洁净室气流分布分析讨论

焦有军

中国电子系统工程第四建设有限公司河北石家庄050000

摘要：主要研究和探讨洁净室气流分布方式及其适用范围，通过对单向流洁净室、非单向流洁净室、混合流洁净室影响气流流动的因素分析，着重对单向流洁净室的各种形式进行说明、比较，简要叙述了其各自的优缺点及其各自的适用场合，并对单向流洁净室的未来进行展望。

关键词：洁净室气流分布单向流非单向流混合流

随着我国国民经济的发展、社会的进步和人民生活水平的提高，洁净厂房已广泛应用于电子、生物制药、精密仪器制造等各行各业中，由于洁净室厂房在温度、相对湿度及洁净度方面的巨大优势，它的重要性也越来越多地被人们所认识和接受。

一、混合流洁净室

混合流洁净室是将非单向流流型和单向流流型在同一洁净室内组合使用.单向流的设备费用和运行费用都很高,但在某些实际洁净室工程中往往只是部分区域有严格的洁净度要求.而不是整个洁净室.混合流洁净室的特点是在需要空气洁净度严格的部位采用单向流型,其他则为非单向流型.这样既满足了使用要求,也节省了设备投资和运行.

二、非单向流洁净室

非单向流洁净室,也被称作乱流型洁净室,非单向流是一种不均匀气流分布方式,其速度,方向在洁净室内不同地点是不同的,这是洁净室中使用最为普遍的气流组织形式,非单向流洁净室是把从污染源散发出来的尘,菌污染物在室内扩散作为前提,用经过高效过滤器处理的洁净空气将污染物冲淡稀释,从而保持室内所需的空气洁净度等级。

三、单向流洁净室原理

单向流洁净室的气流是从室内的送风一侧平稳地流向与其相对回风的一侧.因此,单向流洁净室的主要特点表现为:将污染源散发出的尘菌污染物未向室内扩散之前就被挤压到室外,洁净空气对污染源起到隔离作用.此形式适用于洁净室等级需求较高之环境使用，一般其洁净室等级为Class1~100。单向流洁净室又可分为垂直单向流洁净室和水平单向流洁净室，本文主要介绍垂直单向流洁净室。

1.垂直单向流洁净室原理

垂直单向流是高级别洁净室应用最广泛的一种气流流型。在洁净室内高效空气过滤器(或超高效空气过滤器)布置在顶棚，从送风口到回风口，气流流经途中的断面几乎没有什么变化，加上送风静压箱和高效过滤器的均压作用，使得全室断面上的流速比较均匀，而至少在工作区内流线单向平行，没有涡流。干净的气流不是一股或几股，而是充满全室断面，所以这种洁净室不是靠参混稀释作用，而是靠推出作用将室内脏空气沿整个断面排至室外，从而达到净化室内空气的目的。空气经架空地板回至空调机组，从而形成上送下回的垂直单向流流型。当房间宽度小于等于6m时，也可以在侧墙下部设回风口形成上送下侧回的气流流型，这种方式基本上也属于垂直单向流流型。

1)垂直单向流的三要素

单向流的形成除了要满足气流充满洁净室或洁净区，还有三个要素：气流速度、气流的不均匀度、气流的平行度。而且对三要素均有严格的要求。

A.气流速度

气流速度的选择原则应该使整个气流均匀流动不发生滞留区。不发生滞留区气流速度必须大于0.08m/s,气流速度还应能抵抗人员活动、热浮升的干扰。一般成年人的发热量为0.1Kw，在静止的空气中在人体头部上方可产生0.2m/s的上升气流。所以垂直单向流的风速要克服此热浮升的速度。对于垂直单向流洁净室横断面的断面风速V可参考下述数值：

（1）洁净室内无人或经常处于无人状态时一般为：0．1～0．15m／s；

（2）洁净室内有人时，一般为：0．2～0．35m／s；

（3）考虑节能及人员舒适，一般来说断面风速不大于0．5m／s；

（4)工艺有特殊要求时按工艺要求确定。

B.气流速度的不均匀度

洁净技术发展初期，对气流的不均匀度要求很严格。美国FS209B规定：不均匀度在±20%以内。此规定没有说明以那个速度为基准值，是设计风速还是断面风速的实测平均值。一般认为其准值是断面实测的平均风速。美国FS209以后，删掉了气流不均匀度的要求。这显然是长期实践得出的认识。从长期对洁净室的测试发现这一要求基本达不到。因为我们知道，过滤器滤料密度不均，过滤器送风静压箱压力不均，及相邻高效过滤器边框形成的无风区，相邻过滤器出风搭接处的风速与过滤器表面的出风风速也不相同，所以出口气流除射流的主体段之核心部分，气流速度相等，流线平行外，其它部分均不可能。

C.流线的平行度

各种规范都规定单向流的一个要素是气流平行。这一点到目前为止仍被坚持。然而实践证明这也是完全可以进行变通的。我们知道，只要整个气流中的流线（迹线）不交叉就不会形成涡流区。尘粒就会沿着迹线（流线）排走，而不会被滞留，或改行其它迹线。

那么，两个流线之间在什么情况下形成涡流呢?

对此，尚无定论。流体力学中的渐扩管的局部阻力损失，经推算当扩散角为5～8度最小。这就意味着当扩散角为5～8度时只有流速分布改变形成的损失，而基本无旋涡区损失。所以理论上当两个流线的夹角小于5～8度时，则不会形成涡流；由此推论只要送风口的出流中，相邻的流线扩张角小于5～8度，整个气流沿单一趋向流动仍可形成单向流。

除了要满足单向流洁净室三项特性指标的要求外，还应满足《洁净室施工及验收规范》规定的回风口风速不应大于2.0m／s，并且回风口高度和洁净室室宽的比值应大于或等于0.1的条件。在一般应用中，回风口设在低于工作区下限高度0.8m以下。

2)垂直单向流洁净室形式

A.典型垂直单向流：全顶棚送风、架空地板格栅回风式

大面积、高要求的垂直单向流洁净室大多采用顶棚满布高效过滤器送风，架空地板格栅回风。这种洁净室的特点是：可以获得均匀的向下单向平行气流，因而自净能力强，不仅能够达到最高的洁净度级别，而且工艺设备可以任意布置。

B.准垂直单向流：全顶棚送风、两侧下回风式

在全顶棚送风、架空地板格栅回风的基础上，对回风方式加以改进，就出现了全顶棚送风两侧下回风的洁净室。全顶棚送风、两侧墙下回风式洁净室是全顶棚送风、架空地板格栅回风式洁净室的变型，也被称为准单向流洁净室。这种送、回风方式可实现室内良好的气流流型，主流区内气流基本为垂直单向流，而室内大部分区域(包括人的工作区)处于主流区，要求的洁净度指标可在较小的送风量下达到。

3)其他的改进型准垂直单向流

随着洁净室应用越来越广泛，还出现了高架地板格栅回风与侧回风共用、在洁净室中建立回风夹道、在洁净室柱子上家里回风夹道等多种多样的准垂直单向流。

2.关于垂直单向流洁净室的经济性比较

国内外大量研究表明，洁净室的洁净度主要取决于合理的气流组织和高效过滤器的效率。对气流而言，典型的全顶棚送风、架空地板格栅回风式无疑是最佳的流型，它流线平行，同一高度上尘粒排走的路径相同而且最短，可以达到高级别洁净度。但是对于全顶棚满布送风，架空地板格栅回风系统。它也有明显的缺点，由于使用了架空地板。

3.水平单向流介绍

除上述介绍的垂直单向流外，还有水平单向流。水平单向流一般为侧送侧回式，因为其安装较为困难、更容易受到外界因素的干扰。所以其一般应用在有特殊要求的科研实验室及工业制造洁净室。

四、结论

随着经济的发展，对洁净室的要求会越来越高。国内外大量研究表明，洁净室的洁净度主要取决于合理的气流组织和高效过滤器的效率。洁净室的设计除根据规范和其他参考文件外，还应对洁净室使用方工艺和操作流程详细了解，因为一个达标的洁净室并不是一个单纯意义上的空态洁净室，而是一个投入生产的洁净室，一个好的设计工作者应该在规范允许的情况下，合理选择气流组织形式，以节约成本及降低运行费用。

五、参考书目：

1、《电子工业洁净厂房设计规范》(GB50472-2008)

2、《洁净厂房设计规范》(GB50073-2013)

3、许钟麟.洁净室设计.地震出版社