摘 要: 利用CFD 方法對擬采用風(fēng)機(jī)過濾器單元(FFUs)潔凈空調(diào)方案的百級潔凈車間進(jìn)行模擬, 得出室內(nèi)氣流速度場, 分析其性能, 通過理論公式計算所能達(dá)到的潔凈度。認(rèn)為通過合理布置末端FFU 送風(fēng)口位置及選擇回風(fēng)形式, 以及選用較高級別的末端過濾器, 可以在FFU 滿布率較低時達(dá)到較高的潔凈度級別。
關(guān)鍵詞: 計算流體動力學(xué)(CFD);潔凈車間;風(fēng)機(jī)過濾器單元;滿布率
1 引言
隨著計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)自身的發(fā)展, 其已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)和潔凈車間等工程領(lǐng)域。通過計算機(jī)求解流體所遵循的控制方程, 可以獲得流動區(qū)域的流速、溫度、組分、濃度等物理量的詳細(xì)分布情況。本文利用CFD 軟件, 對采用風(fēng)機(jī)過濾器單元凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5 級潔凈車間進(jìn)行計算機(jī)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(tài)的潔凈度, 并提出一些應(yīng)用中的注意事項,為實際工程應(yīng)用提供參考。最后通過實地現(xiàn)場測試, 證明減少末端高效過濾器的個數(shù)同樣可以得到較高的潔凈車間級別, 并滿足動態(tài)工作的要求。
2 數(shù)值模擬及分析
2.1 數(shù)學(xué)模型
從流動的雷諾數(shù)來考慮, 潔凈車間的氣流均為紊流[ 1] , 空氣的流動滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。對于工程問題, 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, 本文采用雷諾時均方程紊流粘性系數(shù)法, 流動模型采用暖通空調(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能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數(shù)。
控制方程的通用形式[ 2] :
S Φ———源項
Φ=1 時通用方程變?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;回風(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(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, 滿布比為25 %, 回風(fēng)采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)口。物理模型如圖1 所示。經(jīng)模擬計算得到氣流流場如圖2 所示(由于送風(fēng)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(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), 主流區(qū)范圍減少, 不能使全室工作區(qū)達(dá)到較高級別。同時粒子也會被卷吸進(jìn)入主流區(qū), 排除污染物的路徑增長, 增加污染的可能性。
方案二將同樣規(guī)格的風(fēng)機(jī)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(fēng)速為0 .45 m/s , 回風(fēng)仍采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)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(jié)果可知, 對于均勻布置的風(fēng)機(jī)過濾器單元方案, 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 .2m 范圍內(nèi)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(chǎn)熱量較小, 熱氣流對流線影響可忽略, 不會產(chǎn)生逆向污染, 因此上部的渦流不會對主流區(qū)產(chǎn)生影響??諝庵械奈⒘T谥亓?、慣性和擴(kuò)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(shè)計中新風(fēng)處理機(jī)組設(shè)三級過濾器,風(fēng)機(jī)過濾器單元中過濾器為U 1 5 , 效率≥99 .9995 %@MPPS , 直徑>1μm 的微??梢暈榱?。
因此, 工作區(qū)產(chǎn)生的微粒能完全跟隨氣流一起運動, 直接排出潔凈車間。
當(dāng)進(jìn)一步減小滿布比時由模擬計算可知, 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)而不易排出。
經(jīng)過模擬計算及分析, 認(rèn)為在送風(fēng)口滿布比為25 %, 均勻分布風(fēng)機(jī)過濾器單元, 采用全地面均勻散布穿孔板回風(fēng), 過濾器面風(fēng)速為0 .45m/s ,相應(yīng)換氣次數(shù)為147 次/h , 由于風(fēng)機(jī)過濾器單元可達(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, 若采用側(cè)墻下側(cè)回風(fēng), 就會在潔凈車間下部區(qū)域形成較大的渦流三角區(qū)[ 3] , 因此潔凈車間內(nèi)能形成比較合理的氣流流形, 在主流區(qū)內(nèi)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(這是潔凈車間施工完畢、開始投入使用時應(yīng)加以注意的)。另外, 此設(shè)計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, 但美國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(IEST)的標(biāo)準(zhǔn)IES -RP -CC012 .1 中已認(rèn)
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(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定, 可以通過數(shù)學(xué)公式對其進(jìn)行計算。根
據(jù)粒子平衡理論, 進(jìn)入潔凈車間的粒子有由室外新風(fēng)帶入、循環(huán)空氣帶入及由室內(nèi)污染源產(chǎn)生的粒子。對于電子廠房室內(nèi)污染源主要是指工作人員的產(chǎn)塵, 而設(shè)備產(chǎn)塵很少可忽略不計。從潔凈車間排出的粒子有由回風(fēng)帶出及由于室內(nèi)正壓而滲出的粒子, 可得方程如下[ 5] :
新風(fēng)預(yù)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(fēng)機(jī)過濾器單元中過濾器為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時產(chǎn)塵量為1 ×104 粒/(s·人)(≥0 .5μm);設(shè)同時有3 人在工作;通風(fēng)效率取為90 %;新風(fēng)比為4 .5 %。計算得出此設(shè)計的潔凈車間穩(wěn)定含塵濃度為2857 粒/m3(即81 粒/ft3), 達(dá)到ISO5 級100粒/ft3 的設(shè)計要求(經(jīng)現(xiàn)場測試表明實際潔凈度級別符合ISO5 級要求)。
4 節(jié)能比較
在滿足潔凈度要求的前提下, 與按常規(guī)設(shè)計方式———全頂棚送風(fēng)地板格柵回風(fēng)進(jìn)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(jié)果見表1 。按常規(guī)頂棚滿布高效過濾器設(shè)計, 如果使用風(fēng)機(jī)過濾器單元系統(tǒng)則其能耗約為此設(shè)計中典型風(fēng)機(jī)過濾器單元系統(tǒng)的2 .3倍, 可見低滿布比風(fēng)機(jī)過濾器單元系統(tǒng)在保證潔凈度的條件下節(jié)能效果明顯。
5 結(jié)論
本文標(biāo)簽:潔凈車間