用CFD方法優(yōu)化設(shè)計(jì)ISO5級(jí)(百級(jí))潔凈室
摘要：由于ISO5級(jí)(百級(jí))潔凈室運(yùn)行能耗較大，考慮到節(jié)能的必要性，本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)擬采用風(fēng)機(jī)過濾器單元(FFU)潔凈空調(diào)方案的ISO5級(jí)電子工業(yè)潔凈室進(jìn)行模擬，得出室內(nèi)氣流速度場，分析其性能，并通過理論公式計(jì)算所能達(dá)到的潔凈度。我們認(rèn)為結(jié)合潔凈室的具體用途，通過合理布置末端FFU送風(fēng)口位置及選擇回風(fēng)形式，以及選擇較高級(jí)別的末端過濾器，可以在滿布率較低時(shí)達(dá)到較高的潔凈度級(jí)別。利用CFD模擬技術(shù)可以為設(shè)計(jì)高效能的潔凈室系統(tǒng)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 潔凈室 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) 風(fēng)機(jī)過濾器單元 滿布率 節(jié)能
1 引言
潔凈室空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)典的方案是采用中央空調(diào)和三級(jí)過濾器集中送風(fēng)，通過大型風(fēng)道將已經(jīng)處理的空氣送至過濾器的接聯(lián)管道，然后經(jīng)高效空氣過濾器(HEPA Filter)或者超高效空氣過濾器(ULPA Filter)送到潔凈室。而另一種方案是采用室內(nèi)循環(huán)風(fēng)就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風(fēng)不能提供全部冷負(fù)荷的問題，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)過濾器單元來進(jìn)行空氣循環(huán)。每種方式各有一定的適用范圍，風(fēng)機(jī)過濾器單元(FFU)因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區(qū)域的潔凈度、占用空間較少等優(yōu)點(diǎn)得到越來越多的應(yīng)用，尤其適合于舊廠房的改造及技術(shù)更新較快的工程。雖然FFU系統(tǒng)成本較高，而從綜合投資角度，分析認(rèn)為采用FFU方式在末端過濾器鋪設(shè)率為25%-30%時(shí)較為有利【1】。
ISO5級(jí)(百級(jí))潔凈室屬于潔凈室用暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風(fēng)方式，運(yùn)行能耗較大。有關(guān)潔凈室運(yùn)行費(fèi)用的文獻(xiàn)指出，在某些歐洲國家，能源消耗的費(fèi)用已占潔凈室運(yùn)行、維護(hù)年度總費(fèi)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(diào)系統(tǒng)如何有效地向潔凈室分布經(jīng)過凈化和溫濕度調(diào)節(jié)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，布置末端過濾器、回風(fēng)口、減少送風(fēng)量以便節(jié)能是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
另外國外對(duì)一些ISO5級(jí)潔凈室實(shí)測數(shù)據(jù)表明，大部分換氣次數(shù)遠(yuǎn)低于建議的下限值【2】，而在設(shè)計(jì)中存在系統(tǒng)風(fēng)量過大的傾向，這可能與對(duì)氣流缺乏了解，擔(dān)心系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的保守思想有關(guān)，說明提高節(jié)省能源的機(jī)會(huì)確實(shí)存在。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)自身的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)和潔凈室等工程領(lǐng)域，通過計(jì)算機(jī)求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動(dòng)區(qū)域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細(xì)分布情況，是一種較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。其優(yōu)勢在于利用CFD技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬可以在施工前發(fā)現(xiàn)失誤并及時(shí)更正，避免經(jīng)濟(jì)損失;可以迅速發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的可能性;另外，通過模擬可以得到一系列運(yùn)行的備選方案，以便在尋找最經(jīng)濟(jì)方案時(shí)有所依據(jù)。
本文利用CFD軟件，對(duì)擬采用FFU凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5級(jí)潔凈室進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通過幾個(gè)設(shè)計(jì)方案相比較，利用所得到的速度場，分析評(píng)價(jià)其性能，利用理論計(jì)算驗(yàn)證其平衡態(tài)的潔凈度，并提出一些應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
2 數(shù)值模擬及分析
2.1 數(shù)學(xué)模型
從流動(dòng)的雷諾數(shù)Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動(dòng)滿足連續(xù)性方程，動(dòng)量方程和能量方程。對(duì)于工程問題，我們不需要關(guān)心紊流的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其瞬時(shí)變化，而只關(guān)心紊流隨機(jī)變量的有關(guān)平均值，因此，本文采用數(shù)值計(jì)算三類方法中雷諾時(shí)均方程中的紊流粘性系數(shù)法，流動(dòng)模型采用暖通空調(diào)廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動(dòng)能與紊流動(dòng)能耗散率的輸運(yùn)方程得到紊流粘性系數(shù)。
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(kuò)散系數(shù)(kg/ms)， Sφ是源項(xiàng)，Φ代表1，u, v, w, k,ε中的一項(xiàng)，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(xù)性方程。
邊界條件：墻體邊界設(shè)為無滑移邊界條件。送風(fēng)邊界條件，送風(fēng)速度取過濾器面風(fēng)速平均值，速度方向豎直向下?；仫L(fēng)邊界條件，回風(fēng)口滿足充分發(fā)展段紊流出口模型。由于室內(nèi)熱負(fù)荷較小，不考慮溫度浮升效應(yīng)對(duì)氣流的影響。采用混合迎風(fēng)差分格式對(duì)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(jì)算結(jié)果分析
方案一將風(fēng)機(jī)過濾器單元(規(guī)格為1.2m×1.2m)成條型居中布置于天花板，滿布比在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(jì)算得到氣流流場示于圖3，由于送風(fēng)口在Y方向呈對(duì)稱布置，圖中只給出一半流場。從圖中可見，在送風(fēng)口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風(fēng)口至墻體范圍內(nèi)有較大的渦流區(qū)，則主流區(qū)范圍減少，不能使全室工作區(qū)達(dá)到較高級(jí)別。同時(shí)粒子也會(huì)被卷吸進(jìn)入主流區(qū)，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。
方案二將FFU(規(guī)格為1.2m×1.2m)散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風(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，氣流流場分布如圖4。模擬計(jì)算顯示，對(duì)于均勻布置FFU方案，工作區(qū)1.2m及0.8m高度斷面平均風(fēng)速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風(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(qū)，但在工作區(qū)0.8m-1.2 m范圍內(nèi)已形成豎直向下的流線，時(shí)均流線平行較好，由于此潔凈室產(chǎn)熱量較小，熱氣流對(duì)流線影響可忽略，不會(huì)產(chǎn)生逆向污染，因此上部的渦流不會(huì)對(duì)主流區(qū)產(chǎn)生影響?？諝庵械奈⒘Ｔ谥亓ΑT性和擴(kuò)散三種作用力下運(yùn)動(dòng)速度和位移是微小的，直徑在1μm時(shí)，微粒跟隨氣流運(yùn)動(dòng)的速度和氣流速度相差不會(huì)大于10-3【3】。此設(shè)計(jì)中新風(fēng)處理機(jī)組設(shè)三級(jí)過濾器，F(xiàn)FU中過濾器為U15≥99.9995%@MPPS，直徑>1μm的微?？梢暈榱悖虼?，工作區(qū)產(chǎn)生的微粒能完全跟隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，直接排出潔凈室。
當(dāng)進(jìn)一步減小滿布比時(shí)模擬計(jì)算可知，除送風(fēng)口正下方—定區(qū)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(gè)從天花板到地面貫通的巨大渦流區(qū)，污染物極易被卷吸進(jìn)入渦流區(qū)內(nèi)而不易排出。
經(jīng)過模擬計(jì)算及分析，我們認(rèn)為在送風(fēng)口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風(fēng)，過濾器面風(fēng)速在0.45m/s，相應(yīng)換氣次數(shù)為147次/小時(shí)，由于FFU可達(dá)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?yàn)槿绻捎脗?cè)墻下側(cè)回風(fēng)，就會(huì)在潔凈室中間下部區(qū)域形成較大的渦流三角區(qū)【5】，因此，潔凈室內(nèi)能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區(qū)內(nèi)能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(xiàn)渦旋，因此在布置設(shè)備時(shí)，應(yīng)避免將設(shè)備靠墻壁布置，而應(yīng)留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時(shí)應(yīng)加以注意的。另外，此設(shè)計(jì)中雖然不能形成如傳統(tǒng)滿布高效過濾器送風(fēng)口而形成的全室平行氣流，但美國標(biāo)準(zhǔn)IES-RP-CC012.1【6】中已認(rèn)為ISO5級(jí)潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。
3 理論計(jì)算潔凈度
潔凈室的潔凈度級(jí)別由通風(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)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(nèi)污染源。對(duì)于電子廠房室內(nèi)污染源主要是工作人員的產(chǎn)塵，而設(shè)備產(chǎn)塵很小可忽略不計(jì)。從潔凈室排出的粒子有回風(fēng)帶出及由于室內(nèi)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)過濾器效率;ηrec，回風(fēng)過濾器效率;S，室內(nèi)污染源，粒/秒;ε,通風(fēng)效率。
新風(fēng)預(yù)過濾器為F5(η=55%)，中效過濾器為F9(η=95%)，高效過濾器為H12(η=99.5%)，F(xiàn)FU中過濾器為U15(η≥99.9995%@MPPS);新風(fēng)含塵濃度天津地區(qū)取為3×107粒/m3 (≥0.5μm);身著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(shè)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(jì)算得出此設(shè)計(jì)的潔凈室穩(wěn)定含塵濃度為2857粒/m3(即81粒/ft3)，達(dá)到ISO5級(jí)100粒/ft3的設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié)論
通過本文的研究可得到如下結(jié)論：
1)針對(duì)電子廠房潔凈室發(fā)塵量較低，室內(nèi)人員較少，熱負(fù)荷較小的情況，通過選擇級(jí)別較高的過濾器，合理布置末端高效過濾器的位置，回風(fēng)方式后，即使設(shè)計(jì)的室內(nèi)換氣次數(shù)、斷面平均風(fēng)速低于規(guī)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。
2)CFD是一種較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，結(jié)合工程實(shí)際情況，借助模擬工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)是必然趨勢。
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