过滤器的个数同样可以得到较高的洁净室级别,并满足动态工作的要求。

2　数值模拟及分析
211　数学模型
从流动的雷诺数来考虑,洁净室的气流均为紊流[1],空气的流动满足连续性方程、动量方程和能量方程。

对于工程问题,我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化,而只关心紊流随机变量的有关平均值,因此,本文采用雷诺时均方程紊流粘性系数法,流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-ε二方程模型,k-ε模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。

控制方程的通用形式[2]:
div(ρVΦ-Γ ,eff gradΦ)=S
式中　ρ———空气密度,kg/m3
　V———气流速度矢量,m/s
　Γ ,eff———有效扩散系数,kg/(m・s)
　Φ———1,u,v,w,k,ε中的一项
　u,v,w———三个方向的速度分量,m/s
　k———紊流动能,m2/s2
　ε———紊流动能耗散率,m2/s3
收稿日期:　2004—05—20
S ———源项
Φ=1时通用方程变为连续性方程。

边界条件:墙体边界设为无滑移边界条件;送风边界条件:送风速度取过滤器面风速平均值,速度方向竖直向下;回风边界条件:回风口满足充分发展段紊流出口模型。

由于室内热负荷较小,不考虑温度浮升效应对气流的影响。

采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散,基于有限容积法的SI MP LEST 算法进行求解。

212　物理模型及计算结果分析方案一将风机过滤器单元(规格为1.2m ×1.2m )成条型居中布置于天花板,满布比为25%,回风采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。

物理模型如图1所示。

经模拟计算得到气流流场如图2所示(由于送风口在Y 方向呈对称布置,图中只给出一半流场)。

从图2可知,在送风口下方流线垂直向下,流线平行较好,而在送风口至墙体范围内有较大的涡流区,主流区范围减少,不能使全室工作区达到较高级别。

同时粒子也会被卷吸进入主流区,排除污染物的路径增长,增加污染的可能性。

图1　风机过滤器单元布置平面示意(条型
)
图2　风机过滤器单元条型布置YZ 截面流场示意
方案二将同样规格的风机过滤器单元较均匀地布置于天花板上,满布比仍为25%,过滤器面风速为0.45m/s ,回风仍采用全地面均匀散布穿
孔板作为回风口。

其物理模型如图3所示,气流流场分布如图4所示。

图3　风机过滤器单元布置平面示意(均匀
)
图4　均匀布置YZ 截面流场图
从模拟计算结果可知,对于均匀布置的风机过滤器单元方案,工作区1.2m 及0.8m 高度断面平均风速分别为0.1545m/s 、0.1516m/s ,可见散布末端过滤器送风口可以减小速度的衰减。

虽然在送风口之间上部存在反向气流,形成小的涡流区,但在工作区0.8m ～1.2m 范围内已形成竖直向下的流线,时均流线平行较好,由于此洁净室产热量较小,热气流对流线影响可忽略,不会产生逆向污染,因此上部的涡流不会对主流区产生影响。

空气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用力下运
动速度和位移是微小的,直径在1μm 时,微粒跟
随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10-3[1]。

此设计中新风处理机组设三级过滤器,风机过滤器单元中过滤器为U 15,效率≥
99.9995%@MPPS ,直径>1
μm 的微粒可视为零。

因此,工作区产生的微粒能完全跟随气流一起运动,直接排出洁净室。

当进一步减小满布比时由模拟计算可知,除送风口正下方—定区域外,其余部分已根本不能保证气流接近垂直向下,过滤器之间存在一个从天花板到地面贯通的巨大涡流区,污染物极易被卷吸进入涡流区而不易排出。

经过模拟计算及分析,认为在送风口满布比为25%,均匀分布风机过滤器单元,采用全地面均匀散布穿孔板回风,过滤器面风速为0.45m/s,相应换气次数为147次/h,由于风机过滤器单元可达到较大的送风面风速,以及均匀散布穿孔地板回风口的均流作用,若采用侧墙下侧回风,就会在洁净室下部区域形成较大的涡流三角区[3],因此洁净室内能形成比较合理的气流流形,在主流区内形成基本垂直向下的流线。

但在靠近四周墙壁处,由于形成受限射流,出现涡旋,因此应避免将设备靠墙壁布置,而应留有一定距离(这是洁净室施工完毕、开始投入使用时应加以注意的)。

另外,此设计中虽然不能形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流,但美国环境科学学会(IEST)的标准IES-RP-CC012.1中已认为IS O5级洁净室也可采用非单向流流型或混合流型[4]。

3　洁净度的计算
洁净室的洁净度级别由通风系统和室内污染源所决定,可以通过数学公式对其进行计算。

根据粒子平衡理论,进入洁净室的粒子有由室外新风带入、循环空气带入及由室内污染源产生的粒子。

对于电子厂房室内污染源主要是指工作人员的产尘,而设备产尘很少可忽略不计。

从洁净室排出的粒子有由回风带出及由于室内正压而渗出的粒子,可得方程如下[5]:
c=(c0-S
k1
-
k2
k1
)e-
k
1
t
V+
S
k1
+
k2
k1
达到平衡状态时,浓度方程变为:
c∞=S/k1+k2/k1
其中　k1=εQ[1+q/Q-x(1-ηrec)]
k2=(1-x)(1-ηout)Qc out t+qc1式中　c———洁净室的浓度,粒/m3
　c0———洁净室的初始浓度,粒/m3
　S———室内污染源,粒/s
　t———时间,s
　V———洁净室的容积,m3
　c∞———洁净室的平衡浓度,粒/m3
　ε———通风效率
　Q———送风量,m3/s
　q———渗出的空气量,m3/s
　x———循环风的比例,此处为1
　ηrec———回风过滤器效率
　ηout———新风过滤器效率
　c out———室外新风的浓度,粒/m3
　c1———渗出空气的浓度,粒/m3
新风预过滤器为F5(η=55%),中效过滤器为F9(η=95%),高效过滤器为H12(η= 99.5%),风机过滤器单元中过滤器为U15(η≥99.9995%@MPPS);新风含尘浓度天津地区取为3×107粒/m3(≥0.5μm);身着洁净服的工作人员走动时产尘量为1×104粒/(s・人)(≥0.5μm);设同时有3人在工作;通风效率取为90%;新风比为4.5%。

计算得出此设计的洁净室稳定含尘浓度为2857粒/m3(即81粒/ft3),达到IS O5级100粒/ft3的设计要求(经现场测试表明实际洁净度级别符合IS O5级要求)。

4　节能比较
在满足洁净度要求的前提下,与按常规设计方式———全顶棚送风地板格栅回风进行能耗对比(针对面积为106m2,层高为2.7m的IS O5级洁净室),比较结果见表1。

按常规顶棚满布高效过滤器设计,如果使用风机过滤器单元系统则其能耗约为此设计中典型风机过滤器单元系统的2.3倍,可见低满布比风机过滤器单元系统在保证洁净度的条件下节能效果明显。

表1　两种系统形式的耗能情况对比
系统形式常规形式
典型风机过滤器
单元系统
循环风量(m3/h)11819541990
换气次数(次/h)414147
过滤器单元个数60①18②
年耗电能(kW)11037647304
注:①过滤器面风速为0.38m/s,风机输入功率为0.21kW;②过滤器面风速为0.45m/s,风机输入功率为0.3kW。

5　结论
(1)针对电子厂房洁净室发尘量较低,室内人员较少,热负荷较小的情况,通过选择级别较高的过滤器,合理布置末端高效过滤器的位置及回风方式后,即使设计的室内换气次数、断面平均风速低于我国规范建议的下限值,仍可有效地滤除粒子,满足空气洁净度要求;
(下转第58页)
下降,这是制热量随时间下降的必然结果。

图19　外值热水箱水温及各部分水温升
随时间的变化曲线(春、秋季
)
图20　各部分冷凝热随时间的变化曲线(春、秋季)
图20中内置热水箱回收热量和冷凝器(即板
式换热器)吸收热量与图19中内置热水箱进出水温差和冷凝器进出水温差存在着对应关系,图形一致。

内置热水箱回收百分比曲线总体呈下降趋势,但变化不大。

图21为输入功率和系统能效比随时间的变化曲线。

压机输入功率不断增加,由第10min 的1.9
kW 增加到第70min 的2.48kW ;系统能效比不断
降低,由第10min 的4.59下降到第70min 的2.95。

图21　样机性能随时间的变化曲线(春、秋季)
显然,单独制热水模式下,空调机组的各个参
数均处在动态变化中,这一特点给此模式下的研
究增加了难度。

参考文献:
[1]　江辉民,等.带热水供应的家用空调器的探讨[J ].建
筑热能通风空调,2004,23(1):48251.
[2]　郑贤德.制冷原理与装置[M].北京:机械工业出版
社,2001.
[3]　杨磊.制冷空调设备使用维修手册[M].北京:机械
工业出版社,1998.
[4]　季杰,等.空调2热水器一体机制冷兼制热水模式的
性能模拟和实验分析[J ].暖通空调,2003,33(2):192
23.
[5]　蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].北京:机械工
业出版社,1997.
作者简介:胡张保(19782),男,在读硕士研究生,通讯地址:
450002河南郑州市河南农业大学能源与环境工程系。

(上接第61页)
(2)洁净室节能有较大潜力,经过优化设计可减少初投资,节能效果明显;
(3)对洁净室设计人员而言,从节能设计具有的长期性效果考虑,针对具体工程的工艺需求可以有保留地遵循设计准则;
(4)CFD 是一种较好的优化设计工具,结合工程实际情况,借助模拟工具进行辅助设计已成必然趋势。

参考文献:
[1]　许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海:同济大学出
版社,19981
[2]　陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交
通大学出版社,20011
[3]　樊洪明,何钟怡,李先庭.洁净室流场大涡模拟[J ].
空气动力学学报,2001,19(3):30223091
[4]　IES -RP -CC012.1,C onsiderations in Cleanroom Design
[S]1
[5]　Jan G ustavss on 1Cam fil cleanliness calculation of clean
room[Z]1T echnical In formation 990901.
作者简介:赵金亮(19762),女,硕士研究生,通讯地址:300072天津市天津大学环境科学与工程学院0327信箱。