用CFD方法優(yōu)化設計ISO5級(百級)潔凈室

      摘要：由于ISO5級(百級)潔凈室運行能耗較大，考慮到節能的必要性，本文利用計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對擬采用風(fēng)機過(guò)濾器單元(FFU)潔凈空調方案的ISO5級電子工業(yè)潔凈室進(jìn)行模擬，得出室內氣流速度場(chǎng)，分析其性能，并通過(guò)理論公式計算所能達到的潔凈度。我們認為結合潔凈室的具體用途，通過(guò)合理布置末端FFU送風(fēng)口位置及選擇回風(fēng)形式，以及選擇較高級別的末端過(guò)濾器，可以在滿(mǎn)布率較低時(shí)達到較高的潔凈度級別。利用CFD模擬技術(shù)可以為設計高效能的潔凈室系統提供依據。

　　關(guān)鍵詞： 潔凈室 計算流體動(dòng)力學(xué) 風(fēng)機過(guò)濾器單元 滿(mǎn)布率 節能

　　1 引言

　　潔凈室空調系統經(jīng)典的方案是采用中央空調和三級過(guò)濾器集中送風(fēng)，通過(guò)大型風(fēng)道將已經(jīng)處理的空氣送至過(guò)濾器的接聯(lián)管道，然后經(jīng)高效空氣過(guò)濾器(HEPA Filter)或者超高效空氣過(guò)濾器(ULPA Filter)送到潔凈室。而另一種方案是采用室內循環(huán)風(fēng)就地冷卻，利用干冷卻盤(pán)管解決新風(fēng)不能提供全部冷負荷的問(wèn)題，同時(shí)利用風(fēng)機過(guò)濾器單元來(lái)進(jìn)行空氣循環(huán)。每種方式各有一定的適用范圍，風(fēng)機過(guò)濾器單元(FFU)因其靈活性大,即可通過(guò)置換盲板來(lái)提高局部區域的潔凈度、占用空間較少等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越多的應用，尤其適合于舊廠(chǎng)房的改造及技術(shù)更新較快的工程。雖然FFU系統成本較高，而從綜合投資角度，分析認為采用FFU方式在末端過(guò)濾器鋪設率為25%-30%時(shí)較為有利【1】。

　　ISO5級(百級)潔凈室屬于潔凈室用暖通空調系統耗能大戶(hù)，通常采用吊頂滿(mǎn)布高效過(guò)濾器的送風(fēng)方式，運行能耗較大。有關(guān)潔凈室運行費用的文獻指出，在某些歐洲，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護年度總費用的65%～75%【2】，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風(fēng)空調系統如何有效地向潔凈室分布經(jīng)過(guò)凈化和溫濕度調節的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風(fēng)速度，布置末端過(guò)濾器、回風(fēng)口、減少送風(fēng)量以便節能是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　另外國外對一些ISO5級潔凈室實(shí)測數據表明，大部分換氣次數遠低于建議的下限值【2】，而在設計中存在系統風(fēng)量過(guò)大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔心系統運行可靠性的保守思想有關(guān)，說(shuō)明提高節省能源的機會(huì )確實(shí)存在。隨著(zhù)計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)自身的發(fā)展，已廣泛應用于暖通空調和潔凈室等工程領(lǐng)域，通過(guò)計算機求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動(dòng)區域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細分布情況，是一種較好的優(yōu)化設計工具。其優(yōu)勢在于利用CFD技術(shù)對設計方案進(jìn)行模擬可以在施工前發(fā)現失誤并及時(shí)更正，避免經(jīng)濟損失;可以迅速發(fā)現提高系統運行效率的可能性;另外，通過(guò)模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找經(jīng)濟方案時(shí)有所依據。

　　本文利用CFD軟件，對擬采用FFU凈化空調系統的某微電子潔凈廠(chǎng)房的ISO5級潔凈室進(jìn)行計算機模擬，通過(guò)幾個(gè)設計方案相比較，利用所得到的速度場(chǎng)，分析評價(jià)其性能，利用理論計算驗證其平衡態(tài)的潔凈度，并提出一些應用中的注意事項，為實(shí)際工程應用提供參考。

　　2 數值模擬及分析

　　2.1 數學(xué)模型

　　從流動(dòng)的雷諾數Re來(lái)考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動(dòng)滿(mǎn)足連續性方程，動(dòng)量方程和能量方程。對于工程問(wèn)題，我們不需要關(guān)心紊流的精細結構及其瞬時(shí)變化，而只關(guān)心紊流隨機變量的有關(guān)平均值，因此，本文采用數值計算三類(lèi)方法中雷諾時(shí)均方程中的紊流粘性系數法，流動(dòng)模型采用暖通空調廣泛采用的標準k-ε二方程模型，k-ε模型通過(guò)求解紊流動(dòng)能與紊流動(dòng)能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數。

　　控制方程的通用形式為【4】：

　　式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴散系數(kg/ms)， Sφ是源項，Φ代表1，u, v, w, k,ε中的一項，u, v, w為三個(gè)方向的速度分量(m/s)，k為紊流動(dòng)能(m2/s2)，ε為紊流動(dòng)能耗散率(m2/s3)，Φ=1時(shí)通用方程變?yōu)檫B續性方程。

　　邊界條件：墻體邊界設為無(wú)滑移邊界條件。送風(fēng)邊界條件，送風(fēng)速度取過(guò)濾器面風(fēng)速平均值，速度方向豎直向下。回風(fēng)邊界條件，回風(fēng)口滿(mǎn)足充分發(fā)展段紊流出口模型。由于室內熱負荷較小，不考慮溫度浮升效應對氣流的影響。采用混合迎風(fēng)差分格式對偏微分方程進(jìn)行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進(jìn)行求解。

　　2.2 物理模型及計算結果分析

　　方案一將風(fēng)機過(guò)濾器單元(規格為1.2m×1.2m)成條型居中布置于天花板，滿(mǎn)布比在25%，回風(fēng)采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)口。物理模型平面圖如圖1。經(jīng)模擬計算得到氣流流場(chǎng)示于圖3，由于送風(fēng)口在Y方向呈對稱(chēng)布置，圖中只給出一半流場(chǎng)。從圖中可見(jiàn)，在送風(fēng)口下方流線(xiàn)垂直向下，流線(xiàn)平行較好，而在送風(fēng)口至墻體范圍內有較大的渦流區，則主流區范圍減少，不能使全室工作區達到較高級別。同時(shí)粒子也會(huì )被卷吸進(jìn)入主流區，排除污染物的路徑增長(cháng)，增加污染的可能性。

　　方案二將FFU(規格為1.2m×1.2m)散布于天花板，滿(mǎn)布比仍為25%，過(guò)濾器面風(fēng)速在0.45 m/s，回風(fēng)采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風(fēng)口。物理模型平面示意圖如圖2，氣流流場(chǎng)分布如圖4。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區1.2m及0.8m高度斷面平均風(fēng)速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見(jiàn)散布末端過(guò)濾器送風(fēng)口可以減小速度的衰減。雖然在送風(fēng)口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區，但在工作區0.8m-1.2 m范圍內已形成豎直向下的流線(xiàn)，時(shí)均流線(xiàn)平行較好，由于此潔凈室產(chǎn)熱量較小，熱氣流對流線(xiàn)影響可忽略，不會(huì )產(chǎn)生逆向污染，因此上部的渦流不會(huì )對主流區產(chǎn)生影響。空氣中的微粒在重力、慣性和擴散三種作用力下運動(dòng)速度和位移是微小的，直徑在1μm時(shí)，微粒跟隨氣流運動(dòng)的速度和氣流速度相差不會(huì )大于10-3【3】。此設計中新風(fēng)處理機組設三級過(guò)濾器，FFU中過(guò)濾器為U15≥99.9995%@MPPS，直徑>1μm的微粒可視為零，因此，工作區產(chǎn)生的微粒能完全跟隨氣流一起運動(dòng)，直接排出潔凈室。

　　當進(jìn)一步減小滿(mǎn)布比時(shí)模擬計算可知，除送風(fēng)口正下方—定區域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過(guò)濾器之間存在一個(gè)從天花板到地面貫通的巨大渦流區，污染物極易被卷吸進(jìn)入渦流區內而不易排出。

　　經(jīng)過(guò)模擬計算及分析，我們認為在送風(fēng)口滿(mǎn)布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風(fēng)，過(guò)濾器面風(fēng)速在0.45m/s，相應換氣次數為147次/小時(shí)，由于FFU可達到較大的送風(fēng)面風(fēng)速，以及均勻散布穿孔地板回風(fēng)口的均流作用，因為如果采用側墻下側回風(fēng)，就會(huì )在潔凈室中間下部區域形成較大的渦流三角區【5】，因此，潔凈室內能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區內能形成基本垂直向下的流線(xiàn)，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現渦旋，因此在布置設備時(shí)，應避免將設備靠墻壁布置，而應留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開(kāi)始投入使用時(shí)應加以注意的。另外，此設計中雖然不能形成如傳統滿(mǎn)布高效過(guò)濾器送風(fēng)口而形成的全室平行氣流，但美國標準IES-RP-CC012.1【6】中已認為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。

　　3 理論計算潔凈度

　　潔凈室的潔凈度級別由通風(fēng)系統和室內污染源所決定。可以通過(guò)數學(xué)公式對其進(jìn)行計算。根據粒子平衡理論，進(jìn)入潔凈室的粒子有室外新風(fēng)帶入、循環(huán)空氣帶入及室內污染源。對于電子廠(chǎng)房室內污染源主要是工作人員的產(chǎn)塵，而設備產(chǎn)塵很小可忽略不計。從潔凈室排出的粒子有回風(fēng)帶出及由于室內正壓而滲出的粒子。可得如下方程【7】：

　　以上式中：Q，送風(fēng)量，m3/sq，滲出的空氣量，m3/s;V，潔凈室的容積，m3;x，循環(huán)風(fēng)的比例，此處為1;c，潔凈室的濃度，粒/m3;c0，潔凈室的初始濃度，粒/m3;c∞，潔凈室的平衡濃度，粒/m3;c1，滲出空氣的濃度，粒/m3;cout ，室外新風(fēng)的濃度，粒/m3;t ，時(shí)間;ηout，新風(fēng)過(guò)濾器效率;ηrec，回風(fēng)過(guò)濾器效率;S，室內污染源，粒/秒;ε,通風(fēng)效率。

　　新風(fēng)預過(guò)濾器為F5(η=55%)，中效過(guò)濾器為F9(η=95%)，高效過(guò)濾器為H12(η=99.5%)，FFU中過(guò)濾器為U15(η≥99.9995%@MPPS);新風(fēng)含塵濃度天津地區取為3×107粒/m3 (≥0.5μm);身著(zhù)潔凈服的工作人員走動(dòng)時(shí)的產(chǎn)塵量為1×104粒/秒?人(≥0.5μm) ;設同時(shí)有3人在工作;通風(fēng)效率取為90%;新風(fēng)比為4.42%。計算得出此設計的潔凈室穩定含塵濃度為2857粒/m3(即81粒/ft3)，達到ISO5級100粒/ft3的設計要求。

　　4 結論

　　通過(guò)本文的研究可得到如下結論：

　　1)針對電子廠(chǎng)房潔凈室發(fā)塵量較低，室內人員較少，熱負荷較小的情況，通過(guò)選擇級別較高的過(guò)濾器，合理布置末端高效過(guò)濾器的位置，回風(fēng)方式后，即使設計的室內換氣次數、斷面平均風(fēng)速低于規范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿(mǎn)足空氣潔凈度要求。

　　2)CFD是一種較好的優(yōu)化設計工具，結合工程實(shí)際情況，借助模擬工具進(jìn)行輔助設計是必然趨勢。

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