第四章 空气洁净原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 空气洁净原理,1,本章学习要求,1,、,理解,单向流、非单向流、辐流洁净室气流组织,的概念,，了解各种气流组织的,主要形式。,2,、,重点掌握,单向流洁净室的性能指标，非单向流洁净室的性能指标,及各类洁净室的工作原理,。,3,、了解洁净室压差控制及缓冲与隔离的作用，,掌握压差控制及缓冲与隔离的常用方法。,4,、,了解洁净室流场数值模拟的相关知识,4.1,洁净室气流组织,合理的洁净室气流组织能使室内空气的流动符合设计要求，保证室内空气的温度、湿度、流速及洁净度等满足工艺、人员的舒适度要求。,单向流,洁净室,非单向流,洁净室（乱流洁净室）,辐（矢）流,洁净室,混合流,（局部单向流）洁净室,洁净室按气流组织,分为,特点：,流向单一、速度均匀、没有涡流的气流,整个洁净室,工作区,（一般定义为距地,0.71.5,米的空间）,的截面上,通过的气流为,单向流,的洁净室,特点：,方向多变、速度不均、伴有涡流的气流,特点：,风口出流为辐射状不交叉的气流,:,的,纵断面,上通过的气流为,辐流,:,横断面上,为,非单向流,:,既有非单向流，又有单向流，两者独立存在，互不干扰,1,、洁净室分类,2,4.1,洁净室气流组织,合理,的洁净室气流组织能使,室内空气的流动符合设计要求,，保证室内空气的温度、湿度、流速及洁净度等满足工艺、人员的舒适度要求。,空调形式,气流组织,通风量,目的,一般空调,乱流度大,较小,形成均匀温、湿度场和速度场,净化空调,乱流度小,较大,控制洁净度在允许范围内,（,1,）洁净室与一般空调,气流组织方式,比较,2,、洁净室的气流组织原则,3,4.1,洁净室气流组织,2,、洁净室气流组织原则,1,）,要求,送入洁净房间的,洁净气流扩散速度快,、气流,分布均匀,，以尽快稀释室内含有污染源所散发的污染物质的空气，维持生产环境所要求的洁净度；,2,）,使,散发到洁净室的,污染物质,能迅速,排出室外,，尽量,避免或减少,气流涡流和死角，,缩短,污染物质在室内的,滞留时间,，,降低,污染物质与产品的,接触机率,；,3,）,满足,洁净室内温度、湿度等,空调送风,要求和人的,舒适,要求。,4,4.2,单向流洁净室,气流组织,单向流洁净室简介：,（,1,）名字的由来：,过去称,“,层流洁净室,或,平行流洁净室,”,；,从美国联邦标准,FS-209C,(1987.10),开始,正式被称为,单向流洁净室,（,2,）定义,：,气流以均匀的截面速度，沿着平行流线以单一方向在全室截面上通过的洁净室。,（,3,）特点：,在洁净室内，从送风口到回风口，气流流经途中的断面基本上没有什么变化。,全室断面上的,流速比较均匀，,在工作区内,流线单向平行，没有涡流,。,5,4.2,单向流洁净室,气流组织,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,1,、,单向流洁净室的基本原理,：,（,1,）基本原理：,单向流洁净室是,靠,送风气流,“,活塞,”,般的挤压作用,（,推出作用,）将室内的污染空气沿整个断面排,至室外，,而不是,靠,掺混稀释作用,。,又称,“,活塞流,”,、,“,平推流,”,和,“,被挤压的弱空气射流,”,。,送入的洁净空气,“活塞”；,需洁净的房间,“气缸”,6,图,4-1,单向流气流组织,示意图,图,4-1,单向流气流组织,送风静压箱,作用：,均压,7,图,4-2,垂直单向流洁净室,示意图,图,4-2,垂直单向流洁净室,8,图,4-3,单向流洁净室原理图,图,4-3,单向流洁净室原理图,9,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,（,2,）保证单向流洁净室,特性,的重要,先决条件：,高洁净度,和,快速自净恢复能力,先决条件：,有,两个,（,3,）实现,“,活塞流,”,的,重要措施,：,在顶棚或墙面满布高效过滤器,由于过滤器和顶棚,有边框,，,不可能百分之百,地,满布,过滤器,过滤器的满布情况,用,“,满布比,”,表示,1,）来流的洁净度；,2,）来流的活塞流情况,10,（,4,）满布比,1,）定义式：,2,）规定：,单向流洁净室的满布比,一般情况下,应达到,80%,；,洁净厂房设计规范,（,GB50073-2001,）,规定,：,垂直,单向流洁净室满布比,不应小于,60%,，,水平,单向流洁净室,不应小于,40%,，否则就是局部单向流。,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,11,（,4,）满布比,3,）说明：,理想,满布比为,100%,时（连边框都没有），过滤器后,房间内含尘浓度,只决定于,过滤器送风浓度,。,实际情况,满布为一个比例,时，此时就有涡流区，,满布比不同,的单向流洁净室，其含尘浓度是不同的。,人员密度不同,的单向流洁净室,含尘浓度也不同,，所以,要适当控制,单向流洁净室的,人员数量,。,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,12,3,）说明：,高效过滤器布置在静压箱之外，静压箱的送风面为阻漏层,时，可以,将阻漏层视为高效过滤器末端的延伸,，,阻漏层上通气面积可以等同于过滤器面积看待,此时满布比的表达式,变为,13,2,、单向流洁净室性能的特性指标,（三个）,（,1,）流线平行度；,（,2,）乱流度（速度不均匀度）；,（,3,）下限风速,（,1,）流线平行度,1,）流线平行的作用：,是保证尘源散发的尘粒不作垂直于流向的传播。,2,）洁净区工作范围：,洁净度级别是用,工作区内,的含尘浓度表示的，,洁净区工作范围,的规定如图所示。,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,14,中国、美国的工作区规定,图,4-4,工作区柱状图（注：净层高不少于,2.7m,）,15,2,、单向流洁净室性能的特性指标,（三个）,（,1,）流线平行度,3,）说明：,若尘源散发尘粒的,传播范围在允许范围内,，则,允许流线略有倾斜,。但,其倾斜角度应保证所散发的尘粒不超过工作人员的工作范围进入到相邻工作人员的工作范围,，而对相邻区域环境造成影响。,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,16,举例：,一工作人员站在桌面高度为,0.75,米的工作台边进行操作，该工作人员的操作范围为,1.0,米，在距离地面,1.8,米（距离桌面的距离为,1.8-0.75=1.05,米）处有尘源散发尘粒，为保证该尘源散发的尘粒在降落到桌面时，仍未超出自己的工作范围，而对相邻区域的工作人员造成污染，求其流线与水平面的倾斜角度。,图,4-5,渐变流流线的倾角,解：,（,1,）,当尘粒,流线为斜直线,时，流线与水平面的倾斜角度应,大于,arctg(1.05/0.5)=65,（,2,）当流线是,渐变流的曲线,，那么其和工作区下限平面的交点以及和下限平面之上,1.05m,处的平面的交点之间的连线，与水平方向的倾角应,大于,65,。,1.8-0.75=1.05,1.0/2=0.5,arctg(1.05/0.5)=65,17,流线平行度与流线交角,2,、单向流洁净室性能的特性指标,（,1,）流线平行度,4),结论：,单向流洁净室要求流线之间既要平行，在,0.5m,距离内，线间夹角最大不能过,25,;,要求流线尽可能垂直于送风面其倾斜角不能小于,65,。,图,4-6,流线交角,18,2,、单向流洁净室性能的特性指标,（三个）,（,2,）乱流度（速度不均匀度）,1,）定义,：,速度场的集中或离散程度,2,）定义式：,4.2.1,单向流洁净室的基本原理和特性指标,乱流度；,各测点的速度；,n,测点数；,平均速度。,3,）应用及物理意义,：,用于,不同速度场的比较,乱流度,越大,，说明速度场,越不均匀,，速度的脉动性越大，流线,间质点的掺混越严重,。,4,）取值：,单向流,不宜,0.2;,实际中，,机械,回风量,+,机械,排风量,时,房间处于,正压,送风量,-,（机械回风量,+,机械排风量）,=,差额,通过门窗缝隙等不严密处，向外渗透,（与差额相等的风量）,随,过滤器,及,管道,积尘,，送回风管路阻力增加，影响,风量；,受,热压,及,风压,影响,正压值是,变化,的，需,实时进行调整,，以维持稳定的正压,4.5.3,洁净室压差控制,2,、正压压差的控制,措施,(,1),回风口控制,(2,）余压阀控制,(3),调节回风阀或排风阀,(4),差压变送器控制,(5),调节新风阀,77,（五种）,4.5.3,洁净室压差控制,2,、正压压差的控制措施,（,1,）回风口控制,方法：,通过回风口上的百叶可调格栅或阻尼层改变其阻力来调整回风量，达到控制室内压力的目的。,特点,：结构比较简单、经济，格栅控制调节量方便。但格栅不易关死，且调节幅度不大，会对气流方向产生影响。,78,随使用时间增长而阻力加大,导致回风量减小，正压值增大,需定期清洗,图,4-37,余压阀控制正压,79,4.5.3,洁净室压差控制,一般,设在,洁净室,下风侧墙上,（,2,）余压阀控制,方法：,通过手动或自动,调整余压阀上的平衡压块,，改变,余,压阀的阀门开度,，实现室内的压力控制,特点,：,余压阀安装简单，但长期使用后关闭不严；全关闭仍正压低于要求值时，余压阀对压差的控制将失效。,80,4.5.3,洁净室压差控制,（,3,）调节回（排）风阀,根据检测的室内压力值，通过调节回（排）风管上的电动阀开度，改变回（排）风量，而控制室内压力。,（,4,）差压变送器控制,（图,4-38,）,图,4-38,压差变送器自动控制系统,81,82,4.5.3,洁净室压差控制,（,5,）调节新风阀,（图,4-39,）,图,4-39,调节新风量和回风量控制正压,4.6,洁净室缓冲与隔离,1,、缓冲设施的设置场合,压差控制是防止将污染带进或带出洁净室的重要措施。但当,需要的压差值太大，不容易办到,时，就要,加,设辅助设施（,缓冲设施,），以防止将室外污染物带入室内，或者减少室内污染物发生量。,2,、常见的缓冲设施（四种）,（,1,）气闸室；,（,2,）缓冲室；,（,3,）空气吹淋室；,（,4,）传递窗,83,4.6,洁净室缓冲与隔离,2,、常见的缓冲设施,（,1,）气闸室,概念,：设置在洁净室入口，用以隔离室外或邻室污染气流并进行压差控制的小室。,特点,：,门联锁但不能同时开启；,对不送洁净风的气闸室，只能起缓冲作用，但不能有效防止外界污染物入侵；,设置场合,：设置在当两侧需要的压差太大而又难以达到的场合。,84,4.6,洁净室缓冲与隔离,2,、常见的缓冲设施,（,2,）缓冲室,概念,：,设于洁净室入口，门连锁但不能同时开启的洁净小室。,作用,：一方面可以防止污染物进入洁净室；另一方面具有补偿压差作用。,特点,：,相对于洁净室为负压，相对室外环境是正压；,属于,准洁净区域,，需进行适量的洁净送风,85,4.6,洁净室缓冲与隔离,2,、常见的缓冲设施,（,3,）空气吹淋室,概念,：,是进行人身净化和防止污染空气进入洁净区的装置,工作原理,：,利用喷嘴喷出的高速气流使衣服抖动起来，从而把衣服表面沾的尘粒吹掉,设置场合,：通常设置在洁净室人员的入口处。,分类,：,小室式和通道式,86,87,通道式吹淋室,小室式吹淋室,4.6,洁净室缓冲与隔离,2,、常见的缓冲设施,（,4,）传递窗,概念,：,是,洁净室内外与洁净室之间传递物件的开口装置,，设有两扇不能同时开启的门，它可以暂时隔断洁净室内外气流，防止污染物发生传播,设置,场合,：通常设置在不同级别的洁净区，以及洁净区和非洁净区之间的隔墙上。,分类,：四种（机械式，气闸室，灭菌,式和封闭可取式）,88,洁净室系统原理演示,89,洁净室系统原理演示,90,洁净室系统原理演示,91,4.7,洁净室流场数值模拟（自学）,4.7.1,洁净室流场数值模拟的意义,室内气流分布的影响因素,：,（,1,）洁净室几何形状；,（,2,）送风气流及其相关参数,送风口几何形状及结构特性参数；,送风气流参数（,T0,，,u0,）等；,（,3,）回风口的几何形状与结构特征参数,；,（,4,）送、回风口在洁净室内的布局及敷设方式,等。,92,4.7,洁净室流场数值模拟,4.7.1,洁净室流场数值模拟的意义,不同的,气流组织型式,及,送回风参数,条件下，室内污染源所散发的,颗粒物,在气流运动的作用下,会产生不同的运动,，也使洁净室有不同的净化效果。,数值模拟方法,可以模拟和预测洁净室内的各种流场（如气流速度、温度、湿度及有害物浓度场等），使人们直观感受可能出现的气流状况，从而确定最佳的空气净化方案，为洁净室的设计提供良好的参考。,93,4.7.2,洁净室流场数值模拟的主要步骤,数值模拟的环节构成：,1,、建立物理、数学模型,2,、网格划分,3,、设置计算边界条件,4,、数值算法求解,5,、结果可视化（如速度矢量图、温度分布图、,PMV,云图、,PPD,云图、压力分布图等）及结果分析,94,1,、建立物理模型,95,温度,(,),相对湿度,(%),房间面积,(m,2,),送风面积,(m,2,),风速,(m/s),最小新风量,(,次,/h),排风量（,m,3,/h),2225,5060,4045,2.4*2.6,0.250.30,6,100,表,4-7 I,级洁净手术室部分主要技术参数,按照,医院洁净手术部建设标准,规定,设计的某,I,级洁净手术室,，其主要技术参数如下（表,4-7,）,房间面积为特大型手术室的最小净面积；,风速为手术区工作台面高度界面平均风速,1,、建立物理模型,图,4-40,几何模型,1-,送风口,2-,手术床,3-,回风口,4-,排风口,96,根据,医院洁净手术部建设标准,规定，设计几何模型如图,4-40,所示：,房间尺寸,XYZ=8.0m3.0m6.0m,；,送风口,2.6m2.4m,；,两侧下回风，回风口,4.0m0.3m,，,底边离地,0.1m,；,排风口,0.4 m0.4m,；,手术台,1.8m0.6m0.8m,。,2,、建立数学模型,建立数学模型是为了对所研究的流动问题进行数学描述。,洁净室内空气的流体流动,通常用,不可压缩流体的粘性流动控制微分方程,来描述。因此，数值模拟中,最基本的数学物理模型,即为,粘性流体的,N-S,方程,。,采用稳态不可压缩,N-S,雷诺时均方程，用湍流涡粘度模型处理雷诺应力项，方程的封闭采用高雷诺数,-,模型。以及相应的假设条件。,97,3,、数值计算方法,由,N-S,方程建模获得的微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积法，有限差分法，有限元法等。,划分网格，选择算法。,98,4,、边界条件的处理,入口边界；出口边界；,壁面边界 屋顶、地板及内隔墙取绝热条件，外墙壁面取定热流边界条件，综合传热系数。,对气、固耦合问题，手术床等固体区域的粘性系数设为无穷大，气、固交界面空气流动取无滑移条件；手术床等壁面温度按绝热条件进行计算。,99,5,、结果：速度场、温度场,图,4-42 X,=4.0m断面速度等值线分布,图,4-41,X,=4.0m断面速度矢量分布,100,5,、结果：速度场、温度场,图,4-44 Y=0.4m,断面速度等值线分布,图,4-43,Y,=,0,.4,m断面速度矢量分布,101,5,、结果：速度场、温度场,图,4-46 Y=1.1m,断面速度等值线分布,图,4-45,Y,=,1.1,m断面速度矢量分布,102,5,、结果：速度场、温度场,图,4-48 Z=3.0m,断面速度等值线分布,图,4-47 Z,=,3.0,m断面速度矢量分布,103,5,、结果：速度场、温度场,图,4-50 Y=0.4m,断面温度等值线,图,4-49 X,=,4.0,m断面温度等值线,104,5,、结果：速度场、温度场,图,4-52 Z=3.0m,断面温度等值线,图,4-51 Y,=,1.1,m断面温度等值线,105,6,、结果分析,在主流区周围产生了较大涡流，手术床以下区域，由于回风影响，气流方向发生了明显的倾斜，手术床底部两侧出现了明显的流动旋涡，由此可见，除主流区外的其他区域无法保证单向流，其流态为非单相流。因此，排风对送风流场影响不大，在实际设计中应注意排风口与送风口间的距离和排风速度，以免产生气流短路的现象。,106,6,、结果分析,主流区温度最接近单向流送风温度。,由于送风量较大，除热源表面外，室内温度分布比较均匀。能够保证室内热舒适要求。,综合上述分析，可以认为局部集中送风方式对室内人员的热舒适不会造成负面影响，不会出现,“,吹冷风,”,的感觉。,107,洁净室系统原理演示,108,洁净室系统原理演示,109,洁净室系统原理演示,110,