百級潔凈車間氣流組織的優化方法

摘　要:　利用CFD 方法對擬采用風機過濾器單元(FFUs)潔凈空調方案的百級潔凈車間進行模擬, 得出室內氣流速度場, 分析其性能, 通過理論公式計算所能達到的潔凈度。認為通過合理布置末端FFU 送風口位置及選擇回風形式, 以及選用較高級別的末端過濾器, 可以在FFU 滿布率較低時達到較高的潔凈度級別。

關鍵詞:　計算流體動力學(CFD);潔凈車間;風機過濾器單元;滿布率

1 　引言

隨著計算流體動力學(CFD)技術自身的發展, 其已廣泛應用于暖通空調和潔凈車間等工程領域。通過計算機求解流體所遵循的控制方程, 可以獲得流動區域的流速、溫度、組分、濃度等物理量的詳細分布情況。本文利用CFD 軟件, 對采用風機過濾器單元凈化空調系統的某微電子潔凈廠房的ISO5 級潔凈車間進行計算機模擬, 利用所得到的速度場分析評價其性能, 利用理論計算驗證其平衡態的潔凈度, 并提出一些應用中的注意事項,為實際工程應用提供參考。最后通過實地現場測試, 證明減少末端高效過濾器的個數同樣可以得到較高的潔凈車間級別, 并滿足動態工作的要求。

2 　數值模擬及分析

2.1 　數學模型

從流動的雷諾數來考慮, 潔凈車間的氣流均為紊流[ 1] , 空氣的流動滿足連續性方程、動量方程和能量方程。對于工程問題, 我們不需要關心紊流的精細結構及其瞬時變化, 而只關心紊流隨機變量的有關平均值, 因此, 本文采用雷諾時均方程紊流粘性系數法, 流動模型采用暖通空調廣泛采用的標準k -ε二方程模型, k -ε模型通過求解紊流動能與紊流動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[ 2] :

　S Φ———源項

Φ=1 時通用方程變為連續性方程。

邊界條件:墻體邊界設為無滑移邊界條件;送風邊界條件:送風速度取過濾器面風速平均值, 速

度方向豎直向下;回風邊界條件:回風口滿足充分發展段紊流出口模型。由于室內熱負荷較小, 不考慮溫度浮升效應對氣流的影響。采用混合迎風差分格式對偏微分方程進行離散, 基于有限容積法的SIMPLEST 算法進行求解。

2.2 　物理模型及計算結果分析

方案一將風機過濾器單元(規格為1 .2m ×1 .2m)成條型居中布置于天花板, 滿布比為25 %, 回風采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。物理模型如圖1 所示。經模擬計算得到氣流流場如圖2 所示(由于送風口在Y 方向呈對稱布置, 圖中只給出一半流場)。從圖2 可知, 在送風口下方流線垂直向下, 流線平行較好, 而在送風口至墻體范圍內有較大的渦流區, 主流區范圍減少, 不能使全室工作區達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入主流區, 排除污染物的路徑增長, 增加污染的可能性。

方案二將同樣規格的風機過濾器單元較均勻地布置于天花板上, 滿布比仍為25 %, 過濾器面

風速為0 .45 m/s , 回風仍采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。其物理模型如圖3 所示, 氣流流場分布如圖4 所示。

從模擬計算結果可知, 對于均勻布置的風機過濾器單元方案, 工作區1 .2m 及0 .8m 高度斷面平均風速分別為0 .1545m/s 、0 .1516m/s , 可見散布末端過濾器送風口可以減小速度的衰減。雖然在送風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 .2m 范圍內已形成豎直向下的流線, 時均流線平行較好, 由于此潔凈車間產熱量較小, 熱氣流對流線影響可忽略, 不會產生逆向污染, 因此上部的渦流不會對主流區產生影響。空氣中的微粒在重力、慣性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的, 直徑在1μm 時, 微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10^-3[ 1] 。此設計中新風處理機組設三級過濾器,風機過濾器單元中過濾器為U 1 5 , 效率≥99 .9995 %@MPPS , 直徑>1μm 的微粒可視為零。

因此, 工作區產生的微粒能完全跟隨氣流一起運動, 直接排出潔凈車間。

當進一步減小滿布比時由模擬計算可知, 除送風口正下方—定區域外, 其余部分已根本不能

保證氣流接近垂直向下, 過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區, 污染物極易被卷吸進入渦流區而不易排出。

經過模擬計算及分析, 認為在送風口滿布比為25 %, 均勻分布風機過濾器單元, 采用全地面均勻散布穿孔板回風, 過濾器面風速為0 .45m/s ,相應換氣次數為147 次/h , 由于風機過濾器單元可達到較大的送風面風速, 以及均勻散布穿孔地板回風口的均流作用, 若采用側墻下側回風, 就會在潔凈車間下部區域形成較大的渦流三角區[ 3] , 因此潔凈車間內能形成比較合理的氣流流形, 在主流區內形成基本垂直向下的流線。但在靠近四周墻壁處, 由于形成受限射流, 出現渦旋, 因此應避免將設備靠墻壁布置, 而應留有一定距離(這是潔凈車間施工完畢、開始投入使用時應加以注意的)。另外, 此設計中雖然不能形成如傳統滿布高效過濾器送風口而形成的全室平行氣流, 但美國環境科學學會(IEST)的標準IES -RP -CC012 .1 中已認

為ISO5 級潔凈車間也可采用非單向流流型或混合流型[ 4] 。

3 　潔凈度的計算

潔凈車間的潔凈度級別由通風系統和室內污染源所決定, 可以通過數學公式對其進行計算。根

據粒子平衡理論, 進入潔凈車間的粒子有由室外新風帶入、循環空氣帶入及由室內污染源產生的粒子。對于電子廠房室內污染源主要是指工作人員的產塵, 而設備產塵很少可忽略不計。從潔凈車間排出的粒子有由回風帶出及由于室內正壓而滲出的粒子, 可得方程如下[ 5] :

新風預過濾器為F5(η=55 %), 中效過濾器為F9 (η=9 5 %), 高效過濾器為H1 2 (η=

99 .5 %), 風機過濾器單元中過濾器為U15(η≥99 .9995 %@MPPS);新風含塵濃度天津地區取為3 ×107 粒/m³(≥0 .5μm);身著潔凈服的工作人員走動時產塵量為1 ×10⁴ 粒/(s·人)(≥0 .5μm);設同時有3 人在工作;通風效率取為90 %;新風比為4 .5 %。計算得出此設計的潔凈車間穩定含塵濃度為2857 粒/m³(即81 粒/ft³), 達到ISO5 級100粒/ft³ 的設計要求(經現場測試表明實際潔凈度級別符合ISO5 級要求)。

4 　節能比較

在滿足潔凈度要求的前提下, 與按常規設計方式———全頂棚送風地板格柵回風進行能耗對比(針對面積為106m² , 層高為2 .7m 的ISO5 級潔凈車間), 比較結果見表1 。按常規頂棚滿布高效過濾器設計, 如果使用風機過濾器單元系統則其能耗約為此設計中典型風機過濾器單元系統的2 .3倍, 可見低滿布比風機過濾器單元系統在保證潔凈度的條件下節能效果明顯。

5 　結論

• 針對電子廠房潔凈車間發塵量較低, 室內人員較少, 熱負荷較小的情況, 通過選擇級別較高的過濾器, 合理布置末端高效過濾器的位置及回風方式后, 即使設計的室內換氣次數、斷面平均風速低于我國規范建議的下限值, 仍可有效地濾除粒子, 滿足空氣潔凈度要求;
• 潔凈車間節能有較大潛力, 經過優化設計可減少初投資, 節能效果明顯;
• 對潔凈車間設計人員而言, 從節能設計具有的長期性效果考慮, 針對具體工程的工藝需求可以有保留地遵循設計準則;
• CFD 是一種較好的優化設計工具, 結合工程實際情況, 借助模擬工具進行輔助設計已成必然趨勢。
• 回到潔凈知識欄目
• 參考文獻:
• 1] 　許鐘麟.空氣潔凈技術原理[ M] .上海:同濟大學出版社, 1998.
• [ 2] 　陶文銓.數值傳熱學(第二版)[ M] .西安:西安交
• 通大學出版社, 2001.
• [ 3] 　樊洪明, 何鐘怡, 李先庭.潔凈車間流場大渦模擬[ J] .空氣動力學學報, 2001 , 19(3):302-309.
• [ 4] 　IES -RP-CC012 .1, Considerations in Cleanroom Design[ S] .
• [ 5] 　Jan Gustavsson.Camfil cleanliness calculation of cleanroom[ Z] .Technical Information 990901.